高频辐射噪声近程传播特性研究

赵 军, 吴笛霄



高频辐射噪声近程传播特性研究

赵 军, 吴笛霄

(海军工程大学 兵器工程系，湖北 武汉, 430033)

针对近程反鱼雷武器系统建设问题, 研究了鱼雷高频辐射噪声的近场传播特性。采用小斜率近似(SSA)方法研究了粗糙海面的声散射特性, 给出了具有高斯分布粗糙海面的2阶～4阶SSA双站散射系数计算公式, 讨论了2阶SSA双站散射系数随海面粗糙度及入射角度不同的变化规律。并利用SSA双站散射系数计算了水下高频辐射噪声散射声场。仿真结果表明, 粗糙海面的散射效应对高频辐射噪声传播产生较大影响, 在研究声源/接收器位于近海面的高频辐射噪声传播特性时, 应充分考虑海面的散射效应。本文的研究为分析浅海目标声散射特性时, 是否需要考虑海面(海底)所引起的多途效应提供了理论依据。

反鱼雷武器系统; 海面声散射效应; 双站散射系数; 小斜率近似(SSA); 粗糙界面

0 引言

现代鱼雷随着向大航程、低噪声及高智能化的不断发展, 其突防能力与命中精度也大大提高, 同时其水下爆炸产生的远大于反舰导弹的破坏威力, 也使其日益成为水面舰艇的巨大威胁。相对于成熟的水面近程反导系统, 建立水下近程反鱼雷系统非常必要, 因此对鱼雷系统的近程声场特性尤其是辐射噪声信号的研究具有重要的意义。

在鱼雷辐射噪声的频谱构成中, 由于鱼雷螺旋桨空化产生的连续谱分量在高频部分(≥50 kHz)有大量分布。鱼雷在攻击水面舰艇时, 在末段会减小航行深度, 随着海水压力的减小, 更加剧了空化现象的发生。同时在较高频段海洋环境的背景噪声级更低, 因此对鱼雷辐射噪声高频分量的研究, 有利于对鱼雷辐射噪声场的特征提取, 从而采取有效的反鱼雷措施。

鱼雷的近程辐射噪声传播路径见图1。由于接近海面, 接收器接收的辐射噪声除直达声还会受到海面反射和散射的影响。本文通过研究粗糙海面的声散射问题, 验证了在研究近海面高频辐射噪声传播特性时, 充分考虑海面散射效应的必要性。

图1 辐射噪声传播路径

1 界面散射特性

式中:=2p/表示波数,是波长;是粗糙表面偏离其平均高度的均方根位移;是相对于水平面的掠射角。

当<<1时, 声学上可以认为海面是平滑的, 声能量主要部分作为相干波沿镜反射方向传播; 当>>1[U2] 时, 在声学上认为海面是粗糙的, 即声能量主要被散射到比较宽的角度范围内。文献[2]中对海面反射系数的研究也表明, 只有当声波波长与起伏波浪高度可比拟时才有明显的镜反射, 随着海面粗糙度提高, 镜反射几乎消失。

目前常用的计算粗糙面散射问题的方法主要有微扰法、基尔霍夫近似法、积分方程法及小斜率近似(small slope approximation, SSA)方法等[3-4]。微扰法基于瑞利假设, 适用于小粗糙度的表面, 基尔霍夫近似法基于切平面近似, 是从几何光学的角度研究散射, 适用于大粗糙度表面; 积分方程法计算精度高, 但计算过程复杂, 通常作为其他计算方法精确性的检验标准。SSA方法是国外近年发展起来的处理粗糙面散射问题的方法, 并已在处理粗糙面电磁散射问题上得到与试验值吻合的结果[5-6], 即使在小掠射角条件下, 计算结果也比经典计算方法更有效[7]。SSA方法的优势是应用范围广泛, 适用于任意波长、高度起伏的粗糙表面, 本文就是利用SSA研究粗糙海面的散射。

