作為體積目標(biāo)的艦船輻射噪聲建模

羅 建，趙亞磊，黃仁可

（西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，陜西 西安710072）

0 引言

聲波在海洋水介質(zhì)中擁有遠(yuǎn)距離有效傳播的特性，對艦船隱蔽生存以及武器裝備性能有重大影響，因此備受各國海軍的關(guān)心。大量的實驗分析和理論研究，推動了以艦船輻射噪聲為信號源的水中兵器以及水聲儀器的不斷發(fā)展和完善。

早在20世紀(jì)40年代末，美國就對二戰(zhàn)中各種艦船的輻射噪聲特性做了反復(fù)的測量和研究，雖然現(xiàn)在大部分被測艦船已經(jīng)不復(fù)存在，但是得到了艦船輻射噪聲特性的統(tǒng)計規(guī)律[1-4]。近些年來，隨著對海洋生態(tài)的深入研究，國外以漁船為對象也做了大量的測量工作[6-8]。

然而實際測量會消耗大量的人力、物力，因此國內(nèi)外都非常重視實驗室對水中目標(biāo)噪聲的模擬研究，尤其是仿真和重構(gòu)艦船輻射噪聲特性的研究。到目前為止，對于艦船輻射噪聲級、連續(xù)譜形狀等特征的研究相對較為成熟，文獻(xiàn)[5，15]研究了典型艦船輻射噪聲的重構(gòu)模型和重構(gòu)方法，但是文中把艦船看作點目標(biāo)來建模。與實測對比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)探測系統(tǒng)與目標(biāo)之間的距離和目標(biāo)的尺度可比時，把艦船簡化為一個點目標(biāo)會帶來非常大的誤差。為了解決這一問題，研究人員開始把近距離通過的艦船視為體積目標(biāo)來進行探測。文獻(xiàn)[4，9]將艦船看做體積目標(biāo)，研究了艦船做為體積聲源的源強度縱向頻譜分布特性。

隨著海軍裝備需求的提高和新技術(shù)的應(yīng)用，研究人員進行實驗室模擬研究也越來越頻繁，對目標(biāo)特性的研究也有了更深層次的要求。將艦船作為點目標(biāo)進行仿真和重構(gòu)噪聲序列已無法滿足現(xiàn)階段的需求，模擬更加逼真的艦船輻射噪聲成為了實驗室仿真研究的重要方向之一，尤其是重構(gòu)包含艦船體積特征的艦船輻射噪聲場具有重要的實用價值和軍事價值。

由于艦船輻射噪聲來源本身的復(fù)雜性，即使是同一條艦船在不同海洋環(huán)境條件和自身航行工況下，其輻射噪聲也存在著較大的差異[1]。因此在對目標(biāo)輻射噪聲重構(gòu)和模擬的過程中，需要盡可能全面地給出反映艦船本身固有特征的特征量。

為了更準(zhǔn)確地描述目標(biāo)噪聲特性進而更逼真地模仿和重構(gòu)目標(biāo)噪聲特性，國內(nèi)外在艦船輻射噪聲的非平穩(wěn)性、非高斯分布特性和非線性方面投入了大量的研究，尤其是有線譜存在的頻段。到目前為止，對運動目標(biāo)輻射噪聲線譜的認(rèn)識和數(shù)理模型的描述還不統(tǒng)一，所取用的分析手段和分析方法也各有差異。早在二戰(zhàn)期間，為了能夠解決聲吶回聲測距中目標(biāo)時有時無的問題，人們就已經(jīng)開始了信號時變不穩(wěn)定特性的研究[10]；20世紀(jì)70年代，Urick R.J.給出了窄帶信號的幅度起伏模型[11-13]；20世紀(jì)90年代，陳耀明、陶篤純等給出了線譜的幅度起伏模型[14]，并且用實測數(shù)據(jù)驗證了該模型的合理性。綜合現(xiàn)有的線譜起伏模型，采用周期性局部平穩(wěn)過程模型和準(zhǔn)周期性隨機聲脈沖序列過程模型來描述水下運動目標(biāo)噪聲線譜相對合適。

1 艦船輻射噪聲的產(chǎn)生機理及分類

相較于海洋環(huán)境噪聲，對于艦船輻射噪聲的研究較為成熟，它的產(chǎn)生僅與艦船本身特性有關(guān)，不受地理、氣候等外部條件的影響。如圖1所示，艦船輻射噪聲主要分為3類，它們的產(chǎn)生機理、產(chǎn)生部位和頻譜結(jié)構(gòu)各不相同[2-3]。

