鄭 援，楊 剛，何憲文

（海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266199）

1 引言

信號(hào)接收者檢測(cè)到的船舶輻射噪聲信號(hào)在總聲強(qiáng)和譜分布上會(huì)隨著船舶的航行而發(fā)生變化，可以用于估計(jì)船舶的航行方向和速度等參數(shù)。因此，對(duì)于關(guān)注船舶航行特征的仿真應(yīng)用如聲納信號(hào)仿真、水下噪聲場(chǎng)仿真等，具有航行聲特征的船舶輻射噪聲信號(hào)更有利于增強(qiáng)其仿真的逼真性，也更易被采用。

在進(jìn)行船舶輻射噪聲信號(hào)的仿真時(shí)，已有研究工作通常采用如下方法：從高斯白噪聲開(kāi)始，通過(guò)信號(hào)處理逐步增加連續(xù)譜、調(diào)制譜和線譜特征，并考慮聽(tīng)覺(jué)的影響，將其變換為具有指定船舶信號(hào)特征的輻射噪聲信號(hào)［1-5］。這些研究工作很好地實(shí)現(xiàn)了船舶輻射噪聲信號(hào)的靜態(tài)仿真，但均沒(méi)有考慮在所模擬的輻射噪聲信號(hào)中體現(xiàn)速度和方向等航行聲特征。

此外，有一些商用工具軟件為多媒體應(yīng)用或游戲開(kāi)發(fā)提供了3D 音效方面的API 支持［6-8］，但通常針對(duì)空氣聲進(jìn)行立體聲音效和動(dòng)感音效的生成，即通過(guò)設(shè)定最大距離、最小距離以及滾降因子等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)由于聽(tīng)眾和聲源位置發(fā)生相對(duì)變化而產(chǎn)生的聲音衰減。需要注意，模型不同于水聲傳播規(guī)律。

為了生成船舶航行時(shí)仿真度較高的輻射噪聲信號(hào)，本文研究并給出了一種船舶輻射噪聲信號(hào)的航行聲特征仿真方法。通過(guò)仿真輻射噪聲的聲強(qiáng)和頻譜變化，體現(xiàn)船舶的航行聲特征，并使所生成的船舶輻射噪聲仿真信號(hào)在人耳聽(tīng)覺(jué)上平滑、自然，沒(méi)有分段、卡頓的感覺(jué)。該方法對(duì)于關(guān)注船舶航行特征的仿真應(yīng)用具有工程參考價(jià)值。

2 船舶航行聲特征仿真方法

2.1 仿真過(guò)程

為了實(shí)現(xiàn)船舶輻射噪聲信號(hào)的航行聲特征仿真，改進(jìn)已有船舶輻射噪聲信號(hào)的靜態(tài)仿真方法，通過(guò)增加針對(duì)船舶航行過(guò)程中聲強(qiáng)和頻譜變化的信號(hào)處理，使所生成的船舶輻射噪聲信號(hào)具有指定的航行聲特征。

仿真過(guò)程如下：

（1）對(duì)擬用于生成船舶輻射噪聲信號(hào)的連續(xù)譜和線譜合成時(shí)域信號(hào)，按時(shí)間進(jìn)行分段；

（2）針對(duì)每一段信號(hào)，依據(jù)其對(duì)應(yīng)時(shí)刻船舶的當(dāng)前位置、船舶的初始位置以及接收者的當(dāng)前位置，對(duì)該段連續(xù)譜和線譜合成時(shí)域信號(hào)的每一頻率點(diǎn)分別進(jìn)行基于水聲傳播損失的強(qiáng)度調(diào)整，并合并經(jīng)過(guò)強(qiáng)度調(diào)整后的時(shí)域信號(hào)分段；

（3）使用擬用于生成船舶輻射噪聲信號(hào)的調(diào)制譜信號(hào)，調(diào)制經(jīng)過(guò)強(qiáng)度調(diào)整處理的連續(xù)譜和線譜合成時(shí)域信號(hào)，得到具有航行聲特征的船舶輻射噪聲信號(hào)。

顯然，步驟（1）和步驟（2）是區(qū)別于已有船舶輻射噪聲信號(hào)靜態(tài)仿真方法的關(guān)鍵，下面給出具體的信號(hào)處理方法。

2.2 信號(hào)處理

令gx為擬用于生成船舶輻射噪聲信號(hào)的連續(xù)譜和線譜合成時(shí)域信號(hào)，即船舶輻射噪聲信號(hào)靜態(tài)仿真方法得到的中間信號(hào)，其時(shí)長(zhǎng)為T(mén)、采樣率為fs，將其按照時(shí)間長(zhǎng)度Δt（Δt≤1 s）分為n段。

針對(duì)于每一段信號(hào)gxi(1 ≤i≤n)，依據(jù)其對(duì)應(yīng)的時(shí)刻ti時(shí)，船舶航行到的當(dāng)前位置pi、船舶的初始位置p0以及接收者的當(dāng)前位置precv_i，對(duì)該段連續(xù)譜和線譜合成時(shí)域信號(hào)的每一頻率點(diǎn)分別進(jìn)行基于水聲傳播損失的強(qiáng)度調(diào)整，具體如下。

計(jì)算強(qiáng)度調(diào)整向量transi：

式中：TL(f,p1,p2)為頻率為f（單位為Hz）的信號(hào)由p1點(diǎn)傳播至p2點(diǎn)時(shí)以dB 為單位的水聲傳播損失；wrev是反轉(zhuǎn)向量函數(shù)。

對(duì)信號(hào)gxi進(jìn)行傅里葉變換：

式中：fft為傅里葉變換。

對(duì)傅里葉變換值fft_gxi進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)整計(jì)算：

