基于淺海聲信道特征測量的艦船水下輻射噪聲源級獲取方法

劉玉財 陳 毅 易文勝

(杭州應用聲學研究所，浙江杭州 310023)

收稿日期：

2020-09-01，

修回日期：

2021-01-25

基金項目：

國家重點研發計劃項目(2016YFF0200900)資助。

作者簡介：

劉玉財(1994.11-)，男，助理工程師，碩士，主要研究方向：水聲計量與測試技術。

1 引 言

艦船是各國海軍戰略威懾力量的重要組成。艦船水下輻射噪聲對艦船的戰場生存和武器裝備性能都有著重大影響，是評價艦船作戰能力及隱蔽性的重要指標。開展水下輻射噪聲測試，將為艦船水下噪聲控制提供數據支撐，促進艦船聲隱身性的發展，保障作戰使命的順利完成。提高艦船噪聲測量水平是有效降低艦船噪聲的根本要求，也是艦船裝備發展的必然需求，受到各國海軍的高度重視。

在實際海洋中開展艦船水下輻射噪聲測試是一個較為復雜的聲學問題，將面臨著高背景噪聲、混響、海況、采集處理方法、航速等諸多因素的制約，給噪聲測量帶來極大的不確定性。如何科學、準確的測量或評定艦船的水下輻射噪聲量值受到了重點關注，為解決上述問題，各國學者和研究人員都開展了大量工作，在國內外也建有一批各具特色的船舶水下輻射噪聲試驗場。試驗場主要包括美國SEAFAC、AUTEC試驗場，挪威Heggernes深水試驗場、俄羅斯遠東試驗場和意大利WAAS水聲試驗場等。并且發布有相關噪聲測量通用技術標準和規范。如：ISO17208—1、Rules for Classification for Ships Part 6 Chapter 24、和NR614等。我國周邊海域大部分為淺水域，因此開展淺水域水下輻射噪聲測量與分析研究極為重要。目前，國內有關水下輻射噪聲測量的標準文件只有兩種，分別為GJB 4057—2000和GJB 2168—94，隨著科技和工藝的進步，艦船水下輻射噪聲呈現逐年下降趨勢，標準給出的傳統測量方法已無法滿足新型艦船水下輻射噪聲準確測量的要求。為此，已發展出采用多水聽器陣列和矢量水聽器等多種測量方式以及多樣化的噪聲測量分析方法。

多水聽器陣列測量仍然是當前以及未來一段時期的主流測試方式，對于聲陣列測量數據最主要的處理方式有，矢量疊加、矢量傳遞函數和能量疊加。矢量疊加體現為波束形成、矢量傳遞函數用于源分布特性反演，能量疊加體現為空間平均，即通過多陣元輸出信號的能量疊加再平均，以此來抑制單個陣元輸出結果誤差大的方法。

以準確測量艦船水下輻射噪聲量級為目的，結合我國淺海測試環境的特點，本文探討以能量平均聲壓級曲線來表征淺水域水下聲傳播特征，基于該曲線特征提出一種測量淺水域艦船輻射聲源級、傳播損失的工程簡化方法，可以降低因聲場起伏而帶來的測量誤差，提高噪聲測量的準確性，通過仿真和湖上驗證試驗，初步驗證了該方法的可行性和準確性。

2 測試量與水聲模型

2.1 測試基本量

2.1.1

聲壓譜級

聲壓信號通過帶寬1Hz的理想濾波器得到的聲壓級，由式(1)計算

L

(

f

)=10lg[

p

(

f

)

/Δf

]=

L

(

f

)-10lg(

Δf

)

(1)

式中：

p

(

f

)——通過第

i

號濾波器的有效聲壓，單位μpa；

Δf

——第

i

號濾波器的有效帶寬，單位Hz；

f

——第

i

號濾波器的中心頻率，單位Hz。

2.1.2

聲壓譜源級

L

(

f

)=

L

(

f

)+

ΔTL

(2)

式中：

L

(

f

)——聲壓譜級，單位dB；

ΔTL

——聲傳播損失，單位dB；

f

——第

i

號濾波器的中心頻率，單位Hz。

2.1.3

頻帶聲源級

(3)

式中：

L

(

f

)——第

i

號濾波器頻帶內的頻帶聲壓級，單位dB；

ΔTL

——聲傳播損失，單位dB；

L

——頻帶聲壓級，單位dB。

2.1.4

能量平均聲壓級

(4)

