第八章水下噪声教材

1第八章水下噪声噪声定义：是指在特定条件下不需要的声音。水下噪声：（1）海洋环境噪声和舰船的自噪声它们是声呐系统的主要干扰背景之一，限制装备性能。（2）目标（舰船、潜艇、鱼雷等）辐射噪声它是被动声呐系统的声源，通过接收该噪声实现目标检测。水下噪声研究的意义（对抗与反对抗）：（1）建立水下噪声的规律和特性，提高声呐设备的性能。（2）降噪处理，提高自身隐蔽性。8.1噪声的基本概念1、噪声的描述噪声是一个随机过程，描述噪声的统计量有：噪声的概率密度函数：11110p1pppppPlimt,p1噪声的概率分布函数：111ppp1111dpt,pt,ppppP平稳随机过程：t,pt,p11结论：平稳随机过程的概率密度函数与时间无关一般水中噪声被视为平稳随机过程，若噪声的声压概率密度函数表示为：222pe21p为高斯分布，相应的噪声称为高斯噪声。其均值和方差：dpppppdppp222常识：一般将干扰视为高斯噪声。一般，表征噪声统计特性的统计量：概率密度函数、数学期望、方差、相关函数、功率谱。由随机过程理论可知，噪声自相关函数的傅立叶变换即为功率谱密度函数：2deRSdttptpT21limRjTTT若噪声的功率谱是均匀，则称之为白噪声。噪声声压有效值ep：等于介质阻抗为单位值时平均声强I的平方根。如果假设噪声的平均值为零，介质阻抗为单位值，则它的方差便等于平均声强：dp)p(pI22或时间平均表示：2/T2/T2T2dt)t(pT1limI噪声声压有效值：2/T2/T2Tedt)t(pT1Iplim2、噪声的频谱分析噪声声压是一个随机量，与时间量之间不存在确定关系，因此分析噪声声压幅值的频谱没有意义；而随机过程的功率谱函数是一个确定的统计量，反映了该过程的各频率分量的平均强度。根据信号频谱曲线形状划分：（1）线谱：数学上能够用傅氏级数来表示，水声中周期、准周期信号频谱就是线谱信号；（2）连续谱：频谱分析用傅氏变换来表示，水声中瞬态非周期信号频谱就是连续谱。声强平均频谱密度：iiifIS声强频谱密度函数：dfdIfIlimfSii0fi带宽内的总声强：21ffdffSI注意：连续谱某确定频率分量上的声强贡献无限小。海洋环境噪声级：0NIIlg10NL式中，NI为水听器工作带宽内的噪声总声强。假设水听器工作带宽f内噪声谱)f(S和其相应是均匀的，则有：3fSIN则有：0ISlg10flg10NL注意：水下噪声是多种噪声源的综合迭加，每种噪声源的激励不尽相同，因此，它可能是线谱，也可能是连续谱，甚至是两种的迭加。3、水下噪声的指向特性水下噪声具有指向性：噪声源具有指向性、噪声源空间分布、海洋传播条件等原因。注意：工程上将噪声视为各向同性的，便于处理。常识：海面噪声（风浪噪声）—垂直指向性；远处航船的辐射噪声—水平指向性。8.2海洋环境噪声海洋环境噪声也称自然噪声，研究环境噪声的目的：解决NL及其时空统计特性与环境因素之间的依赖关系，找出其规律，并由此作出必要的预报，为声纳设备设计、制作提供必要的数据。1、深海中的环境噪声源从低频到高频次序讨论噪声源及其特性：（1）潮汐和波浪的海水静压力效应潮汐和海面波浪是海洋内部海水静压力变化的原因，它们是低频噪声源。（2）地震扰动地震是海洋中的极低频噪声源。（3）海洋湍流湍流产生噪声方式：湍流使水听器、电缆等颤动或作响——自噪声（不是自然噪声）；湍流压力变化辐射噪声——四极子元，衰减会，不是主要源；湍流区内部压力的声效应。地海洋湍流是海洋中的低频噪声源。（4）行船行船是50Hz~500Hz频率范围内主要噪声源，与风和天气无关。（5）海面波浪海面波浪噪声是500Hz~25000Hz频率范围内的噪声源，与海况直接相关。V.O.Kundson总结出著名Kundson曲线。4（6）热噪声海洋分子的热噪声限制水听器的高频灵敏度，等效热噪声谱级：EDIflg20115NL式中，DI为指向性指数，单位dB；E为转换效率，单位dB；f频率，单位kHz。