2 SSA方法的海面散射系数

对于狄利克雷边界条件, 矩阵与界面总声场的法向导数间满足

传递矩阵可用小斜率近似序列表示为=0+1+2+…,其中低阶的前两项可表示为

式中:=k-=(v,v);v=k-k;v=k-k;1+i= [2-(1+k)2]1/2;-1= [2-(k-1)2]1/2;()是界面函数()的傅立叶变换。

于是得

其中

3 海面散射强度计算

3.1 海面粗糙谱

()为海面偏离平衡位置的位移, 若把海面的偏移分量表示为很多具有随机相位的独立分量之和, 那么根据中心极限定理,()可以认为是高斯型的, 其谱函数可表示为

所以, 归一化的起伏海面自相关函数()

其中:为粗糙海面的起伏高度均方根;为表面的相关长度。

3.2 噪声场计算

散射系数和散射强度都是表征散射强弱的物理量, 假定散射声均匀分布在一半球面上, 则散射系数与散射强度的关系可表示为[10]

式中:0为声源强度;S=10 lg为散射强度;1为声源到散射点的距离;2为散射点到接收器的距离。

那么总的辐射噪声场强度总为直达入射噪声强度P和散射噪声强度P之和

总=P+P(18)

4 仿真计算

图3 入射角qi = 45°时不同粗糙度下的散射系数

图4中为高粗糙度(均方根斜率为=0.707)情况下, 不同入射角时的散射系数分布, 图中可以看出, 随着入射角的增大, 散射系数减小, 但是在很大角度范围内(≤80°), 散射系数数值比较稳定, 也就是在高粗糙度条件下, 入射到海面的声能量近似向各个方向均匀散射。

图4 不同入射角时的散射系数

根据文献[1]给出的关于散射指向性经验公式, 对于高粗糙度的海面, 其散射系数随方位角增大仅有小幅变化, 因此为简化计算过程采用1D界面下的双基地散射系数代替2D表面散射系数。图5是考虑海面散射时计算的辐射噪声场声强, 并与球面扩展进行比较, 其中声源与接收器分别位于海面下18 m，25 m。图中可以看出, 由于海面散射的原因, 接收的信号强度随距离的变化规律明显不同于球面扩展规律。声源与接收器深度越小, 海面散射的影响越剧烈。在水深30 m时, 距离120 m处声强相差1.6 dB; 而当水深降至18 m, 在60 m距离处声强差已达到1.9 dB, 在120 m距离处达到2.4 dB。

图5 近场时海面散射对声强的影响

5 结束语

本文分析了具有高斯分布起伏海面的声散射特性, 利用SSA方法推导了1D界面下海面的双站散射系数, 讨论了2阶SSA散射系数随海面粗糙度及入射角度不同的变化规律, 结果表明，高粗糙度海面声散射效应明显, 且在较大的角度范围内散射系数较为稳定。利用SSA双站散射系数计算了水下高频辐射噪声的散射声场, 结果表明, 粗糙海面的散射效应对高频辐射噪声传播产生较大影响, 在计算近海面声场传播特性时, 比如利用辐射噪声场强度进行单基元测距等应充分考虑海面的散射效应。

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Propagation Property of Short Range High-frequency Radiated Noise Considering Sea Surface Scattering Effect

ZHAO Jun1, WU Di-xiao1, CHEN Shui-quan2

(Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Aiming at the urgent demand of constructing short range anti-torpedo system, we investigate the propagation property of torpedo′s near-field high-frequency radiated noise. We analyze the acoustic scattering properties of rough sea surface using the small slope approximation(SSA), give the expression of second-order to fourth-order SSA bistatic scattering coefficient for the rough sea surface with Gaussian distribution, and discuss the variation law of second-order SSA bistatic scattering coefficient with different sea surface roughness and incidence angle. The scattering field of underwater high-frequency radiated noise is calculated by using the SSA bistatic scattering coefficient. Simulation result shows that the scattering effect of sea surface should be considered in studying the propagation property of high- frequency radiated noise with source/receiver near sea surface.

anti-torpedo weapon system; sea surface acoustic scattering effect; bistatic scattering coefficient; small slope approximation(SSA); rough surface

TJ630.34

A

1673-1948(2012)02-0107-04

2011-05-25;

2011-08-16.

赵军(1967-), 男, 硕士, 副教授, 研究方向为水下航行器总体技术.

(责任编辑: 杨力军)