圖1 艦船輻射噪聲主要分布部位Fig.1 Main parts of ship-radiated noise

1）螺旋槳噪聲是由旋轉(zhuǎn)著的螺旋槳所產(chǎn)生的噪聲，由螺旋槳空化噪聲和螺旋槳葉片振動時所產(chǎn)生的噪聲組成。雖然螺旋槳也是船的推進部分，但產(chǎn)生的機理和噪聲頻譜與機械噪聲是不同的。機械噪聲是在艦船的內(nèi)部產(chǎn)生的，噪聲信號通過各種方式的傳導(dǎo)和傳播經(jīng)船殼輻射到了海水中；而螺旋槳噪聲則直接是在船體外部產(chǎn)生，是由艦船在水中航行時螺旋槳的轉(zhuǎn)動引起的。

2）機械噪聲指的是在航行或作業(yè)艦船上的各種機械振動，通過船體輻射到海水介質(zhì)中從而形成的噪聲。根據(jù)艦船上各種機械產(chǎn)生噪聲的機理，可將機械噪聲分成如下的幾類：①不平衡的部件；②不連續(xù)的部件；③往復(fù)部件；④水動力空化噪聲；⑤軸承噪聲。由于各種機械運動的形式不同，它們產(chǎn)生的水下輻射噪聲的性質(zhì)也就不同。前3種聲源主要產(chǎn)生線譜，噪聲的成分也主要是存在于振動的基頻及其諧波上的單頻成分；而后2種聲源主要產(chǎn)生連續(xù)譜噪聲，且當(dāng)激起結(jié)構(gòu)部件共振時，也會疊加有線譜。

3）水動力噪聲：水動力噪聲是由起伏的、不規(guī)則的海流流過運動艦船船體表面形成的，是水流的動力作用于艦船的結(jié)果。水動力噪聲是一種沒有規(guī)則的噪聲，按照布洛欣采夫的理論研究，其噪聲強度主要和艦船航速相關(guān)。

一般艦船的水動力噪聲在強度方面常常會被螺旋槳噪聲和機械噪聲所掩蓋。但是在有些特殊的情況下，比如結(jié)構(gòu)部件或空腔被激勵為線譜噪聲的諧振源時，就有可能在出現(xiàn)線譜的范圍內(nèi)成為主要的噪聲源。

2 艦船輻射噪聲頻譜結(jié)構(gòu)及特征

對于艦船輻射噪聲，由主機、輔機所產(chǎn)生的機械噪聲和螺旋槳噪聲在多數(shù)情況下是主要的輻射噪聲源，至于哪一種更為重要，則取決于艦船的航速、噪聲頻率和吃水深度。圖2表示的是2種航速下艦船的輻射噪聲譜簡圖，圖2（a）是低航速下的譜，圖2（b）則是高航速的譜。在圖2（a）中，螺旋槳剛開始出現(xiàn)空化，譜的低頻端主要為螺旋槳葉片速率和機械噪聲的線譜，隨著頻率增加，這些線譜會不規(guī)則地下降，最終被螺旋槳噪聲的連續(xù)譜完全覆蓋。有時，也可能在連續(xù)譜背景上迭加一條或幾條的高頻線譜，它們是由螺旋槳葉片發(fā)生共振產(chǎn)生的，大多數(shù)船上裝有噪聲大的減速器，就可能是這種強線譜的源。在較高航速時（圖2（b）），螺旋槳噪聲譜增強，并移向低頻端，而且，其中某些線譜的譜級變大，而以恒速運轉(zhuǎn)的機械產(chǎn)生的線譜并不變化，不受航速增加的影響?？梢姡诟吆剿贂r，螺旋槳空化噪聲的連續(xù)譜更為重要，掩蓋了很多的線譜。另外，螺旋槳噪聲還與航行深度有關(guān)，航速一定時，螺旋槳噪聲隨深度的增加而減小。

圖2 不同航速下的艦船輻射噪聲頻譜簡圖Fig.2 Frequency spectrum of ship-radiated noise at different speeds

圖3是運動艦船機械噪聲、水動力噪聲和螺旋槳噪聲隨航速和頻率的變化關(guān)系圖[16]。從圖上可以看出：在低速、低頻條件下，機械噪聲是主要的輻射噪聲源；隨著航速增高，高頻部分主要的輻射噪聲源是螺旋槳空化噪聲，低頻部分，水動力噪聲成為了主要的噪聲源。

圖3 三類主要噪聲隨航速和頻率的變化關(guān)系圖Fig.3 Relation diagram of three kinds of main noises varying with speed and frequency

在重構(gòu)輻射噪聲時，簡單的將艦船視為一個點目標(biāo)來考慮，會存在較大的誤差，因此需要對艦船不同部位聲源的貢獻(xiàn)和影響分別進行考慮，將艦船視為體積目標(biāo)。與點目標(biāo)不同，我們將不僅僅只限于知道艦船作為一個點聲源時聲源強度及其能量的頻域分布，并且需要研究艦船輻射噪聲不同輻射聲源的空間分布特性。根據(jù)艦船結(jié)構(gòu)從理論上研究各類輻射聲源引起的艦船輻射噪聲級的縱向分布是十分復(fù)雜的問題[2-3，17]，然而利用近場實際測量得到的實船噪聲通過特性分析卻有可能獲得統(tǒng)計意義的規(guī)律性[10-11]。

