矢量拖曳线列阵流噪声自功率谱特性研究

马根卯 张俊

（第七一五研究所，杭州，310023）

拖曳线列阵声呐是海军最重要的反潜装备之一，它区别于安装在舰艇外壳上的舰壳声呐，具有远离工作母船、噪声低、可变深、充分利用水文条件以及孔径相对不受限制等优点，大大提高了声呐的作用距离和对使用环境的适应性[1]，拖曳线列阵声呐已经成为各国海军对日益安静的潜艇进行有效探测的重要装备。大量实验表明，拖曳线列阵外壁处湍流边界层(TBL)压力起伏是流噪声的主要激励源，拖曳线列阵护套对压力起伏具有直接传递和共振辐射的作用[2]。当拖速较高时，流噪声是制约拖曳线列阵声呐性能发挥的主要因素。

常规拖曳线列阵的左右舷模糊问题促使矢量拖曳线列阵成为水下反潜的重要角色。杨秀庭[3,4]等分析了流噪声对矢量拖曳线列阵声呐的影响，指出矢量拖曳线列阵对流噪声轴向振速分量十分敏感。邹锦芝[5]等计算了圆柱形矢量水听器流噪声声压和轴向振速功率谱随参数的变化关系。孟彧仟[6]提出了基于声强流的矢量拖线阵流噪声抑制方法。

以上研究都是基于平板 TBL压力起伏的Corcos模型[7]，为了提高拖曳线列阵内部噪声场的预报精度，很多工作一直致力于完善细长圆柱体外壁处TBL压力起伏模型，其中，Carpenter压力起伏模型[8-10]备受关注，王晓林[9,10]等利用实验结果对现有的Carpenter模型的参数进行了修正，并利用修正的模型对拖曳线列阵的流噪声进行了预报，并验证了预报结果的有效性。本文采用修正的Carpenter模型对矢量拖曳线列阵流噪声进行研究，计算了基于圆柱形矢量水听器的拖曳线列阵流噪声自功率谱响应，并讨论了拖曳速度、水听器尺寸、护套参数等对流噪声的影响，得出了针对矢量水听器的抑制流噪声的措施。

1 流噪声理论模型

1.1 噪声场的一般形式

如图1所示，水听器安装在由弹性护套包裹的拖曳线列阵内，为了降低不同材料界面处声波的反射损失，以保证阻抗匹配，在护套管内还需要灌注轻蜡油。根据同振式矢量水听器的工作原理，在矢量水听器本身和安装方式保持轴向均匀、拖曳线列阵无攻角拖曳的理想情况下，同振式矢量水听器工作时径向加速度计通道的输出信噪比无限大，因为它对入射信号有响应，而对流噪声的响应相互抵消。因此，在理想情况下，对于同振式矢量水听器，只有轴向加速度计通道对流噪声有响应。

当柱壳外表面作用有TBL压力起伏的随机波数-频率谱分量 s (kz,ω)时，由文献[2]可得护套内部点接收器流噪声的自功率谱表达式为

其中 Φs(kz,ω)是压力起伏的波数-频率谱，h(kz,r,ω)是系统的波数-频率谱传递函数。

1.2 Carpenter压力起伏模型

为了提高拖曳线列阵流噪声场的预报精度，Carpenter提出了基于细长圆柱外表面TBL压力起伏的理论模型，其波数-频率谱为

当圆柱外径R和边界层厚度δ满足（δ / R ＞ ＞ 1 ）时，这种近似是比较准确的。王晓林等通过已掌握的大量实验数据对Carpenter压力起伏模型的参数进行了修正，修正后的参数及基本参数见表1。

表1 基本参数表

1.3 流噪声声压和轴向质点振速的自功率谱

由文献[3]得到单个圆柱形矢量水听器接收到的流噪声声压和轴向振速的自功率谱分别为

其中， hp(kz,r0,ω)、 hz(kz,r0,ω)分别为系统对点接收器流噪声声压和轴向振速的传递函数，如式（5）、（6）所示； ap(kz)、 az(kz)是圆柱形矢量水听器的形状函数，也称为水听器函数，如式（7）、（8）所示。

2 拖速、水听器、护套材料等参数对流噪声的影响分析

2.1 拖曳速度对流噪声的影响

图 2为不同拖曳速度下流噪声声压和轴向振速的自功率谱。可以看出，拖曳速度对流噪声声压和轴向振速的自功率谱影响很大，随着拖曳速度的增加，自功率谱明显增强，速度提高一倍，声压和轴向振速的自功率谱值均提高约25 dB。这一方面是因为随着拖速的提高，压力起伏的迁移峰向低波数域移动，靠近传递函数的峰值，乘积后积分结果必然增大；另一方面是因为压力起伏的波数-频率谱本身随着拖速的增加明显增强。因此在保证拖曳线列阵水平拖曳的情况下尽量让其在低速时工作。

图2 不同拖曳速度下的流噪声响应

2.2 水听器尺度对流噪声的影响

图 3为水听器接收面积不变时短粗型和细长型矢量水听器的流噪声声压和轴向振速的自功率谱。接收面积不变代表水听器总灵敏度不变。可以看出，细长型的水听器比短粗型的水听器接收到的流噪声自功率谱低，随着频率的升高，细长型水听器的降噪效果明显增强，且对轴向振速自功率谱的影响大于对声压自功率谱的影响。这一方面是因为细长型水听器接收面距离护套内壁的距离大，指数衰减因子增加；另一方面，随着水听器长度的增加，水听器函数相应减小，所对应的被积函数也减小。因此采用细长型水听器更有利于降低管内流噪声。

