羅 建，趙亞磊，黃仁可

（西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，陜西 西安710072）

0 引言

聲波在海洋水介質(zhì)中擁有遠(yuǎn)距離有效傳播的特性，對(duì)艦船隱蔽生存以及武器裝備性能有重大影響，因此備受各國(guó)海軍的關(guān)心。大量的實(shí)驗(yàn)分析和理論研究，推動(dòng)了以艦船輻射噪聲為信號(hào)源的水中兵器以及水聲儀器的不斷發(fā)展和完善。

早在20世紀(jì)40年代末，美國(guó)就對(duì)二戰(zhàn)中各種艦船的輻射噪聲特性做了反復(fù)的測(cè)量和研究，雖然現(xiàn)在大部分被測(cè)艦船已經(jīng)不復(fù)存在，但是得到了艦船輻射噪聲特性的統(tǒng)計(jì)規(guī)律[1-4]。近些年來(lái)，隨著對(duì)海洋生態(tài)的深入研究，國(guó)外以漁船為對(duì)象也做了大量的測(cè)量工作[6-8]。

然而實(shí)際測(cè)量會(huì)消耗大量的人力、物力，因此國(guó)內(nèi)外都非常重視實(shí)驗(yàn)室對(duì)水中目標(biāo)噪聲的模擬研究，尤其是仿真和重構(gòu)艦船輻射噪聲特性的研究。到目前為止，對(duì)于艦船輻射噪聲級(jí)、連續(xù)譜形狀等特征的研究相對(duì)較為成熟，文獻(xiàn)[5，15]研究了典型艦船輻射噪聲的重構(gòu)模型和重構(gòu)方法，但是文中把艦船看作點(diǎn)目標(biāo)來(lái)建模。與實(shí)測(cè)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)探測(cè)系統(tǒng)與目標(biāo)之間的距離和目標(biāo)的尺度可比時(shí)，把艦船簡(jiǎn)化為一個(gè)點(diǎn)目標(biāo)會(huì)帶來(lái)非常大的誤差。為了解決這一問(wèn)題，研究人員開(kāi)始把近距離通過(guò)的艦船視為體積目標(biāo)來(lái)進(jìn)行探測(cè)。文獻(xiàn)[4，9]將艦船看做體積目標(biāo)，研究了艦船做為體積聲源的源強(qiáng)度縱向頻譜分布特性。

隨著海軍裝備需求的提高和新技術(shù)的應(yīng)用，研究人員進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室模擬研究也越來(lái)越頻繁，對(duì)目標(biāo)特性的研究也有了更深層次的要求。將艦船作為點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行仿真和重構(gòu)噪聲序列已無(wú)法滿足現(xiàn)階段的需求，模擬更加逼真的艦船輻射噪聲成為了實(shí)驗(yàn)室仿真研究的重要方向之一，尤其是重構(gòu)包含艦船體積特征的艦船輻射噪聲場(chǎng)具有重要的實(shí)用價(jià)值和軍事價(jià)值。

由于艦船輻射噪聲來(lái)源本身的復(fù)雜性，即使是同一條艦船在不同海洋環(huán)境條件和自身航行工況下，其輻射噪聲也存在著較大的差異[1]。因此在對(duì)目標(biāo)輻射噪聲重構(gòu)和模擬的過(guò)程中，需要盡可能全面地給出反映艦船本身固有特征的特征量。

為了更準(zhǔn)確地描述目標(biāo)噪聲特性進(jìn)而更逼真地模仿和重構(gòu)目標(biāo)噪聲特性，國(guó)內(nèi)外在艦船輻射噪聲的非平穩(wěn)性、非高斯分布特性和非線性方面投入了大量的研究，尤其是有線譜存在的頻段。到目前為止，對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)輻射噪聲線譜的認(rèn)識(shí)和數(shù)理模型的描述還不統(tǒng)一，所取用的分析手段和分析方法也各有差異。早在二戰(zhàn)期間，為了能夠解決聲吶回聲測(cè)距中目標(biāo)時(shí)有時(shí)無(wú)的問(wèn)題，人們就已經(jīng)開(kāi)始了信號(hào)時(shí)變不穩(wěn)定特性的研究[10]；20世紀(jì)70年代，Urick R.J.給出了窄帶信號(hào)的幅度起伏模型[11-13]；20世紀(jì)90年代，陳耀明、陶篤純等給出了線譜的幅度起伏模型[14]，并且用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該模型的合理性。綜合現(xiàn)有的線譜起伏模型，采用周期性局部平穩(wěn)過(guò)程模型和準(zhǔn)周期性隨機(jī)聲脈沖序列過(guò)程模型來(lái)描述水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)噪聲線譜相對(duì)合適。

