船舶水下輻射噪聲水平指向性測量及試驗研究

王文冠，侯 朋，吳 迪，李光遠，范業(yè)明，王 瑩

(大連測控技術(shù)研究所，遼寧 大連 116013)

0 引 言

隨著經(jīng)濟全球化時代的到來，從20世紀60年代開始，人類制造的水下噪聲與日俱增，噪聲問題日益突出，致使海洋生物處于十分危險的境地。因此為了減少航運業(yè)對海洋生物的影響，各個組織機構(gòu)都在尋求解決水下噪聲污染問題的方法?！吧檀螺椛湓肼晫Ｑ笊镉绊憽弊h題自從國際海事組織環(huán)保委員會第57次會議以來一直受到各國的廣泛關(guān)注，并被列為優(yōu)先考慮事項。2013年3月國際海事組織設(shè)計與備份委員會第57次會議批準了非強制性的“減少商船水下輻射噪聲導(dǎo)則”，2014年3月IMO第66屆MPC會議上正式審議通過該導(dǎo)則，并對外發(fā)布，目的是減小由商船產(chǎn)生的水下輻射噪聲對海洋生物可能產(chǎn)生的短期或長期的負面影響，特別是對海洋哺乳動物的影響[1]。

利用船舶水下輻射噪聲水平指向性查找噪聲源，分析其對周圍海域影響，是控制船舶水下輻射噪聲的有效技術(shù)手段。但船是個形狀極其復(fù)雜的空間聲源，要想從數(shù)學(xué)上嚴格求解形狀不規(guī)則聲源產(chǎn)生的聲場是十分困難的，而實船測試是獲得其水平指向性的最有效方法[2]。羅雪峰[3]提出一種基于線陣的艦船輻射噪聲空問分布特性分析方法，劉寧[4]提出一種基于單水聽器的潛艇水下輻射噪聲水平指向性測量方法，以上方法簡單易行，可以滿足船舶指向性測量的需求，但仍然面臨2個困難：1）測量單元少，單程數(shù)量多，測量時間長，測量效率低，測量角度有限；2）海面布放的系統(tǒng)受風(fēng)浪影響大，系統(tǒng)自身的抖動造成本底噪聲高，低頻測量能力弱，測量窗口期短。針對以上問題，本文提出了一種方便、快捷的船舶水平指向性測量方法，利用海底固定式輻射噪聲測量系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)測量單元深度和合理規(guī)劃船舶機動路徑，可以得到水下不同深度平面輻射噪聲分布情況，具有海底固定布放、測量單元位置固定、低頻測量能力強、測量效率高，測量窗口期長等特點，能高效完成船舶水下輻射噪聲水平指向性測量。

1 水平指向性測量方法

船舶水下輻射噪聲水平指向性是指距離船舶等效聲中心等距離處測得的輻射噪聲級與舷角之間的關(guān)系[5]。為此專門配置了海底固定式測量系統(tǒng)，來完成不同深度平面的輻射噪聲測量，再輔以GPS系統(tǒng)和水下多頻點三維定位系統(tǒng)，給出目標和測量單元間的空間位置關(guān)系，通過合理規(guī)劃船舶機動路徑，得到船舶周圍平面內(nèi)多點水下輻射噪聲量級，對輻射噪聲數(shù)據(jù)和位置信息進行同時基聯(lián)合解算，實現(xiàn)船舶不同深度平面水平指向性測量。具體船舶水下輻射噪聲水平指向性測量流程如圖1所示。

圖1 船舶水下輻射噪聲水平指向性測量流程Fig.1 Ship underwater radiation noise horizontal directivity measurement process

1.1 測量單元絕對坐標測量

本文采用的空間位置測量原理是多頻點測距得到相對位置坐標，再利用GPS得到絕對位置坐標，最后進行空間坐標轉(zhuǎn)換，得到測量單元的大地絕對坐標，測量原理見圖2。

圖2 測量單元大地絕對坐標測量原理Fig.2 Measuring principle of obtaining measurement unit geodetic absolute coordinate

在測量船首尾分別放置不同頻率的高頻換能器，兩換能器間距S，在尾部換能器上方放置GPS，其坐標為wg（xg，yg，zg），換能器和GPS間距離為H，測量單元和測距換能器深度差為D。利用測距換能器可以到測量單元距尾部距離S1，距首部距離S2，再依據(jù)三角定位原理進行空間位置解算，即可獲得測量單元的大地絕對坐標wd（xd，yd，zd），其坐標求解公式為：

