國外艦船噪聲測試技術

邱衛海，劉文帥，王秀波

（1．海軍某型號辦公室，北京100841;2．大連測控技術研究所，遼寧大連 116013）

0 引言

艦船是各國海軍戰略威懾力量的重要組成部分。艦船噪聲對艦船的生存和武器裝備性能有重大影響，是艦船隱蔽性的重要指標。通過艦船噪聲測試，努力降低艦船噪聲，提高艦船的聲隱身性對發揮其作戰使命任務至關重要。因此，提升艦船噪聲測試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［1］。本文就國外艦船噪聲測試技術發展情況進行論述。

1 艦船噪聲測試方式

國外艦船噪聲測試一般分為活動式測試和固定式測試2種方式。下面分別對這2種測試方式進行分析。

1.1 活動式測試方式

活動式測試方式具有較好的靈活性，可以根據不同的目的，選擇不同海域，設備維修方便，投資較少。近年來，俄羅斯和美國相繼發展活動式潛艇噪聲測試系統，以適應經濟發展的需要。活動式測試是國外開展艦船聲隱身性能測試評估技術研究工作的重要試驗方式。美國為了對安靜型潛艇聲隱身性能進行測試與評估，于1995年將“海斯”號試驗船改裝成世界上最安靜的水面船之一。該船是具備多種測試基陣的海上測試平臺，可兼顧潛艇噪聲和回聲強度的測試與評估，全部測試系統已列入美國新安靜型潛艇聲學測試裝置計劃（AMFIP）進行生產。“海斯”號活動式測試系統的核心部分是利用垂直陣形成窄波束，進行近場聚焦和恒定束寬處理，在通常環境下測試安靜型潛艇的噪聲（見圖1）。

圖1 美國“海斯號”活動式測試系統Fig.1Mobile testing system of US Navel ship Hayes

1.2 固定式測試方式

固定式測試方式通過固定布放先進聲學測試裝備，采用艦船海上航行和停泊測試方式，實現艦船噪聲的定量測試和貢獻分離。但是，建立固定式測試系統十分復雜、需要很大的投資強度，并且維護困難。固定式測試方式以美國最為典型，其早期可全面測試潛艇噪聲的專用試驗場是位于加勒比海海域“美國海軍水下武器試驗及評估大西洋中心”的一部分，該試驗場1967年投入使用。后期，由于航運量增加，使得加勒比海海域環境噪聲級增大，并且由于新型潛艇的噪聲級降低，導致該試驗場不能滿足對新型潛艇噪聲測試的要求。隨后，美國花費了近10年的時間研究其沿海噪聲，尋找安靜的海域，終于在阿拉斯加（Alaska）東南部找到了一個理想的地方，建立了新的試驗場，將原試驗場從加勒比海海域遷移到阿拉斯加沿岸，新試驗場1991年投入使用，工程總造價約2億美元。

圖2 美國阿拉斯加水下航行固定試驗場Fig.2Fixed underwater shipping testing ground in Alaska，US

圖2為美國阿拉斯加水下航行固定試驗場。該試驗場中，在海底固定布放直線陣聲學測試系統、導航系統、測距定位系統以及相應輔助系統。測試時，被測潛艇在垂直線陣組成的框中往返通過，水聽器測得的噪聲信號通過光纖傳輸到陸上試驗站進行處理。垂直水聽器陣布置在120 m左右的水下，可以有效避免降雨及海面波浪的影響，大大提高了測試效率，最終可實現對潛艇聲隱身性能的總體評價以及機械、螺旋槳等不同性質噪聲的定量分離。

2 艦船噪聲測試系統

對于活動式和固定式測試方式，在測試系統的選擇上主要有以下幾種:單水聽器測試系統、矢量水聽器測試系統、直線陣測試系統和體積陣測試系統。下面分別對以上幾種測試系統的國外應用情況進行闡述。

2.1 單水聽器測試系統

以聲壓水聽器為核心的單水聽器噪聲測試系統，在國外潛艇噪聲較高的時期得到了廣泛應用，是國外早期噪聲測試的主要手段。采用單水聽器測試系統進行噪聲測試，在俄羅斯已發展為十分成熟的技術，并形成了一整套艦船水下噪聲的測試規范。圖3為俄羅斯單水聽器測試系統。該測試系統由測試專用試驗船和單個聲壓水聽器接收裝置組成，其中測試專用試驗船是以控制測試船自身噪聲干擾、便于試驗和減少設備在搬運過程中可能對測試系統造成影響為目的而專門設計建造的。

圖3 俄羅斯單水聽器測試系統Fig.3Russian single hydrophone testing system

2.2 矢量水聽器測試系統

矢量水聽器是提高測試增益的有效手段，可以同時獲取聲場中聲壓p和振速vx，vy，vz分量。矢量水聽器的各振速分量具有偶極子指向性，可以旋轉并銳化波束［2］，并且利用聲壓、振速的不同組合還可以形成不同的波束指向圖，因此，單個矢量水聽器可以形成常規聲壓水聽器陣才能形成的波束指向性。矢量水聽器測試系統可用于對低信噪比艦船進行噪聲指標評估，能有效地測試比海洋背景噪聲低10～20 dB的艦船噪聲。該方法在俄工業部門已廣泛使用，并形成了測試標準。目前，俄羅斯在遠東、白海和波羅的海等試驗場均裝備了活動式矢量水聽器噪聲測試系統。圖4是俄羅斯用于淺海的船載可移動式矢量噪聲測試系統。