將強(qiáng)度調(diào)整后的傅里葉變換值fft_adjusted轉(zhuǎn)換回時(shí)域信號(hào)：

式中，ifft為傅里葉逆變換，real為復(fù)數(shù)取實(shí)部函數(shù)。

合并經(jīng)過(guò)強(qiáng)度調(diào)整處理的各段連續(xù)譜和線譜合成時(shí)域信號(hào)gx_adjustedi：

最后，使用船舶輻射噪聲信號(hào)的調(diào)制譜信號(hào)ax對(duì)總時(shí)域信號(hào)gx_adjusted進(jìn)行調(diào)制，即可得到具有航行聲特征的船舶輻射噪聲仿真信號(hào)s：

3 仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 仿真實(shí)驗(yàn)

為了檢驗(yàn)本文所研究船舶輻射噪聲的航行聲特征仿真方法的實(shí)際效果進(jìn)行了如下仿真實(shí)驗(yàn)，下面給出其中一次仿真實(shí)驗(yàn)的過(guò)程。

該仿真實(shí)驗(yàn)擬生成時(shí)長(zhǎng)為120 s 的具有航行聲特征的船舶輻射噪聲信號(hào)。實(shí)驗(yàn)中，接收者位于[2 000 0-20]、靜止聽(tīng)測(cè)；航行船舶的等效輻射噪聲聲源位置位于水下5 m，初始坐標(biāo)定為[0 0-5]，以航速[10 0 0]在水面航行120 s。上述坐標(biāo)的單位均為m、速度單位為m/s。主要仿真參數(shù)賦值如下：p0=[0 0-5]；因?yàn)榻邮照哽o止，所以precv_i=[2 000 0-20]；pi=p0+[10 0 0]×ti。

圖1 為擬用于生成船舶輻射噪聲信號(hào)的連續(xù)譜和線譜合成時(shí)域信號(hào)gx，時(shí)長(zhǎng)T為120 s、采樣率fs為44 100 Hz。

gx按照時(shí)間片長(zhǎng)度Δt=1 s 進(jìn)行分段，共分為n=120 段。按照給出的強(qiáng)度調(diào)整方法，對(duì)每一段信號(hào)gxi，依據(jù)其對(duì)應(yīng)時(shí)刻ti時(shí)，船舶航行到的當(dāng)前位置pi、船舶的初始位置p0、接收者的當(dāng)前位置precv_i，對(duì)該段信號(hào)進(jìn)行基于水聲傳播損失的強(qiáng)度調(diào)整。

在計(jì)算強(qiáng)度調(diào)整向量transi時(shí)，水聲傳播損失TL(f,p1,p2)采用了基于擴(kuò)展和吸收損失的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?］。令海深H=1 000 m，TL的具體計(jì)算方法如下：

將經(jīng)過(guò)強(qiáng)度調(diào)整后的各段信號(hào)合并，得到經(jīng)過(guò)強(qiáng)度調(diào)整處理的全部連續(xù)譜和線譜合成時(shí)域信號(hào)gx_adjusted，如圖2 所示。

采用如圖3 所示的調(diào)制譜信號(hào)ax，對(duì)時(shí)域信號(hào)gx_adjusted進(jìn)行調(diào)制，ax時(shí)長(zhǎng)為120 s、采樣率為44 100 Hz，與gx_adjusted一致。信號(hào)調(diào)制完成后，得到時(shí)域信號(hào)s，即具有航行聲特征的船舶輻射噪聲仿真信號(hào)，如圖4 所示。

圖5 給出了信號(hào)s隨時(shí)間推移的聲強(qiáng)變化。圖6 給出了信號(hào)s隨時(shí)間推移的頻譜變化，其中各像素點(diǎn)表示對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)在該時(shí)刻以dB 為單位的相對(duì)譜級(jí)。

圖7 是信號(hào)s在1 s 和120 s 時(shí)的譜分布比較。從圖7 能夠更清楚分辨出不同頻點(diǎn)的聲強(qiáng)隨距離的變化量并不相同。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由圖4～圖7 可以看出，本文方法生成的船舶輻射噪聲仿真信號(hào)，通過(guò)聲強(qiáng)、頻譜的變化體現(xiàn)了該聲源由遠(yuǎn)至近的航行聲特征：信號(hào)的總聲強(qiáng)逐漸增大，且信號(hào)高頻段譜級(jí)隨距離縮小的增大程度要高于低頻段，與實(shí)際船舶航行所能體現(xiàn)的航行聲特征基本一致。此外，由于采用先在連續(xù)譜和線譜合成時(shí)域信號(hào)上增加航行聲特征再進(jìn)行調(diào)制譜信號(hào)調(diào)制的順序進(jìn)行船舶輻射噪聲仿真信號(hào)的生成，生成的具有航行聲特征的船舶輻射噪聲仿真信號(hào)在人耳聽(tīng)覺(jué)上平滑、自然，沒(méi)有分段、卡頓的感覺(jué)。

4 結(jié)語(yǔ)

船舶航行過(guò)程中，接收者接收到的輻射噪聲信號(hào)并非穩(wěn)定不變，而是在總聲強(qiáng)和譜分布上隨著其航行的方向、速度發(fā)生變化，接收者可將這些航行聲特征用于判斷船舶航行的方向和速度。本文研究并給出了一種在船舶輻射噪聲仿真信號(hào)中增加航行聲特征的方法，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：該方法所生成的信號(hào)能夠通過(guò)聲強(qiáng)、頻譜的變化，體現(xiàn)船舶航行的聲特征，且在人耳聽(tīng)覺(jué)上平滑、自然，沒(méi)有分段、卡頓的感覺(jué)，達(dá)到了較高的逼真度，對(duì)聲納信號(hào)仿真、水下噪聲場(chǎng)仿真等應(yīng)用具有工程參考價(jià)值。