艦船輻射噪聲模擬技術實現方法研究*

姜建平 劉鵬仲 張國龍

(91388部隊 湛江 524022)

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艦船輻射噪聲模擬技術實現方法研究*

姜建平 劉鵬仲 張國龍

(91388部隊 湛江 524022)

為得到逼真的艦船輻射噪聲的仿真數據,可通過對典型實測噪聲結果數據進行分析,根據特征線譜生成線譜所在頻段頻譜信號,將其它頻段置零,進而在時域重構線譜信號,再利用窗函數法設計出一個具有與其連續譜特性相一致的特定幅頻響應的FIR濾波器,在時域重構連續譜信號,從而實現艦船輻射噪聲信號重構。仿真結果表明,該方法能夠較真實地重構艦船輻射噪聲,其結果可作為半實物仿真試驗信號源。

特征線譜; FIR濾波器; 艦船; 噪聲重構

Class Number TB566

1 引言

艦船輻射噪聲重構技術是水中兵器仿真研究中的重要分支,其物理仿真實現對武器和聲納樣機的物理檢測及評估都具有實際工程價值,一直受到各國的關注。艦船在水中的輻射噪聲是對艦船目標進行探測、識別、定向和跟蹤等目的最常用的目標信息[1～2]。

文獻[3]提出了利用特定頻率響應FIR濾波器得到寬帶連續譜噪聲的方法,該方法能夠產生任意長度的給定功率譜形狀的噪聲信號,但該方法沒有包含線譜。文獻[4]提出通過把艦船輻射噪聲的連續譜與線譜分開重構再疊加以獲得完整的艦船輻射噪聲重構信號,該方法沒有考慮航速對輻射噪聲的影響,得到的仿真信號與現代艦船真實輻射噪聲存在較大差異,不能很好地將不同艦船類型進行目標分類。文獻[5]提出了基于實測噪聲信號的艦船輻射噪聲重構方法,但實測艦船輻射噪聲屬于絕密數據,不容易獲取,且實測數據不完整,不能涵蓋不同速度和不同艦船類型的輻射噪聲特性,更缺少外軍艦船輻射噪聲特性數據,生成的噪聲信號應用范圍有限。本文將高斯白噪聲信號通過滿足噪聲頻譜特性要求的特定頻率響應的FIR濾波器,即得到連續譜信號,再通過對典型實測噪聲結果數據進行分析,根據特征線譜生成線譜所在頻段頻譜信號,最后將艦船航速和艦船類別作為模型中的兩個因子,進而重構某航速某類別下完整的艦船輻射噪聲信號。

2 艦船輻射噪聲的建模與仿真

艦船輻射噪聲譜都是由寬帶連續譜和低頻離散線譜組成。寬帶連續譜,噪聲級是頻率的連續函數,如圖1(a)所示;另一種是具有非連續譜的單頻噪聲,這種噪聲由出現在離散頻率上的線譜組成,如圖1(b)所示。艦船輻射噪聲在很大的頻率范圍內由具有連續譜的寬帶噪聲和具有離散單頻線譜的單頻噪聲組成,且可以表示為疊加有線譜的連續譜,如圖1(c)所示[6]。

圖1 艦船輻射噪聲譜結構

2.1 線譜分量的建模及仿真

艦船輻射噪聲中的線譜與推進系統、螺旋槳及輔機有關,可分為兩類:一類與螺旋槳轉速有明顯的關系(式(1)的第一部分),這部分線譜由推進系統、旋轉機械和螺旋槳產生,其幅度與頻率隨艦船的速度而變化,具有諧波形式的頻率分量;另一類與螺旋槳的轉速沒有明顯的關系(式(1)的第二部分),主要由輔機產生,這部分線譜分量一般比較穩定,線譜位置主要憑經驗或實驗測量來決定。

假設線譜頻率為fi,相應的強度為αi(i=1,2,…,M),φ(t)為隨機相位,線譜信號由一系列的正弦信號疊加產生,則線譜的數學模型為

(1)

其中第i階諧波族的信號形式為

(2)

ni表示第i階諧波族包含的諧波分量數,αin和fi是由具體艦船而決定的參數,Φin是在[0,2π]上的均勻隨機初相。

各參數的設定可按如下方法進行:

