國(guó)外艦船噪聲測(cè)試技術(shù)

邱衛(wèi)海，劉文帥，王秀波

（1．海軍某型號(hào)辦公室，北京100841;2．大連測(cè)控技術(shù)研究所，遼寧大連 116013）

0 引言

艦船是各國(guó)海軍戰(zhàn)略威懾力量的重要組成部分。艦船噪聲對(duì)艦船的生存和武器裝備性能有重大影響，是艦船隱蔽性的重要指標(biāo)。通過(guò)艦船噪聲測(cè)試，努力降低艦船噪聲，提高艦船的聲隱身性對(duì)發(fā)揮其作戰(zhàn)使命任務(wù)至關(guān)重要。因此，提升艦船噪聲測(cè)試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(guó)海軍的高度重視［1］。本文就國(guó)外艦船噪聲測(cè)試技術(shù)發(fā)展情況進(jìn)行論述。

1 艦船噪聲測(cè)試方式

國(guó)外艦船噪聲測(cè)試一般分為活動(dòng)式測(cè)試和固定式測(cè)試2種方式。下面分別對(duì)這2種測(cè)試方式進(jìn)行分析。

1.1 活動(dòng)式測(cè)試方式

活動(dòng)式測(cè)試方式具有較好的靈活性，可以根據(jù)不同的目的，選擇不同海域，設(shè)備維修方便，投資較少。近年來(lái)，俄羅斯和美國(guó)相繼發(fā)展活動(dòng)式潛艇噪聲測(cè)試系統(tǒng)，以適應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要?；顒?dòng)式測(cè)試是國(guó)外開(kāi)展艦船聲隱身性能測(cè)試評(píng)估技術(shù)研究工作的重要試驗(yàn)方式。美國(guó)為了對(duì)安靜型潛艇聲隱身性能進(jìn)行測(cè)試與評(píng)估，于1995年將“海斯”號(hào)試驗(yàn)船改裝成世界上最安靜的水面船之一。該船是具備多種測(cè)試基陣的海上測(cè)試平臺(tái)，可兼顧潛艇噪聲和回聲強(qiáng)度的測(cè)試與評(píng)估，全部測(cè)試系統(tǒng)已列入美國(guó)新安靜型潛艇聲學(xué)測(cè)試裝置計(jì)劃（AMFIP）進(jìn)行生產(chǎn)?！昂Ｋ埂碧?hào)活動(dòng)式測(cè)試系統(tǒng)的核心部分是利用垂直陣形成窄波束，進(jìn)行近場(chǎng)聚焦和恒定束寬處理，在通常環(huán)境下測(cè)試安靜型潛艇的噪聲（見(jiàn)圖1）。

圖1 美國(guó)“海斯號(hào)”活動(dòng)式測(cè)試系統(tǒng)Fig.1Mobile testing system of US Navel ship Hayes

1.2 固定式測(cè)試方式

固定式測(cè)試方式通過(guò)固定布放先進(jìn)聲學(xué)測(cè)試裝備，采用艦船海上航行和停泊測(cè)試方式，實(shí)現(xiàn)艦船噪聲的定量測(cè)試和貢獻(xiàn)分離。但是，建立固定式測(cè)試系統(tǒng)十分復(fù)雜、需要很大的投資強(qiáng)度，并且維護(hù)困難。固定式測(cè)試方式以美國(guó)最為典型，其早期可全面測(cè)試潛艇噪聲的專(zhuān)用試驗(yàn)場(chǎng)是位于加勒比海海域“美國(guó)海軍水下武器試驗(yàn)及評(píng)估大西洋中心”的一部分，該試驗(yàn)場(chǎng)1967年投入使用。后期，由于航運(yùn)量增加，使得加勒比海海域環(huán)境噪聲級(jí)增大，并且由于新型潛艇的噪聲級(jí)降低，導(dǎo)致該試驗(yàn)場(chǎng)不能滿(mǎn)足對(duì)新型潛艇噪聲測(cè)試的要求。隨后，美國(guó)花費(fèi)了近10年的時(shí)間研究其沿海噪聲，尋找安靜的海域，終于在阿拉斯加（Alaska）東南部找到了一個(gè)理想的地方，建立了新的試驗(yàn)場(chǎng)，將原試驗(yàn)場(chǎng)從加勒比海海域遷移到阿拉斯加沿岸，新試驗(yàn)場(chǎng)1991年投入使用，工程總造價(jià)約2億美元。

