徐 賀, 孔德義, 錢玉潔

(1.中國科學(xué)院 合肥物質(zhì)科學(xué)研究院,安徽 合肥 230031; 2.中國科學(xué)院智能機械研究所 傳感器技術(shù)國家重點實驗室,安徽 合肥 230031; 3.中國科學(xué)院智能機械研究所 安徽省仿生感知與先進(jìn)機器人技術(shù)重點實驗室,安徽 合肥 230031; 4.河海大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院,江蘇 常州 213022)

0 引 言

水下航行器對維護我國海洋權(quán)益的重要性不言而喻,而輻射噪聲作為航行器重要性能指標(biāo)[1-2],準(zhǔn)確測量其輻射噪聲大小不僅可以檢測設(shè)備性能,還能為改進(jìn)航行器的設(shè)計提供依據(jù)。然而目前對于海洋波導(dǎo)環(huán)境給測量帶來的影響卻研究較少。文獻(xiàn)[3]研究了用垂直陣和單水聽器測量水下目標(biāo)噪聲的誤差分析和修正方法,給出了在波導(dǎo)環(huán)境中測量水下目標(biāo)輻射噪聲的誤差范圍并提出修正方法;文獻(xiàn)[4]研究了陣列的測量高度和海底處堆積物對測量結(jié)果的影響;文獻(xiàn)[5]研究了聲源聲聚焦對輻射噪聲測量誤差的分析。這些因素對測量結(jié)果究竟影響多大,修正量值為多少尚不得而知。因此本文進(jìn)行海洋環(huán)境對水下航行器噪聲測量影響的研究,通過研究不僅可以為水下航行器噪聲實際測量結(jié)果誤差的修正提供依據(jù),也可以為航行器測量環(huán)境和測量方式的選擇提供參考。

1 水下航行器的仿真

眾所周知,水下航行器是大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)體,其內(nèi)部裝載了很多設(shè)備、管件以及連接體,各個設(shè)備的復(fù)雜振動和激勵通過管件、連接體等向外傳播[6]。在不同的運動狀態(tài)下,振動與激勵在設(shè)備和連接體之間的耦合傳導(dǎo)也有所不同,但從整體來看,其噪聲主要來源于如下4個部位:① 指揮臺圍殼與水體的相互激勵產(chǎn)生噪聲; ② 發(fā)動機及其基座連接體的振動,發(fā)動機在運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的巨大振動通過不同途徑傳遞到水體中;③ 主電機的振動噪聲對輻射噪聲場的貢獻(xiàn)也比較大,因此主電機也是一個主要噪聲源;④ 航行器尾部的螺旋槳產(chǎn)生的噪聲與前面的噪聲源輻射噪聲機理有所不同,其輻射噪聲大小與轉(zhuǎn)速關(guān)系密切,而且噪聲是直接傳遞到水體中的。

在對水下航行器進(jìn)行仿真模擬時,可以把航行器輻射噪聲場看成是由其4個主要噪聲點輻射聲場的合成,因此可以通過對不同噪聲源聲場的疊加來得到總的聲場。根據(jù)水下航行器內(nèi)部主要噪聲源的位置分布,航行器仿真模型如圖1所示。

圖1 直角坐標(biāo)系下航行器噪聲源分布示意圖

航行器各個主要噪聲源的具體分布位置及對總聲場的貢獻(xiàn)比見表1所列。

表1 噪聲源分布情況

根據(jù)對航行器輻射噪聲特性的分析,其輻射噪聲主要包含機械振動噪聲、水動力噪聲以及螺旋槳噪聲3種。從航行器輻射噪聲頻譜角度來看,主要是由線譜疊加連續(xù)譜組成,在高頻段其譜級按照約6 dB/Oct逐漸下降,水下航行器輻射寬帶噪聲信號仿真如圖2所示。

