海底反射对声全息测试精度的影响研究*

丰少伟 张 晶 杨云生

(海军工程大学科研部 武汉 430033)

海底反射对声全息测试精度的影响研究*

丰少伟 张 晶 杨云生

(海军工程大学科研部 武汉 430033)

针对声全息技术在实艇测试中存在的海底声反射问题，结合镜像法和半空间声全息理论，通过仿真计算，研究了某海区海底声反射对声全息测试结果的影响.结果表明，海底吸声量越大、测试精度和声源频率越高，则测试误差越大.

水声测试；半空间；海底反射；误差分析

0 引 言

声全息技术(NAH)最先是由Williams等[1-2]提出并应用到潜艇辐射噪声测试中的.由于造价相对低廉且有着较高的测试精度，澳大利亚防御科学和技术组织与美国海军水下技术中心联合开展了潜艇系泊状态下的近场声全息测试，测量结果与一个价值2亿5千万美元的测量系统相比，测量误差仅在2 dB以内，图1为当时试验时的情景.

图1 美国与澳大利亚联合研制的声全息测试系统

潜艇辐射噪声测试对于海洋环境的要求极高，因此测试工作的选址十分重要.文献[3-5]总结出试验场应选择在有较好且稳定的气象条件的遮蔽性海域，并且水域较宽阔，水深能够满足测试要求.美国现有3个主要的水声试验场，分别为大西洋水下测试及评估中心、东南阿拉斯加水声试验场、本德奥瑞湖无人潜艇水下试验场，这些试验场水文环境好、外界干扰少，十分适合于开展潜艇的辐射噪声测试工作.但是我国由于海洋自然环境受限，码头或港口附近的海水较浅，海底声反射对于测试精度必然会有影响；此外，我国在海洋环境下开展声全息测试工作的经验很少，鲜有研究工作可以参考，因此，为了推进声全息技术在潜艇辐射噪声测试中的应用，有必要在理论上分析研究海底声反射对于声全息测试精度的影响，从而提高潜艇辐射噪声的测试精度.

文中结合镜像法和半空间声全息理论[6-8]，在海水较浅、声源离海底较近的条件下，通过仿真计算研究了海底反射对声全息测试结果的影响，这对试验场地的选址及制定最优测试方案具有重要的工程意义.

1 半空间法声全息理论研究

平面近场声全息的适用范围为自由场空间，而在海水较浅且声源离海底较近时，声波会在海底的分界面上发生反射，也就是说声源的传播并非在自由场空间，而是在一个半空间条件下，系统接收的声源信号是直达声和镜面反射声的合成.在这样的测量环境下，就不能简单地运用近场声全息理论对声场进行分析.

1.1 镜像法计算半自由空间内声场分布

在自由场中，声势函数ψ在介质中满足如下波动方程

(1)

式中：k=ω/c.

若介质存在分界面，即半自由声场，且分界面为全反射，则在界面上其势函数满足以下边界条件

(2)

处理半空间声场问题常用的方法是镜像法，其原理见图2.

图2 镜像法原理示意图

S为位于介质分界面下方的实际声源，S′为所假设的位于介质分界面上方的虚拟声源，两者关于界面对称，P为介质下方空间任意测量点，其声场为实际声源和其对应虚拟声源所产生的声场的叠加.即用经过界面上的镜面反射所得到的虚源的场来补充原有声源的场，则合成场为

(3)

式中：Ri和Rr分别为实际声源S和虚声源S′到测量点P的距离.

1.2 半空间近场声全息解决海底反射问题

半空间中所测得声压由直射声压与反射声压两者叠加而成，但声压为标量，在全息重构预处理时难以直接分离出全息面上声源的直射声压，常规的声全息公式不能直接用来重构声源表面信息.在分析过程时，需考虑到半空间声场的特点.

根据镜像原理，在处理半空间中声全息问题时，界面特性划分为绝对软界面、绝对硬界面及阻抗界面4种，将测得的界面一侧数据根据界面特性扩展到界面对侧从而构成新的扩展全息面.扩展的全息面与原全息面关于介质分界面空间对称，然后对扩展面与原全息面整体进行变换，变换后获得的重构面亦关于介质分界面对称，将重构面中虚源对应的一侧去掉，仅保留实际声源对应的部分，即获得最终的重构结果.半空间全息变换过程见图3.