2、深海环境噪声谱Wenz谱级图：在一般情况下，它能够比较细致地描写出环境噪声地普遍规律性，被认为最具代表性的深海噪声谱曲线。深海环境噪声谱地例子如上图，谱由斜率的不同的五部分组成，解释如下：（1）1Hz以下，这段谱至今还不为人所知。估计该噪声来源于海水静压力效应或是地球内部的地震扰动。（2）谱斜率为-8~-10dB/倍频程，与风速仅有很微弱的关系，最可能的噪声源是海洋湍流。（3）自然噪声谱变平，远处行船是主要噪声源。（4）具有-5~-6dB/倍频程，噪声源是离测量点不远的粗糙海面。（5）海水介质分子热运动噪声，谱线斜率为6dB/倍频程。工程上，为预报海洋环境噪声级，需要不同条件下的平均典型自然噪声谱，见右图。图中画出了不同航运和风速条件下的预报用曲线。使用时，选择适当的航运和风速条件曲线，和相邻频段的曲线连接起来，近似地预报自然噪声谱。53、自然噪声的间歇源及自然噪声的变化特性（1）间歇源的噪声源它是一种暂时存在的噪声源，如能发声的海洋生物、降雨等。海洋生物：甲壳类、鱼类和海生哺乳类——特殊的鸣声、嘈杂声等；降雨：提高自然噪声级与降雨率和面积有关——在1kHz~10kHz频段接近于白噪声。（2）变化特性自然噪声具有易变性。产生原因：噪声源的易变性和传播条件的改变4、海洋环境噪声的振幅分布和空间相关（1）振幅分布根据中心极限定理，海洋环境噪声的振幅分布是高斯分布，但在近海面其分布比高斯型尖，原因是噪声源数目不够大。（2）空间相关性噪声的空间相关：指海中相隔开的水听器接收到的噪声的乘积对时间的平均。两个相距为d的各向同性单频噪声的相关系数为kd/kdsin)d(Cron和Sherman对指向性为mcos的噪声场相关系数进行研究，如右图。水平方向和垂直方向上的相关系数理论曲线与各向同性的单频噪声场具有相同形状。海面粗糙度形成的噪声场具有2cos的指向特性。5、深海环境噪声的指向性深海自然噪声具有指向性：低频噪声来自远处，高频噪声源来自顶部的海面。海面辐射噪声具有2cos的指向特性（噪声源和海面上虚源干涉效应引起的）。8.3舰船和鱼雷的辐射噪声舰船、潜艇和鱼雷的辐射噪声，是被动声纳的声源信号。舰船辐射噪声的危害：（1）破坏了舰船的隐蔽性；（2）可能引爆某些水中兵器；（3）干扰本舰的水声设备（自噪声）。舰船、鱼雷辐射噪声特点：噪声源繁多、集中，噪声强度大，频谱成分复杂。1、舰船辐射噪声的声源级和噪声谱舰船辐射噪声声源级：在远场测得噪声级后，在修正传播损失，归算到离声源声中心1米处，6并计算出1Hz带宽内的声强，则声源级（谱级）为：fIIlg10SL0N式中，f是换能器工作带宽，0I为参考声强，NI为距声源声中心1米处的噪声声强。噪声谱基本类型：（1）连续谱；（2）线谱。舰船辐射噪声为线谱和连续谱的迭加。2、舰船辐射噪声源及其特性舰船辐射噪声源分为三大类：机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声。机械噪声螺旋桨噪声水动力噪声主机：柴油机、主电动机、减速器辅机：发动机、泵、空调设备螺旋桨空化螺旋桨引起船壳振动水流辐射噪声空腔、板和附件的共振支柱和附件的空化（一）机械噪声机械噪声是航行或作业舰船上的各种机械的振动，通过船体向水中辐射而形成的噪声。产生机理：（1）不平衡的旋转部件（电机电枢等）；（2）重复的不连续性（齿轮、涡轮机叶片等）；（3）往复部件（汽缸的爆炸）；——产生线谱噪声，其成分是振动基频及其谐波分量（4）流体空化和湍流及排气（泵、管道、凝汽器等）；（5）机械摩擦（轴承等）。——产生连续谱噪声。结论：（1）舰船辐射噪声为强线谱加弱连续谱的迭加，与舰船航行状态及机械工作状态密切相关，一般较复杂、多变；（2）机械噪声是舰船辐射噪声低频段主要成分。