基于淺海聲信道特征測(cè)量的艦船水下輻射噪聲源級(jí)獲取方法

劉玉財(cái) 陳 毅 易文勝

(杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所，浙江杭州 310023)

收稿日期：

2020-09-01，

修回日期：

2021-01-25

基金項(xiàng)目：

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFF0200900)資助。

作者簡(jiǎn)介：

劉玉財(cái)(1994.11-)，男，助理工程師，碩士，主要研究方向：水聲計(jì)量與測(cè)試技術(shù)。

1 引 言

艦船是各國海軍戰(zhàn)略威懾力量的重要組成。艦船水下輻射噪聲對(duì)艦船的戰(zhàn)場(chǎng)生存和武器裝備性能都有著重大影響，是評(píng)價(jià)艦船作戰(zhàn)能力及隱蔽性的重要指標(biāo)。開展水下輻射噪聲測(cè)試，將為艦船水下噪聲控制提供數(shù)據(jù)支撐，促進(jìn)艦船聲隱身性的發(fā)展，保障作戰(zhàn)使命的順利完成。提高艦船噪聲測(cè)量水平是有效降低艦船噪聲的根本要求，也是艦船裝備發(fā)展的必然需求，受到各國海軍的高度重視。

在實(shí)際海洋中開展艦船水下輻射噪聲測(cè)試是一個(gè)較為復(fù)雜的聲學(xué)問題，將面臨著高背景噪聲、混響、海況、采集處理方法、航速等諸多因素的制約，給噪聲測(cè)量帶來極大的不確定性。如何科學(xué)、準(zhǔn)確的測(cè)量或評(píng)定艦船的水下輻射噪聲量值受到了重點(diǎn)關(guān)注，為解決上述問題，各國學(xué)者和研究人員都開展了大量工作，在國內(nèi)外也建有一批各具特色的船舶水下輻射噪聲試驗(yàn)場(chǎng)。試驗(yàn)場(chǎng)主要包括美國SEAFAC、AUTEC試驗(yàn)場(chǎng)，挪威Heggernes深水試驗(yàn)場(chǎng)、俄羅斯遠(yuǎn)東試驗(yàn)場(chǎng)和意大利WAAS水聲試驗(yàn)場(chǎng)等。并且發(fā)布有相關(guān)噪聲測(cè)量通用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。如：ISO17208—1、Rules for Classification for Ships Part 6 Chapter 24、和NR614等。我國周邊海域大部分為淺水域，因此開展淺水域水下輻射噪聲測(cè)量與分析研究極為重要。目前，國內(nèi)有關(guān)水下輻射噪聲測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)文件只有兩種，分別為GJB 4057—2000和GJB 2168—94，隨著科技和工藝的進(jìn)步，艦船水下輻射噪聲呈現(xiàn)逐年下降趨勢(shì)，標(biāo)準(zhǔn)給出的傳統(tǒng)測(cè)量方法已無法滿足新型艦船水下輻射噪聲準(zhǔn)確測(cè)量的要求。為此，已發(fā)展出采用多水聽器陣列和矢量水聽器等多種測(cè)量方式以及多樣化的噪聲測(cè)量分析方法。

多水聽器陣列測(cè)量仍然是當(dāng)前以及未來一段時(shí)期的主流測(cè)試方式，對(duì)于聲陣列測(cè)量數(shù)據(jù)最主要的處理方式有，矢量疊加、矢量傳遞函數(shù)和能量疊加。矢量疊加體現(xiàn)為波束形成、矢量傳遞函數(shù)用于源分布特性反演，能量疊加體現(xiàn)為空間平均，即通過多陣元輸出信號(hào)的能量疊加再平均，以此來抑制單個(gè)陣元輸出結(jié)果誤差大的方法。

以準(zhǔn)確測(cè)量艦船水下輻射噪聲量級(jí)為目的，結(jié)合我國淺海測(cè)試環(huán)境的特點(diǎn)，本文探討以能量平均聲壓級(jí)曲線來表征淺水域水下聲傳播特征，基于該曲線特征提出一種測(cè)量淺水域艦船輻射聲源級(jí)、傳播損失的工程簡(jiǎn)化方法，可以降低因聲場(chǎng)起伏而帶來的測(cè)量誤差，提高噪聲測(cè)量的準(zhǔn)確性，通過仿真和湖上驗(yàn)證試驗(yàn)，初步驗(yàn)證了該方法的可行性和準(zhǔn)確性。