图3 半空间全息变换示意图

2 算例仿真

文中针对某具体试验海区条件开展相应的仿真验证工作，其中水深约10 m，被测结构物的声源位置最低约水下8 m，声源级最低约120 dB.

仿真中不考虑海水的吸声作用(只考虑海底吸声)，将海底近似为平面，声场空间近似为半自由场.仿真中使用脉动球声源S(声源半径：0.1 m；声源个数：3；声源在离海底1 m同一高度；声源间距：1 m；声源源级：120 dB)，全息面距声源面λ/3，海水密度为1 000 g/cm3，水中声速为1 500 m/s，测量面尺寸为6 m×6 m，网格尺寸为λ/10，重建面在距离声源λ/20处，12个仿真频率点分别为为2，40，60，100，150，200，250，300，400，500，700，1 000 Hz.

不同海底反射条件对声全息测试分析结果的幅度误差和相位误差见图4.图中B代表海底吸声量.海底的吸声量越大，测试分析结果的幅度和相位相对误差越小.因此，在该海区条件下开展声全息测试时要尽量选择吸声量较大的泥沙底(泥沙底的反射损失可达8 dB以上).此外，随着分析频率的提高，测试分析结果的幅度和相位相对误差也越来越大，因此，在实际分析中应该根据试验条件确定合理的分析频率上限.

图4 海底反射对重建声压幅度和相位的影响

图5为自由场和反射损失为8 dB条件下重建效果的对比图，由图5可见，反射损失为8 dB条件下，通过声场重建获得的相位分布几乎一致，幅值分布略有差异，但也可较好地重现声源信息，基本满足工程应用的要求.

图5 自由场和反射损失为8 dB海底反射条件下频率 为1 000 Hz的声源幅值和相位分布对比

综上所述，在设定的分析频率低于1 000 Hz时，在该海区选择泥沙底的位置进行声全息测试，可以获得较好的测试结果.

3 结 束 语

文中针对平面近场声全息技术在实艇测试中存在的海底声反射问题开展了相关的研究工作，结合镜像法和半空间声全息理论，通过仿真计算研究了某海区海底声反射对声全息测试结果的影响.结果表明，海底吸声量越大、测试精度和声源频率越高，则测试误差越大，对实艇声全息试验海区的选址及测试方案优化具有重要的工程意义.

[1]WILLIAMS E G, HOUSTON B H, BUCARO J A. Broadband near-field acoustical holography for vibrating cylinders[J]. J Acoust Soc Am，1989，85(2)：674-679．

[2]WILLIAMS E G, BRIAN H HOUSTON, PETER C HERDIC. Interior near-field acoustical holography in flight[J]. J Acoust Soc Am，2000，108(4)：1451-1463．

[3]刘兴章.美国潜艇水声试验现状及启示[J].舰船科学技术，2011，33(2)：140-143．

[4]王大海,刘兴章.美国大西洋水下测试评估中心测量设施分析[J].舰船科学技术，2011，33(10)：140-143．

[5]邱卫海,刘文帅,王秀波,等．国外舰船噪声测试技术[J].舰船科学技术，2011，33(4)：147-150．

[6]张若愚.半空间柱面声全息及可视化[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2009．

[7]刘丽华.半空间声全息法水下噪声源识别技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2008．

[8]陈心昭,毕传兴,李卫兵,等．基于分布源边界点法的新型近场声全息技术[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2005,28(9):961-966.

Effects of Seabed Reflection on Acoustic Holographic Test Accuracy

FENG Shaowei ZHANG Jing YANG Yunsheng

(OfficeofScientificResearch,NavalUniversityofEngineering,Wuhan430033,China)

The relevant research wok is carried out on the seabed sound reflection which has influence on the result of real-boat tests based on the acoustic holographic technology. The effect of seabed reflection on underwater acoustic test is analyzed through simulating the sound field of free field and semi-free field. The result shows that higher underwater sound absorbing, test accuracy and sound resource frequency would result in bigger test errors.

acoustic test; half-space; seabed reflection; error analysis

2016-11-16

*湖北省自然科学基金项目资助(2013CFB436)

O322

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.01.024

丰少伟(1975—)：男，硕士，高级工程师，主要研究领域为海军装备保障