水下航行器辐射噪声线谱的多普勒分析

第1章绪论 水下航行器辐射噪声是水声探测、识别的重要信息源，严重影响了航行器的隐蔽性，同时也会对航行器自身所搭载的水声设备造成干扰，是当前威胁水下航行器安全和影响其战斗力发挥的重要因素。通过噪声测量确定水下航行器表面的噪声源辐射位置，可以为减振降噪措施提供有力的支持，对航行器声隐身性能的提高具有重要的研究价值。 1.1研究背景与意义 声波是目前海洋中唯一能够远距离传播的能量辐射形式 [1]，如果水下航行器的辐射噪声过大，既容易被对方水声设备发现，又会干扰己方所搭载水声设备的探测性能。良好的声隐身性能是保证水下航行器安全性的关键，也是衡量现代水下航行器作战能力的重要指标 [2]，因而受到各国海军的高度重视。 当前各海军强国都对水下航行器降噪做了许多有效的工作，使现代水下航行器的整体噪声水平一直处于快速下降之中 [3]。尤其是安静型核动力水下潜艇，在设计阶段就不惜大幅增加自身吨位，以布置更多的降噪设备，*大限度地隔绝机械振动噪声向艇体的传递 [4-6]。例如，在不同的舱段中分别配置庞大的整体减震模块；将主、辅机舱和动力设备舱段中的机械振动源布置到舱段式一体化减震浮筏上；根据不同艇体部位噪声性质的特点，在艇体外表敷设对应吸声模式的多模复合消声瓦；在一些流体管路与机械传动设备上加装减震阻尼套管或采用挠性连接头，以降低艇内管路的机械振动噪声 [7]。此外，推进系统中的七叶大侧斜螺旋桨、泵喷推进器、自然循环反应堆以及电机推进等技术也获得了长足的进步，使潜艇的声隐蔽性能获得了显著的提高。有数据表明，近三四十年的潜艇辐射噪声每年下降0.5~1dB，被检测的距离每年下降 0.5~2km[8]。实力*强的美俄两国的先进核动力潜艇，如美国在 20 世纪 90 年代前后建造的 SSN-21(海狼级) 和 SSN-774(弗吉尼亚级) 以及同期俄罗斯的 971 型 (阿库拉级)，在噪声频谱 1kHz 处的谱密度级均可达到 85~95dB 的水平，已接触到“安静型”的噪声下界，甚至初步跨越到“极安静”的噪声范围内。与此同时，英法德日等国以及我国也都致力于声隐身技术的研究，并取得了大量积极的成果 [9-11]。 水下航行器辐射噪声的频谱是由连续谱和线谱叠加而成的混合谱，虽然各国的现代安静型潜艇通过诸多静音手段 [12]，大幅降低了整体辐射噪声的量级，但主要削弱的是高频段上的连续谱和部分离散线谱的强度 [13-15]。受到当前减震降噪技术的限制，对于较低频段上的辐射噪声还是难以进行整体性的有效控制 [16]。现代消声瓦对声波的有效衰减频段通常在 1kHz 以上，即使是美国弗吉尼亚级所采用的*新型聚氨酯整体浇注技术，其工作临界值也只可能达到 200.500Hz，无法阻止更低频率的噪声透过艇体表面向水中辐射能量。特别是低频噪声中的离散窄带线谱，通常具有个体性，即不同潜艇的低频线谱存在差异，很容易暴露潜艇的身份信息。许多测量资料表明，当潜艇处于低速航行工况时，辐射噪声中的低频线谱强度可高于附近连续谱 10~25dB，其稳定度有时可达 10min 以上，而且信号频率越低，在水下的能量传播损失越小，相对高频信号可以扩散到更远的范围。美国在 1995-1999年开展的海洋气候声学测温 (acoustic thermometry of ocean climate， ATOC) 行动中，相关研究人员利用 14 个 SOSUS 接收阵，记录 57Hz 和 75Hz 单频声信号的传播数据，取得了良好的识别效果，*远距离达到了 3900km，并特别指出带宽为1.2Hz 滤波器所提取的窄带信息可以用于水下目标识别 [17-19]。 综上所述，水下航行器辐射噪声中的低频线谱分量具有稳定时间长、强度高和传播衰减小等特点，并且携带了丰富的目标特征信息，很容易在远距离被对方截获并加以利用，是当前水声探测和识别的重要信息来源。