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水下航行器輻射噪聲線譜的多普勒分析 版權(quán)信息
- ISBN：9787030600158
- 條形碼：9787030600158 ; 978-7-03-060015-8
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊(cè)數(shù)：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
水下航行器輻射噪聲線譜的多普勒分析 本書特色
適讀人群 ：可以作為噪聲源測(cè)量以及聲吶信號(hào)處理方面的參考書，相關(guān)專業(yè)研究生，從事航行器設(shè)計(jì)的研究人員本書對(duì)航行器聲隱身性能的提高具有重要的意義，可以作為噪聲源測(cè)量以及聲吶信號(hào)處理領(lǐng)域的參考書。
水下航行器輻射噪聲線譜的多普勒分析 內(nèi)容簡(jiǎn)介
水下航行器輻射噪聲是水聲探測(cè)、識(shí)別的重要信息源，嚴(yán)重影響了航行器的隱蔽性，是當(dāng)前威脅水下航行器安全和影響戰(zhàn)斗力發(fā)揮的重要因素。本書主要研究水下航行器輻射噪聲線譜的多普勒分析方法，實(shí)現(xiàn)線譜噪聲源分布位置的準(zhǔn)確估計(jì)，為水下航行器減振降噪措施提供堅(jiān)實(shí)的理論支持，對(duì)航行器的聲隱身性能的提高具有重要的意義。本書著重研究了基于參數(shù)化時(shí)頻分析以及模基信號(hào)處理的線譜噪聲源位置估計(jì)方法，完成了從單線譜噪聲到多線譜噪聲的多普勒分析；從接收傳感器形式上，本書從單水聽器方法、水聽器陣列方法以及單指向性傳感器測(cè)量方法展開研究。全面分析線譜噪聲的多普勒特性是本書一大特色，同時(shí)海上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也為本書的理論研究提供有力支撐。
水下航行器輻射噪聲線譜的多普勒分析 目錄
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 研究背景與意義 1
1.2 水下航行器輻射噪聲及海洋環(huán)境噪聲特性分析 2
1.2.1 水下航行器輻射噪聲特性及模型 2
1.2.2 海洋環(huán)境噪聲 7
1.2.3 測(cè)量系統(tǒng)自噪聲 8
1.3 噪聲源測(cè)量方法概述 8
1.3.1 通過特性方法 9
1.3.2 多普勒時(shí)頻特征分析方法 10
1.3.3 陣列噪聲源定位方法 12
1.3.4 模基處理噪聲源定位方法 12
1.4 全書內(nèi)容安排 14
參考文獻(xiàn) 16
第2章 單水聽器噪聲源定位識(shí)別方法 21
2.1 時(shí)頻分析理論 21
2.1.1 線性時(shí)頻分析方法 22
2.1.2 Cohen類雙線性時(shí)頻分布 24
2.1.3 仿射類雙線性時(shí)頻分布 26
2.1.4 重排類雙線性時(shí)頻分布 27
2.1.5 自適應(yīng)*優(yōu)核函數(shù)時(shí)頻分布 28
2.1.6 參數(shù)化時(shí)頻分析 29
2.2 單水聽器測(cè)噪模型及定位識(shí)別方法 33
2.2.1 測(cè)量系統(tǒng)的信號(hào)模型 33
2.2.2 基于多普勒頻移信息的定位原理 35
2.3 試驗(yàn)測(cè)試與驗(yàn)證系統(tǒng) 37
2.3.1 水池模擬試驗(yàn)系統(tǒng) 37
2.3.2 海上測(cè)試系統(tǒng) 38
參考文獻(xiàn) 42
第3章 基于WVD的低頻線譜噪聲源分布位置估計(jì)方法 45
3.1 基于WVD內(nèi)部交叉項(xiàng)分布的多普勒定位方法 46
3.1.1 WVD及其交叉項(xiàng)特征 46
3.1.2 多普勒內(nèi)交叉項(xiàng)噪聲源定位方法 48
3.1.3 水池試驗(yàn)驗(yàn)證 51
3.2 窄帶細(xì)化WVD的快速實(shí)現(xiàn)方法 54
3.2.1 離散偽WVD的FFT實(shí)現(xiàn)方法 54
3.2.2 離散偽WVD的窄帶分析性能 55
