金彥豐

(91388部隊(duì)　湛江　524022)

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連續(xù)爆炸式聲源聲源級測量方法研究*

金彥豐

(91388部隊(duì)湛江524022)

摘要針對連續(xù)爆炸式聲源定位及測量困難的問題,建立爆炸聲源子彈拋撒模型,分析子彈的落點(diǎn)分布和間距范圍,給出落點(diǎn)及落點(diǎn)間距離公式,并依據(jù)寬帶聲源級的表達(dá)式,提出了連續(xù)爆炸聲聲源級的測量和數(shù)據(jù)處理方法,該方法簡單易行。所得結(jié)論將為海上試驗(yàn)中測量設(shè)備布放,以及實(shí)際的測量和計(jì)算提供參考。

關(guān)鍵詞連續(xù)爆炸; 聲源; 聲源級

Sound Source Level Measurement of Continuous Explosive Acoustic Source

JIN Yanfeng

(No. 91388 Troops of PLA, Zhanjiang524022)

AbstractAiming at difficulty in localization and measurement of continuous explosive sound source, the mathematical model of ejection of bullets was established, falling points distribution and deploy distance was analyzed, and the formulas was established. According to the expression describing broad-band sound source level, the measuring method of sound source level was given, it was simple and feasible. The obtained conclusions provided a reference for deployment measuring equipment in the sea and the actual measurements of sound source.

Key Wordsrocket-assisted, sound source, sound source level

Class NumberTQ56

1引言

連續(xù)爆炸式聲源的特點(diǎn)是能形成頻率寬、功率高的聲波,而且其能量主要集中在低頻部分,并通過連續(xù)爆炸的方式克服了子彈一次性爆炸持續(xù)時間段的缺點(diǎn)[1～3]。連續(xù)爆炸式聲源應(yīng)用到干擾設(shè)備時,一定時間內(nèi)通過子彈在水中連續(xù)爆炸產(chǎn)生強(qiáng)噪聲對聲納進(jìn)行壓制干擾,限制或降低聲納探測性能[4～6]。如何科學(xué)預(yù)報連續(xù)爆炸干擾聲源子彈落點(diǎn)位置并準(zhǔn)確測量聲源級,將直接影響后續(xù)干擾效果的分析和應(yīng)用。文章根據(jù)拋撒子彈的運(yùn)動規(guī)律,在對落點(diǎn)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上研究提出了一種連續(xù)爆炸式聲源聲源級的測量和數(shù)據(jù)處理方法。

2連續(xù)爆炸式聲源基本工作原理

如圖1所示,干擾聲源、被干擾聲納與聲納探測目標(biāo)之間的相互位置。當(dāng)連續(xù)爆炸式干擾聲源入水后產(chǎn)生持續(xù)爆炸,在聲納探測目標(biāo)和聲納探測設(shè)備之間形成強(qiáng)大的水下爆炸干擾聲場,聲納探測設(shè)備受到持續(xù)的爆炸強(qiáng)噪聲干擾后,無法對被探測目標(biāo)進(jìn)行識別定位,從而達(dá)到水聲干擾目的。

圖1　探測聲納、爆炸聲源和目標(biāo)分布示意圖

3連續(xù)爆炸式聲源子彈落點(diǎn)分析

圖2　子彈在腔內(nèi)示意圖

火箭助飛到指定目標(biāo)區(qū)域上空,利用母彈飛行速度和旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的切向速度,實(shí)現(xiàn)子彈的分離和飛散[7]。如圖2所示,建立坐標(biāo)系,設(shè)母彈的速度vc已知,集束彈架相對于母彈的軸向推送速度ve已知,方向與vc一致;另外,子彈與z軸的夾角為αij,每層子彈的切向速度為vpi,實(shí)際速度矢量與x軸的夾角為θ,則第K組子彈速度分量為

(1)

不考慮空氣阻力及其他干擾因素對子彈運(yùn)動的影響,子彈的運(yùn)動可以簡化為自由落體運(yùn)動。即:

