空間分布對噪聲線譜穩定性影響的仿真研究

楊學猛 劉彥森 杜 鵬

水下測控技術重點實驗室，大連 116013

空間分布對噪聲線譜穩定性影響的仿真研究

楊學猛 劉彥森 杜 鵬

水下測控技術重點實驗室，大連 116013

本文基于水下噪聲測試的常規原理，建立了以偶極子聲源、無界海洋聲環境（即自由場）和理想接收濕端等為主要條件及假設的影響評估模型，對空間分布特性及接收距離對線譜穩定性影響進行了仿真分析，指出了空間分布對噪聲線譜幅度穩定性影響的重要性，研究成果對于指導實際噪聲測試及數據處理分析等工作具有重要意義。

線譜；穩定性；空間分布

Line-Spectrum; Stability; Space Distribution

引言

在艦艇噪聲測試中，常采用靜態測試和航行測試等手段。在其他條件（如目標聲源、背景環境、輻射聲場、測試系統及條件、接收距離等）均一定的條件下，如果被測聲源輻射聲場存在明顯的空間分布特性，則不同方位的輻射噪聲譜幅度會出現波動，即存在幅度穩定性，當然對于線譜而言也不例外。鑒于此，筆者結合水下噪聲測試實際，通過理論建模及仿真分析來重點探討和研究聲場的空間分布對噪聲線譜幅度穩定性的影響及其基本規律，為基于艦船輻射噪聲線譜的目標檢測、特征提取和分類識別等提供物理依據和技術支撐。

1.空間分布影響評估模型

出于簡化且不失一般性考慮，本文在偶極子聲源、無界海洋環境和理想接收濕端等基本框架下，建立空間分布對噪聲線譜幅度穩定性影響的評估模型，探討其基本影響規律。

具體模型及主要假設如圖1所示：目標聲源為偶極子聲輻射源，且其與接收平臺相對靜止，該類聲輻射源是在實際中最為常見且簡單的指向性聲源；目標聲源置于無邊界海洋環境中（即自由場環境），介質均勻，但可考慮介質吸收和體積散射的衰減影響；接收濕端由若干個性能一致的理想接收單元構成，且不存在空間接收指向性，接收距離的選取滿足遠場測試條件。

圖1 空間分布影響評估模型示意圖

由式（5）可知，偶極子聲源的輻射聲場空間分布呈余弦或正弦指向性。

圖2為偶極子聲源輻射聲場在xOy平面內的二維空間分布，由圖可知，偶極子聲源的輻射聲壓在聲軸方向最大，在與聲軸垂直的方向最小，而其余指向性較為平滑，這種余弦或正弦空間指向性是偶極子聲輻射源的最重要的特征。

圖2 偶極子聲源輻射聲場的二維空間分布

2.空間分布影響仿真分析

在上述模型條件及參數計算方法等的基礎上，主要是討論在接收距離一定的條件下，不同接收方位角度的變化對噪聲線譜幅度（即聲級）的影響，及接收距離和接收方位角度同時變化對噪聲線譜幅度的影響，并得出基本影響規律。為此，提出了具有針對性的角度—線譜聲壓級的量化關系，主要用于評估線譜聲壓級相對于方位角度和距離的變化趨勢。

2.1 仿真算例（一）：接收方位角度變化影響

圖4為接收距離相等時，單極子聲源和偶極子聲源不同方位角度輻射噪聲的相對幅度分布典型結果。由此可知，對于無指向性單極子聲源而言，同頻率下的輻射噪聲在各方位角度的幅度相等；而由于偶極子聲源的輻射聲場具有偶極子空間分布形式，在上述分析條件下，其同頻率下的輻射噪聲在各方位角度的幅度不相等（即并不穩定），在聲軸方向（即方位角度為0°和180°）最大，而在方位角度90°和270°方向則最小。這表明：對于指向性目標聲源而言，在聲源輻射條件及接收距離等均一定時，在不同方位角度上測得的其噪聲譜幅度并非如無指向性聲源的都相同和可以任意選取測試方位，而實際上在不同方位角度上測得的譜幅度是可能存在差異的，必須予以注意，這就要求我們在實際噪聲測試中需要根據目標聲源性質及其輻射聲場的在不同空間方位角度上的可能分布形式等，研究并建立一套合理全面的測試及分析方法，以保證測試結果的可靠性和準確性。

