劉 寧，夏春艷，劉文帥

(大連測控技術(shù)研究所，遼寧 大連 116013)

潛艇輻射噪聲水平指向性測量方法

劉 寧，夏春艷，劉文帥

(大連測控技術(shù)研究所，遼寧 大連 116013)

當(dāng)前潛艇水下輻射噪聲測試主要還是以水聲測量技術(shù)為主要手段。本文探討了1種新的測量潛艇水下輻射噪聲水平指向性的方法，思路新穎，簡單實用，工程可行性強，能全面準確地獲得潛艇輻射噪聲在單頻和頻帶內(nèi)的水平指向性。通過測量分析潛艇水下輻射噪聲的指向性，能深刻理解潛艇水下輻射噪聲場空間分布的規(guī)律，初步判定潛艇輻射噪聲源的部位及其頻率特性，為潛艇聲隱身技術(shù)的發(fā)展和水中兵器的研制提供科學(xué)依據(jù)和有利支撐。

潛艇;輻射噪聲;水平指向性;測量方法

0 引言

潛艇的主要優(yōu)勢在于隱蔽性和突然打擊能力，其噪聲水平及聲隱蔽性對潛艇完成其作戰(zhàn)使命任務(wù)和發(fā)揮戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能至關(guān)重要。因此，潛艇作為海戰(zhàn)中被探測和攻擊的重要水中目標，對其聲目標特性的研究，不僅是潛艇研制設(shè)計、建造以及使用方的關(guān)注焦點，同時也引起作為防護的反方即攻擊和探測的另一方的高度關(guān)注。

潛艇是一個復(fù)雜而龐大的系統(tǒng)，其輻射噪聲幾乎是集各種噪聲之大成，聲源繁多、集中、噪聲強度大、頻譜成分復(fù)雜是其最顯著的特點。潛艇作為聲源在水下航行時形成了隨時間和空間分布的輻射噪聲場，由于輻射噪聲的能量在空間分布是不均勻的，導(dǎo)致潛艇輻射噪聲具有明顯的方向性，形成了空間指向性，即聲源級與觀測點的方向有關(guān)。因此，輻射噪聲空間分布特性是潛艇近場輻射噪聲場的一個重要特征。

潛艇是個形狀極其復(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，而實艇測試是獲得潛艇空間指向性的最有效方法。當(dāng)前，潛艇水下輻射噪聲測試主要還是以水聲測量技術(shù)為主要手段。本文探討了1種新的測量潛艇水下輻射噪聲水平指向性的方法。測量分析潛艇水下輻射噪聲的指向性，深刻理解潛艇水下輻射噪聲空間分布的規(guī)律，獲得水下聲場的更多信息，對于研究潛艇水下輻射噪聲場的產(chǎn)生機理、特性控制、降低潛艇噪聲有著重要的意義，同時對于水中兵器和聲誘餌技術(shù)的發(fā)展也有著重要的作用。

1 潛艇輻射噪聲空間指向性的產(chǎn)生機理

潛艇水下輻射噪聲指向性按照空間位置的不同可以分為垂直指向性和水平指向性。潛艇輻射噪聲水平指向性是指距離潛艇某一參考點等距離處測得的單頻和寬帶輻射噪聲級與舷角之間的關(guān)系。潛艇輻射噪聲水平指向性全面反映了水平面的輻射噪聲空間分布特性，一般來說，水平正橫方向和尾部方向是輻射噪聲最大的部位，而首部噪聲相對較小。潛艇水下輻射噪聲水平指向性如圖1所示。

圖1 潛艇水下輻射噪聲水平指向性示意圖Fig.1 The schematic diagram of submarine underwater radiated noise horizontal divectivity

潛艇水下輻射噪聲的聲源繁多、集中、噪聲強度大、頻譜成分復(fù)雜是其最顯著的特點。潛艇體積龐大，內(nèi)部機器設(shè)備眾多，在近場潛艇是一個十分復(fù)雜的空間噪聲源，而不是傳統(tǒng)意義上的點聲源，它與潛艇內(nèi)部的各種運轉(zhuǎn)的機器、裝備、動力及推進系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，也同其安裝形式、結(jié)構(gòu)振動傳遞機理及量級有關(guān)。

