基于NAH的水下航行体噪声源定位仿真研究

高 峰，姬 庆，肖大为



基于NAH的水下航行体噪声源定位仿真研究

高 峰1，姬 庆2，肖大为2

（1. 91439部队 辽宁大连 116041；2.海军工程大学兵器工程系，武汉430033）

准确地对鱼、水雷等水下航行体式武器装备进行噪声源定位是减振降噪的前提。本文利用近场声全息技术对水下双声源和多声源目标进行仿真研究，对比研究目标声源的理论声压与重构声压的分布，准确对声源中心位置进行定位。取得了很好的重建效果，可见将近场声全息技术应用于水下噪声源定位是可行的，可为降低水下航行体式装备噪声特性提供技术支撑。

水下航行体 近场声全息 声源定位 辐射噪声

0 引言

在上世纪的80年代，近场声全息技术(NAH，Near-field Acoustical Holography)的成功提出对于噪声源的检测与定位研究有着划时代的意义。NAH技术是对声源附近的一个平面进行声压分布的采集，然后依据重构算法实现对声源的整个辐射声场进行重构[3]。可见，NAH技术对噪声源的定位、声场可视化、声源特性研究等都有其独特优势。将近场声全息技术应用于水下航行的噪声源检测与定位是十分必要的，有着积极的意义[4]。而且NAH技术，全息面声压获取采用近场扫描测试，可以实现在相对小空间的生产现场、停泊泊位、维修泊位进行检测、分析并实现水下航行体主要噪声源的定位。本文利用近场声全息技术通过仿真重构靠近声源附近的平面声压分布，通过找出声压主峰位置从而判断声源中心位置。

1 水下航行体噪声源分析

水下航行体的噪声源的组成较为复杂，往往存在多个声源同时振动，且产生机理也不尽相同。不过水下航行体辐射噪声按产生原因可分为三类：流体动力噪声、推进噪声、机械噪声，在不同的航行状态下，不同频段的噪声源在整个辐射声场中贡献比不是恒定的[5]。

1）在浅水航行时，水下航行体的推进噪声为水下辐射声场的主要来源。这部分噪声主要是由航行体的螺旋桨周期转动而产生，其噪声谱主要成分为高频噪声。

2）航行体内机械部件的往复运动、不规则运动及管道中的气、液的流动产生了机械噪声。而且随着航行体的不断下潜，机械噪声强度将高于其它声源，成为主要辐射源。机械噪声的频谱结构主要为由强线谱和弱连续谱的叠加组成，主要成分为低频信号。

3）航行体的流体动力噪声是水流动力与壳体间相互作用的结果。一般情况下，水动力噪声与航行速度有密切关系，且其声级强度不高于机械噪声与推进噪声。但有时，航行体内部会产生高强度线谱噪声成分，此时流体动力噪声就成了水下声场的主要声源。

从以上分析可见，但水下航行体的主要噪声部位是螺旋桨、壳体、主机和螺旋桨逆转齿轮转动装置。目前对水下航行体的探测多依赖于对其水下的辐射声场进行测量。一般考察水下航行体的噪声谱特性主要数字参量有：能量分布频带、噪声总能级大小、线谱数量和线谱频率特征。这些数据都是极为保密的技术指标[6-7]。鱼雷的噪声频谱带宽都比较宽，范围常在40Hz-40 kHz，不过暴露鱼雷位置的声场信息一般以低频为主，一般认为可作为主要探测目标的频率不超过2KHz。

2 近场声全息定位原理

在狄里克利（Dirichlet）边界条件下，对于在z>0的空间自由声场，已知声源（）附近的某一平面上声压分布，称为全息面（）声压，图1为声场中声压面的位置示意图[8]。利用式（1）可以计算预测面（）区域的声压分布为：

对于某一固定的角频率ω，k=ω/c=2π/λ，是一固定值。而定义域为。所以与的关系为

结合式（1）、（2）、（3），在Dirichlet条件下的近场声全息声场正向重建公式为：

对式（3）两边同时做二维Fourier逆变换，可以将波数域中的声压转换到空域中，即所求的声场声压分布：

则式（1）的重建公式变形如下：

以上是在Dirichlet边界条件下，利用全息面的声压分布进行正向、逆向的声场重建，其算法原理可以总结为如图2所示。

可见，利用NAH进行逆向重构，可以求得声源面的附近一侧平面的声压分布，从而判断声场中声源中心的位置，完成对水下航行体主要噪声源的定位。

3 仿真结果及分析

实际上，由于水下航行体的结构较为复杂，内部有电机，螺旋桨，传动齿轮等等部件，这些部件都是潜在的噪声源。如何从多个声源之中成功分别不同强度的声源位置也是现实中所必须的面对的问题。所以文中重点利用近场声全息技术对两个及两个以上的声源目标进行逆向定位进行研究，以验证近场声全息基于应用于水下声源定位的可行性。

