水下運載器聲學性能預估

傅曉晗 ,付學志 ,王敏慶 *

(1.西北工業大學 航海學院,陜西 西安,710072;2.中國人民解放軍92228 部隊,北京,100072)

0 引言

隨著智慧海洋聲學牧場的發展,環境監測、養殖和運營維保等相關領域對水下運載裝備的需求與日俱增[1]。其中,潛水員水下輔助運載器因其靈活的操縱性能和輕巧的體積特點而備受關注。當潛水員使用水下運載器航行時,運載器內部的推進電機和減速器等結構不可避免因為結構偏向等原因發生振動[2],進而引起水下輻射噪聲[3-4]。

水下輻射噪聲對海洋生物的影響不可忽略。許多海洋哺乳動物都依靠聲音進行交流、空間定位和捕食[5],且能敏銳感知水下聲場的變化。魚類的側線器官則對低頻噪聲十分敏感[6],人為的水下噪聲會增大魚類聽力損傷的概率,影響養殖魚類的繁殖、求偶等行為[7-8],進而降低海洋漁業捕撈的效益。

在真實的海洋環境中,人工聲學系統和自然聲學系統往往同時存在,相互制約。美國國防高級研究計劃局在“持續水生生物傳感器(persistent aquatic living sensors,PALS)”項目中提出利用魚類側線器官對低頻噪聲較為敏感的特點來監測水下環境。由于運載器輻射噪聲的低頻聲波能量不易被海水吸收,將側線作為一種生物傳感器,利用魚群快速逃離等行為也可預判附近是否存在運載器。為避免上述情況發生,應使運載器與魚類始終保持一定距離。借鑒水下裝備安全半徑[9]的概念,將運載器與魚類之間最理想的距離定義為安全工作半徑,此時運載器執行水下任務而不被魚類感知,在安全工作半徑之外運載器則不影響魚類的正常活動。

運載器的聲學性能決定了其在工作過程中的自輻射噪聲水平。由于運載器內部機械結構復雜,其輻射噪聲往往在空間具有不規則的指向性,運載器與魚群的相對位置不同時,其輻射噪聲對魚類產生的影響也有所差異。鄧博文等[10]以水下加肋圓柱殼為簡化模型,針對運載器尾部結構的聲振特性開展了仿真分析并計算了橫向和垂向的聲輻射指向性。楊忠超等[11]研究發現軸系結構受不同方向激勵時,輻射聲壓會影響運載器頭部的振動分布及聲輻射效果。張卿冕等[12]計算了運載器在3 種來流速度工況下軸向輻射噪聲的變化規律。為降低運載器對海洋環境的影響,針對水下運載器局部結構的聲輻射特性[13-14]及降噪方案[15-16]的研究已有很多,但少有研究將運載器的聲學性能與水下生物聯系起來,量化運載器的安全工作區域。當潛水員利用水下運載器接近水下生物執行水下任務,過大的噪聲會使生物感知發生逃逸[17]。基于此,文中建立了水下運載器安全工作半徑計算模型,仿真分析了運載器的空間聲輻射指向性,以2 種商用水下運載器為測試對象,設計試驗測量運載器的水下輻射噪聲,根據輻射噪聲的頻譜特性計算運載器的安全工作半徑,以評估運載器的聲學性能。

1 水下運載器安全工作半徑計算模型

以被動聲吶為例,建立水下運載器安全工作半徑計算模型。被動聲吶僅考慮單程噪聲傳播,聲吶方程為[18]

式中:SL為運載器的聲源級;TL為噪聲在水下傳播過程中的傳播損失;NL為環境噪聲級;DI為探測聲吶的指向性指數;DT為檢測閾。指向性指數DI和檢測閾DT與聲吶本身的性能參數有關。

對于商用水下運載器,其聲源級SL可通過試驗測得,由此得到傳播損失為

水下聲能量的傳播損失與擴展損失、吸收損失和邊界損失有關。由Marsh-Schulkin 模型,根據探測距離R的不同,分別以球面模型、球面-柱面模型和柱面模型對聲能量的傳播損失進行描述[19]

吸收系數主要與聲波的頻率有關。如圖1 所示,吸聲系數隨聲波頻率增加而增加,即高頻聲波在傳播過程中會損耗更多能量。

圖1 聲波吸收系數隨頻率變化曲線Fig.1 Curve of acoustic absorption coefficient versus frequencies