3.2.3 局部細(xì)化CZT算法原理 56
3.2.4 窄帶WVD的CZT實(shí)現(xiàn) 57
3.2.5 運(yùn)算性能估計(jì)與比較 59
3.2.6 數(shù)值仿真 60
3.3 海上實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證分析 62
參考文獻(xiàn) 65
第4章 基于LPD變換的低頻線譜噪聲源分布位置估計(jì)方法 66
4.1 瞬時(shí)頻率變化率的多項(xiàng)式相位信號(hào)模型 66
4.1.1 瞬時(shí)頻率變化率的時(shí)頻分析方法簡(jiǎn)介 66
4.1.2 多普勒信號(hào)的多項(xiàng)式相位信號(hào)模型 67
4.2 LPD算法 69
4.2.1 LPD算法的提出 69
4.2.2 LPD離散迭代算法 70
4.2.3 算法的采樣率要求 72
4.2.4 算法迭代過程分析 74
4.3 水下航行器線譜噪聲源的位置估計(jì) 76
4.3.1 計(jì)算機(jī)仿真 77
4.3.2 海上實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證分析 79
參考文獻(xiàn) 80
第5章 基于PCT變換的低頻線譜噪聲源分布位置估計(jì)方法 82
5.1 多普勒頻移特征分析的定位識(shí)別方法 82
5.1.1 基于PCT的多普勒頻移提取 82
5.1.2 窄帶細(xì)化的PCT快速算法 85
5.1.3 交點(diǎn)法或*小二乘法估計(jì)正橫時(shí)刻 87
5.2 多普勒頻移變化率特征分析的定位識(shí)別方法 89
5.2.1 基于PCT的方法 89
5.2.2 基于LPD的方法 89
5.3 性能分析 89
5.4 海上實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證分析 92
參考文獻(xiàn) 95
第6章 基于Chirplet參數(shù)化分析的線譜噪聲源位置估計(jì)方法 97
6.1 基于Chirplet時(shí)頻變換的噪聲源定位方法 98
6.1.1 多普勒信號(hào)時(shí)頻特征分析 98
6.1.2 基于線性調(diào)頻匹配的噪聲源多普勒分析方法 100
6.1.3 水池測(cè)試及仿真性能分析 103
6.2 基于Chirp-Fourier變換的多普勒定位方法 104
6.2.1 Chirp-Fourier變換原理 105
6.2.2 多普勒信號(hào)的Chirp-Fourier變換特性 106
6.2.3 多普勒信號(hào)的頻率-調(diào)頻分布特征 108
6.2.4 基于多普勒頻率-調(diào)頻分布特征的噪聲源定位方法 112
6.2.5 水池測(cè)試驗(yàn)證分析 114
6.3 多噪聲源處理仿真性能對(duì)比 115
6.4 海上實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證分析 121
參考文獻(xiàn) 123
第7章 基于模基信號(hào)處理的低頻線譜噪聲源分布位置估計(jì)方法 125
7.1 模基信號(hào)處理基礎(chǔ) 126
7.1.1 狀態(tài)空間模型 126
7.1.2 卡爾曼濾波器原理 128
7.1.3 模基處理器設(shè)計(jì)與性能分析 130
7.2 噪聲源測(cè)量的模基處理方法 133
7.2.1 測(cè)量系統(tǒng)定位基本原理 133
7.2.2 系統(tǒng)狀態(tài)空間模型 134
7.2.3 非線性卡爾曼估計(jì)器 136
7.3 水下航行器同頻線譜噪聲源定位方法 141
7.3.1 同頻聲源測(cè)量系統(tǒng)模型 141
7.3.2 基于后向平滑處理的均方根 CKF處理器 142
7.3.3 仿真性能分析 145
7.3.4 海上實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證分析 151
參考文獻(xiàn) 152
第8章 圓環(huán)陣識(shí)別水下航行器低頻線譜噪聲源位置方法 154
8.1 圓環(huán)陣噪聲測(cè)量模型及定位識(shí)別方法 155
8.1.1 定位原理 155
8.1.2 方法步驟 157