1) 100Hz以下線譜是與葉片數及螺旋槳轉速直接有關的“葉片速率”譜。可設定線譜頻率fi=m·n·s,其中,m為諧波次數;n為螺旋槳葉片數;s為螺旋槳轉速。

2) 100Hz～1000Hz的線譜頻率一般與航速沒明顯關系,但因船型而異。可根據一般情況模擬設置k個頻率(本文設置3個)。

3) 將特征線譜以外其它頻段置零[7]。

圖2為用上述方法仿真的線譜頻域信號。

圖2 艦船輻射噪聲線譜信號

2.2 連續譜分量的建模及仿真

連續譜噪聲主要是由水動力噪聲、機械噪聲和螺旋槳噪聲組成的,特別是螺旋槳發生空化時,噪聲級增加,使得低頻線譜相對幅度減小,甚至被連續譜噪聲所掩蓋[8]。

基本思想:構造一個線性系統,該系統具有與期望的艦船輻射噪聲頻譜形狀相同的頻率響應H(k),輸入具有恒定功率譜的高斯白噪聲隨機序列g(m),使之通過該線性系統,即可得到與期望的艦船輻射噪聲頻譜形狀相同的有色噪聲序列N(k)。這里構造了一個FIR數字濾波器(較AR濾波器簡單快捷)來實現上述功能,該過程如圖3所示。

圖3 寬帶連續譜噪聲模擬框圖

則寬帶連續譜序列可以表示為

N(m)=g(m)?IFFT(H(k))

(3)

這里對艦船輻射噪聲連續譜的仿真采用三折線模型,即期望頻率響應函數為

(4)

式中,α1,α2為折線的斜率;fL,f1,f2,fH為折線的拐點頻率,SP,SP0為輻射噪聲譜級(dB,相對于1μPa)。

相應的輻射噪聲功率譜狀可以表示為

G(f)=10(SP/10)

(5)

功率譜中峰值頻率在100Hz～1000Hz之間均勻變化,峰值位置隨航速增加或航深減小而降低,圖4為仿真生成的艦船輻射噪聲連續譜信號。

圖4 艦船輻射噪聲連續譜信號

2.3 調制包絡的建模及仿真

當螺旋槳在不均勻尾流場中旋轉一周時,每片葉片輻射噪聲功率會以一個有一定幅值和形狀的隨機聲脈沖形式出現,聲脈沖的具體形態由葉片空化狀態、葉片類型及不均勻尾流場分布等因素決定。但在一段時間內,尾流場分布可認為是穩定的,因此,同一葉片在不同螺旋槳轉動周期內輻射的隨機聲脈沖具有相似性。而且,由于同一螺旋槳上各葉片的(如槳型及材料等)物理屬性理論上是一致的,因此其不同葉片輻射的聲脈沖也必然是相似的。但由于制造過程中的物理差異及長期工作引起的葉片腐蝕等因素使不同葉片的空化程度不同,因此不同葉片在同一周期中輻射的聲脈沖就會出現強弱之分[9～10]。

根據調制包絡的以上特點,將艦船輻射噪聲調制包絡視為具有隨機幅度、同一形狀和相同重復周期的脈沖型隨機序列來處理,將單個脈沖的形狀取為高斯型:

(6)

3 典型艦船類別輻射噪聲計算

3.1 艦船航速與艦船輻射噪聲聲源級關系

對于特定的艦船,在深度一定時,隨著航速的增加,艦船輻射噪聲有一個從機械噪聲為主向空化噪聲為主轉化的過程。如圖5所示,艦船在低速航行時,低頻段的機械噪聲占主要成分;當航速大于VP時,螺旋槳非空化噪聲起主要作用;當航速超過VC時,螺旋槳產生空化噪聲,輻射噪聲大幅上升。螺旋槳開始空化時的航速VC稱為艦船的臨界航速。

圖5 不同航速時艦船輻射噪聲構成

在一定的環境條件下,艦船輻射噪聲存在一個臨界航速,當航速小于該臨界航速時,聲源譜級較小,當高于此臨界航速時譜級增加較慢,而在此臨界航速內,聲源譜級迅速增大。

3.2 水面艦船輻射噪聲分析計算

Ross通過研究二次世界期間的艦船輻射噪聲的測量數據,證明了在水面艦船噪聲中,螺旋槳空化占優勢的其它特征,是寬帶頻譜有強烈的軸頻和葉片頻調制,以及在這些調制頻率的各次諧波上,存在低頻的單頻分量輻射。

