Pekeris水聲波導(dǎo)環(huán)境中聲壓信號(hào)采樣時(shí)段對(duì)船舶聲源級(jí)評(píng)定的影響研究

鄒明松, 劉樹(shù)曉

(1.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無(wú)錫 214082； 2.深海載人裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214082；3.船舶振動(dòng)噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214082)

在實(shí)際海洋水聲環(huán)境中，如何科學(xué)地評(píng)定一艘船舶的水下輻射噪聲量值是工程中十分關(guān)注的、存在一定爭(zhēng)議的問(wèn)題，是一個(gè)較為復(fù)雜的聲學(xué)問(wèn)題，涉及到海洋背景下的信噪比、船舶周圍的近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)聲分布、聲壓信號(hào)的采集與處理方法、船舶所處的海洋環(huán)境水聲傳播規(guī)律以及船舶航速和潛深等諸多因素。國(guó)內(nèi)外建有一批各具特色的船舶水下輻射噪聲測(cè)試試驗(yàn)場(chǎng)及配有相應(yīng)的測(cè)試規(guī)程，采用單水聽(tīng)器、線陣等方式測(cè)試評(píng)定船舶的輻射噪聲[1-2]。當(dāng)采用單水聽(tīng)器測(cè)試時(shí)，如何選取聲壓信號(hào)的采樣時(shí)段對(duì)聲源級(jí)的換算評(píng)定有較顯著影響，國(guó)內(nèi)外并無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。目前，為便于工程上的實(shí)際操作，在實(shí)船測(cè)試中往往截取信號(hào)能量最強(qiáng)的特定長(zhǎng)度(如8 s左右)的聲壓時(shí)域測(cè)試數(shù)據(jù)，通過(guò)Fourier變換獲取與該時(shí)間段對(duì)應(yīng)的輻射噪聲頻譜，再換算出聲源級(jí)。這種測(cè)試處理方式是工程經(jīng)驗(yàn)性的，其科學(xué)性如何，并無(wú)較強(qiáng)的理論根據(jù)，更沒(méi)有通過(guò)仿真計(jì)算進(jìn)行過(guò)規(guī)律性的定量分析和總結(jié)。整體而言，這是一個(gè)需要通過(guò)計(jì)算研究去指導(dǎo)工程操作、優(yōu)化工程操作的問(wèn)題，是一個(gè)值得關(guān)注和探討的問(wèn)題，但目前未見(jiàn)有深入的研究和報(bào)道。

國(guó)內(nèi)已具備開(kāi)展復(fù)雜船舶結(jié)構(gòu)流固耦合振動(dòng)與水下聲輻射大規(guī)模仿真計(jì)算的能力[3-4]，這為針對(duì)上述問(wèn)題開(kāi)展計(jì)算研究提供了很好的基礎(chǔ)。特別是近年來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)海洋水聲環(huán)境對(duì)船舶周圍的輻射聲場(chǎng)存在不可忽略的影響，將浮體結(jié)構(gòu)水中聲輻射的計(jì)算研究，從無(wú)界理想聲介質(zhì)環(huán)境拓展到近似考慮水面和水底邊界影響的聲場(chǎng)環(huán)境[5-6]。Zou等[7-8]將船舶三維水彈性力學(xué)理論與水聲信道理論相結(jié)合，建立了船舶三維聲彈性理論，為開(kāi)展海洋水聲環(huán)境中船舶流固耦合振動(dòng)、聲輻射與聲傳播的統(tǒng)一分析提供了一種前所未有的方法，且理論上具有較廣泛的適用性。在船舶三維聲彈性理論基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出的THAFTS-Acoustic軟件，其準(zhǔn)確性和實(shí)用性經(jīng)過(guò)數(shù)值算例與試驗(yàn)的多重考核驗(yàn)證，已經(jīng)可以方便地實(shí)現(xiàn)Pekeris水聲波導(dǎo)環(huán)境中船舶流固耦合振動(dòng)、聲輻射與聲傳播的集成計(jì)算[9]。

