水下模擬聲源發(fā)射信號均衡控制方法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李 利

(大連測控技術(shù)研究所，遼寧 大連 116013)

0 引 言

水下目標(biāo)噪聲模擬聲源是模擬水中寬帶噪聲的聲源發(fā)射裝置，可以自由組合，裝載發(fā)射任意20～50 kHz的寬帶噪聲數(shù)據(jù)，也可以發(fā)射20～100 kHz的單頻脈信號（上限頻率可以更高）。通過載入實(shí)測聲源數(shù)據(jù)、對聲源數(shù)據(jù)進(jìn)行均衡處理、控制聲源數(shù)據(jù)的播放增益等方法實(shí)現(xiàn)模擬目標(biāo)主要機(jī)械設(shè)備噪聲、槳軸激勵噪聲、螺旋槳噪聲，通過多個(gè)聲源載體相連的方式，進(jìn)而模擬各噪聲的變化規(guī)律和分布式特點(diǎn)。

目標(biāo)噪聲模擬聲源可以模擬水下目標(biāo)的聲學(xué)特性，在潛艇訓(xùn)練、聲學(xué)偽裝、聲吶對抗等方面都有極大的發(fā)展空間。目標(biāo)噪聲模擬聲源由模擬聲源控制系統(tǒng)、模擬聲源輔助測量系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)、聲源載體等4個(gè)部分組成?？刂葡到y(tǒng)是整個(gè)目標(biāo)噪聲模擬聲源系統(tǒng)的核心。通過網(wǎng)絡(luò)連接，控制計(jì)算機(jī)對系統(tǒng)的各個(gè)部分執(zhí)行包括數(shù)據(jù)下載、命令發(fā)送和狀態(tài)取等相應(yīng)的操作，并對系統(tǒng)各個(gè)部分的工作參數(shù)進(jìn)行合理配置。發(fā)射信號均衡控制方法是控制系統(tǒng)的核心部分。

1 信號的均衡控制

聲源控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)讀入聲源數(shù)據(jù)、生成標(biāo)準(zhǔn)測試聲源信號數(shù)據(jù)、聲源數(shù)據(jù)的1/3倍頻程均衡控制、聲源數(shù)據(jù)低中高3個(gè)頻段的數(shù)據(jù)濾波處理等功能。其中信號均衡控制是控制系統(tǒng)處于關(guān)鍵地位。模擬聲源控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

當(dāng)模擬聲信號發(fā)生器接到均衡控制指令后，分別對輸出的低頻/中頻/高頻模擬聲信號執(zhí)行1/3倍頻程均衡控制。模擬聲源發(fā)射信號頻率為1/3倍頻程均衡控制流程圖如圖2所示。

當(dāng)模擬聲源發(fā)射水下聲信號s（t）時(shí)，接收端接收到的信號為由模擬聲源發(fā)射信號與背景噪聲相疊加的 信 號 f（ t） ， 則 f（ t） 可 表 示 為 f（t） =s（ t） +n（t），對接收信號進(jìn)行傅里葉變換計(jì)算得到接收信號的頻譜

根據(jù)n倍頻程的定義：頻帶中心頻率

頻帶寬度為：對1/3倍頻程濾波器（n=1/3）它們的相對帶寬為恒定百分?jǐn)?shù)。根據(jù)上述關(guān)系，設(shè)計(jì)倍頻程濾波器和1/3oct濾波器，用于聲學(xué)測量與分析。在艦船水噪聲測量時(shí)，常采用1/3oct濾波器，其中心頻率按國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO的推薦，選定為：（1.0，1.25，1.6，2.0，2.5，3.15，4.0，5.0，6.3，8.0）×10mHz，其中m=0，1，2…。信號處理涉及的濾波器的中心頻率、下限頻率、上限頻率、頻帶寬度等典型數(shù)值如表1所示。

表 1 1/3oct濾波器主要數(shù)值表Tab. 1 The main numerical value of 1/3oct filter

對于一個(gè)能量連續(xù)分布的隨機(jī)噪聲信號，進(jìn)行1/3倍頻程譜分析，就可以得出各個(gè)1/3倍頻程的頻帶聲壓級。當(dāng)已知各1/3倍頻程的頻帶聲壓級時(shí)，可求得寬帶聲壓級，也稱總聲級，其頻率范圍（頻段）應(yīng)當(dāng)指定。由1/3倍頻程的頻帶聲壓級計(jì)算指定的頻率范圍內(nèi)的寬帶聲壓級的公式為：

