空間分布對(duì)噪聲線譜穩(wěn)定性影響的仿真研究

楊學(xué)猛 劉彥森 杜 鵬

水下測(cè)控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連 116013

空間分布對(duì)噪聲線譜穩(wěn)定性影響的仿真研究

楊學(xué)猛 劉彥森 杜 鵬

水下測(cè)控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連 116013

本文基于水下噪聲測(cè)試的常規(guī)原理，建立了以偶極子聲源、無(wú)界海洋聲環(huán)境（即自由場(chǎng)）和理想接收濕端等為主要條件及假設(shè)的影響評(píng)估模型，對(duì)空間分布特性及接收距離對(duì)線譜穩(wěn)定性影響進(jìn)行了仿真分析，指出了空間分布對(duì)噪聲線譜幅度穩(wěn)定性影響的重要性，研究成果對(duì)于指導(dǎo)實(shí)際噪聲測(cè)試及數(shù)據(jù)處理分析等工作具有重要意義。

線譜；穩(wěn)定性；空間分布

Line-Spectrum; Stability; Space Distribution

引言

在艦艇噪聲測(cè)試中，常采用靜態(tài)測(cè)試和航行測(cè)試等手段。在其他條件（如目標(biāo)聲源、背景環(huán)境、輻射聲場(chǎng)、測(cè)試系統(tǒng)及條件、接收距離等）均一定的條件下，如果被測(cè)聲源輻射聲場(chǎng)存在明顯的空間分布特性，則不同方位的輻射噪聲譜幅度會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，即存在幅度穩(wěn)定性，當(dāng)然對(duì)于線譜而言也不例外。鑒于此，筆者結(jié)合水下噪聲測(cè)試實(shí)際，通過(guò)理論建模及仿真分析來(lái)重點(diǎn)探討和研究聲場(chǎng)的空間分布對(duì)噪聲線譜幅度穩(wěn)定性的影響及其基本規(guī)律，為基于艦船輻射噪聲線譜的目標(biāo)檢測(cè)、特征提取和分類識(shí)別等提供物理依據(jù)和技術(shù)支撐。

1.空間分布影響評(píng)估模型

出于簡(jiǎn)化且不失一般性考慮，本文在偶極子聲源、無(wú)界海洋環(huán)境和理想接收濕端等基本框架下，建立空間分布對(duì)噪聲線譜幅度穩(wěn)定性影響的評(píng)估模型，探討其基本影響規(guī)律。

具體模型及主要假設(shè)如圖1所示：目標(biāo)聲源為偶極子聲輻射源，且其與接收平臺(tái)相對(duì)靜止，該類聲輻射源是在實(shí)際中最為常見(jiàn)且簡(jiǎn)單的指向性聲源；目標(biāo)聲源置于無(wú)邊界海洋環(huán)境中（即自由場(chǎng)環(huán)境），介質(zhì)均勻，但可考慮介質(zhì)吸收和體積散射的衰減影響；接收濕端由若干個(gè)性能一致的理想接收單元構(gòu)成，且不存在空間接收指向性，接收距離的選取滿足遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試條件。

圖1 空間分布影響評(píng)估模型示意圖

由式（5）可知，偶極子聲源的輻射聲場(chǎng)空間分布呈余弦或正弦指向性。

圖2為偶極子聲源輻射聲場(chǎng)在xOy平面內(nèi)的二維空間分布，由圖可知，偶極子聲源的輻射聲壓在聲軸方向最大，在與聲軸垂直的方向最小，而其余指向性較為平滑，這種余弦或正弦空間指向性是偶極子聲輻射源的最重要的特征。

圖2 偶極子聲源輻射聲場(chǎng)的二維空間分布

2.空間分布影響仿真分析

在上述模型條件及參數(shù)計(jì)算方法等的基礎(chǔ)上，主要是討論在接收距離一定的條件下，不同接收方位角度的變化對(duì)噪聲線譜幅度（即聲級(jí)）的影響，及接收距離和接收方位角度同時(shí)變化對(duì)噪聲線譜幅度的影響，并得出基本影響規(guī)律。為此，提出了具有針對(duì)性的角度—線譜聲壓級(jí)的量化關(guān)系，主要用于評(píng)估線譜聲壓級(jí)相對(duì)于方位角度和距離的變化趨勢(shì)。

2.1 仿真算例（一）：接收方位角度變化影響

圖4為接收距離相等時(shí)，單極子聲源和偶極子聲源不同方位角度輻射噪聲的相對(duì)幅度分布典型結(jié)果。由此可知，對(duì)于無(wú)指向性單極子聲源而言，同頻率下的輻射噪聲在各方位角度的幅度相等；而由于偶極子聲源的輻射聲場(chǎng)具有偶極子空間分布形式，在上述分析條件下，其同頻率下的輻射噪聲在各方位角度的幅度不相等（即并不穩(wěn)定），在聲軸方向（即方位角度為0°和180°）最大，而在方位角度90°和270°方向則最小。這表明：對(duì)于指向性目標(biāo)聲源而言，在聲源輻射條件及接收距離等均一定時(shí)，在不同方位角度上測(cè)得的其噪聲譜幅度并非如無(wú)指向性聲源的都相同和可以任意選取測(cè)試方位，而實(shí)際上在不同方位角度上測(cè)得的譜幅度是可能存在差異的，必須予以注意，這就要求我們?cè)趯?shí)際噪聲測(cè)試中需要根據(jù)目標(biāo)聲源性質(zhì)及其輻射聲場(chǎng)的在不同空間方位角度上的可能分布形式等，研究并建立一套合理全面的測(cè)試及分析方法，以保證測(cè)試結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。