3 艦船作為體積目標(biāo)輻射噪聲建模

根據(jù)以上分析，建立艦船作為體積目標(biāo)輻射噪聲的模型如圖4所示。設(shè)船長為L，建立左手坐標(biāo)系oxyz，艦船中心為坐標(biāo)原點。船尾用點SW表示，

則坐標(biāo)為（0，－L／2，0），也可以用矢量·j表示，j是y軸上的單位矢量。船頭用點SS表示，則其坐標(biāo)為（0，L／2，0），可用矢量表示為·j。沿著船的縱向上取任意一個點S，其坐標(biāo)為（0，y，0），矢量表示為。在空間點P處布放水聽器，其坐標(biāo)為（D，Q，H），矢量表示為·i＋Q·j＋H·k，其中D表示艦船與水聽器的橫距，H表示水聽器的布放深度。

圖4 作為體積目標(biāo)的艦船輻射噪聲建模Fig.4 Modelling of ship-radiated noise as a volume target

把艦船看作一個連續(xù)的線列陣聲源，該線列陣聲源的特點是它的任意點源S都具有不同的功率譜密度函數(shù)S（y，ω），每一個點都是一個點源，滿足球面擴展定律。這樣點P處接收的艦船輻射噪聲功率譜就可以被認(rèn)為是連續(xù)的線列陣聲源上每一個點所輻射的功率譜在點P處的線性疊加，即：

式中：

代入上式可得：

公式（1）與公式（3）能夠完整地描述艦船作為體積目標(biāo)的輻射噪聲場縱向分布特性，但是它一般無解析解，只能用數(shù)值算法求解，因此在實際應(yīng)用過程中需要對它進行進一步的簡化。從艦船輻射噪聲頻域分布來看，每一個頻段都有一個主要聲源，并且主要聲源輻射的能量所占比重很大，因此在實際應(yīng)用中，我們可以忽略其他次要聲源輻射的能量，只考慮主要聲源輻射的能量。

由此可以得到只考慮主要聲源的功率譜：

式中：S（yω，ω）是頻率為ω的主要聲源輻射功率，主要聲源坐標(biāo)為（0，yω，0），S（yω，ω） 可由S（y，ω）求得，從而把復(fù)雜的積分運算簡化為一般的代數(shù)運算。

前蘇聯(lián)根據(jù)大量的實船試驗得出如下結(jié)論：

1）艦船低速運動中，在艦船的中后部（主機部分）會產(chǎn)生最大聲壓，這時機械噪聲起到了主要的作用；

2）增加艦船航速，在艦船的尾部（螺旋槳處）會出現(xiàn)第2個最大聲壓值；

3）繼續(xù)增加艦船航速，在艦船船首出現(xiàn)第3個最大聲壓值；

4）螺旋槳所產(chǎn)生的噪聲受到艦船航行速度的影響較大，而殼體振動所產(chǎn)生的噪聲（機械噪聲）受到艦船航行速度的影響較小；

5）當(dāng)航速一定時，螺旋槳噪聲隨深度的增加而減小。

美國通過大量的實船測試資料和分析也證明[2-3]，可以把正常航速（不包括前蘇聯(lián)資料中的高航速艦船）的艦船輻射聲源的縱向分布等效為3個主要的輻射噪聲亮點部位。

①尾部：主要噪聲源是推進器，其能量主要覆蓋1～5 kHz頻帶，并且具有典型的空化噪聲頻譜特征。同時，尾部也會出現(xiàn)螺旋槳軸和葉片旋轉(zhuǎn)引起的線譜頻率及其多次諧波。

②中后部：從尾部起1／4船長處，也稱主機部位，其主要能量覆蓋10～100 Hz頻帶，功率譜特征一般是在弱連續(xù)譜上疊加有強線譜，線譜頻率通常也低于100 Hz。

③中部：約1／2船長處，分布著各類輔機，其主要能量覆蓋100～1 000 Hz頻帶，功率譜中既包含連續(xù)譜成分，也包含頻率不高于1 kHz的線譜成分。

結(jié)合艦船輻射噪聲的主要能量分布，可以將艦船沿縱向分布的噪聲源簡化為主要亮點，采用中部、中后部和尾部3個亮點，即可以模擬整個艦船輻射噪聲能量分布，根據(jù)不同亮點的主要輻射噪聲源及其特征進行模型參數(shù)設(shè)置，即可實現(xiàn)艦船作為體積目標(biāo)輻射噪聲的主要特征的重構(gòu)。

4 結(jié)束語

論文基于艦船輻射噪聲的產(chǎn)生機理、分類以及其頻域結(jié)構(gòu)，考慮艦船輻射噪聲的主要輻射聲源，建立了艦船作為體積目標(biāo)輻射噪聲的“三亮點”仿真模型方法，為后續(xù)包含艦船輻射噪聲的時域波形重構(gòu)奠定了基礎(chǔ)。