祝　獻，葛輝良

拖曳線列陣流噪聲抑制實驗

祝獻，葛輝良

（杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所 聲納技術(shù)重點實驗室，杭州 310023）

拖曳流噪聲主要由流激纜陣振動和湍流邊界層起伏壓力引起的兩大類噪聲組成。已有研究表明當拖曳線列陣聲納達到一定拖速后，流噪聲是限制低頻拖曳線列陣聲納探測性能的主要因素，因此，研究流噪聲抑制方法對提高低頻拖曳線列陣聲納探測能力具有重要的意義。通過設(shè)計不同測量陣段構(gòu)建流噪聲測量系統(tǒng)，利用實驗測量數(shù)據(jù)研究流噪聲空間相關(guān)性和流噪聲抑制方法。通過研究表明，利用4～20個密排水聽器構(gòu)成水聽器組較單個水聽器在500 Hz以下可提高8 dB～15 dB左右的流噪聲抑制能力，同時也可通過柔性的水聽器安裝結(jié)構(gòu)達到抑制流激振動流噪聲效果。

聲學(xué)；聲納探測；流噪聲；噪聲抑制；試驗研究；拖曳線列陣聲納

拖曳線列陣聲納具有孔徑大、探測頻率低、可變深、受本艦噪聲干擾小和適裝性強等特點，西方發(fā)達國家都在積極研究，并裝備于各種大小艦艇。然而，拖曳線列陣聲納低頻探測性能的提高，在很大程度上受到了流噪聲的限制，有研究表明［1］當拖曳線列陣聲納拖速大于10節(jié)時，流噪聲已經(jīng)成為限制低頻段聲納探測性能的主要因素之一，因此，研究流噪聲抑制方法對提高低頻拖曳線列陣聲納探測能力具有重要的意義。

拖曳線列陣流噪聲主要由流激纜陣振動和湍流邊界層（TBL）起伏壓力引起的兩大類噪聲組成。振動流噪聲的抑制國內(nèi)外主要通過設(shè)計隔振段、改進水聽器結(jié)構(gòu)和安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計來實現(xiàn)［2-4］。對湍流噪聲的研究國外主要集中在理論建模［5］和實驗測量［6］上，這些理論模型和測量方法為流噪聲抑制方法的研究提供了分析途徑，具有重要的參考意義。國內(nèi)對拖曳線列陣湍流噪聲場預(yù)報和建模也做了相應(yīng)研究，分析了影響流噪聲的主要因素［7-8］，這些研究對我國拖曳線列陣流噪聲抑制技術(shù)發(fā)展都具有重要的指導(dǎo)意義。

本文主要通過設(shè)計三條不同的測量陣段來進行流噪聲抑制實驗研究。首先通過一條14 mm間距的30元密排陣段測量的流噪聲來研究流噪聲空間相關(guān)性，指導(dǎo)用于流噪聲抑制的水聽器組內(nèi)陣元間距的設(shè)計；其次通過一條10 cm間距的28元密排陣段測量的流噪聲來研究多個密排水聽器構(gòu)成水聽器組抑制流噪聲的效果；最后通過一條具有不同安裝結(jié)構(gòu)水聽器的測量陣段來研究振動流噪聲的抑制效果。

1　實驗系統(tǒng)構(gòu)成

整個拖曳流噪聲測量系統(tǒng)如圖1所示，包括高速絞車、牽引繩、無動力船、拖纜、隔振段、測量陣段、尾繩和浮塊組成，其中拖纜長度為24 m，前（后）隔振段長度為24 m，拖纜比重為1.6，測量陣段根據(jù)測量內(nèi)容選擇，分為測量陣段1、測量陣段2和測量陣段3，其陣元布置見圖2示意圖，每條陣段由水聽器、前置放大器、深度傳感器和數(shù)據(jù)采集節(jié)點等器件組成，其中測量陣段1是間距14 mm的30元密排陣段，用于研究流噪聲空間相關(guān)性，測量陣段2是間距10 cm的28元密排陣段，用于研究密排水聽器構(gòu)成水聽器組抑制流噪聲的效果，測量陣段3是間距20 cm的16元具有不同安裝結(jié)構(gòu)水聽器的測量陣段，用于研究不同安裝結(jié)構(gòu)水聽器對振動流噪聲的抑制效果。測量系統(tǒng)所用的隔振段和測量陣段均為零浮力設(shè)計。利用試驗平臺的高速絞車按速度v拖曳無動力小船，當高速絞車拖曳穩(wěn)定后，利用錄音設(shè)備錄制水聽器的數(shù)據(jù)，選取深度傳感器相對穩(wěn)定時間段的數(shù)據(jù)作為速度v下測量的流噪聲數(shù)據(jù)。