圖2 美國(guó)阿拉斯加水下航行固定試驗(yàn)場(chǎng)Fig.2Fixed underwater shipping testing ground in Alaska，US

圖2為美國(guó)阿拉斯加水下航行固定試驗(yàn)場(chǎng)。該試驗(yàn)場(chǎng)中，在海底固定布放直線陣聲學(xué)測(cè)試系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、測(cè)距定位系統(tǒng)以及相應(yīng)輔助系統(tǒng)。測(cè)試時(shí)，被測(cè)潛艇在垂直線陣組成的框中往返通過(guò)，水聽(tīng)器測(cè)得的噪聲信號(hào)通過(guò)光纖傳輸?shù)疥懮显囼?yàn)站進(jìn)行處理。垂直水聽(tīng)器陣布置在120 m左右的水下，可以有效避免降雨及海面波浪的影響，大大提高了測(cè)試效率，最終可實(shí)現(xiàn)對(duì)潛艇聲隱身性能的總體評(píng)價(jià)以及機(jī)械、螺旋槳等不同性質(zhì)噪聲的定量分離。

2 艦船噪聲測(cè)試系統(tǒng)

對(duì)于活動(dòng)式和固定式測(cè)試方式，在測(cè)試系統(tǒng)的選擇上主要有以下幾種:單水聽(tīng)器測(cè)試系統(tǒng)、矢量水聽(tīng)器測(cè)試系統(tǒng)、直線陣測(cè)試系統(tǒng)和體積陣測(cè)試系統(tǒng)。下面分別對(duì)以上幾種測(cè)試系統(tǒng)的國(guó)外應(yīng)用情況進(jìn)行闡述。

2.1 單水聽(tīng)器測(cè)試系統(tǒng)

以聲壓水聽(tīng)器為核心的單水聽(tīng)器噪聲測(cè)試系統(tǒng)，在國(guó)外潛艇噪聲較高的時(shí)期得到了廣泛應(yīng)用，是國(guó)外早期噪聲測(cè)試的主要手段。采用單水聽(tīng)器測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行噪聲測(cè)試，在俄羅斯已發(fā)展為十分成熟的技術(shù)，并形成了一整套艦船水下噪聲的測(cè)試規(guī)范。圖3為俄羅斯單水聽(tīng)器測(cè)試系統(tǒng)。該測(cè)試系統(tǒng)由測(cè)試專(zhuān)用試驗(yàn)船和單個(gè)聲壓水聽(tīng)器接收裝置組成，其中測(cè)試專(zhuān)用試驗(yàn)船是以控制測(cè)試船自身噪聲干擾、便于試驗(yàn)和減少設(shè)備在搬運(yùn)過(guò)程中可能對(duì)測(cè)試系統(tǒng)造成影響為目的而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)建造的。

圖3 俄羅斯單水聽(tīng)器測(cè)試系統(tǒng)Fig.3Russian single hydrophone testing system

2.2 矢量水聽(tīng)器測(cè)試系統(tǒng)