1 艦船輻射噪聲的產(chǎn)生機(jī)理及分類

相較于海洋環(huán)境噪聲，對(duì)于艦船輻射噪聲的研究較為成熟，它的產(chǎn)生僅與艦船本身特性有關(guān)，不受地理、氣候等外部條件的影響。如圖1所示，艦船輻射噪聲主要分為3類，它們的產(chǎn)生機(jī)理、產(chǎn)生部位和頻譜結(jié)構(gòu)各不相同[2-3]。

圖1 艦船輻射噪聲主要分布部位Fig.1 Main parts of ship-radiated noise

1）螺旋槳噪聲是由旋轉(zhuǎn)著的螺旋槳所產(chǎn)生的噪聲，由螺旋槳空化噪聲和螺旋槳葉片振動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的噪聲組成。雖然螺旋槳也是船的推進(jìn)部分，但產(chǎn)生的機(jī)理和噪聲頻譜與機(jī)械噪聲是不同的。機(jī)械噪聲是在艦船的內(nèi)部產(chǎn)生的，噪聲信號(hào)通過(guò)各種方式的傳導(dǎo)和傳播經(jīng)船殼輻射到了海水中；而螺旋槳噪聲則直接是在船體外部產(chǎn)生，是由艦船在水中航行時(shí)螺旋槳的轉(zhuǎn)動(dòng)引起的。

2）機(jī)械噪聲指的是在航行或作業(yè)艦船上的各種機(jī)械振動(dòng)，通過(guò)船體輻射到海水介質(zhì)中從而形成的噪聲。根據(jù)艦船上各種機(jī)械產(chǎn)生噪聲的機(jī)理，可將機(jī)械噪聲分成如下的幾類：①不平衡的部件；②不連續(xù)的部件；③往復(fù)部件；④水動(dòng)力空化噪聲；⑤軸承噪聲。由于各種機(jī)械運(yùn)動(dòng)的形式不同，它們產(chǎn)生的水下輻射噪聲的性質(zhì)也就不同。前3種聲源主要產(chǎn)生線譜，噪聲的成分也主要是存在于振動(dòng)的基頻及其諧波上的單頻成分；而后2種聲源主要產(chǎn)生連續(xù)譜噪聲，且當(dāng)激起結(jié)構(gòu)部件共振時(shí)，也會(huì)疊加有線譜。

3）水動(dòng)力噪聲：水動(dòng)力噪聲是由起伏的、不規(guī)則的海流流過(guò)運(yùn)動(dòng)艦船船體表面形成的，是水流的動(dòng)力作用于艦船的結(jié)果。水動(dòng)力噪聲是一種沒(méi)有規(guī)則的噪聲，按照布洛欣采夫的理論研究，其噪聲強(qiáng)度主要和艦船航速相關(guān)。

一般艦船的水動(dòng)力噪聲在強(qiáng)度方面常常會(huì)被螺旋槳噪聲和機(jī)械噪聲所掩蓋。但是在有些特殊的情況下，比如結(jié)構(gòu)部件或空腔被激勵(lì)為線譜噪聲的諧振源時(shí)，就有可能在出現(xiàn)線譜的范圍內(nèi)成為主要的噪聲源。