式中：為1/3oct濾波器的序號；為指定的頻率范圍內(nèi)包含1/3oct濾波器的個(gè)數(shù)；為第i號1/3oct濾波器的中心頻率；為第號1/3oct濾波器頻帶內(nèi)的頻帶聲壓級。

該式的物理意義是寬頻帶的聲能量等于所覆蓋的各頻帶聲能量的和。

在實(shí)艇與實(shí)船測量時(shí)，1/3倍頻程譜是檢測的標(biāo)準(zhǔn)之一。工作時(shí)，模擬聲源發(fā)射預(yù)先設(shè)定的信號，并按實(shí)艇實(shí)船檢測要求對信號做1/3倍頻程頻譜檢測。若發(fā)射信號未達(dá)到設(shè)定的信號，則對各個(gè)1/3倍頻程頻段進(jìn)行放大或縮小調(diào)節(jié)處理，轉(zhuǎn)換為時(shí)域信號發(fā)射，若信號頻率仍有偏差，則可進(jìn)行多次反復(fù)調(diào)節(jié)，直至頻譜滿足要求為止。對同一段原始信號，調(diào)用包含不同頻率特征的調(diào)節(jié)系數(shù)，就可以模擬不同的信號特征。

調(diào)節(jié)信號譜級再轉(zhuǎn)化為時(shí)域信號進(jìn)行發(fā)射更加直觀有效，均衡調(diào)節(jié)后將信號進(jìn)行反傅里葉變換，再經(jīng)過模擬聲源發(fā)射。所以，對于模擬聲源發(fā)射信號進(jìn)行均衡控制時(shí)，需要將信號經(jīng)過時(shí)域到頻域，均衡后再時(shí)域發(fā)射的變換過程。

2 軟件實(shí)現(xiàn)

為了更方便地對模擬聲源發(fā)射信號進(jìn)行均衡控制，編制了相應(yīng)的均衡控制軟件，軟件界面交互良好，可操作性強(qiáng)。其中，模擬聲源發(fā)射信號1/3倍頻程均衡調(diào)節(jié)處理共包含35個(gè)處理頻段，所選倍頻程均為實(shí)艇實(shí)船噪聲測量頻段。軟件采用滑塊方式調(diào)節(jié)頻譜，增益單位為dB，拖動各頻率的滑塊即可靈活的改變頻點(diǎn)的增益值，頻點(diǎn)增益值的調(diào)節(jié)范圍為–24 dB與12 dB之間，滑塊下方的文本框內(nèi)同時(shí)顯示調(diào)節(jié)值，也可以直接在文本框內(nèi)輸入要改變的增益值，非常靈活。信號均衡軟件界面如圖3所示。

對多個(gè)信號頻點(diǎn)進(jìn)行調(diào)節(jié)，點(diǎn)擊“確定”按鈕，即可生成當(dāng)前譜頻特征的聲源信號。點(diǎn)擊“取消”按鈕，取消信號頻點(diǎn)增益操作。為了更簡單便利地調(diào)節(jié)信號頻譜，軟件另外設(shè)置了載入均衡調(diào)節(jié)系數(shù)表的功能，可以隨時(shí)保存各頻段的調(diào)節(jié)系數(shù)，載入歷史系數(shù)，以便于更靈活的調(diào)節(jié)信號狀態(tài)。

水下目標(biāo)噪聲模擬聲源經(jīng)過了大量的岸邊試驗(yàn)與海上實(shí)航試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，采用1/3倍頻程均衡控制方法，可以靈活地對發(fā)射信號實(shí)行控制，準(zhǔn)確地模擬水下目標(biāo)各噪聲的變化規(guī)律與分布式特點(diǎn)。

3 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于1/3倍頻程的水下模擬聲源發(fā)射信號均衡控制方法，通過友好的軟件界面，可以方便靈活地對信號進(jìn)行均衡控制，更真實(shí)的模擬水下目標(biāo)信號。

[1] 鄭士杰, 袁文俊, 等. 水聲計(jì)量測試技術(shù)[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué)出版社, 1995.

[2] 吳勝權(quán), 馮世芳, 孫玉蘭. 艦船輻射噪聲測試系統(tǒng)—水下測距、定位及導(dǎo)航研究[C]//水中軍用目標(biāo)特性研究論文集(第三集). 760 研究所, 1996.

[3] 汪德昭, 尚爾昌. 水聲學(xué)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1981.

[4] 王之程, 陳宗岐, 于風(fēng), 等. 艦船噪聲測量與分析[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社.