水聲基陣聲學(xué)隔板聲屏蔽性能研究

張德志， 單國榮， 周利生

(1.浙江大學(xué) 化學(xué)工程與生物工程學(xué)院，浙江 杭州 310027； 2.杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所，浙江 杭州 311400)

球鼻艏導(dǎo)流罩是聲基陣的安裝平臺，其內(nèi)部及周圍聲環(huán)境直接影響聲吶的檢測性能。導(dǎo)流罩內(nèi)部環(huán)境噪聲一般由艦船振動噪聲、流激噪聲和螺旋槳空化噪聲組成，其中艉向噪聲為主要的噪聲源之一，主要由螺旋槳噪聲、后壁板振動輻射噪聲組成[1-4]。艉向噪聲傳播途徑包括直線傳播和海底反射兩部分，由于在舷外傳播，目前針對導(dǎo)流罩噪聲治理的阻尼抑振和吸聲材料敷設(shè)措施對艉向噪聲的抑制效果有限，必須采取專門的隔聲裝置，安裝專用聲學(xué)隔板，以阻斷的方式實(shí)現(xiàn)艉向噪聲的屏蔽。

聲學(xué)隔板安裝在聲吶基陣與后壁板之間，在聲學(xué)設(shè)計(jì)上，要求聲學(xué)隔板既能阻斷艉向噪聲向?qū)Я髡謨?nèi)的傳播，同時對艦艏方向的噪聲具有較強(qiáng)的吸收，以減弱導(dǎo)流罩內(nèi)的混響聲。聲學(xué)隔板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則主要依據(jù)聲吶總體的需求，在滿足聲吶觀察范圍的前提下，盡量增大聲學(xué)隔板的屏蔽范圍，遠(yuǎn)離聲吶基陣的安裝位置。

1 聲學(xué)性能仿真計(jì)算及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)艉向噪聲抑制，采用聲基陣為基元，假設(shè)聲學(xué)隔板在2～10 kHz頻段隔聲量大于15 dB，利用CAE軟件，采用三維面模型，分析計(jì)算了聲學(xué)隔板對聲基陣聲學(xué)性能的影響[5-8]，仿真結(jié)果如圖1所示。由圖1中的計(jì)算結(jié)果可以看出，在±30°范圍內(nèi)，聲學(xué)隔板對聲基陣水平指向性的遮擋效果大于10 dB；在±15°范圍內(nèi)，聲學(xué)隔板對聲基陣水平指向性的遮擋效果大于20 dB。

圖1 聲基陣水平指向性遮擋效果仿真結(jié)果Fig.1 The simulation results of array horizontal directivity

以仿真計(jì)算結(jié)果為依據(jù)，設(shè)計(jì)加工了聲學(xué)隔板。聲學(xué)隔板主要由三部分組成：中間骨架、SND反聲障板和SNX-010Y吸聲障板，其中SND反聲障板安裝在遠(yuǎn)離聲基陣的一面，SNX-010Y吸聲障板安裝在近聲基陣的一面。中間骨架選用8 mm不銹鋼板，SND反聲障板和SNX-010Y吸聲障板聲性能參數(shù)見表1。

表1 聲學(xué)隔板聲學(xué)性能Table 1 The performance of the acoustical baffle

聲學(xué)隔板與聲吶基陣裝配一體結(jié)構(gòu)如圖2所示，聲學(xué)隔板通過支撐架與聲基陣固定在一起構(gòu)成試驗(yàn)臺架。

圖2 聲學(xué)隔板測量裝置示意圖Fig.2 Diagram of acoustic baffle measuring device

圖3 聲學(xué)隔板聲遮擋試驗(yàn)聲場布置圖Fig.3 Layout of acoustic baffle shutter sound field

測量聲基陣接收性能時，由水聲換能器綜合參數(shù)測試系統(tǒng)的發(fā)射換能器發(fā)射遠(yuǎn)場信號，采用聲基陣接收。發(fā)射系統(tǒng)由信號源、功率放大器、取樣器和發(fā)射換能器構(gòu)成。信號源根據(jù)測試需要輸出特定頻率、幅度和脈沖寬度的正弦信號，由功率放大器放大后，推動發(fā)射換能器向水中發(fā)射信號；電壓電流取樣器獲取發(fā)射換能器的電壓信號和電流信號，輸入到數(shù)字示波器進(jìn)行檢測[9-10]。

圖4 水聲換能器綜合參數(shù)測試系統(tǒng)組成框圖Fig.4 Block diagram of underwater acoustic transducers testing system

測量聲基陣發(fā)送響應(yīng)時，由聲基陣發(fā)射信號，采用水聲換能器綜合參數(shù)測試系統(tǒng)的水聽器遠(yuǎn)場接收。接收分系統(tǒng)由測量放大器、帶通濾波器、數(shù)字示波器和標(biāo)準(zhǔn)水聽器組成。測量放大器和帶通濾波器組成的接收網(wǎng)絡(luò)對標(biāo)準(zhǔn)水聽器輸出的開路電壓進(jìn)行濾波、阻抗匹配和信號調(diào)理；調(diào)理后的水聽器信號送入數(shù)字示波器[11-12]。