8.2 圓環(huán)陣的超指向性波束形成設(shè)計(jì) 158
8.3 基于偽WVD的波束輸出信號(hào)的時(shí)頻分析 161
8.3.1 偽WVD 161
8.3.2 窄帶細(xì)化偽WVD的CZT實(shí)現(xiàn) 161
8.4 基于Chirplet變換的波束輸出信號(hào)的時(shí)頻分析 163
8.5 仿真試驗(yàn) 163
參考文獻(xiàn) 169
第9章 基于單指向性傳感器的噪聲源定位方法 170
9.1 單指向性傳感器的研究背景 170
9.2 梯度傳感器的基本原理 172
9.2.1 聲場(chǎng)中的聲壓與質(zhì)點(diǎn)振速 173
9.2.2 梯度傳感器的構(gòu)成原理 178
9.3 單指向性傳感器 184
9.3.1 單指向性傳感器原理 184
9.3.2 單指向性聲壓傳感器 186
9.3.3 單指向性質(zhì)點(diǎn)振速傳感器 188
9.4 基于單指向性傳感器的噪聲源定位模型 189
9.4.1 基于單指向性傳感器噪聲源定位原理 189
9.4.2 實(shí)驗(yàn)仿真分析 191
參考文獻(xiàn) 192
前言
第1章 緒論 1
1.1 研究背景與意義 1
1.2 水下航行器輻射噪聲及海洋環(huán)境噪聲特性分析 2
1.2.1 水下航行器輻射噪聲特性及模型 2
1.2.2 海洋環(huán)境噪聲 7
1.2.3 測(cè)量系統(tǒng)自噪聲 8
1.3 噪聲源測(cè)量方法概述 8
1.3.1 通過特性方法 9
1.3.2 多普勒時(shí)頻特征分析方法 10
1.3.3 陣列噪聲源定位方法 12
1.3.4 模基處理噪聲源定位方法 12
1.4 全書內(nèi)容安排 14
參考文獻(xiàn) 16
第2章 單水聽器噪聲源定位識(shí)別方法 21
2.1 時(shí)頻分析理論 21
2.1.1 線性時(shí)頻分析方法 22
2.1.2 Cohen類雙線性時(shí)頻分布 24
2.1.3 仿射類雙線性時(shí)頻分布 26
2.1.4 重排類雙線性時(shí)頻分布 27
2.1.5 自適應(yīng)*優(yōu)核函數(shù)時(shí)頻分布 28
2.1.6 參數(shù)化時(shí)頻分析 29
2.2 單水聽器測(cè)噪模型及定位識(shí)別方法 33
2.2.1 測(cè)量系統(tǒng)的信號(hào)模型 33
2.2.2 基于多普勒頻移信息的定位原理 35
2.3 試驗(yàn)測(cè)試與驗(yàn)證系統(tǒng) 37
2.3.1 水池模擬試驗(yàn)系統(tǒng) 37
2.3.2 海上測(cè)試系統(tǒng) 38
參考文獻(xiàn) 42
第3章 基于WVD的低頻線譜噪聲源分布位置估計(jì)方法 45
3.1 基于WVD內(nèi)部交叉項(xiàng)分布的多普勒定位方法 46
3.1.1 WVD及其交叉項(xiàng)特征 46
3.1.2 多普勒內(nèi)交叉項(xiàng)噪聲源定位方法 48
3.1.3 水池試驗(yàn)驗(yàn)證 51
3.2 窄帶細(xì)化WVD的快速實(shí)現(xiàn)方法 54
3.2.1 離散偽WVD的FFT實(shí)現(xiàn)方法 54
3.2.2 離散偽WVD的窄帶分析性能 55
3.2.3 局部細(xì)化CZT算法原理 56
3.2.4 窄帶WVD的CZT實(shí)現(xiàn) 57
3.2.5 運(yùn)算性能估計(jì)與比較 59
3.2.6 數(shù)值仿真 60
3.3 海上實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證分析 62
參考文獻(xiàn) 65
第4章 基于LPD變換的低頻線譜噪聲源分布位置估計(jì)方法 66
4.1 瞬時(shí)頻率變化率的多項(xiàng)式相位信號(hào)模型 66
4.1.1 瞬時(shí)頻率變化率的時(shí)頻分析方法簡(jiǎn)介 66
4.1.2 多普勒信號(hào)的多項(xiàng)式相位信號(hào)模型 67
4.2 LPD算法 69
4.2.1 LPD算法的提出 69
4.2.2 LPD離散迭代算法 70
4.2.3 算法的采樣率要求 72
4.2.4 算法迭代過程分析 74
4.3 水下航行器線譜噪聲源的位置估計(jì) 76