因而亟须针对低频噪声的振动源以及传递过程进行治理，而水下噪声的测量分析正是对其实施有效控制的前提 [20]。通过开展水下噪声源定位技术的研究，可以确定运动状态时水下航行器表面的噪声源辐射位置，并有针对性地采取减震降噪措施，不仅能为航行器声学设计中的噪声指标提供切实的理论依据，还可以对治理后的效果给出合理评价。因此，研究适用于低速航行器的低频辐射噪声和便于工程实施的噪声源近场定位识别方法，对于当前水下航行器声隐身性能的提高具有重要意义。 1.2 水下航行器辐射噪声及海洋环境噪声特性分析 研究水下辐射噪声信号处理*先要明确的一个问题就是被处理对象的性质。测量系统需要通过声呐接收从海洋介质传来的目标辐射噪声来检测目标，并判定其性质，测量其参数。目标的特性、海洋水声信道的传输特性和接收端水听器所处位置的背景干扰声场的特性都会影响测量系统的工作性能。本节将重点从以上各方面讨论水下航行器辐射噪声和海洋环境噪声。 1.2.1 水下航行器辐射噪声特性及模型 运动状态的水下航行器是一个复杂噪声源的综合体，在其航行或作业时，推进器和各种机械都在工作，它们产生的振动通过船体向水中辐射声波 [3]。对辐射噪声的大量测试资料的分析和研究表明，航行器辐射的噪声如果以来源和产生机理划分，大致有三类：机械结构噪声、螺旋桨噪声以及航行时产生的水动力噪声。如果以功率谱的形态划分辐射噪声，可以分为两类：连续分布的宽带噪声谱和在若干个离散频率上的窄带分量||线状噪声谱 [21]。对水下航行器辐射噪声中主要声源的分类如表 1-1 所示。 表 1-1 水下航行器辐射噪声的主要声源 舰艇噪声的宽带连续噪声谱分量主要是由螺旋桨噪声、机械噪声和水动力噪声等部分构成。 (1) 螺旋桨噪声：由螺旋桨旋转产生空化效应造成的。螺旋桨叶片在水中转动时在叶尖和叶片面上会产生低压和负压区。随着转速的增加，负压增大到一定限度时，水就会自然破裂产生小气泡形式的空穴，稍后这些气泡破碎产生宽带声脉冲，大量这种气泡的破碎声就会形成螺旋桨空化噪声。这是水下航行器辐射噪声宽带连续谱在高频端的主要成分。螺旋桨空化可分为叶尖涡流空化和叶片表面空化两类。叶尖涡流空化是一般螺旋桨空化噪声的主要噪声源。螺旋桨空化噪声的功率谱在高频以 6dB 每倍频程的斜率下降。在低频功率谱曲线有正斜率，因此存在一个峰值。对于一般的舰船和潜艇而言，这个峰值在 100.1000Hz 范围内，其位置会随航速增加和深度减小而向低频方向移动。运动产生空化噪声的速度称为临界速度，它随着潜艇下潜深度的增加而增加 [1]。 (2) 机械噪声：在低速度时，螺旋桨转速未达到临界速度，不会产生空化，因而主要的噪声连续谱来源是机械噪声。产生宽带连续谱的噪声源有泵、管道、阀门中流体的空化、湍流和凝汽器排气产生的噪声。这些噪声通过各种内部传递路径与艇壳联结辐射出来。此外还有轴承、轴颈摩擦产生的机械噪声。 (3) 水动力噪声：水动力噪声中的流噪声是由不规则的、起伏的海流流过潜艇的表面形成的噪声和由水动力过程变化引起的噪声，是水流动力作用于艇体的结果。通常表现为一种无规则的噪声形式，其噪声量级随航速加快而升高。在正常或低速情况下，水动力噪声产生的辐射噪声强度较小，往往被机械噪声和螺旋桨噪声所掩盖。 舰艇噪声中的窄带分量——线状噪声谱主要集中在 1000Hz 以下的低频频段。产生线谱的噪声源主要有三类：往复运动的机械噪声、螺旋桨叶片共振线谱和叶片速率线谱及水动力引起的共振。 (1) 线谱类机械噪声的来源主要有不平衡的旋转部件，如不圆的轴和电机电枢；重复的不连续性部件，如齿轮、电枢槽、涡轮机叶片；往复部件，如内燃机汽缸的爆燃等。这些机械噪声源会通过与艇壳的联结将噪声辐射到水中。如果一定的频率正好引起了艇壳大范围共振，可以产生很强的线谱，称为 \艇壳轰鸣"。这种线谱位于振动的基频 (如电机的轴速乘以定子极数、每秒内接触的齿数、汽缸点火率等)处，或其谐波上。