2 測(cè)試量與水聲模型

2.1 測(cè)試基本量

2.1.1

聲壓譜級(jí)

聲壓信號(hào)通過帶寬1Hz的理想濾波器得到的聲壓級(jí)，由式(1)計(jì)算

L

(

f

)=10lg[

p

(

f

)

/Δf

]=

L

(

f

)-10lg(

Δf

)

(1)

式中：

p

(

f

)——通過第

i

號(hào)濾波器的有效聲壓，單位μpa；

Δf

——第

i

號(hào)濾波器的有效帶寬，單位Hz；

f

——第

i

號(hào)濾波器的中心頻率，單位Hz。

2.1.2

聲壓譜源級(jí)

L

(

f

)=

L

(

f

)+

ΔTL

(2)

式中：

L

(

f

)——聲壓譜級(jí)，單位dB；

ΔTL

——聲傳播損失，單位dB；

f

——第

i

號(hào)濾波器的中心頻率，單位Hz。

2.1.3

頻帶聲源級(jí)

(3)

式中：

L

(

f

)——第

i

號(hào)濾波器頻帶內(nèi)的頻帶聲壓級(jí)，單位dB；

ΔTL

——聲傳播損失，單位dB；

L

——頻帶聲壓級(jí)，單位dB。

2.1.4

能量平均聲壓級(jí)

(4)

式中：

p

——第

j

號(hào)水聽器接收聲壓在頻率

f

處的有效值，單位μPa；

N

——水聽器數(shù)量。

2.2 水聲計(jì)算模型

由于不同水域地質(zhì)地貌差異較大，難以獲取準(zhǔn)確的水域參數(shù)，在此對(duì)環(huán)境結(jié)構(gòu)做部分理想化處理，建立淺水域測(cè)試模型如圖1所示，仿真選取的部分環(huán)境聲學(xué)參數(shù)見表1，水底反射滿足瑞利反射條件。依據(jù)射線法和聲波疊加原理，即可推導(dǎo)相應(yīng)的聲場(chǎng)聲壓計(jì)算模型。

圖1 淺水域模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of shallow water model

表1 水聲環(huán)境參數(shù)Tab.1 Hydroacoustic environment parameters of the model水深H(m)海水密度ρ0(kg/m3)水中聲速c0(m/s)聲源深度h(m)沉積介質(zhì)密度ρ1(kg/m3)沉積介質(zhì)聲速c1(m/s)60103015291520341836

3 數(shù)值仿真分析

由于淺海環(huán)境的復(fù)雜性，目標(biāo)水下輻射聲場(chǎng)必然呈現(xiàn)出一種時(shí)空變化特性，本文設(shè)計(jì)采用覆蓋垂向深度的多水聽器或陣列，實(shí)現(xiàn)對(duì)深度方向的空間聲場(chǎng)進(jìn)行多點(diǎn)采樣，中心水聽器位于水域中間，并采用空間能量平均方法處理測(cè)試信號(hào)，分析淺水域環(huán)境下的聲傳播特性。

本文設(shè)計(jì)了單頻連續(xù)和寬帶噪聲兩種信號(hào)用于模擬目標(biāo)水下輻射聲信號(hào)，設(shè)計(jì)信號(hào)及頻譜如圖2

圖2 仿真信號(hào)圖Fig.2 Simulation signal

所示。陣列中心水聽器與采用空間平均方式處理陣元數(shù)據(jù)獲得的1kHz對(duì)應(yīng)輻射聲傳播曲線如圖3所示，相同水平距離下，兩種不同測(cè)量方式對(duì)應(yīng)聲傳播損失隨頻率的變化情況如圖4所示。

圖3 單水聽器與陣列測(cè)試對(duì)應(yīng)傳播曲線圖Fig.3 Propagation curve of single hydrophone and sensors array

圖4 不同測(cè)試方式對(duì)應(yīng)傳播損失變化圖Fig.4 Different test methods correspond to changes in propagation loss