（二）螺旋桨噪声螺旋桨噪声：螺旋桨空化噪声和螺旋桨叶片振动辐射噪声。（1）螺旋桨空化噪声7螺旋桨空化噪声是舰船辐射噪声高频段主要成分，且为连续谱，其典型频谱如右图。频谱特点：在高频段，谱级随频率以6dB/Oct斜率下降；在低频段随频率增高而增高；谱峰（100Hz~1000Hz）随航速和深度而变化，当航速增加和深度变浅时，谱峰向低频移动。原因：高航速和浅深度时，易产生空化气泡，产生低频噪声，使谱峰向低频端移动。空化噪声产生条件：航速大于舰船临界航速。螺旋桨空化噪声与航速关系：（a）航速低于临界航速，空化噪声级很低（未发生空化）；（b）航速增大至临界航速，空化噪声级急剧增大（空化发生、发展）；（c）航速继续增大，空化噪声级基本趋于稳定（空化充分）。螺旋桨空化噪声与航深关系：航行深度增加，临界航速提高，空化噪声级增加。螺旋桨空化噪声还与其它因素有关，例如螺旋桨损坏、加速、转向等因素。常识：水面舰船的螺旋桨空化噪声—航速关系不是S形，关系复杂。（2）螺旋桨唱音螺旋桨唱音是螺旋桨叶片拍击、切割水流而引起的，也称为旋转噪声，它为线谱噪声分量。其频谱的频率：mnsfm式中，n是螺旋桨叶片数；s是螺旋桨转速；m是谐波次数。螺旋桨唱音是潜艇低频段（1~100Hz）噪声的主要成分。常识：频谱特性是声纳识别目标和估计目标速度的依据。（3）螺旋桨噪声方向性船首和船尾方向比正横方向辐射的噪声小；在船首—船尾方向成30o角度内，指向性凹进去，船首方向比船尾方向凹进略多些。（三）水动力噪声水动力噪声是由不规则的、起伏的海流流过运动船只表面而形成的，是水流动力作用于舰船的结果。产生机理：（1）水流激励壳体振动或壳体上某些结构（叶片、空穴腔体等）共振；（2）湍流附面层产生的流噪声（粘滞流体特性）；（3）航船拍浪声（船首、船尾）、船上循环系统进水口和排水口的辐射噪声。8根据布洛欣采夫理论，水动力噪声强度主要与航速有关：nwkvI式中，k为常数，v是航速，n是与航船水下线形等因素有关的一个量。常识：一般情况，舰船水动力噪声小于机械噪声和螺旋桨噪声。3、辐射噪声源概要舰艇的辐射噪主要噪声源是机械噪声和螺旋桨噪声，二者贡献的大小取决于频率、航速和航深。对于给定的航速和航深，存在一个临界频率，低于此频率时，谱的主要成分是机械和螺旋桨的线谱；高于此频率时，谱主要成分是螺旋桨空化的连续谱。常识：通常舰艇的临界频率为100Hz~1000Hz，取决于船的种类、航速和航深。鱼雷的临界频率比较高（机械速度高）。4、舰船、潜艇、鱼雷辐射噪声级教材中所列的数据是二次世界大战期间的舰船辐射噪声水平，现代的舰船辐射噪声水平明显低于教材所列的数据，但教材所介绍的辐射噪声级随航速变化规律具有普遍性，同学们自学。5、辐射噪声的测量测量方法：让被测船航行通过远处的测量水听器来实现测量。按照测量水听器、设施布放方式：固定式和活动式。水听器阵形式：潜艇和鱼雷——深海（大于60米）、垂直阵；水面舰船——浅海（大于30米）、水平阵。辐射噪声通常以1Hz带宽内谱级表示，但对于测量仪器设备工作带宽为W，该带宽内噪声级为BL，则1Hz带宽内的谱级为BL-10lgW。注意：上述噪声为白噪声，如果被测带宽内有线谱噪声，则归算方法不在适用。通常测量是在远场，一般按照球面波扩展规律进行修正，归算到离声源声中心1米处。因此，需要精确知道水听器与被测舰船之间的距离，一般采用同步钟测距装置（主动声纳）。目前，舰船辐射噪声测量是一项专门测量技术，随着潜艇隐身技术水平的提高，对测试技术9和设备提出更高的要求。国内，专门测试单位为大连760所、湛江海军第四试验场区、昆明750试验场，另外，还有哈尔滨工程大学和中科院声学所从事这方面的研究工作。8.4舰船、潜艇和鱼雷的自噪声自噪声是本舰声纳的一种特殊干扰背景，表现为声纳方程NL，是舰船上的各种声源产生的。自噪声与辐射噪声区别：（1）相同点：声源基本相同；（2）不同点：