劉勛

（第七一五研究所，杭州，310023）

深海噪聲場航船密度噪聲建模與指向性分析

劉勛

（第七一五研究所，杭州，310023）

提出一種海洋環(huán)境噪聲中航船密度噪聲的建模方法，并以中國南海為例仿真了航船密度噪聲的指向性，分析了不同頻率聲源對航船密度噪聲指向性的影響，為大面積航船密度噪聲建模奠定了基礎(chǔ)。仿真結(jié)論對海洋環(huán)境噪聲建模具有參考價值。

深海；航船密度噪聲；指向性；仿真分析

在聲吶信號處理方案中，要充分掌握噪聲場的時空統(tǒng)計(jì)特性，使聲吶系統(tǒng)達(dá)到更高的信噪比。海洋環(huán)境噪聲是水聲信道中的一種干擾背景噪聲場。近年來，人們對海洋環(huán)境噪聲進(jìn)行了廣泛的研究，包括環(huán)境噪聲隨深度、頻率、地形和航船密度等環(huán)境因素的變化，以及環(huán)境噪聲的水平和垂直指向性等。艦船噪聲主要分布在海洋環(huán)境噪聲譜的幾十Hz到1000 Hz，是主要的低頻噪聲源[1]。航船密度噪聲的指向性對海洋環(huán)境噪聲指向性研究有著重要意義。本文提出了一種深海航船密度噪聲的建模方法，并對深海航船噪聲指向性特性進(jìn)行了分析。

1 航船密度噪聲數(shù)學(xué)模型

航船密度噪聲的計(jì)算示意圖如圖1所示，下面做如下假設(shè)：（1）接收點(diǎn)位于坐標(biāo)原點(diǎn)處，將海面噪聲源劃分為依賴于距離、方位角的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)面源區(qū)域；（2）一個深度為zs、距離接收點(diǎn)距離為rj、且與x軸夾角為lβ的海面噪聲源在接收點(diǎn)處產(chǎn)生的復(fù)聲壓為；（3）距離表面噪聲源1 m處的歸一化復(fù)聲壓值取為1；（4）距離噪聲源1 m處的聲強(qiáng)級為，由海洋環(huán)境噪聲指向性評估系統(tǒng)（ANDES）給出[2]，參考值為1 μPa2/Hz/m2。單位面積內(nèi)噪聲強(qiáng)度可表示為[3]：

將海面噪聲源加上隨機(jī)相位后按照劃分的面源網(wǎng)格進(jìn)行疊加得到接收點(diǎn)處的復(fù)聲壓為：

式中Ψj是在[0,2π]之間的隨機(jī)相位，是單位面積的聲強(qiáng)。是隨距離和水平角變化的面積，。

圖1 航船密度噪聲計(jì)算示意圖

按照噸位大小將航船分成5類，分別為：超級油輪、大型油輪、商船、普通油輪和漁船。綜合考慮各種類型航船對單位面積內(nèi)噪聲強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，引入下式計(jì)算單位面積內(nèi)的航船噪聲的聲強(qiáng)級：

式中st=1,2…5分別對應(yīng)5種艦船類型；為每1 000 n mile2內(nèi)其中一種類型艦船的個數(shù)，SSL(f,st)為其中一種類型艦船的噪聲聲源級。

2 航船密度噪聲指向性計(jì)算與特性分析

如圖2所示，在中國南海海域仿真了三條主要航線。聲速剖面選用經(jīng)典的Munk聲速剖面，聲道軸臨界深度分別為1 100 m和4 060 m。垂直線列陣采用21個陣元，陣元間距為10 m，垂直陣位于圖2中*號處，位于深度為1 000～1 200 m處。圖中*為垂直陣布放位置。聲源頻率50 Hz。計(jì)算得到的航船密度噪聲的指向性如圖3所示，圖中縱坐標(biāo)是俯仰角，橫坐標(biāo)是方位角。由圖3可見，在航運(yùn)密度較大的0°～90°方向（0°方向代表正東方向），有著較強(qiáng)的指向性，驗(yàn)證了模型的正確性。

圖2 航船密度

圖3 50 Hz聲源指向性

圖中還可以看出在許多方位上垂直陣的垂直指向性在水平方向出現(xiàn)凹槽，主要分布在偏離水平方向的俯仰角上，其物理原因解釋如下：圖4分別是聲源的第2、40、80、110階模態(tài)，可以看出低階模態(tài)主要被限制在較深水域中，而高階模態(tài)可以分布在整個水域空間。因此，上層水域中的聲源可以與高階模態(tài)進(jìn)行強(qiáng)耦合[4]，而與低階模態(tài)耦合很弱。所以垂直線列陣的接收聲場主要是由高階模態(tài)貢獻(xiàn)的。由圖5可以看出高階模態(tài)的到達(dá)角比較大，所以垂直指向性主要分布在較大的俯仰角范圍。

圖7為頻率100 Hz聲源的指向性。可以看出100 Hz聲源比50 Hz聲源垂直指向性的凹槽分布在更大的俯仰角上。其原因解釋如下：從圖7可以看出同樣是第五階模態(tài)，在淺海時低頻聲源比高頻聲源的模態(tài)在較淺的深度被激發(fā)；即在聲源深度處，高頻聲源比低頻聲源剛好被激發(fā)的模態(tài)階數(shù)高。而高階模態(tài)的到達(dá)角相對于低階模態(tài)到達(dá)角大，所以高頻聲源的指向性的俯仰角分布在更大的俯仰角度上。

圖4 聲源第2、40、80、110階模態(tài)

圖5 聲源的第110階模態(tài)在垂直陣上的響應(yīng)。

圖6 100 Hz聲源指向性

圖7 50、100 Hz聲源第五階模態(tài)

3 結(jié)束語

深海航船密度噪聲的指向性能夠充分反映航船密度噪聲在深海波導(dǎo)中的傳播特性以及航運(yùn)密度的分布情況。航船密度噪聲場的垂直指向性在水平方向出現(xiàn)凹槽，分布在較大的俯仰角上，并且隨著頻率的增加凹槽分布的角度更大。由于深海數(shù)據(jù)獲得較為困難，目前模型還沒有實(shí)際數(shù)據(jù)支持。

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圖11 目標(biāo)2匹配濾波輸出

圖12 目標(biāo)2空間譜

如圖所示，由于陣列存在相位特性不一致，導(dǎo)致STMV檢測性能下降，這說明了STMV的寬容性較小，并不適用于主動聲吶。而寬容STMV擁有較高的寬容性，保持了良好的檢測性能。

6 總結(jié)

寬容STMV相比較于STMV，擁有更好寬容性和穩(wěn)定性，能夠有效地避免由于陣型畸變或者陣元幅相特性不一致而導(dǎo)致導(dǎo)向矢量計(jì)算誤差所產(chǎn)生的影響。子陣波束形成方法有效解決了該算法用于多陣元圓柱陣計(jì)算量過大的問題，提供高了算法的工程實(shí)現(xiàn)能力。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果從波束形成輸出空間譜和時間波形兩個方面驗(yàn)證了寬容STMV應(yīng)用于圓柱陣聲吶的有效性。

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