Pekeris水聲波導(dǎo)模型是一種較常用的淺海水聲環(huán)境模型，能夠較好地反應(yīng)淺海水聲環(huán)境的特點(diǎn)。因此，采用現(xiàn)有的船舶三維聲彈性計(jì)算方法及THAFTS-Acoustic軟件，能夠計(jì)及海面和海底邊界的影響，對(duì)淺海中的實(shí)船測(cè)試問(wèn)題進(jìn)行較準(zhǔn)確的仿真計(jì)算，為本文中所述問(wèn)題的研究提供了優(yōu)良的基礎(chǔ)。本文正是采用該理論方法和軟件，進(jìn)行建模計(jì)算，首次探討了淺海Pekeris水聲波導(dǎo)環(huán)境中用正橫方向的觀察點(diǎn)獲取船舶在機(jī)械激勵(lì)下的輻射噪聲聲源級(jí)時(shí)，聲壓信號(hào)采樣時(shí)間段的影響規(guī)律；首次以定量數(shù)值計(jì)算結(jié)果為支撐，給出了有助于更全面地獲取船舶輻射噪聲頻譜特征及使得觀察結(jié)果更加穩(wěn)定的聲壓信號(hào)采樣時(shí)段選取的指導(dǎo)性建議。

1 計(jì)算模型和水聲環(huán)境

假定觀察點(diǎn)位于船體舷側(cè)，離船體軸線的距離小于船長(zhǎng)，相對(duì)空間固定坐標(biāo)系靜止。當(dāng)船舶以航速U勻速沿直線航行時(shí)，觀察點(diǎn)相對(duì)于船舶以速度U反方向運(yùn)動(dòng)，觀察點(diǎn)處的聲壓也隨著船舶的運(yùn)動(dòng)而變化。在淺水環(huán)境中，船體周圍的聲場(chǎng)分布與船內(nèi)激勵(lì)源分布、船體各部分聲輻射效率和海底、海面聲反射等因素密切相關(guān)。往往在船舶艏部、中部、艉部區(qū)域的聲場(chǎng)分布并不相同，選取不同時(shí)間段的聲壓信號(hào)(對(duì)應(yīng)觀察點(diǎn)相對(duì)船體的不同空間位置)換算出的聲源級(jí)也將是不同的。如何選取時(shí)間信號(hào)，能夠較全面的反映船舶的輻射噪聲頻譜特征和噪聲級(jí)量值水平，將是本文要探討的內(nèi)容。

圖1 單層殼船體結(jié)構(gòu)計(jì)算模型Fig.1 Computational model of the single shell ship structure

圖2 由3臺(tái)典型機(jī)械設(shè)備引起的激勵(lì)力譜Fig.2 Excitation force spectra induced by three typical mechanical equipments

采用表1所示參數(shù)的Pekeris水聲波導(dǎo)計(jì)算環(huán)境(見(jiàn)圖3)，分析選取不同采樣時(shí)段的聲壓信號(hào)對(duì)船舶聲源級(jí)評(píng)定的影響。表中海底聲學(xué)參數(shù)的取值與某淺海海域的聲學(xué)參數(shù)較接近，聲波垂直入射到海底時(shí)的聲反射系數(shù)為0.465 2。表中的潛深是指船體重心離水面的距離。

圖3 具有壓力釋放海面和可透聲液體海底的Pekeris波導(dǎo)Fig.3 Pekeris waveguide with boundary release sea surface and liquid seabed allowing sound transmission

水深潛深海水密度ρ0海水聲速c0海底密度ρ1海底聲速c165m30m1025kg/m31500m/s2600kg/m31620m/s

2 計(jì)算分析的基本方法

圖1中的模型以6 kn速度沿直線航行，在左舷設(shè)置兩個(gè)固定不動(dòng)的觀察場(chǎng)點(diǎn)，離船體軸線的距離分別為0.5L和0.8L，且都在船體縱軸線所處的水平面內(nèi)，見(jiàn)圖4所示，其中的3個(gè)圓點(diǎn)對(duì)應(yīng)圖2所示的3個(gè)集中力作用點(diǎn)。從相對(duì)運(yùn)動(dòng)的角度進(jìn)行分析，可將船看成靜止，觀察點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，整個(gè)聲壓信號(hào)是在一條直線段上測(cè)得的，直線段上的每一點(diǎn)具有相對(duì)于船體的不同空間位置，如圖4中的“1號(hào)觀察點(diǎn)相對(duì)平移線”和“2號(hào)觀察點(diǎn)相對(duì)平移線”。

圖4 相對(duì)運(yùn)動(dòng)觀察點(diǎn)對(duì)應(yīng)的計(jì)算工況示意圖Fig. 4 A sketch of the computation cases corresponding to the observation points for relative motion