4.3.1 計(jì)算機(jī)仿真 77
4.3.2 海上實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證分析 79
參考文獻(xiàn) 80
第5章 基于PCT變換的低頻線譜噪聲源分布位置估計(jì)方法 82
5.1 多普勒頻移特征分析的定位識(shí)別方法 82
5.1.1 基于PCT的多普勒頻移提取 82
5.1.2 窄帶細(xì)化的PCT快速算法 85
5.1.3 交點(diǎn)法或*小二乘法估計(jì)正橫時(shí)刻 87
5.2 多普勒頻移變化率特征分析的定位識(shí)別方法 89
5.2.1 基于PCT的方法 89
5.2.2 基于LPD的方法 89
5.3 性能分析 89
5.4 海上實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證分析 92
參考文獻(xiàn) 95
第6章 基于Chirplet參數(shù)化分析的線譜噪聲源位置估計(jì)方法 97
6.1 基于Chirplet時(shí)頻變換的噪聲源定位方法 98
6.1.1 多普勒信號(hào)時(shí)頻特征分析 98
6.1.2 基于線性調(diào)頻匹配的噪聲源多普勒分析方法 100
6.1.3 水池測(cè)試及仿真性能分析 103
6.2 基于Chirp-Fourier變換的多普勒定位方法 104
6.2.1 Chirp-Fourier變換原理 105
6.2.2 多普勒信號(hào)的Chirp-Fourier變換特性 106
6.2.3 多普勒信號(hào)的頻率-調(diào)頻分布特征 108
6.2.4 基于多普勒頻率-調(diào)頻分布特征的噪聲源定位方法 112
6.2.5 水池測(cè)試驗(yàn)證分析 114
6.3 多噪聲源處理仿真性能對(duì)比 115
6.4 海上實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證分析 121
參考文獻(xiàn) 123
第7章 基于模基信號(hào)處理的低頻線譜噪聲源分布位置估計(jì)方法 125
7.1 模基信號(hào)處理基礎(chǔ) 126
7.1.1 狀態(tài)空間模型 126
7.1.2 卡爾曼濾波器原理 128
7.1.3 模基處理器設(shè)計(jì)與性能分析 130
7.2 噪聲源測(cè)量的模基處理方法 133
7.2.1 測(cè)量系統(tǒng)定位基本原理 133
7.2.2 系統(tǒng)狀態(tài)空間模型 134
7.2.3 非線性卡爾曼估計(jì)器 136
7.3 水下航行器同頻線譜噪聲源定位方法 141
7.3.1 同頻聲源測(cè)量系統(tǒng)模型 141
7.3.2 基于后向平滑處理的均方根 CKF處理器 142
7.3.3 仿真性能分析 145
7.3.4 海上實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證分析 151
參考文獻(xiàn) 152
第8章 圓環(huán)陣識(shí)別水下航行器低頻線譜噪聲源位置方法 154
8.1 圓環(huán)陣噪聲測(cè)量模型及定位識(shí)別方法 155
8.1.1 定位原理 155
8.1.2 方法步驟 157
8.2 圓環(huán)陣的超指向性波束形成設(shè)計(jì) 158
8.3 基于偽WVD的波束輸出信號(hào)的時(shí)頻分析 161
8.3.1 偽WVD 161
8.3.2 窄帶細(xì)化偽WVD的CZT實(shí)現(xiàn) 161
8.4 基于Chirplet變換的波束輸出信號(hào)的時(shí)頻分析 163
8.5 仿真試驗(yàn) 163
參考文獻(xiàn) 169
第9章 基于單指向性傳感器的噪聲源定位方法 170
9.1 單指向性傳感器的研究背景 170
9.2 梯度傳感器的基本原理 172
9.2.1 聲場(chǎng)中的聲壓與質(zhì)點(diǎn)振速 173
9.2.2 梯度傳感器的構(gòu)成原理 178
9.3 單指向性傳感器 184
9.3.1 單指向性傳感器原理 184
9.3.2 單指向性聲壓傳感器 186
9.3.3 單指向性質(zhì)點(diǎn)振速傳感器 188
9.4 基于單指向性傳感器的噪聲源定位模型 189