式中：

p

——第

j

號水聽器接收聲壓在頻率

f

處的有效值，單位μPa；

N

——水聽器數量。

2.2 水聲計算模型

由于不同水域地質地貌差異較大，難以獲取準確的水域參數，在此對環境結構做部分理想化處理，建立淺水域測試模型如圖1所示，仿真選取的部分環境聲學參數見表1，水底反射滿足瑞利反射條件。依據射線法和聲波疊加原理，即可推導相應的聲場聲壓計算模型。

圖1 淺水域模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of shallow water model

表1 水聲環境參數Tab.1 Hydroacoustic environment parameters of the model水深H(m)海水密度ρ0(kg/m3)水中聲速c0(m/s)聲源深度h(m)沉積介質密度ρ1(kg/m3)沉積介質聲速c1(m/s)60103015291520341836

3 數值仿真分析

由于淺海環境的復雜性，目標水下輻射聲場必然呈現出一種時空變化特性，本文設計采用覆蓋垂向深度的多水聽器或陣列，實現對深度方向的空間聲場進行多點采樣，中心水聽器位于水域中間，并采用空間能量平均方法處理測試信號，分析淺水域環境下的聲傳播特性。

本文設計了單頻連續和寬帶噪聲兩種信號用于模擬目標水下輻射聲信號，設計信號及頻譜如圖2

圖2 仿真信號圖Fig.2 Simulation signal

所示。陣列中心水聽器與采用空間平均方式處理陣元數據獲得的1kHz對應輻射聲傳播曲線如圖3所示，相同水平距離下，兩種不同測量方式對應聲傳播損失隨頻率的變化情況如圖4所示。

圖3 單水聽器與陣列測試對應傳播曲線圖Fig.3 Propagation curve of single hydrophone and sensors array

圖4 不同測試方式對應傳播損失變化圖Fig.4 Different test methods correspond to changes in propagation loss

分析圖3中的曲線，可以看到，由于水面及水底反射作用，單水聽器測量聲傳播曲線呈劇烈的起伏波動，對比之下，采用空間平均方法能夠很好的抑制這種起伏，獲得的傳播曲線也更加平滑。此外，圖4中的曲線為在200m水平距離下的測試結果，可知由于不同頻率對應聲場分布不同，導致相同位置處的聲場出現較大差異，而空間平均的對象是垂向聲場的總能量，在大于信道截止頻率測量條件下，可以很好的弱化因頻率差異帶來的影響，如頻帶內聲場測試起伏由約47.4dB降低為4.5dB。

由于空間能量平均方法能夠很好的抑制界面反射導致的聲場起伏，采用該方法處理寬帶噪聲對應聲場測量數據，得到不同頻率成分隨距離對應的聲傳播損失點集，如圖5所示。可以看到，隨著頻率的變化，不同距離對應傳播損失的差異很小，并且隨距離變化表現出相同的趨勢和規律。

圖5 寬頻帶聲傳播損失及擬合曲線圖Fig.5 Wideband sound propagation loss and fitted curve

為此，利用聲能量傳播曲線所表現出來的這一特性，提出一種測量淺水域目標聲源級/傳播損失的工程簡化方法，可以減小因聲場起伏而帶來的測量誤差，該方法基于垂向多基元空間能量平均來實現，通過對聲信道傳播特征的測量，可擬合獲取對應聲傳播損失修正因子。根據圖3和圖5中的數據特征及與參數的關系，提出一個擬合經驗計算公式如式(5)，該公式在柱面波傳播模型上添加了聲場修正因子。其中

C

，

C

和

C

分別為聲場系數，與特定水域空間尺寸及環境參數相關聯。

L

=

L

+10lg(

R

)+

C

·

R

+

C

·

R

+

C

(5)

利用式(5)對寬度噪聲數據進行擬合得到各聲場系數，頻帶內擬合結果見表2，擬合公式曲線與不同頻率對應傳播曲線差異的統計結果見表3。

表2 公式擬合結果Tab.2 Formula fitting result頻率f/kHz聲場系數C1C2C3均方根誤差RMS/dB0.01～100.02-10E-513.610.382

表3 擬合曲線對應不同頻率擬合均方根誤差Tab.3 Root mean square error of fitting curve at different frequency頻率f/kHz均方根誤差RMS(ΔTL)/dB頻率f/kHz均方根誤差RMS(ΔTL) /dB0.051.541.00.490.080.711.250.500.1250.582.00.520.200.613.150.500.3150.525.00.580.50.448.00.590.80.4410.00.68

