海洋波導(dǎo)環(huán)境對(duì)航行器噪聲測(cè)量影響的研究

徐 賀, 孔德義, 錢玉潔

(1.中國科學(xué)院 合肥物質(zhì)科學(xué)研究院,安徽 合肥 230031; 2.中國科學(xué)院智能機(jī)械研究所 傳感器技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230031; 3.中國科學(xué)院智能機(jī)械研究所 安徽省仿生感知與先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230031; 4.河海大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院,江蘇 常州 213022)

0 引 言

水下航行器對(duì)維護(hù)我國海洋權(quán)益的重要性不言而喻,而輻射噪聲作為航行器重要性能指標(biāo)[1-2],準(zhǔn)確測(cè)量其輻射噪聲大小不僅可以檢測(cè)設(shè)備性能,還能為改進(jìn)航行器的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。然而目前對(duì)于海洋波導(dǎo)環(huán)境給測(cè)量帶來的影響卻研究較少。文獻(xiàn)[3]研究了用垂直陣和單水聽器測(cè)量水下目標(biāo)噪聲的誤差分析和修正方法,給出了在波導(dǎo)環(huán)境中測(cè)量水下目標(biāo)輻射噪聲的誤差范圍并提出修正方法;文獻(xiàn)[4]研究了陣列的測(cè)量高度和海底處堆積物對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響;文獻(xiàn)[5]研究了聲源聲聚焦對(duì)輻射噪聲測(cè)量誤差的分析。這些因素對(duì)測(cè)量結(jié)果究竟影響多大,修正量值為多少尚不得而知。因此本文進(jìn)行海洋環(huán)境對(duì)水下航行器噪聲測(cè)量影響的研究,通過研究不僅可以為水下航行器噪聲實(shí)際測(cè)量結(jié)果誤差的修正提供依據(jù),也可以為航行器測(cè)量環(huán)境和測(cè)量方式的選擇提供參考。

1 水下航行器的仿真

眾所周知,水下航行器是大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)體,其內(nèi)部裝載了很多設(shè)備、管件以及連接體,各個(gè)設(shè)備的復(fù)雜振動(dòng)和激勵(lì)通過管件、連接體等向外傳播[6]。在不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下,振動(dòng)與激勵(lì)在設(shè)備和連接體之間的耦合傳導(dǎo)也有所不同,但從整體來看,其噪聲主要來源于如下4個(gè)部位:① 指揮臺(tái)圍殼與水體的相互激勵(lì)產(chǎn)生噪聲; ② 發(fā)動(dòng)機(jī)及其基座連接體的振動(dòng),發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的巨大振動(dòng)通過不同途徑傳遞到水體中;③ 主電機(jī)的振動(dòng)噪聲對(duì)輻射噪聲場(chǎng)的貢獻(xiàn)也比較大,因此主電機(jī)也是一個(gè)主要噪聲源;④ 航行器尾部的螺旋槳產(chǎn)生的噪聲與前面的噪聲源輻射噪聲機(jī)理有所不同,其輻射噪聲大小與轉(zhuǎn)速關(guān)系密切,而且噪聲是直接傳遞到水體中的。

在對(duì)水下航行器進(jìn)行仿真模擬時(shí),可以把航行器輻射噪聲場(chǎng)看成是由其4個(gè)主要噪聲點(diǎn)輻射聲場(chǎng)的合成,因此可以通過對(duì)不同噪聲源聲場(chǎng)的疊加來得到總的聲場(chǎng)。根據(jù)水下航行器內(nèi)部主要噪聲源的位置分布,航行器仿真模型如圖1所示。

圖1 直角坐標(biāo)系下航行器噪聲源分布示意圖

航行器各個(gè)主要噪聲源的具體分布位置及對(duì)總聲場(chǎng)的貢獻(xiàn)比見表1所列。

表1 噪聲源分布情況

根據(jù)對(duì)航行器輻射噪聲特性的分析,其輻射噪聲主要包含機(jī)械振動(dòng)噪聲、水動(dòng)力噪聲以及螺旋槳噪聲3種。從航行器輻射噪聲頻譜角度來看,主要是由線譜疊加連續(xù)譜組成,在高頻段其譜級(jí)按照約6 dB/Oct逐漸下降,水下航行器輻射寬帶噪聲信號(hào)仿真如圖2所示。