采用表1中的環(huán)境參數(shù)，使用THAFTS-Acoustic軟件計(jì)算出觀察點(diǎn)相對(duì)平移線上各場(chǎng)點(diǎn)的頻域聲壓結(jié)果?？紤]到觀察點(diǎn)的位置相對(duì)于船舶在移動(dòng)，在每一個(gè)采樣時(shí)刻，必須采取觀察點(diǎn)到新位置x-Ut處該時(shí)刻的聲壓值，因此，有必要將頻域聲壓的幅值與相位譜轉(zhuǎn)化到時(shí)域中，此時(shí)的聲壓公式為

cos{ωnt+arg[p(x-Ut,y,z,ωn)]}

(1)

式中：t為時(shí)間；U為船舶航速；(x-Ut,y,z)為觀察點(diǎn)的空間坐標(biāo)，相對(duì)于隨船運(yùn)動(dòng)的平衡坐標(biāo)系，它隨時(shí)間t變化；p(x-Ut,y,z,ωn)為空間坐標(biāo)(x-Ut,y,z)點(diǎn)處角頻率ωn處的聲壓譜值，由激勵(lì)力譜與聲輻射傳遞函數(shù)相乘得到；Δω=ωn+1-ωn；arg[]為取相位角。

本文選取聲壓最強(qiáng)的時(shí)間段換算輻射噪聲級(jí)(這是實(shí)船測(cè)試中較常采用的方法)，先考慮取該時(shí)間段為8 s?？偟臅r(shí)域計(jì)算的區(qū)間為0～81 s，相當(dāng)于船舶移動(dòng)了250 m。計(jì)算(tn～tn+8)時(shí)間段內(nèi)的聲壓均方根值，其中tn=0,1,…，73，通過(guò)比較聲壓均方根值的大小，確定用于換算輻射噪聲級(jí)的tn取值。再通過(guò)加窗Fourier變換并結(jié)合重疊平均的韋爾奇(Welch)方法計(jì)算功率譜，得出頻域內(nèi)的聲壓譜值，再轉(zhuǎn)化成距船體軸線1 m遠(yuǎn)處的聲源級(jí)(聲壓參考值為1×10-6Pa)。

3 不同的8 s采樣時(shí)段對(duì)換算聲源級(jí)的影響

圖5給出了兩個(gè)觀察點(diǎn)處的時(shí)域聲壓曲線。圖6給出了不同8 s長(zhǎng)時(shí)間段對(duì)應(yīng)的聲壓均方根值(其中縱坐標(biāo)表示的聲壓均方根值已相對(duì)最大值作了歸一化)，可用于確定換算輻射噪聲級(jí)的tn取值。綜合考慮圖6所示的兩個(gè)觀察點(diǎn)的聲壓均方根曲線之后，確定選取tn=28、35、39，亦即28～36 s、35～43 s和39～47 s這3個(gè)時(shí)間段信號(hào)，通過(guò)Fourier變換計(jì)算聲壓頻譜，轉(zhuǎn)化成距船體軸線1 m遠(yuǎn)處的聲源級(jí)，結(jié)果如圖7所示?？梢?jiàn)：取不同8 s時(shí)間段信號(hào)換算出的聲源級(jí)存在一定差異；圖中A、B、C3個(gè)峰值處的差異也較明顯，最大達(dá)到7.4～8.0 dB；且不同時(shí)間段對(duì)應(yīng)的最高峰值頻率也不同，說(shuō)明考察船舶噪聲時(shí)，如選定較固定的8 s時(shí)間段(觀察點(diǎn)相對(duì)移動(dòng)位置較固定)，則給出的噪聲級(jí)頻譜可能會(huì)漏掉實(shí)際存在的較顯著的峰值特征。

圖5 離船體軸線不同距離的觀察點(diǎn)的時(shí)域聲壓曲線Fig. 5 Time domain sound pressure curves at observation points with various distance from the axis of the hull

圖6 兩個(gè)觀察點(diǎn)在不同8 s時(shí)間段內(nèi) (a)離船體軸線距離為0.5L的觀察點(diǎn) (b)離船體軸線距離為0.8L的觀察點(diǎn) 的聲壓均方根曲線 換算出的聲源級(jí) 換算出的聲源級(jí)Fig. 6 Sound pressure rms values of 8 s time 圖7 不同8 s時(shí)間段換算出的聲源級(jí)結(jié)果 intervals at two observation points Fig. 7 Sound source level transformed from various 8 s time intervals