9.4.1 基于單指向性傳感器噪聲源定位原理 189
9.4.2 實(shí)驗(yàn)仿真分析 191
參考文獻(xiàn) 192
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水下航行器輻射噪聲線譜的多普勒分析 節(jié)選
第1章緒論 水下航行器輻射噪聲是水聲探測(cè)、識(shí)別的重要信息源，嚴(yán)重影響了航行器的隱蔽性，同時(shí)也會(huì)對(duì)航行器自身所搭載的水聲設(shè)備造成干擾，是當(dāng)前威脅水下航行器安全和影響其戰(zhàn)斗力發(fā)揮的重要因素。通過噪聲測(cè)量確定水下航行器表面的噪聲源輻射位置，可以為減振降噪措施提供有力的支持，對(duì)航行器聲隱身性能的提高具有重要的研究?jī)r(jià)值。 1.1研究背景與意義 聲波是目前海洋中唯一能夠遠(yuǎn)距離傳播的能量輻射形式 [1]，如果水下航行器的輻射噪聲過大，既容易被對(duì)方水聲設(shè)備發(fā)現(xiàn)，又會(huì)干擾己方所搭載水聲設(shè)備的探測(cè)性能。良好的聲隱身性能是保證水下航行器安全性的關(guān)鍵，也是衡量現(xiàn)代水下航行器作戰(zhàn)能力的重要指標(biāo) [2]，因而受到各國(guó)海軍的高度重視。 當(dāng)前各海軍強(qiáng)國(guó)都對(duì)水下航行器降噪做了許多有效的工作，使現(xiàn)代水下航行器的整體噪聲水平一直處于快速下降之中 [3]。尤其是安靜型核動(dòng)力水下潛艇，在設(shè)計(jì)階段就不惜大幅增加自身噸位，以布置更多的降噪設(shè)備，*大限度地隔絕機(jī)械振動(dòng)噪聲向艇體的傳遞 [4-6]。例如，在不同的艙段中分別配置龐大的整體減震模塊；將主、輔機(jī)艙和動(dòng)力設(shè)備艙段中的機(jī)械振動(dòng)源布置到艙段式一體化減震浮筏上；根據(jù)不同艇體部位噪聲性質(zhì)的特點(diǎn)，在艇體外表敷設(shè)對(duì)應(yīng)吸聲模式的多模復(fù)合消聲瓦；在一些流體管路與機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備上加裝減震阻尼套管或采用撓性連接頭，以降低艇內(nèi)管路的機(jī)械振動(dòng)噪聲 [7]。此外，推進(jìn)系統(tǒng)中的七葉大側(cè)斜螺旋槳、泵噴推進(jìn)器、自然循環(huán)反應(yīng)堆以及電機(jī)推進(jìn)等技術(shù)也獲得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，使?jié)撏У穆曤[蔽性能獲得了顯著的提高。有數(shù)據(jù)表明，近三四十年的潛艇輻射噪聲每年下降0.5~1dB，被檢測(cè)的距離每年下降 0.5~2km[8]。實(shí)力*強(qiáng)的美俄兩國(guó)的先進(jìn)核動(dòng)力潛艇，如美國(guó)在 20 世紀(jì) 90 年代前后建造的 SSN-21(海狼級(jí)) 和 SSN-774(弗吉尼亞級(jí)) 以及同期俄羅斯的 971 型 (阿庫(kù)拉級(jí))，在噪聲頻譜 1kHz 處的譜密度級(jí)均可達(dá)到 85~95dB 的水平，已接觸到“安靜型”的噪聲下界，甚至初步跨越到“極安靜”的噪聲范圍內(nèi)。與此同時(shí)，英法德日等國(guó)以及我國(guó)也都致力于聲隱身技術(shù)的研究，并取得了大量積極的成果 [9-11]。 水下航行器輻射噪聲的頻譜是由連續(xù)譜和線譜疊加而成的混合譜，雖然各國(guó)的現(xiàn)代安靜型潛艇通過諸多靜音手段 [12]，大幅降低了整體輻射噪聲的量級(jí)，但主要削弱的是高頻段上的連續(xù)譜和部分離散線譜的強(qiáng)度 [13-15]。受到當(dāng)前減震降噪技術(shù)的限制，對(duì)于較低頻段上的輻射噪聲還是難以進(jìn)行整體性的有效控制 [16]。現(xiàn)代消聲瓦對(duì)聲波的有效衰減頻段通常在 1kHz 以上，即使是美國(guó)弗吉尼亞級(jí)所采用的*新型聚氨酯整體澆注技術(shù)，其工作臨界值也只可能達(dá)到 200.500Hz，無法阻止更低頻率的噪聲透過艇體表面向水中輻射能量。