分析圖3中的曲線，可以看到，由于水面及水底反射作用，單水聽器測(cè)量聲傳播曲線呈劇烈的起伏波動(dòng)，對(duì)比之下，采用空間平均方法能夠很好的抑制這種起伏，獲得的傳播曲線也更加平滑。此外，圖4中的曲線為在200m水平距離下的測(cè)試結(jié)果，可知由于不同頻率對(duì)應(yīng)聲場(chǎng)分布不同，導(dǎo)致相同位置處的聲場(chǎng)出現(xiàn)較大差異，而空間平均的對(duì)象是垂向聲場(chǎng)的總能量，在大于信道截止頻率測(cè)量條件下，可以很好的弱化因頻率差異帶來的影響，如頻帶內(nèi)聲場(chǎng)測(cè)試起伏由約47.4dB降低為4.5dB。

由于空間能量平均方法能夠很好的抑制界面反射導(dǎo)致的聲場(chǎng)起伏，采用該方法處理寬帶噪聲對(duì)應(yīng)聲場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)，得到不同頻率成分隨距離對(duì)應(yīng)的聲傳播損失點(diǎn)集，如圖5所示?？梢钥吹?，隨著頻率的變化，不同距離對(duì)應(yīng)傳播損失的差異很小，并且隨距離變化表現(xiàn)出相同的趨勢(shì)和規(guī)律。

圖5 寬頻帶聲傳播損失及擬合曲線圖Fig.5 Wideband sound propagation loss and fitted curve

為此，利用聲能量傳播曲線所表現(xiàn)出來的這一特性，提出一種測(cè)量淺水域目標(biāo)聲源級(jí)/傳播損失的工程簡(jiǎn)化方法，可以減小因聲場(chǎng)起伏而帶來的測(cè)量誤差，該方法基于垂向多基元空間能量平均來實(shí)現(xiàn)，通過對(duì)聲信道傳播特征的測(cè)量，可擬合獲取對(duì)應(yīng)聲傳播損失修正因子。根據(jù)圖3和圖5中的數(shù)據(jù)特征及與參數(shù)的關(guān)系，提出一個(gè)擬合經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式如式(5)，該公式在柱面波傳播模型上添加了聲場(chǎng)修正因子。其中

C

，

C

和

C

分別為聲場(chǎng)系數(shù)，與特定水域空間尺寸及環(huán)境參數(shù)相關(guān)聯(lián)。

L

=

L

+10lg(

R

)+

C

·

R

+

C

·

R

+

C

(5)

利用式(5)對(duì)寬度噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到各聲場(chǎng)系數(shù)，頻帶內(nèi)擬合結(jié)果見表2，擬合公式曲線與不同頻率對(duì)應(yīng)傳播曲線差異的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。

表2 公式擬合結(jié)果Tab.2 Formula fitting result頻率f/kHz聲場(chǎng)系數(shù)C1C2C3均方根誤差RMS/dB0.01～100.02-10E-513.610.382

表3 擬合曲線對(duì)應(yīng)不同頻率擬合均方根誤差Tab.3 Root mean square error of fitting curve at different frequency頻率f/kHz均方根誤差RMS(ΔTL)/dB頻率f/kHz均方根誤差RMS(ΔTL) /dB0.051.541.00.490.080.711.250.500.1250.582.00.520.200.613.150.500.3150.525.00.580.50.448.00.590.80.4410.00.68

分析表2和表3中的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可知，在頻率較低時(shí)，擬合偏差略高于1dB，而隨著頻率的增大，偏差將逐漸降低，并穩(wěn)定在1dB以內(nèi)，整體匹配精度較高，從理論上驗(yàn)證了所提方法及公式的準(zhǔn)確性。

4 可行性驗(yàn)證試驗(yàn)分析

2019年11月，在某湖上水聲試驗(yàn)中心開展了方法可行性驗(yàn)證試驗(yàn)，采用船載移動(dòng)測(cè)量方式，為簡(jiǎn)化測(cè)試流程，選用低頻水聲換能器作為模擬聲源，聲源入水5m和11m，測(cè)試頻帶(0.4～2.0)kHz，采用16元等間距線陣垂向布置進(jìn)行聲場(chǎng)測(cè)試，覆蓋水下(4～19)m范圍深度，試驗(yàn)測(cè)試示意圖如圖6所示。水域環(huán)境符合測(cè)試要求，測(cè)試區(qū)域水溫及聲速剖面起伏較小，由于周邊行船及機(jī)械振動(dòng)的影響，導(dǎo)致近水面環(huán)境噪聲相對(duì)較高，這對(duì)最低頻率的測(cè)試有部分影響，試驗(yàn)水域平均水深約為45.6m，底部為泥沙介質(zhì)，并且較為平坦，部分水域參數(shù)如圖7所示；采用能量平均方式處理聲陣采集信號(hào)，得到能量平均聲壓級(jí)，試驗(yàn)開始前，對(duì)換能器發(fā)射聲源級(jí)進(jìn)行了預(yù)先標(biāo)定，結(jié)果見表4，為便于對(duì)比分析測(cè)試情況，在此將測(cè)試聲壓與事先標(biāo)定的換能器聲源級(jí)做差，只分析聲傳播損失隨距離的變化，得到各頻率對(duì)應(yīng)離散點(diǎn)分布如圖8所示。