2 艦船輻射噪聲頻譜結(jié)構(gòu)及特征

對(duì)于艦船輻射噪聲，由主機(jī)、輔機(jī)所產(chǎn)生的機(jī)械噪聲和螺旋槳噪聲在多數(shù)情況下是主要的輻射噪聲源，至于哪一種更為重要，則取決于艦船的航速、噪聲頻率和吃水深度。圖2表示的是2種航速下艦船的輻射噪聲譜簡(jiǎn)圖，圖2（a）是低航速下的譜，圖2（b）則是高航速的譜。在圖2（a）中，螺旋槳?jiǎng)傞_(kāi)始出現(xiàn)空化，譜的低頻端主要為螺旋槳葉片速率和機(jī)械噪聲的線譜，隨著頻率增加，這些線譜會(huì)不規(guī)則地下降，最終被螺旋槳噪聲的連續(xù)譜完全覆蓋。有時(shí)，也可能在連續(xù)譜背景上迭加一條或幾條的高頻線譜，它們是由螺旋槳葉片發(fā)生共振產(chǎn)生的，大多數(shù)船上裝有噪聲大的減速器，就可能是這種強(qiáng)線譜的源。在較高航速時(shí)（圖2（b）），螺旋槳噪聲譜增強(qiáng)，并移向低頻端，而且，其中某些線譜的譜級(jí)變大，而以恒速運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械產(chǎn)生的線譜并不變化，不受航速增加的影響。可見(jiàn)，在高航速時(shí)，螺旋槳空化噪聲的連續(xù)譜更為重要，掩蓋了很多的線譜。另外，螺旋槳噪聲還與航行深度有關(guān)，航速一定時(shí)，螺旋槳噪聲隨深度的增加而減小。

圖2 不同航速下的艦船輻射噪聲頻譜簡(jiǎn)圖Fig.2 Frequency spectrum of ship-radiated noise at different speeds

圖3是運(yùn)動(dòng)艦船機(jī)械噪聲、水動(dòng)力噪聲和螺旋槳噪聲隨航速和頻率的變化關(guān)系圖[16]。從圖上可以看出：在低速、低頻條件下，機(jī)械噪聲是主要的輻射噪聲源；隨著航速增高，高頻部分主要的輻射噪聲源是螺旋槳空化噪聲，低頻部分，水動(dòng)力噪聲成為了主要的噪聲源。

圖3 三類主要噪聲隨航速和頻率的變化關(guān)系圖Fig.3 Relation diagram of three kinds of main noises varying with speed and frequency

在重構(gòu)輻射噪聲時(shí)，簡(jiǎn)單的將艦船視為一個(gè)點(diǎn)目標(biāo)來(lái)考慮，會(huì)存在較大的誤差，因此需要對(duì)艦船不同部位聲源的貢獻(xiàn)和影響分別進(jìn)行考慮，將艦船視為體積目標(biāo)。與點(diǎn)目標(biāo)不同，我們將不僅僅只限于知道艦船作為一個(gè)點(diǎn)聲源時(shí)聲源強(qiáng)度及其能量的頻域分布，并且需要研究艦船輻射噪聲不同輻射聲源的空間分布特性。根據(jù)艦船結(jié)構(gòu)從理論上研究各類輻射聲源引起的艦船輻射噪聲級(jí)的縱向分布是十分復(fù)雜的問(wèn)題[2-3，17]，然而利用近場(chǎng)實(shí)際測(cè)量得到的實(shí)船噪聲通過(guò)特性分析卻有可能獲得統(tǒng)計(jì)意義的規(guī)律性[10-11]。

3 艦船作為體積目標(biāo)輻射噪聲建模

根據(jù)以上分析，建立艦船作為體積目標(biāo)輻射噪聲的模型如圖4所示。設(shè)船長(zhǎng)為L(zhǎng)，建立左手坐標(biāo)系oxyz，艦船中心為坐標(biāo)原點(diǎn)。船尾用點(diǎn)SW表示，

則坐標(biāo)為（0，－L／2，0），也可以用矢量·j表示，j是y軸上的單位矢量。船頭用點(diǎn)SS表示，則其坐標(biāo)為（0，L／2，0），可用矢量表示為·j。沿著船的縱向上取任意一個(gè)點(diǎn)S，其坐標(biāo)為（0，y，0），矢量表示為。在空間點(diǎn)P處布放水聽(tīng)器，其坐標(biāo)為（D，Q，H），矢量表示為·i＋Q·j＋H·k，其中D表示艦船與水聽(tīng)器的橫距，H表示水聽(tīng)器的布放深度。

圖4 作為體積目標(biāo)的艦船輻射噪聲建模Fig.4 Modelling of ship-radiated noise as a volume target

把艦船看作一個(gè)連續(xù)的線列陣聲源，該線列陣聲源的特點(diǎn)是它的任意點(diǎn)源S都具有不同的功率譜密度函數(shù)S（y，ω），每一個(gè)點(diǎn)都是一個(gè)點(diǎn)源，滿足球面擴(kuò)展定律。這樣點(diǎn)P處接收的艦船輻射噪聲功率譜就可以被認(rèn)為是連續(xù)的線列陣聲源上每一個(gè)點(diǎn)所輻射的功率譜在點(diǎn)P處的線性疊加，即：