3.1 双声源重构定位

由图4中可知，左侧图为双声源声场理论声压的三维分布图，右侧图为利用近场声全息技术逆向重构的声压幅值分布。通过比较两图可知，利用全息平面的声压分布和逆向传递函数可以确定声场中声压主峰的位置，从而确定主要声源中心位置。

图5为重构声压的分布云图，从图中，可以清晰发现重构的两声源的主峰位置误差不超过5cm，可以说声源定位精度非常高。而且经过全息重构后，声源Q1的主峰声压值较Q2的也是成比例对称。表明近场声全息技术应用于水下双声源定位研究是可行的。

3.2 多声源重构定位

水下航行体作为一个复杂的体声源，其辐射噪声源个数往往超过两个，多声源的定位分析此时更显得更要。现假设水下空间有九个非等幅的点目标声源，两两声源之间间隔2m，均匀分布在空间中，声源分布如在图6所示。其中，声源强度，，其它声源的源强度都为，现利用近场声全息技术对声场中的非等幅多声源进行声源逆向仿真定位研究。

图7、图8是对空间中存在的非等幅声源进行逆向重建，得到声源面的重建结果。由对等幅的多声源的逆向重构结果可以看出，对声源面进行逆向重构时，根据主峰的位置，可明确判定声源的空间位置，从而完成对噪声源的定位，位置误差较小几乎可以忽略不计。而且Q1、Q2的声源强度与其它声源强度相比较，幅值与预设的基本对应，只是由于滤波作用致使逆向重构结构相比较与理论值偏小。可见利用近场声全息技术对水下声场的目标声源进行定位研究是可行的。

小结

本文利用近场技术通过对水下双声源和多声源进行逆向定位研究，辨别声场中主峰位置的分布从而完成了对水下声源目标的准确定位。结果与预测设参数一致，重建精度较高，也论证了近场声全息技术应用于水下航行体的噪声源定位的可行性。

[1] 钱在棣.鱼雷噪声控制技术综述[C].第十一届船舶水下噪声学术讨论会议文集，2007.

[2] 段桂林，何希盈.无人水下航行器[M]. 北京：海潮出版社，2013.

[3] Williams E G，Maynard J D，Skudrzyk E. Sound source reconstructions using a microphone [J]. Journal of the Acoustical Society of America，1980，68(1)：339-346.

[4] 姬庆. 基于NAH的水下航行体噪声源检测与定位[D]. 海军工程大学，2014.

[5] 林春生，龚沈光. 舰船物理场（第2版）[M]. 北京：兵器工业出版社，2007:77-110.

[6] 陈小剑.舰船噪声控制技术[M]. 上海：上海交通大学出版社，2013:113-192.

[7] 辜长庆. 鱼雷辐射噪声控制[J].舰船科学技术，1992,（3）:22-26.

[8] 陈心昭，毕传兴. 近场声全息技术及其应用[M].北京：科学出版社, 2013,6:10-39.

NAH-based Simulation Research on Location of Underwater Vehicles’ Noise Source

Gao Feng1, Ji Qing2, Xiao Dawei2

(1. Unit 91439 of the PLA ,Dalian 116041, Liaoning, China;2. Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033，China)

Accurately location of underwater vehicles’ noise source, such as torpedo and mine is the precondition of vibration and noise reduction. In this paper, through simulation research on the underwater double sound source and multiple source target based on Near-field Acoustic Holography, and then comparative study on distribution of theory sound pressure and reconstruction sound pressure of target sound source, can find the center position of sound source. From the result, it can be found that good results of reconstruction are achieved, and near-field acoustic holography technique is feasible to be applied to localization of underwater vehicles’ noise source, which can provide technical support for reducing the noise characteristics of underwater vehicles equipment.

underwater vehicles; near-field acoustical holography; location of sound source; radiation noise

U666

A

1003-4862（2016）03-0041-04

2016-01-15

高峰（1970-），男，工程师。研究方向：噪声理论。