圖2 航行器輻射寬帶噪聲信號仿真

2 構(gòu)造海洋波導(dǎo)環(huán)境

水下航行器輻射噪聲的測量是在水中完成的,因此需要構(gòu)建聲波在水媒質(zhì)中傳播的聲場。射線聲學(xué)理論[7-9]是一種構(gòu)造海洋波導(dǎo)環(huán)境的經(jīng)典理論,它把聲波在水體媒質(zhì)中的傳遞看成是一根根聲線向外延伸,聲線攜帶著聲能量從不同的途徑到達(dá)接收點。

根據(jù)射線聲學(xué)理論,水媒質(zhì)聲場中的聲壓可表示為:

P=A(r)eikL(r)

(1)

其中,L(r)為聲線程,聲波在傳播過程中聲能量不斷擴散和衰減。設(shè)有一點聲源,其輻射聲線的角度分別為θ0和θ0+dθ0,射線與接收位置處相距dr,參考聲強設(shè)為I0,在接收點處聲波的聲壓可表示為:

(2)

其中,Ns為海面反射聲線的次數(shù);Nb為海底反射聲線的次數(shù);θsi、θbi分別為第i次海面、海底反射聲線的角度;Vsi、Vbi分別為聲線第i次海面、海底反射時的反射系數(shù);β為水體媒質(zhì)吸收系數(shù);L為聲程。

3 設(shè)計恒束寬垂直陣

設(shè)計恒束寬垂直陣[10-11]對航行器輻射噪聲進(jìn)行測量,既可以保證接收到航行器輻射的全部噪聲,又可以避免接收其他噪聲干擾。波束寬度為:

20log|B(θ-3 dB)|=-3

(3)

其中,B(θ)為線陣的波束圖。目標(biāo)測量頻帶設(shè)為20 Hz～1 kHz,設(shè)計的恒束寬嵌套陣的一個子陣如圖3所示。

圖3 恒束寬嵌套陣子陣

對低頻子陣和高頻子陣的信號輸出采用不同的加權(quán)處理,可得陣列信號輸出為:

BC(θ,f)=L(f)BL(θ,f)+H(f)BH(θ,f)

(4)

結(jié)合正橫方向上邊界條件,即

(5)

可得嵌套子陣的加權(quán)系數(shù)為:

(6)

(7)

對陣元輸出信號先加權(quán)處理,再通過不同頻段對應(yīng)的濾波器,就可以實現(xiàn)對全頻帶范圍內(nèi)陣元輸出信號進(jìn)行求解,得到恒束寬嵌套波束,如圖4所示。

圖4 各頻段恒束寬嵌套陣波束輸出

4 波導(dǎo)環(huán)境對航行器測量的影響

4.1 水體深度的影響

當(dāng)水體深度不同時,聲線在海底海面的反射路徑和反射次數(shù)均會不同,不同海深時聲場衰減圖如圖5所示。從圖5可以看出,不同海深時航行器輻射噪聲產(chǎn)生的聲場分布也會有一定區(qū)別,因此水體波導(dǎo)邊界對于測量結(jié)果也會產(chǎn)生影響。

圖5 不同海深聲場傳播衰減圖

設(shè)測量點距離航行器為100 m,兩者位于同一高度,海水和海底的聲波速度分別設(shè)定為1 500、1 650 m/s,水媒質(zhì)密度為1.03 g/cm3,泥沙質(zhì)海底的密度為1.75 g/cm3,聲波在泥沙里的傳播衰減約為單位波長距離衰減0.85 dB,航行器模擬聲源為140 dB,信號帶寬為20 Hz～1 kHz,在不同海深時,測量結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以看出,當(dāng)海深在200 m以內(nèi)時,海底海面對輻射噪聲測量的影響較大。在仿真的淺海環(huán)境下,得到的噪聲測量結(jié)果誤差可達(dá)1.8 dB。當(dāng)海深不斷變深時,波導(dǎo)邊界帶來的影響逐漸減小,測量結(jié)果也逐漸趨于真實值。