4 采樣長(zhǎng)度對(duì)聲源級(jí)換算的影響

6 kn航速下，對(duì)一艘70余米長(zhǎng)的船，8 s時(shí)間的運(yùn)動(dòng)段長(zhǎng)度一般在1/3船長(zhǎng)左右。本算例中，III艙與VII艙之間激勵(lì)源的空間距離約為0.55倍的船長(zhǎng)，船體聲輻射對(duì)應(yīng)的聲源特征長(zhǎng)度(指對(duì)輻射噪聲起主要貢獻(xiàn)的船體濕表面的跨度，與船長(zhǎng)、船體不同部位結(jié)構(gòu)強(qiáng)弱、船內(nèi)激勵(lì)源分布以及頻率等因素有關(guān))可認(rèn)為介于0.55～1倍的船長(zhǎng)之間。因此，只取一個(gè)8 s時(shí)間對(duì)應(yīng)的空間跨距不能覆蓋到聲源特征長(zhǎng)度，該時(shí)間段內(nèi)的聲壓信號(hào)不能準(zhǔn)確反映整船的輻射噪聲特征。28～36 s、35～43 s和39～47 s 3個(gè)時(shí)間段的噪聲頻率分布存在差異，如僅取其中的一段，因采樣時(shí)段較短，將漏掉有的頻率上的噪聲級(jí)高峰，不利于掌握該船的實(shí)際輻射噪聲狀態(tài)。將這3個(gè)采樣時(shí)段對(duì)應(yīng)的觀察點(diǎn)空間位置疊加在一起，能覆蓋到約0.8倍的船長(zhǎng)，用它評(píng)定船舶噪聲級(jí)時(shí)，有望給出一個(gè)在頻譜上能較全面反映整船特征的結(jié)果。因此，可用如下兩種方法改進(jìn)采樣長(zhǎng)度效果：①擴(kuò)展聲壓信號(hào)的采樣時(shí)間段長(zhǎng)度，對(duì)應(yīng)的空間長(zhǎng)度最好能接近聲源的特征長(zhǎng)度(如取15 s采樣長(zhǎng)度，對(duì)應(yīng)2/3船長(zhǎng))；②在實(shí)船測(cè)試中選取多個(gè)聲壓均方根值較大的時(shí)間段(對(duì)應(yīng)不同的空間方位)，將各時(shí)間段換算出的聲壓譜進(jìn)行能量平均后再換算聲源級(jí)。

首先嘗試第①種方法。將采樣的聲壓信號(hào)長(zhǎng)度擴(kuò)大到15 s，采用第2節(jié)中的方法計(jì)算不同15 s長(zhǎng)度時(shí)間段內(nèi)的聲壓均方根值，以確定具體選取的時(shí)間段。根據(jù)圖8，選取其中聲壓均方根值較大的3個(gè)時(shí)間段，分別是25～40 s、31～46 s和37～52 s，換算成聲源級(jí)，結(jié)果如圖9所示。可見(jiàn)：3個(gè)15 s時(shí)間段信號(hào)換算出的聲源級(jí)仍存在一定差異；其中C峰值處“時(shí)間段25～40 s”和“時(shí)間段37～52 s”對(duì)應(yīng)的聲源級(jí)差異達(dá)7.3～7.9 dB；另一方面，由于截取時(shí)間的加長(zhǎng)，各段的重合部分也增加，圖中3個(gè)時(shí)間段對(duì)應(yīng)的聲源級(jí)曲線其吻合度較圖7中的為好；“時(shí)間段31～46 s”聲源級(jí)曲線在A、B、C3處都能相對(duì)較好地體現(xiàn)峰值特征，這一時(shí)間段對(duì)應(yīng)的空間位置靠近船體中部，相對(duì)能較好的覆蓋到船體的主要聲輻射面。圖7中的3個(gè)時(shí)間段對(duì)應(yīng)的聲源級(jí)曲線，沒(méi)有一個(gè)能較完整的反映A、B、C3處的峰值特征；這是因?yàn)閷?duì)該3處峰值起主要貢獻(xiàn)的激勵(lì)源和輻射面在艇體的不同部位，而8 s時(shí)間段對(duì)應(yīng)的觀察點(diǎn)空間長(zhǎng)度，無(wú)法全面有效地覆蓋到主要的激勵(lì)源和輻射面。將采樣信號(hào)長(zhǎng)度增大為15 s后，觀察點(diǎn)對(duì)應(yīng)的空間跨度已可有效地覆蓋到主要的激勵(lì)源和輻射面。因此，從反映主要峰值特征而言，截取31～46 s時(shí)間段信號(hào)換算聲源級(jí)是較合適的。

