一种小型水面目标辐射噪声水平分布特性

计 钊

(大连测控技术研究所，辽宁 大连 116013)

0 引言

在水下警戒、目标识别和防御对抗等诸多领域，均离不开以被动方式工作的探测设备和水下攻防装备等的开发与研制，而这些都需要目标的噪声特性信息提供支撑。因此掌握各种目标 (包括水面船、水下航行体及其他水下声辐射源等)的噪声特性，对于推动相关水声技术及其装备的研究与发展具有重要意义［1－3］。本文在以往空间分布分析方法研究成果［4－7］的基础上，对一种小型水面船舶目标辐射噪声特性开展海上实测研究，并分析该类小型目标在水下产生的辐射噪声的水平分布特性。

1 单一平面噪声分布模型及分析方法

1.1 水平等声压分布模型

以水平直线阵数据获取为基础，以左舷侧一水平面噪声空间特性为分析对象，对水中目标辐射噪声空间分布开展数学建模研究，给出相应单一平面的辐射噪声等声压分布的分析方法。如图1所示，以目标几何中心为原点O建立空间直角坐标系，x轴与目标纵轴所在直线一致，且正方向与目标航向相同;y轴正向与目标左舷侧一致;平面xOy与目标水平纵剖面 (即航行平面)一致;z轴垂直于水平中纵剖面，且指向目标上方一侧。数据获取时，目标以航速v匀速通过测量阵，阵体位于目标左舷侧且与目标水平纵剖面共面。当目标匀速通过测量阵时，等效于目标静止而阵体以相同速度通过，这与空间扫描或合成孔径的概念和思想一致。这样，阵体所通过之矩形平面即为“有效测量平面”。

水平测量阵由N个等间距分布的阵元构成，阵体长度为L，阵元间距为d，目标纵轴线与阵体所在直线垂直，而且第1号阵元与该轴线的距离为D;目标航迹与“有效测量平面”共面，x=xb和x=xe分别为满足有效测量条件时目标机动的初始坐标位置和结束位置，其由测距定位等辅助方式确定，而|xe－xb|为有效机动距离;目标纵向长度为l，目标体整体对应纵轴上的空间点的坐标x取值范围为 －l/2≤x≤l/2;Qn，m为测量阵第n个阵元对应的纵向通过直线上的第m个空间位置点，n=1，2，……，N;m=0，1，2，……，M;M=(xe－ xb)/(v·ΔT);pn，m(t)为测量阵第 n个阵元在Qn，m点的有效测量时间ΔT内获取的t时刻的瞬时声压。

由以上数学模型及主要条件，即可通过实测数据的处理与分析，给出测量工况下被测目标一侧阵体通过平面的辐射声压分布 Lp(Qn，m)(n=1，2，……，N，m=0，1，2，……，M)和相应的辐射噪声的等声压分布。

图1 被测目标左舷侧水平面辐射噪声空间特性分布数学模型示意图Fig.1 Mathematical model for spatial distribution of target's underwater radiated noise in left broadside and horizontal plane

1.2 水平等声压分布分析方法

在上述模型及主要条件的基础上，针对单一平面的水中目标辐射噪声等声压分布分析方法的具体原理及步骤如下:

1)对获取到的所有接收阵元的有效分析数据进行辐射声压计算，给出不同频率和频带 (如线谱、窄带和宽带等)声压级的时频分布，如图1所示。辐射声压计算主要是给出水平测量阵第n个阵元在有效测量时间ΔT内获取的Qn，m点位置的有效声 压 pQn，m，e(tn，m，ΔT)及相应的辐射声压级 Lp(Qn，m):

式中:tn，m为由空间分辨率决定的水平测量阵第n个阵元在位置 (即点Qn，m)有效测量时间ΔT内的初始时刻，n=1，2，……，N，m=0，1，2，……，M;pref为水声学中的参考声压值。

2)根据被测目标的航迹、航速及其与测量直线阵的相对位置关系和各接收阵元的间距等，计算出被测目标在不同的通过时刻相对于测量阵的空间距离，即给出测量阵第n个阵元对应的纵向通过直线上的第m个空间位置点Qn，m的坐标:

3)在上述工作的基础上，绘出有效被测平面内的空间分布的三维声压谱群，对其进行拟合和插值等处理，并利用不同量值的等声压剖面对其进行截取，绘出相应量值的等声压分布曲线 (见图2)，得出等声压各点的空间分布规律。