圖4 俄羅斯的淺海船載可移動式矢量噪聲測試系統Fig.4Russian onboard mobile vector noise testing system for shallow water

2.3 直線陣測試系統

多年來，艦船輻射噪聲呈現出了逐年下降的趨勢，先進國家的潛艇輻射噪聲級甚至已經降到了海洋環境噪聲以下。這種情況下，對于低噪聲潛艇，傳統的單水聽器測試系統已經很難滿足目前的噪聲測試要求，輻射噪聲測試系統開始向具有指向性的直線陣方向發展。從目前獲得的資料來看，直線陣測試系統的應用已非常廣泛，俄羅斯、美國、法國、韓國、英國等國家已相繼開展了直線陣噪聲測試技術研究，并已投入使用。采用直線陣，不僅能提高測試信噪比，而且通過垂直布放的方式能有效克服淺海條件下特有的“多途干涉”對測試的影響。圖5是俄羅斯直線陣系統各種使用方式示意圖。從圖中可知，直線陣可以用于固定艇體上的水平陣、固定于海底的沉底陣、懸浮于水中的垂直陣、在艦艇尾部拖曳的拖曳陣等。

圖5 俄羅斯直線陣測試系統各種使用方式示意圖Fig.5The different use-patterns of Russian line array testing system

美國在華盛頓州西北試驗站用2個垂直陣組成安靜型潛艇噪聲測試系統（QSAM），其系統示意圖如圖6所示。該測試系統由1條高頻陣和1條低頻陣組成，高頻陣包含63個水聽器，測試頻率范圍為5～40 kHz，低頻陣包含51個水聽器，測試頻率范圍為100～6 000 Hz。該系統是美國西海岸最完備的全頻帶測試系統，不僅能測試潛艇噪聲也可以測試魚雷噪聲。

圖6 美國安靜型潛艇輻射噪聲測試系統示意圖Fig.6Schematic diagram of US quiet submarine radiated noise testing system

2.4 體積陣測試系統

體積陣中，所有的陣元按照一定規則進行空間分布。體積陣的作用主要是抑制海洋背景噪聲、提高測試增益。小型、簡單的體積陣在空氣聲的測試中已有應用，通常用于聲源的定位分析和設備的故障診斷，但是在艦船噪聲測試中，體積陣的應用較少。用于艦船噪聲測試的體積陣測試系統由于結構復雜，安裝和布放困難，處理算法復雜，對系統的硬件要求高等原因，導致其實際應用非常困難。目前，只有美國在實際的艦船噪聲測試過程中使用了體積陣測試系統［3］，如圖7所示。該體積陣測試系統在美國阿拉斯加水下航行固定試驗場中使用。

圖7 美國研制的體積陣Fig.7American volume array testing system

3 艦船噪聲分析方法

國外艦船噪聲測試，無論是活動式還是固定式測試方式，為實現對低頻弱信號的獲取和艦船輻射噪聲特性的評估，在設備設計上都朝著聲壓和振速組合傳感器、大孔徑基陣、精確導航與定位技術的方向發展。因此，在艦船噪聲分析方法上，多采用聲壓和振速聯合信息處理技術、弱信噪比信號信息提取技術，聚焦波束形成技術、恒定束寬技術、合成孔徑技術等處理方法，并發展快速精確的多信息實時監視軟件和批量數據分析軟件;在對海區環境特性的要求上，都需要首先對海上試驗場區進行聲學標定和環境特性統計研究，以消除海洋環境對噪聲傳播的效應，克服海洋背景干擾。

在艦船噪聲源分析方面，多測點、同時基噪聲振動綜合分析技術已被國外廣泛采用，是國外分析研究新一代艦船噪聲源的基礎技術手段和途徑，該技術通過增加測試傳感器數量，盡可能多的獲取艦船輻射噪聲和振動測試數據，并通過時間同步系統控制采集艦船噪聲和振動數據，利用先進的聲學處理系統，對全部測試數據進行同時基處理。在此基礎上，采用多種分析方法，綜合分析識別噪聲源，有效地查明主要噪聲源的分布，分離機械噪聲、水動力噪聲和螺旋槳噪聲對輻射噪聲的貢獻，從而全面獲取被測艦船的總體聲學性能，評價各項噪聲設計指標，并提出下一步噪聲控制的方向和目標。

4 結語

本文論述了國外艦船噪聲測試技術。從中可以看出，國外在艦船噪聲測試領域起步較早，技術先進，形成了完善的艦船噪聲測試體系和分析方法，對我國艦船噪聲測試具有非常有益的借鑒作用。

［1］王之程，等．艦船噪聲測試與分析［M］．北京:國防工業出版社，2004．

［2］余華兵，等．小尺度傳感器指向性銳化技術研究［J］．聲學學報，2000，25（4）:219－222．

［3］DENOLFO P，et al．South toto acoustic measurement facility （STAFAC）in-water systems installation AUTEC andros island，bahamas［Z］．IEEE，2008．