2 實(shí)驗(yàn)方法及結(jié)果分析

聲學(xué)隔板與聲基陣的相對布放位置見圖5。聲基陣正對聲學(xué)隔板方向?yàn)?°，逆時針為正，順時針為負(fù)。標(biāo)準(zhǔn)水聽器距聲基陣距離38.3 m，水下深度14.6 m；發(fā)射聲源距聲基陣距離38.3 m，深度14.6 m，測量聲基陣在收發(fā)狀態(tài)特定頻率和不同方位的聲源級、波束寬度變化及旁瓣級變化量。

圖5 聲學(xué)隔板-聲基陣布置圖Fig.5 Layout of acoustic array and acoustic baffle

2.1 聲源級衰減規(guī)律

由聲基陣發(fā)射信號，采用水聲換能器綜合參數(shù)測試系統(tǒng)的水聽器遠(yuǎn)場接收，測量聲基陣發(fā)射狀態(tài)0°、30°波束有無聲學(xué)隔板的聲源級，每個波束對應(yīng)的頻率為2.0、3.0、4.0 kHz。聲源級數(shù)據(jù)見表2。

表2 聲源級測試結(jié)果

聲源級測量結(jié)果表明，隨著發(fā)射角度不同，聲源級差變化明顯，聲學(xué)隔板對聲基陣指向性具有顯著影響。在0°波束方向，聲源級差大于18 dB，說明選用的聲學(xué)隔板具有優(yōu)異的隔聲性能，滿足

艉向噪聲遮擋要求。聲源級差隨頻率增加而變大，這是由頻率升高，聲學(xué)隔板隔聲效果增大造成；在30°波束方向的測量頻段內(nèi)，隔聲量接近3 dB，遠(yuǎn)低于0°波束方向，且隨頻率變化，隔聲量變化不大，主要是由于30°波束處于聲學(xué)隔板的邊緣位置，聲學(xué)隔板對其有一定影響，但主要由聲學(xué)隔板的邊緣效應(yīng)引起的。

2.2 發(fā)射波束水平指向性

由聲基陣發(fā)射信號，采用水聲換能器綜合參數(shù)測試系統(tǒng)的水聽器遠(yuǎn)場接收。試驗(yàn)臺架勻速旋轉(zhuǎn)180°(0°～180°內(nèi))，聲基陣同時發(fā)射2.0、3.0、4.0 kHz單頻單波束信號，30°～90°方向的發(fā)射波束水平指向性參數(shù)變化(波束寬度、旁瓣級等)測量結(jié)果見圖6～8。

圖6 2.0 kHz發(fā)射波束水平指向性測量結(jié)果Fig.6 The results of horizontal directivity of 2.0 kHz transmit beam

圖7 3.0 kHz發(fā)射波束水平指向性測量結(jié)果Fig.7 The results of horizontal directivity of 3.0 kHz transmit beam

圖8 4.0 kHz發(fā)射波束水平指向性測量結(jié)果Fig.8 The results of horizontal directivity of 4.0 kHz transmit beam

由測量結(jié)果可知，在30°波束方向，聲學(xué)隔板對聲基陣發(fā)射波束水平指向性影響比較大。隨著水平波束遠(yuǎn)離30°方向，聲學(xué)隔板對聲基陣發(fā)射波束水平指向性影響逐漸變小。波速寬度、左右旁瓣級在30°～50°波束之間變化顯著，主要是聲學(xué)隔板的邊緣效應(yīng)引起。靠近聲學(xué)隔板邊緣區(qū)域由于近場干擾，雖然聲源級變化不大，但引起波束畸變，波束寬度和左右旁瓣值變化明顯，波束圖不規(guī)則，聲場特性變差。

在水平波束60°方向以后，遠(yuǎn)離了聲學(xué)隔板邊緣，聲學(xué)隔板對聲基陣發(fā)射波束水平指向性基本沒有影響。

2.3 發(fā)射波束垂直指向性

由聲基陣分別發(fā)射2.0、3.0、4.0 kHz的單頻單波束信號，標(biāo)準(zhǔn)水聽器距聲吶基陣距離15 m，在垂直5.6～23.6 m內(nèi)，改變標(biāo)準(zhǔn)水聽器的入水深度，測量30°、60°、90°波束方向垂直指向性參數(shù)(波束寬度、旁瓣級等)，變化測量結(jié)果見表3。

表3發(fā)射波束垂直指向性測試結(jié)果

Table3Thetestresultofverticaldirectivityoftransmittedbeam

頻率/kHz波束方位/(°)波束寬度變化/(°)左旁瓣變化/dB右旁瓣變化/dB300.81.311.852.060-0.2-0.26-0.25900003001.68-0.163.0600.5-0.030.590000301.11.741.394.0600.30.4-0.4390000

表3數(shù)據(jù)表明，聲學(xué)隔板在30°波束方向?qū)β暬嚧怪卑l(fā)射波束有一定影響，但同水平發(fā)射波束相比較，垂直發(fā)射波束變化不明顯；60°波束方向以后，由于遠(yuǎn)離了聲學(xué)隔板，聲學(xué)隔板對聲基陣垂直發(fā)射波束基本無影響。