圖6 試驗(yàn)測(cè)試示意圖Fig.6 Schematic diagram of lake test

表4 標(biāo)定聲源級(jí)值Tab.4 The real value of source level頻率f/kHz聲源級(jí)Lpso/dB頻率f/kHz聲源級(jí)Lpso/dB0.4178.71.4170.40.6178.51.6169.10.8175.01.8167.41.0173.62.0163.11.2172.2//

圖7 測(cè)試點(diǎn)水文參數(shù)圖Fig.7 Hydrological parameters of the test area

圖8 實(shí)測(cè)傳播損失與擬合曲線圖Fig.8 Measured propagation loss and fitting curve

分析圖8中各頻率對(duì)應(yīng)聲傳播損失分布情況可知，整體測(cè)試數(shù)據(jù)具有較好的一致性，只在2kHz測(cè)試值有部分起伏，基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，利用所提傳播公式對(duì)上述實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合獲得聲傳播曲線，擬合結(jié)果見表5。為進(jìn)一步分析該公式與各頻率對(duì)應(yīng)曲線的匹配程度，對(duì)不同頻率下的實(shí)測(cè)值與曲線值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖9所示。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，各頻率對(duì)應(yīng)實(shí)測(cè)值與擬合值之間的吻合度較高，頻帶內(nèi)整體偏差約為0.939dB。

針對(duì)該擬合公式的準(zhǔn)確性，也開展了試驗(yàn)進(jìn)行分析驗(yàn)證，就是在保證換能器工況一致的情況下，改變換能器深度及水平測(cè)試距離進(jìn)行測(cè)試，將不同頻率對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)傳播損失與該公式計(jì)算傳播損失值進(jìn)行對(duì)比，數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖10所示。兩條折線為不同方法對(duì)應(yīng)獲取的傳播損失，柱狀圖為兩者的差值，可以看到，兩種測(cè)試方式結(jié)果具有較好的一致性，最大差值約為1.19dB，頻帶內(nèi)平均差值約為0.77dB。試驗(yàn)結(jié)果與仿真情況相吻合。

表5 實(shí)測(cè)擬合結(jié)果Tab.5 Measured fitting result聲場(chǎng)系數(shù)C1C2C3均方根誤差RMS/dB0.07-5.5E-48.410.201

圖9 擬合曲線偏差分布圖Fig.9 Fitted curve deviation distribution

圖10 擬合曲線準(zhǔn)確性驗(yàn)證圖Fig.10 Verification of the accuracy of the fitted curve

5 結(jié)束語

本文介紹一種基于水域聲信道傳播特征的艦船水下輻射噪聲測(cè)試方法，該方法通過多基元空間能量平均方法來實(shí)現(xiàn)，可以很好的抑制淺水域聲場(chǎng)的起伏波動(dòng)，提高淺水域環(huán)境下艦船水下輻射聲量級(jí)測(cè)量的準(zhǔn)確性。并提出了一個(gè)適用于淺水域近程聲傳播規(guī)律的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式，通過理論分析和測(cè)量試驗(yàn)驗(yàn)證，很好的證明了采用空間能量平均處理方法處理淺水域聲傳播問題的優(yōu)勢(shì)，并驗(yàn)證了所提出>聲傳播計(jì)算公式的準(zhǔn)確性和可行性。相比傳統(tǒng)球面波衰減法及波束形成法推算具有更高的測(cè)量精度，此外，避免了數(shù)理模型建立與實(shí)際環(huán)境之間失配的問題。在后續(xù)的工作中，將面向多種水文環(huán)境開展試驗(yàn)研究和實(shí)船測(cè)試，對(duì)聲傳播測(cè)量方法及經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證及修正，提高測(cè)量精度和測(cè)量方法的適用范圍。