图3 短粗型和细长型水听器的流噪声响应

2.3 护套参数对流噪声的影响

2.3.1 不同护套外径

图 4为不同护套外径时流噪声声压和轴向振速的自功率谱。可以看出，在低于200 Hz的低频段，护套外径对流噪声自功率谱影响不大，在200 Hz以上的频段，随着护套外径的增大，流噪声自功率谱明显降低，且对高频段的影响大于对低频段的影响，声压和轴向振速的自功率谱值在高频段分别降低约10 dB、15 dB。因此采用较粗的套管有利于降低管内流噪声。

由于拖曳线列阵一般很长，甚至可达数百米，如果套管过粗的话，会对拖曳线列阵的存放以及收放等带来不利的影响，所以应折中考虑其外径。

图4 不同护套外径下的流噪声响应

2.3.2 不同护套厚度

图 5为不同护套厚度时流噪声声压和轴向振速的自功率谱。可以看出，护套的厚度对流噪声的自功率谱响应有一定影响，在600 Hz以下，随着护套厚度的增加声压的自功率谱降低3～5 dB，轴向振速的自功率谱降低4～8 dB；在600 Hz以上，随着护套厚度的增加声压的自功率谱有略微增加趋势，轴向振速自功率谱随护套厚度的增加逐渐降低。考虑到流噪声在低频段对拖曳线列阵声呐的性能有较大影响，因此采用较厚的套管有利于降低低频段的流噪声。

图5 不同护套厚度下的流噪声响应

2.3.3 不同护套材料衰减因子

图 6为不同材料衰减因子时矢量水听器流噪声声压和轴向振速的自功率谱。可以看出，随着护套材料衰减因子的增大，流噪声声压和轴向振速的自功率谱逐渐减小，衰减因子由0.1增大到0.8时，声压和轴向振速的自功率谱均下降约10 dB。这是因为随着衰减因子的增大，声压传递函数的峰值以及轴向振速传递函数的峰值逐渐降低，传递到护套内部的流噪声自功率谱也就相应降低。因此采用大衰减因子的护套材料可以明显降低管内流噪声的自功率谱响应。

图6 不同护套衰减因子下的流噪声响应

3 结论

本文采用波数-频率谱法和数值积分法分析计算了圆柱形矢量水听器接收的流噪声声压和轴向质点振速的自功率谱响应，从拖曳速度、水听器尺寸以及护套材料参数选取的角度分析了不同参数下管内流噪声的变化规律和抑制方法，计算结果表明：

（1）拖速较低时矢量拖线阵流噪声明显减小，水平拖曳速度提高一倍，声压和轴向振速的自功率谱值均提高约25 dB。因此在保证水平拖曳的情况下尽量让矢量拖线阵在较低拖速下工作。

（2）采用细长型的水听器比短粗型的水听器更有利于降低管内流噪声，且降噪效果随频率的升高更加明显。

（3）在不影响存放和收放复杂程度的要求下，适当增加护套外径和厚度可以降低管内流噪声。

（4）采用大衰减因子的护套材料可以明显降低管内流噪声，衰减因子由0.1增大到0.8时，声压和轴向振速的自功率谱均下降约10 dB。

[1] 余华兵, 孙长瑜, 李启虎. 探潜先锋-拖曳线列阵声呐[J]. 物理 声呐技术及应用专题, 2006, 420-423.

[2] 汤渭霖, 吴一.TBL 压力起伏激励下粘弹性圆柱壳内的噪声场:I噪声产生机理[J]. 声学学报, 1997,22(1)60-69.

[3] 杨秀庭, 孙贵青, 李敏.矢量拖曳式线列阵声呐流噪声影响初探[J]. 声学技术, 2007,26(5): 775-780.

[4] 杨秀庭, 孙贵青, 李敏. 矢量拖曳线列阵声呐流噪声的空间相关性研究[J]. 声学学报,2007, 32(6):547-552.

[5] 邹锦芝, 涂英, 陈丹平, 等. 矢量拖曳阵水听器流噪声探讨[J]. 声学技术, 2009, 28(4): 454-458.

[6] 孟彧仟.矢量拖线阵流噪声抑制方法研究[J].声学与电子工程, 2010, (1):20-24.

[7] CORCOS G M. The structure of the turbulent pressure field in boundary layer flows[J]. J. Fluid Mech, 1964,18:353-378.

[8] CARPENTER A L, KEWLEY D J. Investigation of low wave-number turbulent boundary layer pressure fluctuations on long flexible cylinders[C]. In Eighth Australasion Fluid mechanics,1983.

[9] 王晓林, 王茂法. 拖线阵水听器流噪声预报与实验研究[J]. 声学与电子工程, 2006, (3):6-11.

[10] 王晓林, 王茂法. 基于C&K修正模型的拖曳阵流噪声特性仿真研究[J]. 声学与电子工程, 2010, (1): 9-13.