有關(guān)資料和實艇測量分析結(jié)果表明，潛艇在水下航行時，隨著工況和航速的不同，不同性質(zhì)的噪聲源對輻射噪聲的貢獻也是不同的，高航速工況時螺旋槳噪聲是最主要的噪聲源，機械噪聲對輻射噪聲的貢獻相對較小;低航速工況時機械噪聲對輻射噪聲貢獻最大，是最主要的噪聲源。因此，潛艇在水下航行時形成了隨時間和空間分布的輻射噪聲場。無論是總聲級的空間分布特性，還是特征譜的空間分布特性在時間和空間分布都不是均勻的，是有一定的指向性的。

2 測量潛艇輻射噪聲水平指向性的方法

2.1 應(yīng)用輻射噪聲通過特性定位潛艇等效聲中心

在進行輻射噪聲測量時，通過潛艇輻射噪聲的通過特性曲線，可以描述被測潛艇勻速直線航行，由遠及近接近測量水聽器并由近及遠離開測量水聽器。在這個過程中，潛艇輻射噪聲的聲壓級(或功率譜級)與測量水聽器相對位置的對應(yīng)關(guān)系如圖2所示。

圖2 潛艇單頻及總聲級通過特性與潛艇位置的對應(yīng)關(guān)系示意圖Fig.2 The corresponding relationding diagram of pass through characteristic and submarine location

當(dāng)潛艇以比較小的距離通過測量水聽器時，潛艇上沿首尾分布的噪聲源與水聽器的距離差別就比較大，這樣離水聽器較近的噪聲源對水聽器測得的輻射噪聲場就有較大的影響，通過特性曲線會出現(xiàn)“雙峰”現(xiàn)象。因此，近距離的通過特性反映的是潛艇局部的輻射噪聲特性;當(dāng)潛艇以比較大的距離通過測量水聽器時，水聽器測得輻射噪聲信號是機械噪聲、螺旋槳噪聲、水動力噪聲共同疊加而成的，通過特性曲線反映的是潛艇作為一個空間噪聲源的總體輻射噪聲隨時間的變化規(guī)律，而并非局部噪聲的特征。

通過在潛艇首部某一位置安裝測距發(fā)射換能器，并將該位置作為參考點，利用水下測距信息與輻射噪聲同步記錄的方法可比較精確地得到船體部位與輻射噪聲信號對應(yīng)的通過特性曲線。那么在空間(或時間)上，測量數(shù)據(jù)與船體部位就形成了一一對應(yīng)關(guān)系，它反映了潛艇通過測量水聽器時，聲壓級沿船體的分布。通過對縱向通過特性的分析，可得到單頻與寬帶噪聲的聲壓級與潛艇部位的對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)通過特性的最大值時刻，即可以確定潛艇在水下航行狀態(tài)下，某一工況的單頻與寬帶噪聲的等效聲中心位置。

2.2 潛艇輻射噪聲水平指向性的測試方案

潛艇輻射噪聲水平指向性是指距離潛艇某一參考點等距離處測得的輻射噪聲級與舷角之間的關(guān)系。潛艇在水下航行時形成了隨時間和空間分布的輻射噪聲場。在實艇在航行測試過程中，應(yīng)用潛艇輻射噪聲等效聲中心的定位技術(shù)，確定潛艇某一工況航行狀態(tài)的等效聲中心，將其作為測量同一工況潛艇輻射噪聲水平指向性的參考點，并在其對應(yīng)位置處安裝測距發(fā)射換能器。

為了準確地獲得距離潛艇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，擬建立潛艇輻射噪聲水平指向性的測試系統(tǒng)，如圖3所示。導(dǎo)航定位換能器和測量水聽器布放深度分別為D1和D2，測試系統(tǒng)布放深度由嵌入式深度傳感器加以控制，為了保證潛艇機動的安全性，潛艇下潛深度大于系統(tǒng)布放深度。

圖3 潛艇輻射噪聲水平指向性測試系統(tǒng)示意圖Fig.3 The horizontal directirity test system of submarine underwater radiated noise