對于艦船輻射噪聲總聲源級的計算,Ross根據第二次世界大戰期間大量水面艦船輻射噪聲的測量統計數據,對于30000t以下,航速為8kn～24kn的水面艦船,可使用經驗公式表示艦船100kn～10kHz頻帶內的總聲源級與航速和排水噸位的經驗公式為

(7)

(8)

式中SL為100Hz以上的總聲級,單位為dB;V為航速,單位為節;T為排水量,單位為噸;輻射噪聲參考聲壓為1μPa。

對于大于30000噸的現代大型水面艦船輻射噪聲聲源級,Ross做出如下的修正:

(9)

4 艦船輻射噪聲的生成

艦船輻射噪聲時域波形的數學模型為

S(t)=[1+a(t)][(L(t)+N(t))×f(v)×f(t)]

(10)

式(10)中,α(t)為調制函數,它主要由螺旋槳的軸頻、葉片頻及其倍頻等組成,它通過對輻射噪聲進行濾波、檢波、譜分析而得到,其幅度較小;L(t)為線譜分量對應的時域函數;N(t)為連續譜分量對應的時域函數;f(v)為相應航速比例因子函數;f(t)為對應艦船類別比例因子函數。當艦船大小為4500t,航速為18節時,根據模型得到的仿真信號時域、頻域圖如圖6、圖7所示。

圖6 艦船輻射噪聲時域信號

圖7 艦船輻射噪聲頻域信號

5 仿真結果分析

從圖7中可以看出,在低頻段(1000Hz以下),通過對典型實測噪聲結果數據進行分析,根據特征線譜生成線譜所在頻段頻譜信號,將其它頻段置零,該方法能夠比較好地反映出艦船輻射噪聲的線譜特征。利用窗函數法設計出一個具有與艦船輻射噪聲連續譜特性相一致的特定幅頻響應的FIR濾波器,獲得艦船輻射噪聲寬帶連續譜信號。仿真結果表明,該方法能夠很好地實現艦船輻射噪聲重構,重構信號的功率譜不僅能夠很好地擬合艦船輻射噪聲的連續譜,同時也能夠很好地表現出低頻線譜。

6 結語

艦船輻射噪聲模擬實現技術是水聲信號處理及水聲對抗領域比較重要的問題。由于艦船輻射噪聲需考慮的問題眾多,諸如多途時延特性、概率分布特性和混沌特性等,對其特征模型難以給出精確的描述。本文在對實測艦船輻射噪聲結果數據的分析基礎上,利用設計特定頻率響應FIR濾波器的方法,考慮艦船航速與類別對輻射噪聲的影響,實現了艦船連續譜與線譜的同時重構,重構信號能夠更加逼真地反應艦船輻射噪聲頻譜特性,能夠為以艦船聲場作為目標識別手段的探測裝置的研制、試驗和驗證提供新的更加逼真和可靠的仿真信號源。

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Simulative Technology Method of Warship Radiated Noise

JIANG Jianping LIU Pengzhong ZHANG Guolong

(No. 91388 Troops of PLA, Zhanjiang 524022)

In order to achieve the lifelike simulation signal of warship radiated noise, analyzing in result data of typical measured noise, the spectrum signal of the frequency bands which contain line spectrum was obtained via feature lin spectrum while other bands were set to zero, then the line spectrum signals was reconstructed in time domain. The FIR filter which special frequency response to match the continuous spectrum feature of the noise was designed using window function method, then the continuous spectrum signals was reconstructed in time domain. The reconstruction of warship radiated noise was gained. The simulation result showed that the method could reconstruct warship radiated noise factually. The result can be used in simulation of the hardware-in-the-loop as a signal source.

feature line spectrum, FIR filter, warship, reconstruction of noise

2014年10月6日,

2014年11月20日

姜建平,男,碩士研究生,工程師,研究方向:水聲信號處理。劉鵬仲,男,碩士研究生,工程師,研究方向:水聲信號處理。張國龍,男,工程師,研究方向:水聲信號處理。

TB566

10.3969/j.issn1672-9730.2015.04.023