2.4 接收波束幅值衰減規(guī)律

采用水聲換能器綜合參數(shù)測試系統(tǒng)的發(fā)射聲源遠(yuǎn)場發(fā)射信號，用聲基陣接收，接收波束方位15°～60°，測量頻率為2.0、3.0、4.0 kHz，測試結(jié)果見圖9。

由測量結(jié)果可知，與聲基陣發(fā)射狀態(tài)相同，在聲基陣30°波束方向測量頻段，接收波束幅值下降主要由聲學(xué)隔板的邊緣效應(yīng)造成，接收波束幅值變化不大。隨著波束角度進(jìn)一步減小，聲基陣接收波束幅值急劇下降，接近15°波束方向，接收波束幅值下降近20 dB，說明越靠近聲學(xué)隔板中心位置，聲學(xué)隔板對聲基陣聲屏蔽作用越強(qiáng)，隔聲量越大。在聲基陣60°波束方向以后，遠(yuǎn)離聲學(xué)隔板的位置，聲學(xué)隔板對聲基陣接收波束幅值基本無影響。

圖9 接收波束幅值測量結(jié)果Fig.9 The results of amplitude of receive beam

2.5 接收波束水平指向性

采用水聲換能器綜合參數(shù)測試系統(tǒng)的發(fā)射聲源遠(yuǎn)場發(fā)射信號，用聲基陣接收。試驗(yàn)裝置勻速旋轉(zhuǎn)180°(0°～180°內(nèi))，并同時接收由聲源發(fā)送的3.0、4.0 kHz單頻信號，測量以上頻段的接收波束水平指向性參數(shù)變化(波束寬度、旁瓣級)，對其中55°～90°方向的波束參數(shù)進(jìn)行比較，接收波束水平參數(shù)遮擋實(shí)測數(shù)據(jù)見圖10、11。

由測量結(jié)果可知，在55°～90°波束方位，聲學(xué)隔板對聲基陣接收波束水平指向性影響與發(fā)射狀態(tài)相同，影響不大。

2.6 接收波束垂直指向性

采用水聲換能器綜合參數(shù)測試系統(tǒng)的發(fā)射聲源遠(yuǎn)場發(fā)射信號，用聲基陣接收，發(fā)射聲源距離聲吶基陣15 m，由聲源分別發(fā)送3.0、4.0 kHz的單頻信號，在5.6～23.6 m內(nèi)，改變發(fā)射聲源的入水深度，測量30°、60°、90°方向波束參數(shù)變化(波束寬度、旁瓣級等)，測量結(jié)果見表4。

圖10 3.0 kHz接收波束水平指向性測量結(jié)果Fig.10 The results of horizontal directivity of 3.0 kHz receive beam

圖11 4.0 kHz接收波束水平指向性測量結(jié)果Fig.11 The results of horizontal directivity of 4.0 kHz receive beam

頻率/kHz波束方位/(°)波束寬度變化/(°)左旁瓣變化/dB右旁瓣變化/dB30-0.30.50.73.0600.3-0.5-0.190000300.31.21.14.0600.3-0.10.590000

由表4中的測量數(shù)據(jù)可知，聲學(xué)隔板在30°～90°接收垂直波束寬度變化小于±0.3 dB。在4 kHz頻率30°波束方向左右旁瓣值增加1 dB左右；3 kHz頻率30°～90°波束方向，4 kHz頻率60°～90°波束方向，聲學(xué)隔板對聲基陣垂直接收波束基本無影響。

3 結(jié)論

1) 聲學(xué)隔板對聲基陣艉部噪聲屏蔽效果明顯，靠近0°波束方向，隔聲量大于18 dB以上，測量結(jié)果與聲學(xué)隔板聲性能結(jié)果相吻合，后期聲學(xué)隔板在聲基陣上的推廣應(yīng)用可以通過模型仿真和水池測量作為設(shè)計(jì)依據(jù)，減少大型外場試驗(yàn)工作量。

2) 聲學(xué)隔板對聲基陣屏蔽角度范圍為-30°～+30°時，聲學(xué)隔板對聲基陣的指向性有很大影響，加裝聲學(xué)隔板后，聲基陣-30°～+30°波束范圍指向性(波束幅度、波束寬度、旁瓣級等)很差，聲基陣在該方向不能有效觀察。聲基陣波束方位為+60°～+300°時，聲學(xué)隔板對聲基陣基本無影響。

3) 聲基陣加聲學(xué)隔板后，對艉部噪聲的有效屏蔽，減小同其他聲吶設(shè)備的相互干擾，對聲兼容問題是有益的。

4) 聲基陣加聲學(xué)隔板后，在阻斷艉部噪聲的同時，減小了聲基陣的有效工作扇面，因此，應(yīng)在設(shè)計(jì)聲學(xué)隔板屏蔽效果的同時，確保聲基陣的工作扇面。

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本文引用格式：

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