潛艇輻射噪聲水平指向性測試過程中，機動方式如圖4所示。每個單程潛艇應(yīng)對準導(dǎo)航從導(dǎo)航換能器正下方附近勻速直線狀態(tài)通過。根據(jù)潛艇輻射噪聲的通過特性曲線及導(dǎo)航定位信息，在潛艇等效聲中心與水聽器等距離時刻，計算該時刻測量水聽器相對于潛艇等效聲中心的角度和水聽器的聲壓級，即可獲得該方向的水平指向性。測量過程中，當(dāng)潛艇以不同航向通過測試系統(tǒng)時，測量水聽器處于潛艇不同的方位，通過同樣的測量方法，能獲得相對潛艇等效聲中心等距離處不同角度的指向性。

利用潛艇輻射噪聲水平指向性的測試方案進行實艇海上試驗過程中，為了排除偶然誤差的影響，潛艇在每個航向上應(yīng)完成不少于8個有效單程。

圖4 潛艇輻射噪聲水平指向性測試潛艇機動方式示意圖Fig.4 The schematic diagram of submarine track in testing process

2.3 潛艇輻射噪聲水平指向性的數(shù)據(jù)分析方法

針對潛艇輻射噪聲水平指向性的測量方案，研究潛艇輻射噪聲空間指向性的數(shù)據(jù)分析技術(shù)，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方法。

潛艇機動航線與測試系統(tǒng)相對位置關(guān)系投影如圖5所示。d為投影后導(dǎo)航換能器與測量水聽器之間的距離，L1和L2分別為投影后距導(dǎo)航換能器和測量水聽器的正橫距離，當(dāng)L2≤d0時，潛艇航行軌跡如圖中情況1所示，此時，能換算出潛艇參考點到達A點和B點時刻相對于測量水聽器的角度φ'和φ″，進而根據(jù)航行軌跡和時間同步信息獲得相當(dāng)于標準距離d0的A點和B點的噪聲級。當(dāng)L2＞d0時，潛艇航行軌跡如圖3中情況2所示。此時，如果偏離范圍小于允許值，而且有明顯的信噪比，可以根據(jù)距離換算出標準距離的噪聲級和潛艇參考點相對于測量水聽器的角度。

圖5 潛艇機動航線與測試系統(tǒng)相對位置關(guān)系投影示意圖Fig.5 The corresponding relationship diagram of submarine track and test system

根據(jù)潛艇輻射噪聲水平指向性的數(shù)據(jù)分析方法，同時結(jié)合水平指向性的測試方案，通過對測試過程中每個航向上測量結(jié)果進行平均處理，消除偶然誤差的影響，即可以獲得不同工況、不同距離、不同頻帶的潛艇輻射噪聲水平指向性。

3 結(jié)語

潛艇水下輻射噪聲的指向性對潛艇的減振降噪和聲隱身性能的評價是十分重要和必要的。本文探討了1種新的測量潛艇水下 輻射噪聲水平指向性的方法，方法思路新穎、簡單實用，工程可行性強，能全面準確地獲得潛艇輻射噪聲在單頻和頻帶內(nèi)的水平指向性。

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Research on measuring method of submarine radiated noise horizontal directivity

LIU Ning，XIA Chun-yan，LIU Wen-shuai
(Dalian Scientific Text and Control Technology Institute，Dalian 116013，China)

Currently underwater sound measurement technology is the main means of submarine radiated noise test.In this paper discussed a new practicability method of measuring horizontal directivity of submarine radiated noise，that can roundly understand the horizontal directivity of submarine radiated noise in monofrequent and broadband，perceive the regularities of distribution of submarine radiated noise field，approximately locate the position of main noise source and frequency character，that is important sense to the development of submarine's acoustic stealth and the investigation of underwater weapon.

submarine;radiated noise;horizontal directivity;measuring method

TB532

A

1672－7649(2012)03－0088－03

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.03.019

2011－05－31;

2011－07－27

劉寧(1979－)，男，碩士研究生，工程師，主要研究領(lǐng)域為艦船噪聲檢測與分析。