1.2 機動路徑規(guī)劃

本文設(shè)計了一個“S”形船舶機動路徑，可快速高效完成水平指向性測量，相對于傳統(tǒng)方法具有工況少，時間短，簡單可行等特點。如圖3所示，在GPS引導(dǎo)下，船舶沿規(guī)劃路徑從A點機動至B點，在測量區(qū)保持勻速直線航行且全船設(shè)備處于工況設(shè)計的指定狀態(tài)，根據(jù)水下輻射噪聲概率分布特征，需要完成至少8個有效單程。新方法在測量某一工況時只需要穿越3次測量系統(tǒng)，相較于以往穿越6次測量系統(tǒng)的測量方法測量單程縮減一半，測量效率提高一倍。

圖3 船舶機動路徑Fig.3 Ship maneuvering path

1.3 位置解算

分析測量工況下的主要噪聲源，確定噪聲源位置，建立以噪聲源為坐標原點的水平面笛卡爾坐標系，被測船船首為x方向，左舷為y方向，根據(jù)船上GPS位置信息ws（xs，ys，zs），可以解算得到測量單元坐標wz（xz，yz，zz），其求解公式為：

其中： Δx， Δy， Δz為噪聲源位置和船上GPS位置的距離差值。

根據(jù)工況航速和測量需求，設(shè)置水平指向性測量的時間分辨率 Δt，即每隔 Δt時刻，給出一組輻射噪聲測量結(jié)果，則某一直航測量段測量單元位置信息分段處理后可表示為：

每一單程3個直航測量段，則某一單程測量單元位置信息可表示為：

某一工況8個有效單程，則測量單元位置信息可表示為：

1.4 噪聲數(shù)據(jù)處理

根據(jù)工況航速和測量需求，按水平指向性測量的時間分辨率 Δt對數(shù)據(jù)進行分段計算，每一段中心時刻和位置信息中心時刻對齊，左右各取 Δt/2時長，記為xk(n)。對每一段數(shù)據(jù)，采用Welch法再進行分段處理，以此降低測量結(jié)果的方差，則每一段數(shù)據(jù)xk(n)的功率譜估計為[6]：

式中，p0為基準值，按國際標準選為1μPa。

則某一直航測量段水下輻射噪聲信息可表示為：

每一單程3個直航測量段，則某一單程水下輻射噪聲信息可表示為：

某一工況8個有效單程，則水下輻射噪聲信息可表示為：

1.5 繪制水平指向性曲線

通過以上計算得到時間點對齊的位置信息矩陣W和船舶水下輻射噪聲信息距陣Y，但這些信息點在平面內(nèi)散亂無規(guī)則，因此需要對測量得到的原始數(shù)據(jù)進行差值擬合。這里選擇Biharmonic樣條插值，該方法可以保持原始結(jié)果的本質(zhì)結(jié)構(gòu)和特征，而且算法計算量較小，效率較高[7]。

通過測量得到了N個已知點的船舶水下輻射噪聲聲壓級，Biharmonic樣條插值即轉(zhuǎn)化為解方程組：

式中： ?4為Biharmonic算子； δW為單位沖擊函數(shù)；W表示水平空間內(nèi)的位置； ωW表示W(wǎng)處的聲壓級。式（11）的通解為：

其中， αj滿足線性方程：

水平指向性是二維空間平面擬合，因而式（13）中Green函數(shù)采用φm(W)=|W|2(ln|W|-1)，利用測量得到的N個位置已知點的船舶水下輻射噪聲聲壓級代入式（13）即可解得 αj，從而通過式（12）能夠得到任意位置Wj處的水下輻射噪聲聲壓級Yj。

完成以上插值處理，得到了8個有效單程數(shù)據(jù)繪制的水平聲場分布結(jié)果，其中局部密集點的結(jié)果可以看做多次的重復(fù)測量，通過Lowess算法對結(jié)果進行適當?shù)钠交?，可以使特征更加明顯，這里要注意窗口寬度的選取，過長的窗長容易造成結(jié)果失真[8]。

最后按式（14）把笛卡爾坐標系轉(zhuǎn)換為極坐標系，即可得到不同距離的水平指向性測量結(jié)果。

2 聲源驗證試驗

當2個相距1 m放置的點聲源，同時發(fā)射半波長為1 m的單頻信號時，會形成“8”字型水平指向性。以此設(shè)計了雙聲源試驗，通過對比理論結(jié)果和測量結(jié)果驗證測量方法的準確性。圖4給出了相距1 m單頻點源水平指向性理論計算結(jié)果。