(2)

式中vy為第k組子彈y向的速度,H為第k組子彈的出艙高度。

假設(shè)子彈落水后以vdown的速度作勻速垂直下降,則第k組子彈的落水點(diǎn)位置為[4]

(3)

根據(jù)兩點(diǎn)距離公式,可求得任意兩個子彈之間的距離:

(4)

依據(jù)上述公式,在母彈高度,彈道傾角,飛行速度,集束彈架推送速度等已知的情況下,可以計(jì)算出爆炸式干擾器子彈落點(diǎn)的位置,以及子彈落水后的距離范圍,為測量試驗(yàn)中水聽器和測量設(shè)備布放提供準(zhǔn)確科學(xué)的依據(jù)。

4連續(xù)爆炸式聲源聲源級測量方法

4.1測量系統(tǒng)組成及工作原理

測量系統(tǒng)組成如圖3所示。測量時,干擾器連續(xù)爆炸后產(chǎn)生的沖擊波首先由耐高壓水聽器接收,經(jīng)前置放大和寬帶濾波系統(tǒng)后,送到A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)字化處理,然后存儲到大容量數(shù)據(jù)存儲設(shè)備上,包括多通道錄音機(jī)和計(jì)算機(jī)。其中為了獲得精確的噪聲測量數(shù)據(jù),在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時,應(yīng)采用12位以上的A/D轉(zhuǎn)換器。采樣率要高于51.2kHz。

4.2海上測量試驗(yàn)布置

海上測量時,要求海況良好,海域水深在70m以上[5],為防止噪聲擾動影響測量結(jié)果,測量船到達(dá)就位點(diǎn)后,關(guān)閉發(fā)動機(jī)處漂泊狀態(tài),確認(rèn)系統(tǒng)無異常后,下放水聽器至離落點(diǎn)合理位置,一般取大于50m深。將錄音機(jī)量程調(diào)到最大(20V),按下錄音鍵,開始采集數(shù)據(jù)。發(fā)射連續(xù)爆炸式聲源,子彈落點(diǎn)如圖4所示,同時觀察是否有信號。

圖3　測量系統(tǒng)組成示意圖

圖4　拋撒落水后子彈大致分布示意圖

4.3數(shù)據(jù)處理方法

4.3.1寬帶聲源級的表示方式

連續(xù)爆炸式聲源的聲源級可以有兩種表示方式,頻譜級SL(f)和頻帶級BSL[9]。頻譜級是1Hz帶寬內(nèi)的聲級,它只在“連續(xù)”譜的情況下才有意義,連續(xù)可以理解為在任意頻帶內(nèi)雖然聲音很小,但總有一些。頻帶級是某一帶寬(大于1Hz的帶寬)內(nèi)的聲級。對于一平坦譜(白譜),或者是對在不太寬的帶寬內(nèi)為連續(xù)譜的近似,頻帶級與頻帶中點(diǎn)的頻譜級關(guān)系是:

BSL=SL(f)+10logB

(5)

式中B是以Hz為單位的帶寬。該式意味著所有1Hz帶寬內(nèi)的聲強(qiáng)可以加起來給出頻率f附近整個帶寬B內(nèi)聲強(qiáng)。

4.3.2連續(xù)爆炸聲源信號的時域特點(diǎn)

爆炸聲源爆炸后,首先產(chǎn)生直達(dá)聲沖擊波,接著產(chǎn)生一系列的氣泡脈沖。在時域上的分布依次為:沖擊波、第1次氣泡脈沖、第2次脈沖、第3次氣泡脈沖……,以及它們的海面、海底反射,理論上可以用一組對應(yīng)的參數(shù)來描述和數(shù)值模擬信收波形[8]。圖5是一個典型的爆炸信號波形。