圖2 航行器輻射寬帶噪聲信號(hào)仿真

2 構(gòu)造海洋波導(dǎo)環(huán)境

水下航行器輻射噪聲的測(cè)量是在水中完成的,因此需要構(gòu)建聲波在水媒質(zhì)中傳播的聲場(chǎng)。射線聲學(xué)理論[7-9]是一種構(gòu)造海洋波導(dǎo)環(huán)境的經(jīng)典理論,它把聲波在水體媒質(zhì)中的傳遞看成是一根根聲線向外延伸,聲線攜帶著聲能量從不同的途徑到達(dá)接收點(diǎn)。

根據(jù)射線聲學(xué)理論,水媒質(zhì)聲場(chǎng)中的聲壓可表示為:

P=A(r)eikL(r)

(1)

其中,L(r)為聲線程,聲波在傳播過程中聲能量不斷擴(kuò)散和衰減。設(shè)有一點(diǎn)聲源,其輻射聲線的角度分別為θ0和θ0+dθ0,射線與接收位置處相距dr,參考聲強(qiáng)設(shè)為I0,在接收點(diǎn)處聲波的聲壓可表示為:

(2)

其中,Ns為海面反射聲線的次數(shù);Nb為海底反射聲線的次數(shù);θsi、θbi分別為第i次海面、海底反射聲線的角度;Vsi、Vbi分別為聲線第i次海面、海底反射時(shí)的反射系數(shù);β為水體媒質(zhì)吸收系數(shù);L為聲程。

3 設(shè)計(jì)恒束寬垂直陣

設(shè)計(jì)恒束寬垂直陣[10-11]對(duì)航行器輻射噪聲進(jìn)行測(cè)量,既可以保證接收到航行器輻射的全部噪聲,又可以避免接收其他噪聲干擾。波束寬度為:

20log|B(θ-3 dB)|=-3

(3)

其中,B(θ)為線陣的波束圖。目標(biāo)測(cè)量頻帶設(shè)為20 Hz～1 kHz,設(shè)計(jì)的恒束寬嵌套陣的一個(gè)子陣如圖3所示。

圖3 恒束寬嵌套陣子陣

對(duì)低頻子陣和高頻子陣的信號(hào)輸出采用不同的加權(quán)處理,可得陣列信號(hào)輸出為:

BC(θ,f)=L(f)BL(θ,f)+H(f)BH(θ,f)

(4)

結(jié)合正橫方向上邊界條件,即

(5)

可得嵌套子陣的加權(quán)系數(shù)為:

(6)

(7)

對(duì)陣元輸出信號(hào)先加權(quán)處理,再通過不同頻段對(duì)應(yīng)的濾波器,就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)全頻帶范圍內(nèi)陣元輸出信號(hào)進(jìn)行求解,得到恒束寬嵌套波束,如圖4所示。

圖4 各頻段恒束寬嵌套陣波束輸出

4 波導(dǎo)環(huán)境對(duì)航行器測(cè)量的影響

4.1 水體深度的影響

當(dāng)水體深度不同時(shí),聲線在海底海面的反射路徑和反射次數(shù)均會(huì)不同,不同海深時(shí)聲場(chǎng)衰減圖如圖5所示。從圖5可以看出,不同海深時(shí)航行器輻射噪聲產(chǎn)生的聲場(chǎng)分布也會(huì)有一定區(qū)別,因此水體波導(dǎo)邊界對(duì)于測(cè)量結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生影響。

圖5 不同海深聲場(chǎng)傳播衰減圖

設(shè)測(cè)量點(diǎn)距離航行器為100 m,兩者位于同一高度,海水和海底的聲波速度分別設(shè)定為1 500、1 650 m/s,水媒質(zhì)密度為1.03 g/cm3,泥沙質(zhì)海底的密度為1.75 g/cm3,聲波在泥沙里的傳播衰減約為單位波長距離衰減0.85 dB,航行器模擬聲源為140 dB,信號(hào)帶寬為20 Hz～1 kHz,在不同海深時(shí),測(cè)量結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以看出,當(dāng)海深在200 m以內(nèi)時(shí),海底海面對(duì)輻射噪聲測(cè)量的影響較大。在仿真的淺海環(huán)境下,得到的噪聲測(cè)量結(jié)果誤差可達(dá)1.8 dB。當(dāng)海深不斷變深時(shí),波導(dǎo)邊界帶來的影響逐漸減小,測(cè)量結(jié)果也逐漸趨于真實(shí)值。

圖6 不同海深時(shí)航行器噪聲測(cè)量結(jié)果

4.2 聲源位置的影響

在航行器輻射噪聲的實(shí)際工程測(cè)量中,一方面航行器下潛深度會(huì)受到自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制；另一方面水下噪聲測(cè)量設(shè)備如果放置在深海位置處進(jìn)行測(cè)量,往往會(huì)產(chǎn)生線纜纏繞、信號(hào)傳輸困難、測(cè)量設(shè)備隨海流漂移等問題。