特別是低頻噪聲中的離散窄帶線譜，通常具有個(gè)體性，即不同潛艇的低頻線譜存在差異，很容易暴露潛艇的身份信息。許多測(cè)量資料表明，當(dāng)潛艇處于低速航行工況時(shí)，輻射噪聲中的低頻線譜強(qiáng)度可高于附近連續(xù)譜 10~25dB，其穩(wěn)定度有時(shí)可達(dá) 10min 以上，而且信號(hào)頻率越低，在水下的能量傳播損失越小，相對(duì)高頻信號(hào)可以擴(kuò)散到更遠(yuǎn)的范圍。美國(guó)在 1995-1999年開展的海洋氣候聲學(xué)測(cè)溫 (acoustic thermometry of ocean climate， ATOC) 行動(dòng)中，相關(guān)研究人員利用 14 個(gè) SOSUS 接收陣，記錄 57Hz 和 75Hz 單頻聲信號(hào)的傳播數(shù)據(jù)，取得了良好的識(shí)別效果，*遠(yuǎn)距離達(dá)到了 3900km，并特別指出帶寬為1.2Hz 濾波器所提取的窄帶信息可以用于水下目標(biāo)識(shí)別 [17-19]。 綜上所述，水下航行器輻射噪聲中的低頻線譜分量具有穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)、強(qiáng)度高和傳播衰減小等特點(diǎn)，并且攜帶了豐富的目標(biāo)特征信息，很容易在遠(yuǎn)距離被對(duì)方截獲并加以利用，是當(dāng)前水聲探測(cè)和識(shí)別的重要信息來源。因而亟須針對(duì)低頻噪聲的振動(dòng)源以及傳遞過程進(jìn)行治理，而水下噪聲的測(cè)量分析正是對(duì)其實(shí)施有效控制的前提 [20]。通過開展水下噪聲源定位技術(shù)的研究，可以確定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)水下航行器表面的噪聲源輻射位置，并有針對(duì)性地采取減震降噪措施，不僅能為航行器聲學(xué)設(shè)計(jì)中的噪聲指標(biāo)提供切實(shí)的理論依據(jù)，還可以對(duì)治理后的效果給出合理評(píng)價(jià)。因此，研究適用于低速航行器的低頻輻射噪聲和便于工程實(shí)施的噪聲源近場(chǎng)定位識(shí)別方法，對(duì)于當(dāng)前水下航行器聲隱身性能的提高具有重要意義。 1.2 水下航行器輻射噪聲及海洋環(huán)境噪聲特性分析 研究水下輻射噪聲信號(hào)處理*先要明確的一個(gè)問題就是被處理對(duì)象的性質(zhì)。測(cè)量系統(tǒng)需要通過聲吶接收從海洋介質(zhì)傳來的目標(biāo)輻射噪聲來檢測(cè)目標(biāo)，并判定其性質(zhì)，測(cè)量其參數(shù)。目標(biāo)的特性、海洋水聲信道的傳輸特性和接收端水聽器所處位置的背景干擾聲場(chǎng)的特性都會(huì)影響測(cè)量系統(tǒng)的工作性能。本節(jié)將重點(diǎn)從以上各方面討論水下航行器輻射噪聲和海洋環(huán)境噪聲。 1.2.1 水下航行器輻射噪聲特性及模型 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的水下航行器是一個(gè)復(fù)雜噪聲源的綜合體，在其航行或作業(yè)時(shí)，推進(jìn)器和各種機(jī)械都在工作，它們產(chǎn)生的振動(dòng)通過船體向水中輻射聲波 [3]。對(duì)輻射噪聲的大量測(cè)試資料的分析和研究表明，航行器輻射的噪聲如果以來源和產(chǎn)生機(jī)理劃分，大致有三類：機(jī)械結(jié)構(gòu)噪聲、螺旋槳噪聲以及航行時(shí)產(chǎn)生的水動(dòng)力噪聲。如果以功率譜的形態(tài)劃分輻射噪聲，可以分為兩類：連續(xù)分布的寬帶噪聲譜和在若干個(gè)離散頻率上的窄帶分量||線狀噪聲譜 [21]。對(duì)水下航行器輻射噪聲中主要聲源的分類如表 1-1 所示。 表 1-1 水下航行器輻射噪聲的主要聲源 艦艇噪聲的寬帶連續(xù)噪聲譜分量主要是由螺旋槳噪聲、機(jī)械噪聲和水動(dòng)力噪聲等部分構(gòu)成。 (1) 螺旋槳噪聲：由螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生空化效應(yīng)造成的。