分析表2和表3中的統計結果，可知，在頻率較低時，擬合偏差略高于1dB，而隨著頻率的增大，偏差將逐漸降低，并穩定在1dB以內，整體匹配精度較高，從理論上驗證了所提方法及公式的準確性。

4 可行性驗證試驗分析

2019年11月，在某湖上水聲試驗中心開展了方法可行性驗證試驗，采用船載移動測量方式，為簡化測試流程，選用低頻水聲換能器作為模擬聲源，聲源入水5m和11m，測試頻帶(0.4～2.0)kHz，采用16元等間距線陣垂向布置進行聲場測試，覆蓋水下(4～19)m范圍深度，試驗測試示意圖如圖6所示。水域環境符合測試要求，測試區域水溫及聲速剖面起伏較小，由于周邊行船及機械振動的影響，導致近水面環境噪聲相對較高，這對最低頻率的測試有部分影響，試驗水域平均水深約為45.6m，底部為泥沙介質，并且較為平坦，部分水域參數如圖7所示；采用能量平均方式處理聲陣采集信號，得到能量平均聲壓級，試驗開始前，對換能器發射聲源級進行了預先標定，結果見表4，為便于對比分析測試情況，在此將測試聲壓與事先標定的換能器聲源級做差，只分析聲傳播損失隨距離的變化，得到各頻率對應離散點分布如圖8所示。

圖6 試驗測試示意圖Fig.6 Schematic diagram of lake test

表4 標定聲源級值Tab.4 The real value of source level頻率f/kHz聲源級Lpso/dB頻率f/kHz聲源級Lpso/dB0.4178.71.4170.40.6178.51.6169.10.8175.01.8167.41.0173.62.0163.11.2172.2//

圖7 測試點水文參數圖Fig.7 Hydrological parameters of the test area

圖8 實測傳播損失與擬合曲線圖Fig.8 Measured propagation loss and fitting curve

分析圖8中各頻率對應聲傳播損失分布情況可知，整體測試數據具有較好的一致性，只在2kHz測試值有部分起伏，基于實測數據，利用所提傳播公式對上述實測數據進行擬合獲得聲傳播曲線，擬合結果見表5。為進一步分析該公式與各頻率對應曲線的匹配程度，對不同頻率下的實測值與曲線值進行統計，如圖9所示。從統計結果來看，各頻率對應實測值與擬合值之間的吻合度較高，頻帶內整體偏差約為0.939dB。

針對該擬合公式的準確性，也開展了試驗進行分析驗證，就是在保證換能器工況一致的情況下，改變換能器深度及水平測試距離進行測試，將不同頻率對應的實測傳播損失與該公式計算傳播損失值進行對比，數據處理結果如圖10所示。兩條折線為不同方法對應獲取的傳播損失，柱狀圖為兩者的差值，可以看到，兩種測試方式結果具有較好的一致性，最大差值約為1.19dB，頻帶內平均差值約為0.77dB。試驗結果與仿真情況相吻合。

表5 實測擬合結果Tab.5 Measured fitting result聲場系數C1C2C3均方根誤差RMS/dB0.07-5.5E-48.410.201

圖9 擬合曲線偏差分布圖Fig.9 Fitted curve deviation distribution

圖10 擬合曲線準確性驗證圖Fig.10 Verification of the accuracy of the fitted curve

5 結束語

本文介紹一種基于水域聲信道傳播特征的艦船水下輻射噪聲測試方法，該方法通過多基元空間能量平均方法來實現，可以很好的抑制淺水域聲場的起伏波動，提高淺水域環境下艦船水下輻射聲量級測量的準確性。并提出了一個適用于淺水域近程聲傳播規律的計算經驗公式，通過理論分析和測量試驗驗證，很好的證明了采用空間能量平均處理方法處理淺水域聲傳播問題的優勢，并驗證了所提出>聲傳播計算公式的準確性和可行性。相比傳統球面波衰減法及波束形成法推算具有更高的測量精度，此外，避免了數理模型建立與實際環境之間失配的問題。在后續的工作中，將面向多種水文環境開展試驗研究和實船測試，對聲傳播測量方法及經驗計算公式的可靠性進行驗證及修正，提高測量精度和測量方法的適用范圍。