矢量水聽(tīng)器是提高測(cè)試增益的有效手段，可以同時(shí)獲取聲場(chǎng)中聲壓p和振速vx，vy，vz分量。矢量水聽(tīng)器的各振速分量具有偶極子指向性，可以旋轉(zhuǎn)并銳化波束［2］，并且利用聲壓、振速的不同組合還可以形成不同的波束指向圖，因此，單個(gè)矢量水聽(tīng)器可以形成常規(guī)聲壓水聽(tīng)器陣才能形成的波束指向性。矢量水聽(tīng)器測(cè)試系統(tǒng)可用于對(duì)低信噪比艦船進(jìn)行噪聲指標(biāo)評(píng)估，能有效地測(cè)試比海洋背景噪聲低10～20 dB的艦船噪聲。該方法在俄工業(yè)部門(mén)已廣泛使用，并形成了測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。目前，俄羅斯在遠(yuǎn)東、白海和波羅的海等試驗(yàn)場(chǎng)均裝備了活動(dòng)式矢量水聽(tīng)器噪聲測(cè)試系統(tǒng)。圖4是俄羅斯用于淺海的船載可移動(dòng)式矢量噪聲測(cè)試系統(tǒng)。

圖4 俄羅斯的淺海船載可移動(dòng)式矢量噪聲測(cè)試系統(tǒng)Fig.4Russian onboard mobile vector noise testing system for shallow water

2.3 直線陣測(cè)試系統(tǒng)

多年來(lái)，艦船輻射噪聲呈現(xiàn)出了逐年下降的趨勢(shì)，先進(jìn)國(guó)家的潛艇輻射噪聲級(jí)甚至已經(jīng)降到了海洋環(huán)境噪聲以下。這種情況下，對(duì)于低噪聲潛艇，傳統(tǒng)的單水聽(tīng)器測(cè)試系統(tǒng)已經(jīng)很難滿(mǎn)足目前的噪聲測(cè)試要求，輻射噪聲測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)始向具有指向性的直線陣方向發(fā)展。從目前獲得的資料來(lái)看，直線陣測(cè)試系統(tǒng)的應(yīng)用已非常廣泛，俄羅斯、美國(guó)、法國(guó)、韓國(guó)、英國(guó)等國(guó)家已相繼開(kāi)展了直線陣噪聲測(cè)試技術(shù)研究，并已投入使用。采用直線陣，不僅能提高測(cè)試信噪比，而且通過(guò)垂直布放的方式能有效克服淺海條件下特有的“多途干涉”對(duì)測(cè)試的影響。圖5是俄羅斯直線陣系統(tǒng)各種使用方式示意圖。從圖中可知，直線陣可以用于固定艇體上的水平陣、固定于海底的沉底陣、懸浮于水中的垂直陣、在艦艇尾部拖曳的拖曳陣等。

圖5 俄羅斯直線陣測(cè)試系統(tǒng)各種使用方式示意圖Fig.5The different use-patterns of Russian line array testing system

美國(guó)在華盛頓州西北試驗(yàn)站用2個(gè)垂直陣組成安靜型潛艇噪聲測(cè)試系統(tǒng)（QSAM），其系統(tǒng)示意圖如圖6所示。該測(cè)試系統(tǒng)由1條高頻陣和1條低頻陣組成，高頻陣包含63個(gè)水聽(tīng)器，測(cè)試頻率范圍為5～40 kHz，低頻陣包含51個(gè)水聽(tīng)器，測(cè)試頻率范圍為100～6 000 Hz。該系統(tǒng)是美國(guó)西海岸最完備的全頻帶測(cè)試系統(tǒng)，不僅能測(cè)試潛艇噪聲也可以測(cè)試魚(yú)雷噪聲。

圖6 美國(guó)安靜型潛艇輻射噪聲測(cè)試系統(tǒng)示意圖Fig.6Schematic diagram of US quiet submarine radiated noise testing system

2.4 體積陣測(cè)試系統(tǒng)

