水下模拟声源发射信号均衡控制方法的设计与实现

李 利

(大连测控技术研究所，辽宁 大连 116013)

0 引 言

水下目标噪声模拟声源是模拟水中宽带噪声的声源发射装置，可以自由组合，装载发射任意20～50 kHz的宽带噪声数据，也可以发射20～100 kHz的单频脉信号（上限频率可以更高）。通过载入实测声源数据、对声源数据进行均衡处理、控制声源数据的播放增益等方法实现模拟目标主要机械设备噪声、桨轴激励噪声、螺旋桨噪声，通过多个声源载体相连的方式，进而模拟各噪声的变化规律和分布式特点。

目标噪声模拟声源可以模拟水下目标的声学特性，在潜艇训练、声学伪装、声呐对抗等方面都有极大的发展空间。目标噪声模拟声源由模拟声源控制系统、模拟声源辅助测量系统、发射系统、声源载体等4个部分组成。控制系统是整个目标噪声模拟声源系统的核心。通过网络连接，控制计算机对系统的各个部分执行包括数据下载、命令发送和状态取等相应的操作，并对系统各个部分的工作参数进行合理配置。发射信号均衡控制方法是控制系统的核心部分。

1 信号的均衡控制

声源控制系统可实现读入声源数据、生成标准测试声源信号数据、声源数据的1/3倍频程均衡控制、声源数据低中高3个频段的数据滤波处理等功能。其中信号均衡控制是控制系统处于关键地位。模拟声源控制系统框图如图1所示。

当模拟声信号发生器接到均衡控制指令后，分别对输出的低频/中频/高频模拟声信号执行1/3倍频程均衡控制。模拟声源发射信号频率为1/3倍频程均衡控制流程图如图2所示。

当模拟声源发射水下声信号s（t）时，接收端接收到的信号为由模拟声源发射信号与背景噪声相叠加的 信 号 f（ t） ， 则 f（ t） 可 表 示 为 f（t） =s（ t） +n（t），对接收信号进行傅里叶变换计算得到接收信号的频谱

根据n倍频程的定义：频带中心频率

频带宽度为：对1/3倍频程滤波器（n=1/3）它们的相对带宽为恒定百分数。根据上述关系，设计倍频程滤波器和1/3oct滤波器，用于声学测量与分析。在舰船水噪声测量时，常采用1/3oct滤波器，其中心频率按国际标准化组织ISO的推荐，选定为：（1.0，1.25，1.6，2.0，2.5，3.15，4.0，5.0，6.3，8.0）×10mHz，其中m=0，1，2…。信号处理涉及的滤波器的中心频率、下限频率、上限频率、频带宽度等典型数值如表1所示。

表 1 1/3oct滤波器主要数值表Tab. 1 The main numerical value of 1/3oct filter

对于一个能量连续分布的随机噪声信号，进行1/3倍频程谱分析，就可以得出各个1/3倍频程的频带声压级。当已知各1/3倍频程的频带声压级时，可求得宽带声压级，也称总声级，其频率范围（频段）应当指定。由1/3倍频程的频带声压级计算指定的频率范围内的宽带声压级的公式为：

式中：为1/3oct滤波器的序号；为指定的频率范围内包含1/3oct滤波器的个数；为第i号1/3oct滤波器的中心频率；为第号1/3oct滤波器频带内的频带声压级。

该式的物理意义是宽频带的声能量等于所覆盖的各频带声能量的和。

在实艇与实船测量时，1/3倍频程谱是检测的标准之一。工作时，模拟声源发射预先设定的信号，并按实艇实船检测要求对信号做1/3倍频程频谱检测。若发射信号未达到设定的信号，则对各个1/3倍频程频段进行放大或缩小调节处理，转换为时域信号发射，若信号频率仍有偏差，则可进行多次反复调节，直至频谱满足要求为止。对同一段原始信号，调用包含不同频率特征的调节系数，就可以模拟不同的信号特征。

调节信号谱级再转化为时域信号进行发射更加直观有效，均衡调节后将信号进行反傅里叶变换，再经过模拟声源发射。所以，对于模拟声源发射信号进行均衡控制时，需要将信号经过时域到频域，均衡后再时域发射的变换过程。

2 软件实现

为了更方便地对模拟声源发射信号进行均衡控制，编制了相应的均衡控制软件，软件界面交互良好，可操作性强。其中，模拟声源发射信号1/3倍频程均衡调节处理共包含35个处理频段，所选倍频程均为实艇实船噪声测量频段。软件采用滑块方式调节频谱，增益单位为dB，拖动各频率的滑块即可灵活的改变频点的增益值，频点增益值的调节范围为–24 dB与12 dB之间，滑块下方的文本框内同时显示调节值，也可以直接在文本框内输入要改变的增益值，非常灵活。信号均衡软件界面如图3所示。

对多个信号频点进行调节，点击“确定”按钮，即可生成当前谱频特征的声源信号。点击“取消”按钮，取消信号频点增益操作。为了更简单便利地调节信号频谱，软件另外设置了载入均衡调节系数表的功能，可以随时保存各频段的调节系数，载入历史系数，以便于更灵活的调节信号状态。

水下目标噪声模拟声源经过了大量的岸边试验与海上实航试验，试验结果表明，采用1/3倍频程均衡控制方法，可以灵活地对发射信号实行控制，准确地模拟水下目标各噪声的变化规律与分布式特点。

3 结 语

本文设计并实现了基于1/3倍频程的水下模拟声源发射信号均衡控制方法，通过友好的软件界面，可以方便灵活地对信号进行均衡控制，更真实的模拟水下目标信号。

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