因此，工程中實(shí)際進(jìn)行航行器噪聲測(cè)量時(shí),聲源和測(cè)量設(shè)備的位置通常是在水體中上部,此時(shí)航行器輻射的噪聲就不可避免地受到波導(dǎo)邊界的影響。

設(shè)在200 m深的海域,水體波導(dǎo)參數(shù)不變,當(dāng)航行器位于水體不同深度位置時(shí),其輻射噪聲聲場(chǎng)如圖7所示。

圖7 航行器位于不同海深的輻射噪聲聲場(chǎng)

從圖7可以看出,當(dāng)聲源位于水體中不同深度位置時(shí),波導(dǎo)邊界對(duì)聲線傳播都會(huì)有影響,當(dāng)聲源靠近波導(dǎo)邊界,聲線中部分能量沿著靠近邊界向前傳播,從仿真結(jié)果來看,海面邊界對(duì)聲線的影響比海底大。當(dāng)水聽器位于水體中間深度時(shí),測(cè)量航行器在不同深度位置處輻射的噪聲,結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同聲源位置時(shí)航行器噪聲測(cè)量結(jié)果

從圖8可以看出,當(dāng)航行器靠近海面或海底時(shí),輻射噪聲測(cè)量結(jié)果與真實(shí)值偏離較大,最大可達(dá)1.5 dB以上;當(dāng)航行器位于水體中間深度附近時(shí),測(cè)量結(jié)果接近真實(shí)值,此時(shí)誤差較小。

4.3 水體聲速梯度對(duì)測(cè)量的影響

海洋中的聲速梯度是實(shí)時(shí)變化的,不同海域的聲速剖面往往不同,不同的季節(jié)甚至一天中的不同時(shí)辰水中聲速剖面也會(huì)有變化[11]。而聲場(chǎng)中聲線的傳播與聲速有密切關(guān)系,因此需要深入研究在不同的聲速剖面下,波導(dǎo)環(huán)境對(duì)航行器輻射噪聲測(cè)量結(jié)果的影響。根據(jù)聲速剖面的典型分類,分別有正聲速梯度、負(fù)聲速梯度和等聲速梯度,如圖9所示。

圖9 3種典型的聲速梯度分布

同樣假設(shè)海底聲速為1 650 m/s,海深120 m,波導(dǎo)環(huán)境參數(shù)不變,使用垂直陣對(duì)航行器輻射噪聲進(jìn)行測(cè)量,可得不同頻率時(shí)接收水聽器的測(cè)量結(jié)果,見表2所列。

表2 不同聲速梯度時(shí)航行器噪聲測(cè)量誤差 dB

從表2可以看出,不同聲速梯度對(duì)航行器噪聲測(cè)量有一定的影響。因此在實(shí)際工程中,測(cè)量航行器輻射噪聲時(shí),應(yīng)根據(jù)測(cè)試海域的聲速梯度情況對(duì)航行器噪聲測(cè)量結(jié)果進(jìn)行誤差修正。

5 結(jié) 論

本文通過對(duì)水體波導(dǎo)環(huán)境、航行器和垂直陣列的仿真,研究了水體環(huán)境對(duì)航行器輻射噪聲測(cè)量的影響,得出以下結(jié)論:

(1) 波導(dǎo)環(huán)境對(duì)航行器測(cè)量結(jié)果有一定影響,尤其是在仿真的淺海環(huán)境中,海底海面對(duì)聲線反射較強(qiáng),航行器輻射噪聲測(cè)量結(jié)果的誤差可達(dá)1.8 dB,隨著海深增加,誤差不斷減小。

(2) 航行器位于水體中不同深度進(jìn)行測(cè)量時(shí),測(cè)量結(jié)果會(huì)有差別,因此在實(shí)際工程中測(cè)量航行器輻射噪聲,就需要對(duì)航行器和測(cè)量設(shè)備準(zhǔn)確定位。另外當(dāng)航行器位于水體中間深度位置時(shí),測(cè)量結(jié)果的誤差相對(duì)較小。

(3) 聲速剖面圖作為重要的水文特征,不同聲速梯度時(shí),航行器輻射噪聲的聲場(chǎng)也不一樣,因此在工程中對(duì)航行器輻射噪聲進(jìn)行測(cè)量時(shí),需要對(duì)海域的聲速梯度進(jìn)行測(cè)量。在仿真的波導(dǎo)環(huán)境中,不同聲速梯度剖面下航行器噪聲測(cè)量結(jié)果與真實(shí)值的差值在1.5 dB以內(nèi)。