式中：

代入上式可得：

公式（1）與公式（3）能夠完整地描述艦船作為體積目標(biāo)的輻射噪聲場(chǎng)縱向分布特性，但是它一般無(wú)解析解，只能用數(shù)值算法求解，因此在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中需要對(duì)它進(jìn)行進(jìn)一步的簡(jiǎn)化。從艦船輻射噪聲頻域分布來(lái)看，每一個(gè)頻段都有一個(gè)主要聲源，并且主要聲源輻射的能量所占比重很大，因此在實(shí)際應(yīng)用中，我們可以忽略其他次要聲源輻射的能量，只考慮主要聲源輻射的能量。

由此可以得到只考慮主要聲源的功率譜：

式中：S（yω，ω）是頻率為ω的主要聲源輻射功率，主要聲源坐標(biāo)為（0，yω，0），S（yω，ω） 可由S（y，ω）求得，從而把復(fù)雜的積分運(yùn)算簡(jiǎn)化為一般的代數(shù)運(yùn)算。

前蘇聯(lián)根據(jù)大量的實(shí)船試驗(yàn)得出如下結(jié)論：

1）艦船低速運(yùn)動(dòng)中，在艦船的中后部（主機(jī)部分）會(huì)產(chǎn)生最大聲壓，這時(shí)機(jī)械噪聲起到了主要的作用；

2）增加艦船航速，在艦船的尾部（螺旋槳處）會(huì)出現(xiàn)第2個(gè)最大聲壓值；

3）繼續(xù)增加艦船航速，在艦船船首出現(xiàn)第3個(gè)最大聲壓值；

4）螺旋槳所產(chǎn)生的噪聲受到艦船航行速度的影響較大，而殼體振動(dòng)所產(chǎn)生的噪聲（機(jī)械噪聲）受到艦船航行速度的影響較?。?/p>

5）當(dāng)航速一定時(shí)，螺旋槳噪聲隨深度的增加而減小。

美國(guó)通過(guò)大量的實(shí)船測(cè)試資料和分析也證明[2-3]，可以把正常航速（不包括前蘇聯(lián)資料中的高航速艦船）的艦船輻射聲源的縱向分布等效為3個(gè)主要的輻射噪聲亮點(diǎn)部位。

①尾部：主要噪聲源是推進(jìn)器，其能量主要覆蓋1～5 kHz頻帶，并且具有典型的空化噪聲頻譜特征。同時(shí)，尾部也會(huì)出現(xiàn)螺旋槳軸和葉片旋轉(zhuǎn)引起的線譜頻率及其多次諧波。

②中后部：從尾部起1／4船長(zhǎng)處，也稱主機(jī)部位，其主要能量覆蓋10～100 Hz頻帶，功率譜特征一般是在弱連續(xù)譜上疊加有強(qiáng)線譜，線譜頻率通常也低于100 Hz。

③中部：約1／2船長(zhǎng)處，分布著各類輔機(jī)，其主要能量覆蓋100～1 000 Hz頻帶，功率譜中既包含連續(xù)譜成分，也包含頻率不高于1 kHz的線譜成分。

結(jié)合艦船輻射噪聲的主要能量分布，可以將艦船沿縱向分布的噪聲源簡(jiǎn)化為主要亮點(diǎn)，采用中部、中后部和尾部3個(gè)亮點(diǎn)，即可以模擬整個(gè)艦船輻射噪聲能量分布，根據(jù)不同亮點(diǎn)的主要輻射噪聲源及其特征進(jìn)行模型參數(shù)設(shè)置，即可實(shí)現(xiàn)艦船作為體積目標(biāo)輻射噪聲的主要特征的重構(gòu)。

4 結(jié)束語(yǔ)

論文基于艦船輻射噪聲的產(chǎn)生機(jī)理、分類以及其頻域結(jié)構(gòu)，考慮艦船輻射噪聲的主要輻射聲源，建立了艦船作為體積目標(biāo)輻射噪聲的“三亮點(diǎn)”仿真模型方法，為后續(xù)包含艦船輻射噪聲的時(shí)域波形重構(gòu)奠定了基礎(chǔ)。