螺旋槳葉片在水中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)在葉尖和葉片面上會(huì)產(chǎn)生低壓和負(fù)壓區(qū)。隨著轉(zhuǎn)速的增加，負(fù)壓增大到一定限度時(shí)，水就會(huì)自然破裂產(chǎn)生小氣泡形式的空穴，稍后這些氣泡破碎產(chǎn)生寬帶聲脈沖，大量這種氣泡的破碎聲就會(huì)形成螺旋槳空化噪聲。這是水下航行器輻射噪聲寬帶連續(xù)譜在高頻端的主要成分。螺旋槳空化可分為葉尖渦流空化和葉片表面空化兩類。葉尖渦流空化是一般螺旋槳空化噪聲的主要噪聲源。螺旋槳空化噪聲的功率譜在高頻以 6dB 每倍頻程的斜率下降。在低頻功率譜曲線有正斜率，因此存在一個(gè)峰值。對(duì)于一般的艦船和潛艇而言，這個(gè)峰值在 100.1000Hz 范圍內(nèi)，其位置會(huì)隨航速增加和深度減小而向低頻方向移動(dòng)。運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生空化噪聲的速度稱為臨界速度，它隨著潛艇下潛深度的增加而增加 [1]。 (2) 機(jī)械噪聲：在低速度時(shí)，螺旋槳轉(zhuǎn)速未達(dá)到臨界速度，不會(huì)產(chǎn)生空化，因而主要的噪聲連續(xù)譜來源是機(jī)械噪聲。產(chǎn)生寬帶連續(xù)譜的噪聲源有泵、管道、閥門中流體的空化、湍流和凝汽器排氣產(chǎn)生的噪聲。這些噪聲通過各種內(nèi)部傳遞路徑與艇殼聯(lián)結(jié)輻射出來。此外還有軸承、軸頸摩擦產(chǎn)生的機(jī)械噪聲。 (3) 水動(dòng)力噪聲：水動(dòng)力噪聲中的流噪聲是由不規(guī)則的、起伏的海流流過潛艇的表面形成的噪聲和由水動(dòng)力過程變化引起的噪聲，是水流動(dòng)力作用于艇體的結(jié)果。通常表現(xiàn)為一種無規(guī)則的噪聲形式，其噪聲量級(jí)隨航速加快而升高。在正常或低速情況下，水動(dòng)力噪聲產(chǎn)生的輻射噪聲強(qiáng)度較小，往往被機(jī)械噪聲和螺旋槳噪聲所掩蓋。 艦艇噪聲中的窄帶分量——線狀噪聲譜主要集中在 1000Hz 以下的低頻頻段。產(chǎn)生線譜的噪聲源主要有三類：往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械噪聲、螺旋槳葉片共振線譜和葉片速率線譜及水動(dòng)力引起的共振。 (1) 線譜類機(jī)械噪聲的來源主要有不平衡的旋轉(zhuǎn)部件，如不圓的軸和電機(jī)電樞；重復(fù)的不連續(xù)性部件，如齒輪、電樞槽、渦輪機(jī)葉片；往復(fù)部件，如內(nèi)燃機(jī)汽缸的爆燃等。這些機(jī)械噪聲源會(huì)通過與艇殼的聯(lián)結(jié)將噪聲輻射到水中。如果一定的頻率正好引起了艇殼大范圍共振，可以產(chǎn)生很強(qiáng)的線譜，稱為 \艇殼轟鳴"。這種線譜位于振動(dòng)的基頻 (如電機(jī)的軸速乘以定子極數(shù)、每秒內(nèi)接觸的齒數(shù)、汽缸點(diǎn)火率等)處，或其諧波上。受到材料制造工藝、操作和管理水平、機(jī)動(dòng)方式以及航行工況等各種因素的影響，在這些離散的線譜分量中，有的成分非常穩(wěn)定，有的極不規(guī)則并容易發(fā)生變化。 (2) 螺旋槳葉片被海流激勵(lì)發(fā)生共振也可以產(chǎn)生很強(qiáng)的線譜噪聲，可通過良好的設(shè)計(jì)加以避免。螺旋槳葉片旋轉(zhuǎn)切割所有進(jìn)入螺旋槳和在螺旋槳附近的不規(guī)則的流動(dòng)，產(chǎn)生分布在葉片速率倍數(shù)上的葉片速率譜，其頻率為 (1-1) 式中，n 為諧波次數(shù)；m 為螺旋槳葉片數(shù)；S 為螺旋槳轉(zhuǎn)速。在某些工況下，這種葉片速率線譜在 100Hz 以下的頻帶內(nèi)是潛艇輻射噪聲的主要成分。由于螺旋槳軸產(chǎn)生的線譜 (機(jī)械噪聲) 諧波與葉片速率譜重合，螺旋槳噪聲也可能引起附近機(jī)械結(jié)構(gòu)共振。當(dāng)螺旋槳空化剛產(chǎn)生時(shí)，潛艇噪聲在 1kHz 以下的低頻部分主要是機(jī)械噪聲和螺旋槳線譜噪聲，在高頻部分線譜很小，往往被空化噪聲連續(xù)譜所掩蓋。