2 海上实测研究

利用上述模型及分析方法对一种小型水面船舶目标辐射噪声特性开展了海上实测及分析研究。被测目标为小型水面船舶，数据获取湿端为4元水平声压阵，阵元间距如图3所示。测量时，目标匀速直线通过阵体一侧，航迹与阵体所在直线垂直，且与最近阵元距离为100 m。图3为被测目标机动时与测量阵的相对空间位置关系示意图。

图2 被测目标单一平面辐射噪声等声压分布分析示意图Fig.2 The sketch map for spatial distribution of equivalent sound pressure in single plane

图3 系统布放及目标机动方式示意图Fig.3 Geometrical configuration of tested target and measurement array

由谱分析结果可知，该水面船在被测工况下辐射噪声的能量主要集中于5 kHz以下频率范围内。线谱成分较为丰富，其中104 Hz线谱幅度较为突出。由此，利用前述分析方法对该目标在有效测量平面内的连续谱、总声级、1/3oct谱和线谱辐射噪声分布进行分析，如图4～图7所示。

由图4～图7可知，在被测工况下，该目标的辐射噪声在1～5 kHz频率范围内连续谱能量主要对应于尾部位置，螺旋桨辐射噪声占据主导地位，而104 Hz线谱及中心频率为100 Hz的1/3oct谱的能量则主要分布在目标中部和尾部位置，线谱尤为如此，这表明该频率附近主、辅机等机械噪声源的作用更为突出。

图4 1～5 kHz连续谱的等声压分布曲线及三维图谱Fig.4 Spatial equivalent sound pressure distribution and threedimensional spectrum measured for sound pressure level of underwater radiated noise in the frequency range of 1～5kHz originated from tested target

图5 Fc=100 Hz－1/3oct谱的等声压分布曲线及三维图谱Fig.5 Spatial equivalent sound pressure distribution and threedimensional spectrum measured for sound pressure level of underwater radiated noise in the 1/3oct frequency Fc=100 Hz originated from tested target

图6 104 Hz线谱的等声压分布曲线及三维图谱Fig.6 Spatial equivalent sound pressure distribution and threedimensional spectrum measured for sound pressure level of underwater radiated noise in the linear spectrum frequency 104Hz originated from tested target

图7 总声级的等声压分布曲线及三维图谱Fig.7 Spatial equivalent sound pressure distribution and threedimensional spectrum measured for total sound pressure level of underwater radiated noise originated from tested target

3 结语

本文主要在单一平面水平等声压分布模型及分析方法的基础上，对一种小型水面船舶的辐射噪声空间分布特性开展了海上实测研究，并分析了该类目标在水下产生的辐射噪声的水平分布特性。对于该小目标而言，由分析结果可得到其辐射噪声具有如下特点:

1)在被测工况下，其辐射噪声水平相对较低，这与目标的性质有关;声辐射的能量主要集中于5kHz以下频段，而且线谱成分较为丰富;

2)从水平空间分布来讲，以尾部及其临近区域为最强，这与螺旋桨声辐射在中、高频段和机械声辐射在低频段分别处于支配地位密切相关。

［1］王之程，陈宗岐，于沨，等.舰船噪声测量与分析［M］.北京:国防工业出版社，2004:224－232.

［2］URICK R J.Principles of underwater sound［M］.Harbin:Harbin Engineering University Press，1985:263 －264.

［3］刘伯胜，雷家煜.水声学原理［M］.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社，1993:224－232.

［4］周飞，张明之.一种舰船辐射噪声场水平分布特性分析方法［J］.舰船科学技术，2009，31(1).

［5］罗雪峰，张明之.一种基于线阵的舰船辐射噪声空间分布特性分析方法［J］.舰船科学技术，2009，31(7).

［6］杨学猛，刘彦森，杜鹏.一型拖轮下方辐射噪声空间分布特性分析［J］.声学技术，2012，31(6):611 －614.YANG Xue-meng，LIU Yan-sen，DU Peng.Measurement and analysis on inferior space distribution of underwater radiated noise originated from a tugboat［J］.Technical Acoustics，2012，31(6):611 －614.

［7］杨学猛，刘彦森，杜鹏.船舶水下声辐射垂直指向性的分析与探讨［J］.噪声与振动控制，2012，32(5):72－75.YANG Xue-meng，LIU Yan-sen，DU Peng.Measurement and analysis on vertical directivity of underwater radiated noise originated from a tugboat［J］.Noise Vibration and Control，2012，31(6):611 －614.