圖6 不同海深時航行器噪聲測量結(jié)果

4.2 聲源位置的影響

在航行器輻射噪聲的實際工程測量中,一方面航行器下潛深度會受到自身結(jié)構(gòu)強度的限制；另一方面水下噪聲測量設(shè)備如果放置在深海位置處進(jìn)行測量,往往會產(chǎn)生線纜纏繞、信號傳輸困難、測量設(shè)備隨海流漂移等問題。

因此，工程中實際進(jìn)行航行器噪聲測量時,聲源和測量設(shè)備的位置通常是在水體中上部,此時航行器輻射的噪聲就不可避免地受到波導(dǎo)邊界的影響。

設(shè)在200 m深的海域,水體波導(dǎo)參數(shù)不變,當(dāng)航行器位于水體不同深度位置時,其輻射噪聲聲場如圖7所示。

圖7 航行器位于不同海深的輻射噪聲聲場

從圖7可以看出,當(dāng)聲源位于水體中不同深度位置時,波導(dǎo)邊界對聲線傳播都會有影響,當(dāng)聲源靠近波導(dǎo)邊界,聲線中部分能量沿著靠近邊界向前傳播,從仿真結(jié)果來看,海面邊界對聲線的影響比海底大。當(dāng)水聽器位于水體中間深度時,測量航行器在不同深度位置處輻射的噪聲,結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同聲源位置時航行器噪聲測量結(jié)果

從圖8可以看出,當(dāng)航行器靠近海面或海底時,輻射噪聲測量結(jié)果與真實值偏離較大,最大可達(dá)1.5 dB以上;當(dāng)航行器位于水體中間深度附近時,測量結(jié)果接近真實值,此時誤差較小。

4.3 水體聲速梯度對測量的影響

海洋中的聲速梯度是實時變化的,不同海域的聲速剖面往往不同,不同的季節(jié)甚至一天中的不同時辰水中聲速剖面也會有變化[11]。而聲場中聲線的傳播與聲速有密切關(guān)系,因此需要深入研究在不同的聲速剖面下,波導(dǎo)環(huán)境對航行器輻射噪聲測量結(jié)果的影響。根據(jù)聲速剖面的典型分類,分別有正聲速梯度、負(fù)聲速梯度和等聲速梯度,如圖9所示。

圖9 3種典型的聲速梯度分布

同樣假設(shè)海底聲速為1 650 m/s,海深120 m,波導(dǎo)環(huán)境參數(shù)不變,使用垂直陣對航行器輻射噪聲進(jìn)行測量,可得不同頻率時接收水聽器的測量結(jié)果,見表2所列。

表2 不同聲速梯度時航行器噪聲測量誤差 dB

從表2可以看出,不同聲速梯度對航行器噪聲測量有一定的影響。因此在實際工程中,測量航行器輻射噪聲時,應(yīng)根據(jù)測試海域的聲速梯度情況對航行器噪聲測量結(jié)果進(jìn)行誤差修正。

5 結(jié) 論

本文通過對水體波導(dǎo)環(huán)境、航行器和垂直陣列的仿真,研究了水體環(huán)境對航行器輻射噪聲測量的影響,得出以下結(jié)論:

(1) 波導(dǎo)環(huán)境對航行器測量結(jié)果有一定影響,尤其是在仿真的淺海環(huán)境中,海底海面對聲線反射較強,航行器輻射噪聲測量結(jié)果的誤差可達(dá)1.8 dB,隨著海深增加,誤差不斷減小。

(2) 航行器位于水體中不同深度進(jìn)行測量時,測量結(jié)果會有差別,因此在實際工程中測量航行器輻射噪聲,就需要對航行器和測量設(shè)備準(zhǔn)確定位。另外當(dāng)航行器位于水體中間深度位置時,測量結(jié)果的誤差相對較小。

(3) 聲速剖面圖作為重要的水文特征,不同聲速梯度時,航行器輻射噪聲的聲場也不一樣,因此在工程中對航行器輻射噪聲進(jìn)行測量時,需要對海域的聲速梯度進(jìn)行測量。在仿真的波導(dǎo)環(huán)境中,不同聲速梯度剖面下航行器噪聲測量結(jié)果與真實值的差值在1.5 dB以內(nèi)。