受到材料制造工艺、操作和管理水平、机动方式以及航行工况等各种因素的影响，在这些离散的线谱分量中，有的成分非常稳定，有的极不规则并容易发生变化。 (2) 螺旋桨叶片被海流激励发生共振也可以产生很强的线谱噪声，可通过良好的设计加以避免。螺旋桨叶片旋转切割所有进入螺旋桨和在螺旋桨附近的不规则的流动，产生分布在叶片速率倍数上的叶片速率谱，其频率为 (1-1) 式中，n 为谐波次数；m 为螺旋桨叶片数；S 为螺旋桨转速。在某些工况下，这种叶片速率线谱在 100Hz 以下的频带内是潜艇辐射噪声的主要成分。由于螺旋桨轴产生的线谱 (机械噪声) 谐波与叶片速率谱重合，螺旋桨噪声也可能引起附近机械结构共振。当螺旋桨空化刚产生时，潜艇噪声在 1kHz 以下的低频部分主要是机械噪声和螺旋桨线谱噪声，在高频部分线谱很小，往往被空化噪声连续谱所掩盖。有时，在高于 1kHz 的高频段可能出现螺旋桨叶片共振产生的线谱。当航速加快时，螺旋桨空化噪声增强，峰值移向低频，这时线谱有些也可能增加，有些线谱随转速增高其频率会向上移，有些线谱频率保持不变。总而言之，空化产生的连续噪声会随航速的增高掩盖更多的线谱而成为噪声的主要成分 [3]。 (3) 水动力线谱噪声是指不规则和起伏水流引起舰艇的一些部件共振 (如支柱、钢索等) 而产生的线谱。一些开口空腔可以被流经的水流所激励，产生亥姆霍兹 (Helmholtz) 共振腔那样的共振，发出线谱噪声。这些线谱也主要集中在低频端 [3]。 通过以上对水下航行器辐射噪声的来源与产生机理的分析可以知道，水下辐射噪声频谱是由强线谱和弱连续谱叠加而成的混合谱 [2;3]。对于一定深度和航速，航行器的辐射噪声谱中存在一个临界频率，在临界频率以下表现为宽带连续谱加若干离散的线谱，高于临界频率时主要是宽带连续谱噪声。一般临界频率在 100.1000Hz范围内。功率谱中的线谱反映噪声信号中的周期性噪声部分的能量，大多分布在1kHz 以下的低频范围内，较难通过常规方法抑制，而且携带了大量的目标特征信息，是水声设备探测和识别的主要信息源。连续谱反映噪声信号中随机噪声部分的能量分布，其频段从几 Hz 到数十万 Hz，其中低端为 6.12dB 每倍频程的正斜率，高端为 -10 ~-5dB 每倍频程的负斜率，在几十 Hz 至 200Hz 之间出现平直谱或峰值。当航行器处于不同工况时，混合谱的组成结构会发生相应的变化。在低速时，低频段主要为各类线谱噪声，随着频率增高，线谱逐渐被连续谱所掩盖。若叶片产生共振或存在噪声较大的减速器，则螺旋桨连续谱上会叠加一条或一组高频谱线。在高速时，螺旋桨噪声增大，由空化产生的连续谱占主要地位，并移向低频，掩盖了很多线谱。图 1-1 给出了不同航速下航行器噪声谱级的情况，可作为航行器辐射噪声仿真的基础。 图 1-1 不同航速下舰艇噪声谱示意图 许多资料表明，运动状态下的航行器的航速工况不仅会改变宽带连续谱的强度和频带范围，还会对低频线谱的结构成分造成影响 [22]。 图 1-2 为文献 [22] 中的某典型现代货船的水下辐射噪声频谱，频率分辨率为0.5Hz，图中上方曲线为该船以 140rpm(rpm 为螺旋桨转速单位，表示转每分钟) 高速航行工况的水下辐射噪声频谱，下方曲线为 68rpm 低速航行工况时的频谱。频谱中各线谱的峰值上有不同标识，其中 B 代表叶频及其谐振频率，F 代表推进系统主机频率及其谐振频率，G 表示辅机设备频率及其谐振频率。可以看出，高速和低速辐射噪声的频谱结构基本符合图 1-1 中的分布规律，但是在不同航速工况下，线谱的来源并不相同。 较高航速状态下，航行器水下辐射噪声线谱的主要来源是主机频率和叶频及其高次谐波，即图 1-2 中由 B 和 F 指示的峰值。其中主机频率由发动机转速和柴油机气缸数量决定。由于该船主推进