圖1　拖曳流噪聲測量系統(tǒng)

圖2　3條測量陣段陣元布置示意圖

2　實驗研究

2.1流噪聲空間相關(guān)特性分析

利用測量陣段1設(shè)計的30元密排陣（實際有效陣元29個），在7 m/s的拖曳速度下測量流噪聲，通過各陣元相關(guān)性來分析流噪聲空間相關(guān)特性。對于相距為L的兩個水聽器在［fl，fh］頻段上的流噪聲空間相關(guān)性可表示為

其中‘*'表示共軛。圖3是在［200，400］Hz、［250，500］Hz、［300，600］Hz頻帶內(nèi)的空間相關(guān)系數(shù)。從圖中可以看出，流噪聲空間相關(guān)系數(shù)隨距離下降很快，但當下降到一個固定值后就下降很慢，基本趨于一致，如圖3中在10 cm距離以上的噪聲空間相關(guān)系數(shù)就下降很慢，基本趨于一致。因此，以10 cm間距設(shè)計水聽器陣列構(gòu)成的水聽器組來抑制流噪聲比較合適。

圖3　流噪聲空間相關(guān)特性分析

2.2流噪聲抑制方法

這里設(shè)計兩條測量陣來研究流噪聲抑制效果，首先通過一條10 cm間距的28元密排陣段（測量陣段2）測量的流噪聲來研究多個密排水聽器構(gòu)成水聽器組抑制噪聲的效果；其次通過一條具有不同安裝結(jié)構(gòu)水聽器的測量陣段（測量陣段3）來研究流激纜陣振動流噪聲的抑制效果。

從流噪聲空間相關(guān)特性分析可以看出，在［200，400］Hz、［250，500］Hz、［300，600］Hz上的流噪聲相關(guān)長度遠小于按對應(yīng)頻段最高頻率半波長設(shè)計的探測陣元間距，這在安裝空間上為利用密排水聽器陣列構(gòu)成水聽器組抑制流噪聲提供了可能。

首先利用測量陣段2設(shè)計的密排水聽器陣測量數(shù)據(jù)來驗證水聽器組抑制流噪聲的效果。在7 m/s的拖曳速度下測量的流噪聲，圖4給出了不同陣元數(shù)的水聽器組在100 Hz頻點上相對于單個水聽器的流噪聲抑制能力的4次實驗測量結(jié)果，圖5給出了不同陣元數(shù)的水聽器組在［20，500］Hz頻段內(nèi)相對于單個水聽器的流噪聲抑制能力的4次實驗測量結(jié)果，從圖中可以看出，隨著陣元數(shù)增加，流噪聲抑制能力增強，在100 Hz頻點上，4元水聽器抑制流噪聲能力就可達到12 dB～13 dB，10元水聽器抑制流噪聲能力可達到12 dB～15 dB，20元水聽器抑制流噪聲能力可達到18 dB左右，在［20，500］Hz頻段內(nèi)，4元水聽器抑制流噪聲能力就可達到8 dB～10 dB，10元水聽器抑制流噪聲能力可達到10 dB～12 dB，20元水聽器抑制流噪聲能力可達到14 dB～15 dB，效果十分明顯?？紤]到低頻探測陣段陣元間距較大，如按400 Hz、500 Hz和600 Hz半波長布陣的探測陣元間距為1.875 m、1.5 m和1.25 m，其空間足夠用于安裝多個密排水聽器構(gòu)成的水聽器組，并以此來實現(xiàn)流噪聲抑制。當然，水聽器組內(nèi)水聽器個數(shù)需根據(jù)探測陣段布陣間距和實際硬件代價綜合考慮，理論上水聽器個數(shù)越多，流噪聲抑制效果越好。