圖8 兩個(gè)觀察點(diǎn)在不同15 s時(shí)間 (a)離船體軸線距離為0.5L的 (b)離船體軸線距離為0.8L的 段內(nèi)的聲壓均方根曲線 觀察點(diǎn)換算出的聲源級(jí) 觀察點(diǎn)換算出的聲源級(jí)Fig. 8 Sound pressure rms values of 15 s time 圖9 不同15 s時(shí)間段換算出的聲源級(jí)結(jié)果 intervals at two observation points Fig. 9 Sound source level transformed from various 15 s time intervals

再嘗試第②種方法。28～36 s、35～43 s和39～47 s 3個(gè)8 s時(shí)間段疊加覆蓋的空間位置與31～46 s這一15 s時(shí)間段覆蓋的空間位置接近。因此，將該3個(gè)8 s時(shí)間段平均換算出的聲源級(jí)與31～46 s時(shí)間段換算出的聲源級(jí)進(jìn)行比對(duì)，如圖10所示。可見(jiàn)：兩組聲源級(jí)曲線幾乎完全重合。從理論基礎(chǔ)和時(shí)頻轉(zhuǎn)化的具體算法而言，擴(kuò)大時(shí)間段換算聲源級(jí)與多個(gè)不同時(shí)間段平均換算聲源級(jí)具有相同的機(jī)理，可以說(shuō)兩者是等效的。

(a)觀察點(diǎn)離船體軸線距離為0.5L

(b)觀察點(diǎn)離船體軸線距離為0.8L圖10 3個(gè)8 s時(shí)間段平均與15 s時(shí)間段換算出的聲源級(jí)結(jié)果比對(duì)Fig. 10 Sound source levels: three 8 s time intervals averaging vs 15 s time interval

表2 截取不同時(shí)間段聲壓信號(hào)計(jì)算出的相對(duì)總聲源級(jí)結(jié)果

5 結(jié) 論

本文基于由一個(gè)7個(gè)艙室組成的實(shí)尺度單層殼船體聲彈性計(jì)算模型，利用Pekeris水聲波導(dǎo)環(huán)境中的船舶三維聲彈性軟件模塊，模擬實(shí)船測(cè)試狀態(tài)，計(jì)算分析了在3個(gè)典型機(jī)械激勵(lì)力譜作用下，選取觀察點(diǎn)不同采樣時(shí)段聲壓信號(hào)對(duì)船舶聲源級(jí)評(píng)定影響的部分規(guī)律，給出如下可為實(shí)船噪聲級(jí)評(píng)定測(cè)試服務(wù)的建議：

淺水環(huán)境下，在船體舷側(cè)水平方向單點(diǎn)測(cè)試聲壓，選取其中最強(qiáng)的時(shí)間段信號(hào)換算聲源級(jí)，該方法在工程上具有較強(qiáng)的可操作性。但也會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題，如選取較固定的8 s時(shí)間段(觀察點(diǎn)相對(duì)移動(dòng)空間位置較固定)，其覆蓋的范圍只有約1/3船長(zhǎng)，而船內(nèi)主要激勵(lì)源的分布長(zhǎng)度或者船體主要聲輻射面的長(zhǎng)度很可能超過(guò)這個(gè)距離，給出的噪聲級(jí)頻譜可能會(huì)漏掉實(shí)際存在的較顯著的峰值特征，個(gè)別峰值相差能達(dá)到8 dB。通過(guò)本文研究，建議實(shí)船測(cè)試時(shí)采用聲壓信號(hào)最強(qiáng)的15 s時(shí)間段(或者是觀察點(diǎn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度達(dá)到2/3船長(zhǎng)左右)來(lái)?yè)Q算聲源級(jí)，或者是采用多個(gè)聲壓較強(qiáng)的不同8 s時(shí)間段(對(duì)應(yīng)觀察點(diǎn)相對(duì)船體的不同空間部位)平均換算聲源級(jí)；具體試驗(yàn)時(shí)，可以通過(guò)左右舷分別測(cè)試、多個(gè)有效航次平均的方法，提高結(jié)果的穩(wěn)定性。

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