式(3)～(5)中等式右端第1 項為擴展損失,第2 項為吸收損失,與噪聲頻率和傳播距離有關,其余項為邊界損失。為簡化起見,下面忽略邊界損失[18],僅考慮擴展損失和吸收損失[21]。在已知運載器噪聲輻射頻譜特性的前提下,由式(2)得到不同頻率聲波在海水中的傳播損失,從而計算相應的安全工作半徑。

2 運載器噪聲指向性分析

由于內部結構連接形式和幾何外形復雜,水下運載器的輻射噪聲通常具有不規則的空間指向性。在測量運載器的輻射噪聲,預估其安全工作半徑之前,需要對輻射噪聲的指向性進行分析,以保證實際測點位于輻射噪聲的主要傳播方向。基于此,建立了某型商用運載器的幾何模型。為減少計算量,在建模過程中忽略運載器內部的部分結構細節,僅保留結構外殼和內部關鍵的連接結構。

仿真中邊界條件及場點設置如圖2 所示。運載器內部各節艙段設置為空氣域,外部為水域,結構整體沿Y-Z平面設置對稱邊界條件。定義激勵點位于運載器的電機,為模擬電機對結構整體的振動傳遞情況,在X、Y及Z方向均設置幅值為單位力1 N 的點激勵。

圖2 運載器輻射噪聲指向性分析場點示意圖Fig.2 Field points for directional analysis of radiated noise of vehicle

沿X-Y平面和Y-Z平面以 30?為間隔,運載器幾何中心為圓心,1.5 m為半徑處等距設置2組場點,記為水平方向場點和垂直方向場點。由有限元仿真計算得到電機振動引起的運載器輻射噪聲,提取垂直方向和水平方向各場點的聲壓級分別如圖3 和圖4所示。

圖3 運載器垂直方向輻射噪聲指向性Fig.3 Directionality of radiation noise in vertical direction of avehicle

圖4 運載器水平方向輻射噪聲指向性Fig.4 Directionality of radiation noise in horizontal direction of avehicle

由于運載器的電機位于結構尾部,當電機對結構產生三軸激勵時,在垂直方向和水平方向運載器尾部的輻射噪聲均高于頭部的輻射噪聲。同時可觀察到運載器水平方向的輻射噪聲具有對稱的指向性,而在垂直方向,受運載器幾何外形和內部機械連接形式的影響,在[90°,150°]方向運載器輻射噪聲的強度更高。由此可見,進行聲輻射特性測試時,重點測量運載器尾部的輻射噪聲可以更準確地預估運載器的聲學性能和安全工作半徑。

3 水下運載器聲輻射特性測試及分析

以2 種商用水下運載器(分別記為G1 和G2)為測試對象,分別測量其聲源級并對噪聲輻射特性開展分析。G1 和G2 的動力系統和機械結構存在差異,G2 在G1 結構的基礎上更換了新型電機和減速器,并在殼體與動力艙之間采用了柔性連接。

運載器水下輻射噪聲測試方案如圖5 所示。

圖5 水下輻射噪聲測試方案示意圖Fig.5 Undersea radiation noise test scheme

將4 枚標準水聽器等間距懸掛于平臺一側以接收運載器尾部輻射的噪聲信號;同時,在1 號水聽器旁布置1 枚主信標用于測距;在水下運載器上布置1 枚測距應答信標,用于接收主信標發出的信號,以確定水下運載器與1 號水聽器之間的距離。

圖6 為水下輻射噪聲測試系統示意圖。G1和G2 的常規潛深均為3 m。測試過程中,兩運載器分別以既定航速平行于測試平臺潛行,同時采集聲輻射噪聲信號與信標信號,通過信標數據換算出運載器與水聽器間的距離,獲取了運載器的輻射噪聲頻譜,并折合為1 m 處的聲源級噪聲頻譜,如圖7 所示。

圖6 測試系統示意圖Fig.6 Test system

圖7 2 種商用運載器噪聲頻譜Fig.7 Noise spectrum of two commercial vehicles

除水下運載器內部的機械噪聲外,所測噪聲頻譜還包括環境噪聲以及運載器航行時結構表面與水流相互作用產生的水動力噪聲。為降低環境噪聲對測試的影響,試驗結果應滿足信噪比(signalnoise ratio,SNR)的要求,即

式中:Ps為信號能量;Pn為噪聲能量。

測試中需考慮背景噪聲的影響。將SSNR>6 dB的數據視為有效數據[22],測試結果的有效頻段為。此外,由于在低航速下,水下運載器的機械噪聲遠高于水動力噪聲和螺旋槳噪聲[23],因此測試所得輻射噪聲主要來自于運載器內部的動力系統。

