水下模擬聲源發射信號均衡控制方法的設計與實現

李 利

(大連測控技術研究所，遼寧 大連 116013)

0 引 言

水下目標噪聲模擬聲源是模擬水中寬帶噪聲的聲源發射裝置，可以自由組合，裝載發射任意20～50 kHz的寬帶噪聲數據，也可以發射20～100 kHz的單頻脈信號（上限頻率可以更高）。通過載入實測聲源數據、對聲源數據進行均衡處理、控制聲源數據的播放增益等方法實現模擬目標主要機械設備噪聲、槳軸激勵噪聲、螺旋槳噪聲，通過多個聲源載體相連的方式，進而模擬各噪聲的變化規律和分布式特點。

目標噪聲模擬聲源可以模擬水下目標的聲學特性，在潛艇訓練、聲學偽裝、聲吶對抗等方面都有極大的發展空間。目標噪聲模擬聲源由模擬聲源控制系統、模擬聲源輔助測量系統、發射系統、聲源載體等4個部分組成。控制系統是整個目標噪聲模擬聲源系統的核心。通過網絡連接，控制計算機對系統的各個部分執行包括數據下載、命令發送和狀態取等相應的操作，并對系統各個部分的工作參數進行合理配置。發射信號均衡控制方法是控制系統的核心部分。

1 信號的均衡控制

聲源控制系統可實現讀入聲源數據、生成標準測試聲源信號數據、聲源數據的1/3倍頻程均衡控制、聲源數據低中高3個頻段的數據濾波處理等功能。其中信號均衡控制是控制系統處于關鍵地位。模擬聲源控制系統框圖如圖1所示。

當模擬聲信號發生器接到均衡控制指令后，分別對輸出的低頻/中頻/高頻模擬聲信號執行1/3倍頻程均衡控制。模擬聲源發射信號頻率為1/3倍頻程均衡控制流程圖如圖2所示。

當模擬聲源發射水下聲信號s（t）時，接收端接收到的信號為由模擬聲源發射信號與背景噪聲相疊加的 信 號 f（ t） ， 則 f（ t） 可 表 示 為 f（t） =s（ t） +n（t），對接收信號進行傅里葉變換計算得到接收信號的頻譜

根據n倍頻程的定義：頻帶中心頻率

頻帶寬度為：對1/3倍頻程濾波器（n=1/3）它們的相對帶寬為恒定百分數。根據上述關系，設計倍頻程濾波器和1/3oct濾波器，用于聲學測量與分析。在艦船水噪聲測量時，常采用1/3oct濾波器，其中心頻率按國際標準化組織ISO的推薦，選定為：（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…。信號處理涉及的濾波器的中心頻率、下限頻率、上限頻率、頻帶寬度等典型數值如表1所示。

表 1 1/3oct濾波器主要數值表Tab. 1 The main numerical value of 1/3oct filter

對于一個能量連續分布的隨機噪聲信號，進行1/3倍頻程譜分析，就可以得出各個1/3倍頻程的頻帶聲壓級。當已知各1/3倍頻程的頻帶聲壓級時，可求得寬帶聲壓級，也稱總聲級，其頻率范圍（頻段）應當指定。由1/3倍頻程的頻帶聲壓級計算指定的頻率范圍內的寬帶聲壓級的公式為：

式中：為1/3oct濾波器的序號；為指定的頻率范圍內包含1/3oct濾波器的個數；為第i號1/3oct濾波器的中心頻率；為第號1/3oct濾波器頻帶內的頻帶聲壓級。

該式的物理意義是寬頻帶的聲能量等于所覆蓋的各頻帶聲能量的和。

在實艇與實船測量時，1/3倍頻程譜是檢測的標準之一。工作時，模擬聲源發射預先設定的信號，并按實艇實船檢測要求對信號做1/3倍頻程頻譜檢測。若發射信號未達到設定的信號，則對各個1/3倍頻程頻段進行放大或縮小調節處理，轉換為時域信號發射，若信號頻率仍有偏差，則可進行多次反復調節，直至頻譜滿足要求為止。對同一段原始信號，調用包含不同頻率特征的調節系數，就可以模擬不同的信號特征。

調節信號譜級再轉化為時域信號進行發射更加直觀有效，均衡調節后將信號進行反傅里葉變換，再經過模擬聲源發射。所以，對于模擬聲源發射信號進行均衡控制時，需要將信號經過時域到頻域，均衡后再時域發射的變換過程。

2 軟件實現

為了更方便地對模擬聲源發射信號進行均衡控制，編制了相應的均衡控制軟件，軟件界面交互良好，可操作性強。其中，模擬聲源發射信號1/3倍頻程均衡調節處理共包含35個處理頻段，所選倍頻程均為實艇實船噪聲測量頻段。軟件采用滑塊方式調節頻譜，增益單位為dB，拖動各頻率的滑塊即可靈活的改變頻點的增益值，頻點增益值的調節范圍為–24 dB與12 dB之間，滑塊下方的文本框內同時顯示調節值，也可以直接在文本框內輸入要改變的增益值，非常靈活。信號均衡軟件界面如圖3所示。

對多個信號頻點進行調節，點擊“確定”按鈕，即可生成當前譜頻特征的聲源信號。點擊“取消”按鈕，取消信號頻點增益操作。為了更簡單便利地調節信號頻譜，軟件另外設置了載入均衡調節系數表的功能，可以隨時保存各頻段的調節系數，載入歷史系數，以便于更靈活的調節信號狀態。

水下目標噪聲模擬聲源經過了大量的岸邊試驗與海上實航試驗，試驗結果表明，采用1/3倍頻程均衡控制方法，可以靈活地對發射信號實行控制，準確地模擬水下目標各噪聲的變化規律與分布式特點。

3 結 語

本文設計并實現了基于1/3倍頻程的水下模擬聲源發射信號均衡控制方法，通過友好的軟件界面，可以方便靈活地對信號進行均衡控制，更真實的模擬水下目標信號。

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