有時(shí)，在高于 1kHz 的高頻段可能出現(xiàn)螺旋槳葉片共振產(chǎn)生的線譜。當(dāng)航速加快時(shí)，螺旋槳空化噪聲增強(qiáng)，峰值移向低頻，這時(shí)線譜有些也可能增加，有些線譜隨轉(zhuǎn)速增高其頻率會(huì)向上移，有些線譜頻率保持不變。總而言之，空化產(chǎn)生的連續(xù)噪聲會(huì)隨航速的增高掩蓋更多的線譜而成為噪聲的主要成分 [3]。 (3) 水動(dòng)力線譜噪聲是指不規(guī)則和起伏水流引起艦艇的一些部件共振 (如支柱、鋼索等) 而產(chǎn)生的線譜。一些開口空腔可以被流經(jīng)的水流所激勵(lì)，產(chǎn)生亥姆霍茲 (Helmholtz) 共振腔那樣的共振，發(fā)出線譜噪聲。這些線譜也主要集中在低頻端 [3]。 通過以上對(duì)水下航行器輻射噪聲的來源與產(chǎn)生機(jī)理的分析可以知道，水下輻射噪聲頻譜是由強(qiáng)線譜和弱連續(xù)譜疊加而成的混合譜 [2;3]。對(duì)于一定深度和航速，航行器的輻射噪聲譜中存在一個(gè)臨界頻率，在臨界頻率以下表現(xiàn)為寬帶連續(xù)譜加若干離散的線譜，高于臨界頻率時(shí)主要是寬帶連續(xù)譜噪聲。一般臨界頻率在 100.1000Hz范圍內(nèi)。功率譜中的線譜反映噪聲信號(hào)中的周期性噪聲部分的能量，大多分布在1kHz 以下的低頻范圍內(nèi)，較難通過常規(guī)方法抑制，而且攜帶了大量的目標(biāo)特征信息，是水聲設(shè)備探測(cè)和識(shí)別的主要信息源。連續(xù)譜反映噪聲信號(hào)中隨機(jī)噪聲部分的能量分布，其頻段從幾 Hz 到數(shù)十萬(wàn) Hz，其中低端為 6.12dB 每倍頻程的正斜率，高端為 -10 ~-5dB 每倍頻程的負(fù)斜率，在幾十 Hz 至 200Hz 之間出現(xiàn)平直譜或峰值。當(dāng)航行器處于不同工況時(shí)，混合譜的組成結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。在低速時(shí)，低頻段主要為各類線譜噪聲，隨著頻率增高，線譜逐漸被連續(xù)譜所掩蓋。若葉片產(chǎn)生共振或存在噪聲較大的減速器，則螺旋槳連續(xù)譜上會(huì)疊加一條或一組高頻譜線。在高速時(shí)，螺旋槳噪聲增大，由空化產(chǎn)生的連續(xù)譜占主要地位，并移向低頻，掩蓋了很多線譜。圖 1-1 給出了不同航速下航行器噪聲譜級(jí)的情況，可作為航行器輻射噪聲仿真的基礎(chǔ)。 圖 1-1 不同航速下艦艇噪聲譜示意圖 許多資料表明，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的航行器的航速工況不僅會(huì)改變寬帶連續(xù)譜的強(qiáng)度和頻帶范圍，還會(huì)對(duì)低頻線譜的結(jié)構(gòu)成分造成影響 [22]。 圖 1-2 為文獻(xiàn) [22] 中的某典型現(xiàn)代貨船的水下輻射噪聲頻譜，頻率分辨率為0.5Hz，圖中上方曲線為該船以 140rpm(rpm 為螺旋槳轉(zhuǎn)速單位，表示轉(zhuǎn)每分鐘) 高速航行工況的水下輻射噪聲頻譜，下方曲線為 68rpm 低速航行工況時(shí)的頻譜。頻譜中各線譜的峰值上有不同標(biāo)識(shí)，其中 B 代表葉頻及其諧振頻率，F(xiàn) 代表推進(jìn)系統(tǒng)主機(jī)頻率及其諧振頻率，G 表示輔機(jī)設(shè)備頻率及其諧振頻率。可以看出，高速和低速輻射噪聲的頻譜結(jié)構(gòu)基本符合圖 1-1 中的分布規(guī)律，但是在不同航速工況下，線譜的來源并不相同。 較高航速狀態(tài)下，航行器水下輻射噪聲線譜的主要來源是主機(jī)頻率和葉頻及其高次諧波，即圖 1-2 中由 B 和 F 指示的峰值。其中主機(jī)頻率由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和柴油機(jī)氣缸數(shù)量決定。由于該船主推進(jìn)
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