圖3 接收距離相等時目標聲源與接收平臺相對空間位置示意圖

圖4 接收距離相等且目標聲源與場點共面時不同方位噪聲幅度的相對分布

2.2 仿真算例（二）：接收角度與距離共同影響

根據航行狀態噪聲測試基本原理，針對空間分布及接收距離對噪聲線譜幅度共同影響的仿真條件如下：噪聲頻率f：0.01kHz和10kHz；偶極子聲源的兩單極子聲源間距d：0.25m；接收場點共線，接收距離范圍rSR：0.05～10km。目標聲源（或等效聲中心）不在接收點連線上，類比于艦艇航行狀態下正橫通過接收點，在此條件下比較和討論空間分布及接收距離對目標聲源輻射噪聲線譜幅度的共同影響及其基本規律。

圖5 接收場點共線、但與偶極子目標聲源等效聲中心非共線時目標聲源與接收平臺相對空間位置示意圖

圖6 接收場點共線、但與單極子目標聲源非共線時其與接收平臺相對空間位置示意圖

圖7為接收場點共線、但與偶極子目標聲源等效聲中心非共線的條件下，聲軸與接收場點所在直線呈不同角度時，不同方位角度的接收距離及輻射噪聲的相對幅度比較的典型結果，圖8則為接收場點共線、但與單極子目標聲源非共線時不同方位角度的接收距離及輻射噪聲的相對幅度的典型結果。由圖4可知，對于偶極子目標聲源而言，當接收場點所在直線與其聲軸呈不同角度時，在不同的方位角度，同時相應的接收距離也不相同，其輻射噪聲（即通過特性）的相對幅度差異較大，只要接收場點所在直線與聲軸非垂直（即φ≠90°），就均存在兩個極值點，尤其是在φ=0°時其通過特性則呈左右對稱分布，這些在與同種條件下單極子聲源的通過特性完全不同（如圖5所示），只有在接收場點所在直線與聲軸垂直（即φ＝90°）時，偶極子聲源輻射噪聲的通過特性才與單極子聲源的基本相似，以上兩者的異同點主要是由偶極子聲源的空間分布特性和接收距離共同引起的，這也同時說明目標聲源的空間分布特性對噪聲線譜幅度穩定性的影響，不可忽視。

圖7 接收場點共線、但與偶極子目標聲源等效聲中心非共線時不同方位角度的接收距離及輻射噪聲的相對幅度

圖8 接收場點共線、但與單極子目標聲源非共線時不同方位角度的接收距離及輻射噪聲的相對幅度

3.結論

本文以空間分布對輻射噪聲線譜幅度穩定性影響為主要研究對象，開展了相關的理論建模及仿真研究，建立了以偶極子聲源、無界海洋聲環境（即自由場）和理想接收濕端等為主要條件及假設的影響評估模型；并以水下噪聲測試的常規原理為依據，開展了空間分布特性及接收距離對線譜幅度穩定性影響的典型算例仿真研究，指出了空間分布對噪聲線譜幅度穩定性影響的重要性。這些對于指導實際噪聲測試及數據處理分析等工作具有重要意義，也為基于艦船輻射噪聲線譜的目標檢測、特征提取和分類識別等提供了物理依據和技術支撐。

[1]杜功煥，朱哲民，龔秀芬 著.聲學基礎（第二版）.南京：南京大學出版社，2001.3：308～312

[2][美]D.羅斯 著.《水下噪聲原理》翻譯組 譯.關定華 校.水下噪聲原理.北京：海洋出版社，1983.1：83～84

[3][美]R.J.尤立克 著.洪 申 譯.水聲原理（第三版）.哈爾濱：哈爾濱船舶工程學院出版社，1990.2：79～161

[4]王之程，陳宗岐，于沨，劉文帥 編著.艦船噪聲測量與分析.北京：國防工業出版社，2004.1：122～187

Simulated Research on Stability of Line-Spectrum affect by Space Distribution

Yang Xue-meng, Llu Yan-sen, Du Peng Science and Technology on Underwater Test and Control Laboratory, Dalian, 116013 ,China

Based on the general principles of underwater noise measurement, assessment model base on a dipole source,free field and the ideal receiver was build in this paper.Simulated research on stability of Line-Spectrum affect by space distribution and receive distance were Analyzed.These researched results are very important to the underwater noise measurement and data processing.

O427.5

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.24.017