圖4　在100 Hz頻點上流噪聲抑制能力

圖5　在［20，500］Hz頻段內(nèi)流噪聲抑制能力

其次利用測量陣段3設(shè)計的兩種安裝方式水聽器測量數(shù)據(jù)來研究流激振動流噪聲的抑制效果。一種是柔性安裝結(jié)構(gòu)，采用海綿包裹水聽器的形式，另一種是剛性安裝結(jié)構(gòu)，采用塑料骨架固定水聽器的形式。在7 m/s的拖曳速度下測量流噪聲，圖6是兩種安裝方式水聽器流噪聲的相對譜級比較圖，可以看出在200 Hz以下范圍內(nèi)，“海綿包裹”安裝方式水聽器流噪聲明顯比“塑料骨架固定”安裝方式水聽器流噪聲小，在200 Hz以下頻段內(nèi)大約有2 dB～6 dB的抑制效果，但在200 Hz以上兩種安裝方式水聽器流噪聲基本相當；這說明采用“海綿包裹”的柔性安裝結(jié)構(gòu)對流激纜陣振動具有一定的減振作用，而流激纜陣振動引起的噪聲頻段較低，因而對200 Hz以下噪聲抑制效果明顯，對200 Hz以上噪聲抑制效果并不明顯。

圖6　兩種安裝方式水聽器流噪聲的相對譜級比較圖

3　結(jié)語

通過對拖曳線列陣流噪聲空間相關(guān)特性和流噪聲抑制效果的實驗研究，可得出以下幾點結(jié)論：

（1）拖曳線列陣流噪聲空間相關(guān)長度遠小于按對應(yīng)頻段最高頻率半波長設(shè)計的探測陣元間距，這在安裝空間上為利用多個密排水聽器構(gòu)成的水聽器組來實現(xiàn)流噪聲抑制提供了可能。

（2）利用多個密排水聽器構(gòu)成的水聽器組具有較好的流噪聲抑制能力，由4～20個水聽器構(gòu)成的水聽器組流噪聲抑制能力較單個水聽器在500 Hz以下可提高8 dB～15 dB，水聽器個數(shù)越多，流噪聲抑制效果越好。

（3）通過比較“海綿包裹”安裝方式水聽器和“塑料骨架固定”安裝方式水聽器流噪聲，發(fā)現(xiàn)采用“海綿包裹”的柔性安裝結(jié)構(gòu)對流激纜陣振動引起的噪聲具有2 dB～6 dB的抑制效果。

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［2］FITZGERALD J W.Chesapeake instrument corporation project TOAD principles and applications of Towflex hydrophones［J］.IEEE Journal of Oceanic Engineering，2004，29（2）：388-406.

［3］江國和，薛峰，唐贈艷.拖曳線列陣隔振系統(tǒng)參數(shù)計算分析［J］.噪聲與振動控制，2011，31（3）：1-4.

［4］江國和，薛峰.拖曳線列陣隔振模塊采用遺傳算法的參數(shù)優(yōu)化［J］.噪聲與振動控制，2011，31（4）：29-32.

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Experimental Study on Flow Noise Suppression of TowedArrays

ZHUXian，GE Hui-liang
（Key Sonar Laboratory，HangzhouAppliedAcoustics Research Institute，Hangzhou 310023，China）

Flow noise mainly consists of two kinds of vibration noises induced by flow-excited cable vibration and pressure fluctuation in the turbulence boundary respectively.Current studies show that flow noise is a major factor to restrict the towed array sonar detection in low-frequency range when the towing speed exceeds a certain value.In this paper，an experimental system with different measure modules is constructed to study the spatial correlation and noise suppression method of low frequency flow noise.Through the analysis of the experimental data，it is shown that the hydrophone group consisting of 4-20 closely arranged hydrophones can reduce the noise by 8 dB-15 dB in comparison with a single hydrophone.It is also shown that the hydrophone with a flexible structure has good flow noise suppression effects.

acoustics；sonar detection；flow noise；noise suppression；experimental study；towed array sonar

O422.8

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.03.045

1006-1355（2016）03-0219-03

2016-01-25

祝獻（1979-），男，浙江省蘭溪市人，博士生，主要研究方向為拖曳噪聲抑制與水聲信號處理。E-mail：sklzhuxian@163.com

葛輝良，男，博士生導(dǎo)師。E-mail：sklghl@yahoo.com.cn