體積陣中，所有的陣元按照一定規(guī)則進(jìn)行空間分布。體積陣的作用主要是抑制海洋背景噪聲、提高測(cè)試增益。小型、簡(jiǎn)單的體積陣在空氣聲的測(cè)試中已有應(yīng)用，通常用于聲源的定位分析和設(shè)備的故障診斷，但是在艦船噪聲測(cè)試中，體積陣的應(yīng)用較少。用于艦船噪聲測(cè)試的體積陣測(cè)試系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝和布放困難，處理算法復(fù)雜，對(duì)系統(tǒng)的硬件要求高等原因，導(dǎo)致其實(shí)際應(yīng)用非常困難。目前，只有美國(guó)在實(shí)際的艦船噪聲測(cè)試過(guò)程中使用了體積陣測(cè)試系統(tǒng)［3］，如圖7所示。該體積陣測(cè)試系統(tǒng)在美國(guó)阿拉斯加水下航行固定試驗(yàn)場(chǎng)中使用。

圖7 美國(guó)研制的體積陣Fig.7American volume array testing system

3 艦船噪聲分析方法

國(guó)外艦船噪聲測(cè)試，無(wú)論是活動(dòng)式還是固定式測(cè)試方式，為實(shí)現(xiàn)對(duì)低頻弱信號(hào)的獲取和艦船輻射噪聲特性的評(píng)估，在設(shè)備設(shè)計(jì)上都朝著聲壓和振速組合傳感器、大孔徑基陣、精確導(dǎo)航與定位技術(shù)的方向發(fā)展。因此，在艦船噪聲分析方法上，多采用聲壓和振速聯(lián)合信息處理技術(shù)、弱信噪比信號(hào)信息提取技術(shù)，聚焦波束形成技術(shù)、恒定束寬技術(shù)、合成孔徑技術(shù)等處理方法，并發(fā)展快速精確的多信息實(shí)時(shí)監(jiān)視軟件和批量數(shù)據(jù)分析軟件;在對(duì)海區(qū)環(huán)境特性的要求上，都需要首先對(duì)海上試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)進(jìn)行聲學(xué)標(biāo)定和環(huán)境特性統(tǒng)計(jì)研究，以消除海洋環(huán)境對(duì)噪聲傳播的效應(yīng)，克服海洋背景干擾。

在艦船噪聲源分析方面，多測(cè)點(diǎn)、同時(shí)基噪聲振動(dòng)綜合分析技術(shù)已被國(guó)外廣泛采用，是國(guó)外分析研究新一代艦船噪聲源的基礎(chǔ)技術(shù)手段和途徑，該技術(shù)通過(guò)增加測(cè)試傳感器數(shù)量，盡可能多的獲取艦船輻射噪聲和振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)，并通過(guò)時(shí)間同步系統(tǒng)控制采集艦船噪聲和振動(dòng)數(shù)據(jù)，利用先進(jìn)的聲學(xué)處理系統(tǒng)，對(duì)全部測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行同時(shí)基處理。在此基礎(chǔ)上，采用多種分析方法，綜合分析識(shí)別噪聲源，有效地查明主要噪聲源的分布，分離機(jī)械噪聲、水動(dòng)力噪聲和螺旋槳噪聲對(duì)輻射噪聲的貢獻(xiàn)，從而全面獲取被測(cè)艦船的總體聲學(xué)性能，評(píng)價(jià)各項(xiàng)噪聲設(shè)計(jì)指標(biāo)，并提出下一步噪聲控制的方向和目標(biāo)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文論述了國(guó)外艦船噪聲測(cè)試技術(shù)。從中可以看出，國(guó)外在艦船噪聲測(cè)試領(lǐng)域起步較早，技術(shù)先進(jìn)，形成了完善的艦船噪聲測(cè)試體系和分析方法，對(duì)我國(guó)艦船噪聲測(cè)試具有非常有益的借鑒作用。

［1］王之程，等．艦船噪聲測(cè)試與分析［M］．北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2004．

［2］余華兵，等．小尺度傳感器指向性銳化技術(shù)研究［J］．聲學(xué)學(xué)報(bào)，2000，25（4）:219－222．

［3］DENOLFO P，et al．South toto acoustic measurement facility （STAFAC）in-water systems installation AUTEC andros island，bahamas［Z］．IEEE，2008．