圖5　連續(xù)爆炸后產(chǎn)生的三次氣泡脈沖示意圖

圖6　爆炸信號波形

4.3.3聲源級的計(jì)算方法

讀取數(shù)據(jù)采集器或者磁帶錄音機(jī)記錄下來的數(shù)據(jù),再進(jìn)行單位分段,分段后使用FFT方法作功率譜分析。譜分析時,再將數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)分,然后對多段數(shù)據(jù)分別作FFT,并保證FFT的頻率分辨率小于1Hz。對每段數(shù)據(jù)應(yīng)進(jìn)行加窗處理。由于數(shù)據(jù)量較多,在數(shù)據(jù)分段時可以不用重疊。多段數(shù)據(jù)之間進(jìn)行功率譜平均,最后獲得聲源級。具體步驟為:

1) 1/3倍頻程平均功率譜計(jì)算

設(shè)爆炸聲信號為x(n),長度為L,將其按覆蓋分段法分為I段,每段長度為N,N根據(jù)分辨率、方差要求選定。后按平滑平均周期圖法求出其平滑平均周期圖功率譜估計(jì)P(k)。設(shè)第i段信號序列為xi(n),將xi(n)乘以窗函數(shù)w(n),再求DFT,即:

(5)

式中:i=1,2,…,I;k=0,1,…,N-1。

則第i段修正(加窗)周期圖為

(6)

長度為L的功率譜估值Pn(k)是上述I個修正周期圖的指數(shù)平均,即

(7)

式中:1≤n≤I;k=0,1,…,N-1;P0(k)=Y1(k)。

若線性平均,則為

(8)

式中,k=0,1,…,N-1;將Pn(k)或P(k)校正到工程上使用S(k),如100mV正弦信號以1μV為參考級,S(k)應(yīng)為100dB,此時Pn(k)或P(k)與S(k)有一差值,應(yīng)扣除,最后得到工程上使用的S(k)。

2) 1/3倍頻程帶寬總功率

(9)

式中:fh、f1分別為1/3頻程中心頻率fi的上下限頻率對應(yīng)的頻率位置;Δf為頻率分辨率,等于fs/N。fs為采樣率。

3) 歸一化后功率譜級SPL(fi)

SPL(fi)=SPLi(fi)-10lg[(fh-fl+1)·Δf]

(10)

4) 聲源級

PSD(fi)=SPL(fi)-M(fi)-K(fi)+20lg(r)

(11)

式中:M(fi)為水聽器靈敏度;K(fi)為系統(tǒng)頻響,放大倍數(shù);r為水聽器到連續(xù)爆炸干擾聲源聲中心的距離,必要時進(jìn)行修正。計(jì)算得到的聲源級單位為dB/Hz//uPa@1m,即參考聲壓取1uPa的平面波,具有能量或者聲能流密度形式。

根據(jù)上述公式和原理,編寫數(shù)據(jù)處理程序[10]。首先讀入數(shù)據(jù),將波形放大,在直達(dá)聲和二次回波之間各取一段進(jìn)行處理,數(shù)據(jù)截取完畢以后,運(yùn)用數(shù)據(jù)處理程序計(jì)算出各個頻率點(diǎn)的聲源級,結(jié)果如圖7所示。

圖7　連續(xù)爆炸聲各頻率點(diǎn)聲源級測量結(jié)果示意圖

5結(jié)語

通過上述分析,在不增加設(shè)備投入的情況下,運(yùn)用本文的方法,在分析拋灑子彈的落點(diǎn)的基礎(chǔ)上,對連續(xù)爆炸式聲源的聲源級進(jìn)行測量,相對簡單易行,而且符合規(guī)范。當(dāng)然,在實(shí)際測量中,連續(xù)爆炸式聲源會出現(xiàn)個別子彈異常情況,操作的時候應(yīng)留出合理的誤差范圍,在條件許可的條件下,要通過多次試驗(yàn)進(jìn)行有效驗(yàn)證。

參 考 文 獻(xiàn)

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中圖分類號TQ56

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.02.034

作者簡介:金彥豐,男,工程師,研究方向:水聲對抗。

*收稿日期:2015年8月10日,修回日期:2015年9月23日