圖7 所測運載器的輻射噪聲包含寬頻噪聲和線譜噪聲。由于線譜噪聲能量集中,且聲壓幅值遠高于寬帶噪聲,更易被水下聲學設備和海洋魚類等生物感知,下面以線譜噪聲信號的SNR 表征該線譜頻率處噪聲能量,對G1 和G2 的線譜噪聲進行分析。表1 和表2 分別給出了G1 和G2 線譜噪聲的SNR。

表1 G1 線譜噪聲SNRTable 1 Signal-to-noise ratio of line spectrum noise of vehicle G1

表2 G2 線譜噪聲SNRTable 2 Signal-to-noise ratio of line spectrum noise of vehicle G2

由表1 和表2 可知,線譜噪聲在高、中、低頻段均存在,且中、高頻段線譜噪聲能量高于低頻線譜噪聲。在高頻線譜噪聲中部分噪聲頻率呈倍頻關系,對噪聲頻率分析可知該頻率對應了運載器內部電機的斬波頻率。對于中、高頻段的線譜噪聲,可通過結構加強和阻尼處理等方式實現結構減振,達到抑制輻射噪聲的目的;對低頻段的線譜噪聲,阻尼處理的降噪效果有限,需對運載器內部的動力系統進行優化,以降低運載器的低頻輻射噪聲。

4 水下運載器安全工作半徑分析

為了分析運載器輻射噪聲對安全工作半徑的影響,根據運載器的噪聲輻射特性進一步計算G1 和G2 在有效測試頻段內的安全工作半徑。

4.1 檢測閾

對水下設備而言,檢測閾DT的取值與其性能及決策設置有關,即

式中:PFA為決策的虛警概率;PD為決策的檢測概率。

以某型聲吶為例,其接收機的性能曲線[20]如圖8 所示。當PD=0.7,PFA=10-12,由接收 機性能曲線可知此時檢測閾DT為19 dB。

圖8 接收機性能曲線Fig.8 Performance curves of a receiver

海水養殖的經濟魚類珍珠龍膽石斑魚,其敏感的聽覺頻率為300 Hz[24]。在敏感頻率范圍內噪聲聲壓級比環境噪聲級高 15～30 dB 以上,魚類就能分辨出噪聲信號。

下面分別以水下聲學設備和海洋魚類為例,計算2 種運載器的安全工作半徑。

4.2 安全工作半徑計算結果及分析

G1 和G2 靠近聲吶執行水下任務時,運載器安全工作半徑隨頻率的變化關系如圖9 所示。

圖9 2 種水下運載器安全工作半徑對比Fig.9 Comparison of safe working radius of two vehicles

由圖9 可知,在中、高頻段,G2 的安全工作半徑小于G1,低頻段二者的差異更加明顯。

針對低頻噪聲敏感的珍珠龍膽石斑魚,計算得到在其敏感聽覺頻率300 Hz 處,G1 的安全工作半徑為36.4 m,G2 則為15.0 m,G2 的安全工作半徑降低至G1 的41%。由此可見,更換動力系統和采用柔性連接等優化手段能夠有效降低運載器的輻射噪聲,近距離作業時,G2 對魚類的影響更小。

5 結束語

以水下運載器的安全工作半徑為指標可規范運載器的有效工作區域,避免海洋魚類因感知運載器輻射噪聲而逃逸,進而提高運載器的作業效率。通過被動聲吶方程建立了水下運載器安全工作半徑計算模型,計算了運載器的空間輻射噪聲指向性,測試并分析了2 種商用運載器的噪聲輻射特性,預估了其安全工作半徑。結果表明:

1) 運載器的輻射噪聲具有不規則的空間指向性,受電機安裝位置的影響,運載器尾部的空間輻射噪聲明顯高于首部和中間艙段,預估安全工作半徑時應以運載器尾部的輻射噪聲為主要判斷依據。

2) 所測2 種運載器的水下輻射噪聲包括寬頻噪聲和線譜噪聲,其中線譜噪聲的能量遠高于寬頻噪聲,且在高、中及低頻都存在,由于運載器低頻聲的安全工作半徑大于高頻聲,易被海洋魚類和其他聲學設備所感知,設計、優化運載器時應以降低低頻輻射噪聲為主要目標。

3) G2 內部的各項聲學優化設計有效降低了輻射噪聲,從而改進了運載器的安全工作半徑,利于潛水員近距離執行水下任務。

文中的研究結果是以低航速運載器為受試對象得到的。對中、高航速的水下運載器,其輻射噪聲的成因更加復雜。后續工作將基于文中的水下運載器安全工作半徑模型,拓展預估中、高航速航行的水下運載器的聲學性能,并開展相應的聲學性能評估研究。