圖4 相距1 m單頻點源水平指向性理論計算結(jié)果Fig.4 Theoretical calculation results of two single-frequency points horizontal directionality of one meter apart

試驗當日應(yīng)用CTD測量試驗海區(qū)聲速為1 508 m/s，經(jīng)計算754 Hz單頻信號半波長為1 m，因此選其作為發(fā)射信號。通過漁船拖曳，按水平指向性測量方法完成8個有效單程，測量結(jié)果如圖5所示。

圖5 相距1 m的754 Hz單頻信號水平指向性圖Fig.5 Measurement results of two 754 Hz points horizontal directionality of one meter apart

這里給出的是系統(tǒng)測量得到的雙聲源754 Hz單頻信號半徑50 m處水平指向性，從圖中可以看出，實測結(jié)果和理論計算結(jié)果皆成“8”字型指向性，區(qū)別在于實測結(jié)果尾部旁瓣強度稍弱于首部旁瓣。為了進一步探究原因，查找了圖6所示的聲源800 Hz水平指向性出廠測試結(jié)果，聲源在該頻段具有首部強、尾部弱的指向性特點，與實測結(jié)果相吻合。因此，聲源驗證試驗測量結(jié)果表明，基于固定式測量系統(tǒng)的船舶水下輻射噪聲水平指向性測量方法合理可行，測量結(jié)果準確。

圖6 聲源800 Hz水平指向性出廠測試結(jié)果Fig.6 The factory test results of source 800 Hz horizontal directional

3 實船驗證試驗

為了驗證水平指向性測量方法的工程實用性，設(shè)計了實船水平指向性測量試驗。被測目標為5葉雙槳交通艇，設(shè)計工況為直航6 kn （660 r/min），此時軸頻為11 Hz，葉頻為55 Hz。交通艇按水平指向性測量方法沿機動路徑完成8個有效單程測量，測量結(jié)果如圖7～圖9所示。

從圖7可以看出，在遠距離時11Hz軸頻信號依然明顯，說明固定式測量相較于活動式測量在低頻段測量能力明顯提高。圖中顯示交通艇左舷存在明顯噪聲，上船查明是由于左舷軸系未對中引起的異常振動，造成其噪聲量級高于右舷，存在的現(xiàn)象和測量結(jié)果相吻合。

從圖7和圖8軸頻和葉頻的聲場分布可以看出，單頻信號隨著距離由近及遠具有時大時小的現(xiàn)象，且頻率越高，現(xiàn)象越來越明顯，說明軸頻、葉頻在傳播的過程中具有波動性，且兩槳之間存在相干現(xiàn)象。軸頻噪聲源位于船中靠后位置，葉頻噪聲源位于船尾部，和設(shè)備所處位置相同，說明通過水平指向性測量可以準確查找噪聲源位置。

圖7 11 Hz軸頻聲場水平空間分布測量結(jié)果Fig.7 The measurement results of 11 Hz axial frequency acoustic field horizontal spatial distribution

圖8 55 Hz葉頻聲場水平空間分布測量結(jié)果Fig.8 The measurement results of 55 Hz blade frequency acoustic field horizontal spatial distribution

從圖9寬帶總聲級聲場水平空間分布圖中可以看出，交通艇主要噪聲源位于中部靠后位置，和軸頻噪聲源位置相同，說明6 kn直航工況主要噪聲源為主機及軸系系統(tǒng)。因此，實船驗證試驗測量結(jié)果表明，基于固定式測量系統(tǒng)的船舶水下輻射噪聲水平指向性測量方法具有工程實用性，低頻測量能力突出，噪聲源定位準確。

圖9 寬帶聲場水平空間分布測量結(jié)果Fig.9 The measurement results of broadband acoustic field horizontal spatial distribution

4 結(jié) 語

本文提出了一種基于固定式測量系統(tǒng)的船舶水下輻射噪聲水平指向性測量方法，相比以往的方法，測量單程縮減一半，測量效率提高一倍。采用固定式測量系統(tǒng)，測量窗口期長，低頻測量能力突出。通過開展2個相距1 m的754 Hz點源水平指向性測量試驗，測量結(jié)果和理論計算結(jié)果相吻合，證明船舶水下輻射噪聲水平指向性測量方法合理可行，測量結(jié)果準確。通過測量交通艇水下輻射噪聲指向性，查明的低頻噪聲源位置和已知位置相吻合，說明本文提出的方法具備實船測量的工程實用性。