圖3 接收距離相等時(shí)目標(biāo)聲源與接收平臺(tái)相對(duì)空間位置示意圖

圖4 接收距離相等且目標(biāo)聲源與場(chǎng)點(diǎn)共面時(shí)不同方位噪聲幅度的相對(duì)分布

2.2 仿真算例（二）：接收角度與距離共同影響

根據(jù)航行狀態(tài)噪聲測(cè)試基本原理，針對(duì)空間分布及接收距離對(duì)噪聲線譜幅度共同影響的仿真條件如下：噪聲頻率f：0.01kHz和10kHz；偶極子聲源的兩單極子聲源間距d：0.25m；接收?qǐng)鳇c(diǎn)共線，接收距離范圍rSR：0.05～10km。目標(biāo)聲源（或等效聲中心）不在接收點(diǎn)連線上，類比于艦艇航行狀態(tài)下正橫通過(guò)接收點(diǎn)，在此條件下比較和討論空間分布及接收距離對(duì)目標(biāo)聲源輻射噪聲線譜幅度的共同影響及其基本規(guī)律。

圖5 接收?qǐng)鳇c(diǎn)共線、但與偶極子目標(biāo)聲源等效聲中心非共線時(shí)目標(biāo)聲源與接收平臺(tái)相對(duì)空間位置示意圖

圖6 接收?qǐng)鳇c(diǎn)共線、但與單極子目標(biāo)聲源非共線時(shí)其與接收平臺(tái)相對(duì)空間位置示意圖

圖7為接收?qǐng)鳇c(diǎn)共線、但與偶極子目標(biāo)聲源等效聲中心非共線的條件下，聲軸與接收?qǐng)鳇c(diǎn)所在直線呈不同角度時(shí)，不同方位角度的接收距離及輻射噪聲的相對(duì)幅度比較的典型結(jié)果，圖8則為接收?qǐng)鳇c(diǎn)共線、但與單極子目標(biāo)聲源非共線時(shí)不同方位角度的接收距離及輻射噪聲的相對(duì)幅度的典型結(jié)果。由圖4可知，對(duì)于偶極子目標(biāo)聲源而言，當(dāng)接收?qǐng)鳇c(diǎn)所在直線與其聲軸呈不同角度時(shí)，在不同的方位角度，同時(shí)相應(yīng)的接收距離也不相同，其輻射噪聲（即通過(guò)特性）的相對(duì)幅度差異較大，只要接收?qǐng)鳇c(diǎn)所在直線與聲軸非垂直（即φ≠90°），就均存在兩個(gè)極值點(diǎn)，尤其是在φ=0°時(shí)其通過(guò)特性則呈左右對(duì)稱分布，這些在與同種條件下單極子聲源的通過(guò)特性完全不同（如圖5所示），只有在接收?qǐng)鳇c(diǎn)所在直線與聲軸垂直（即φ＝90°）時(shí)，偶極子聲源輻射噪聲的通過(guò)特性才與單極子聲源的基本相似，以上兩者的異同點(diǎn)主要是由偶極子聲源的空間分布特性和接收距離共同引起的，這也同時(shí)說(shuō)明目標(biāo)聲源的空間分布特性對(duì)噪聲線譜幅度穩(wěn)定性的影響，不可忽視。

圖7 接收?qǐng)鳇c(diǎn)共線、但與偶極子目標(biāo)聲源等效聲中心非共線時(shí)不同方位角度的接收距離及輻射噪聲的相對(duì)幅度

圖8 接收?qǐng)鳇c(diǎn)共線、但與單極子目標(biāo)聲源非共線時(shí)不同方位角度的接收距離及輻射噪聲的相對(duì)幅度

3.結(jié)論

本文以空間分布對(duì)輻射噪聲線譜幅度穩(wěn)定性影響為主要研究對(duì)象，開(kāi)展了相關(guān)的理論建模及仿真研究，建立了以偶極子聲源、無(wú)界海洋聲環(huán)境（即自由場(chǎng)）和理想接收濕端等為主要條件及假設(shè)的影響評(píng)估模型；并以水下噪聲測(cè)試的常規(guī)原理為依據(jù)，開(kāi)展了空間分布特性及接收距離對(duì)線譜幅度穩(wěn)定性影響的典型算例仿真研究，指出了空間分布對(duì)噪聲線譜幅度穩(wěn)定性影響的重要性。這些對(duì)于指導(dǎo)實(shí)際噪聲測(cè)試及數(shù)據(jù)處理分析等工作具有重要意義，也為基于艦船輻射噪聲線譜的目標(biāo)檢測(cè)、特征提取和分類識(shí)別等提供了物理依據(jù)和技術(shù)支撐。

[1]杜功煥，朱哲民，龔秀芬 著.聲學(xué)基礎(chǔ)（第二版）.南京：南京大學(xué)出版社，2001.3：308～312

[2][美]D.羅斯 著.《水下噪聲原理》翻譯組 譯.關(guān)定華 校.水下噪聲原理.北京：海洋出版社，1983.1：83～84

[3][美]R.J.尤立克 著.洪 申 譯.水聲原理（第三版）.哈爾濱：哈爾濱船舶工程學(xué)院出版社，1990.2：79～161

[4]王之程，陳宗岐，于沨，劉文帥 編著.艦船噪聲測(cè)量與分析.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004.1：122～187

Simulated Research on Stability of Line-Spectrum affect by Space Distribution

Yang Xue-meng, Llu Yan-sen, Du Peng Science and Technology on Underwater Test and Control Laboratory, Dalian, 116013 ,China

Based on the general principles of underwater noise measurement, assessment model base on a dipole source,free field and the ideal receiver was build in this paper.Simulated research on stability of Line-Spectrum affect by space distribution and receive distance were Analyzed.These researched results are very important to the underwater noise measurement and data processing.

O427.5

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.24.017