高頻輻射噪聲近程傳播特性研究

趙 軍, 吳笛霄

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高頻輻射噪聲近程傳播特性研究

趙 軍, 吳笛霄

(海軍工程大學 兵器工程系，湖北 武漢, 430033)

針對近程反魚雷武器系統(tǒng)建設(shè)問題, 研究了魚雷高頻輻射噪聲的近場傳播特性。采用小斜率近似(SSA)方法研究了粗糙海面的聲散射特性, 給出了具有高斯分布粗糙海面的2階～4階SSA雙站散射系數(shù)計算公式, 討論了2階SSA雙站散射系數(shù)隨海面粗糙度及入射角度不同的變化規(guī)律。并利用SSA雙站散射系數(shù)計算了水下高頻輻射噪聲散射聲場。仿真結(jié)果表明, 粗糙海面的散射效應對高頻輻射噪聲傳播產(chǎn)生較大影響, 在研究聲源/接收器位于近海面的高頻輻射噪聲傳播特性時, 應充分考慮海面的散射效應。本文的研究為分析淺海目標聲散射特性時, 是否需要考慮海面(海底)所引起的多途效應提供了理論依據(jù)。

反魚雷武器系統(tǒng); 海面聲散射效應; 雙站散射系數(shù); 小斜率近似(SSA); 粗糙界面

0 引言

現(xiàn)代魚雷隨著向大航程、低噪聲及高智能化的不斷發(fā)展, 其突防能力與命中精度也大大提高, 同時其水下爆炸產(chǎn)生的遠大于反艦導彈的破壞威力, 也使其日益成為水面艦艇的巨大威脅。相對于成熟的水面近程反導系統(tǒng), 建立水下近程反魚雷系統(tǒng)非常必要, 因此對魚雷系統(tǒng)的近程聲場特性尤其是輻射噪聲信號的研究具有重要的意義。

在魚雷輻射噪聲的頻譜構(gòu)成中, 由于魚雷螺旋槳空化產(chǎn)生的連續(xù)譜分量在高頻部分(≥50 kHz)有大量分布。魚雷在攻擊水面艦艇時, 在末段會減小航行深度, 隨著海水壓力的減小, 更加劇了空化現(xiàn)象的發(fā)生。同時在較高頻段海洋環(huán)境的背景噪聲級更低, 因此對魚雷輻射噪聲高頻分量的研究, 有利于對魚雷輻射噪聲場的特征提取, 從而采取有效的反魚雷措施。

魚雷的近程輻射噪聲傳播路徑見圖1。由于接近海面, 接收器接收的輻射噪聲除直達聲還會受到海面反射和散射的影響。本文通過研究粗糙海面的聲散射問題, 驗證了在研究近海面高頻輻射噪聲傳播特性時, 充分考慮海面散射效應的必要性。

圖1 輻射噪聲傳播路徑

1 界面散射特性

式中:=2p/表示波數(shù),是波長;是粗糙表面偏離其平均高度的均方根位移;是相對于水平面的掠射角。

當<<1時, 聲學上可以認為海面是平滑的, 聲能量主要部分作為相干波沿鏡反射方向傳播; 當>>1[U2] 時, 在聲學上認為海面是粗糙的, 即聲能量主要被散射到比較寬的角度范圍內(nèi)。文獻[2]中對海面反射系數(shù)的研究也表明, 只有當聲波波長與起伏波浪高度可比擬時才有明顯的鏡反射, 隨著海面粗糙度提高, 鏡反射幾乎消失。

目前常用的計算粗糙面散射問題的方法主要有微擾法、基爾霍夫近似法、積分方程法及小斜率近似(small slope approximation, SSA)方法等[3-4]。微擾法基于瑞利假設(shè), 適用于小粗糙度的表面, 基爾霍夫近似法基于切平面近似, 是從幾何光學的角度研究散射, 適用于大粗糙度表面; 積分方程法計算精度高, 但計算過程復雜, 通常作為其他計算方法精確性的檢驗標準。SSA方法是國外近年發(fā)展起來的處理粗糙面散射問題的方法, 并已在處理粗糙面電磁散射問題上得到與試驗值吻合的結(jié)果[5-6], 即使在小掠射角條件下, 計算結(jié)果也比經(jīng)典計算方法更有效[7]。SSA方法的優(yōu)勢是應用范圍廣泛, 適用于任意波長、高度起伏的粗糙表面, 本文就是利用SSA研究粗糙海面的散射。

2 SSA方法的海面散射系數(shù)

對于狄利克雷邊界條件, 矩陣與界面總聲場的法向?qū)?shù)間滿足

傳遞矩陣可用小斜率近似序列表示為=0+1+2+…,其中低階的前兩項可表示為

式中:=k-=(v,v);v=k-k;v=k-k;1+i= [2-(1+k)2]1/2;-1= [2-(k-1)2]1/2;()是界面函數(shù)()的傅立葉變換。

于是得

其中

3 海面散射強度計算

3.1 海面粗糙譜

()為海面偏離平衡位置的位移, 若把海面的偏移分量表示為很多具有隨機相位的獨立分量之和, 那么根據(jù)中心極限定理,()可以認為是高斯型的, 其譜函數(shù)可表示為

所以, 歸一化的起伏海面自相關(guān)函數(shù)()

其中:為粗糙海面的起伏高度均方根;為表面的相關(guān)長度。

3.2 噪聲場計算

散射系數(shù)和散射強度都是表征散射強弱的物理量, 假定散射聲均勻分布在一半球面上, 則散射系數(shù)與散射強度的關(guān)系可表示為[10]

式中:0為聲源強度;S=10 lg為散射強度;1為聲源到散射點的距離;2為散射點到接收器的距離。

那么總的輻射噪聲場強度總為直達入射噪聲強度P和散射噪聲強度P之和

總=P+P(18)

4 仿真計算

圖3 入射角qi = 45°時不同粗糙度下的散射系數(shù)

圖4中為高粗糙度(均方根斜率為=0.707)情況下, 不同入射角時的散射系數(shù)分布, 圖中可以看出, 隨著入射角的增大, 散射系數(shù)減小, 但是在很大角度范圍內(nèi)(≤80°), 散射系數(shù)數(shù)值比較穩(wěn)定, 也就是在高粗糙度條件下, 入射到海面的聲能量近似向各個方向均勻散射。

圖4 不同入射角時的散射系數(shù)

根據(jù)文獻[1]給出的關(guān)于散射指向性經(jīng)驗公式, 對于高粗糙度的海面, 其散射系數(shù)隨方位角增大僅有小幅變化, 因此為簡化計算過程采用1D界面下的雙基地散射系數(shù)代替2D表面散射系數(shù)。圖5是考慮海面散射時計算的輻射噪聲場聲強, 并與球面擴展進行比較, 其中聲源與接收器分別位于海面下18 m，25 m。圖中可以看出, 由于海面散射的原因, 接收的信號強度隨距離的變化規(guī)律明顯不同于球面擴展規(guī)律。聲源與接收器深度越小, 海面散射的影響越劇烈。在水深30 m時, 距離120 m處聲強相差1.6 dB; 而當水深降至18 m, 在60 m距離處聲強差已達到1.9 dB, 在120 m距離處達到2.4 dB。

圖5 近場時海面散射對聲強的影響

5 結(jié)束語

本文分析了具有高斯分布起伏海面的聲散射特性, 利用SSA方法推導了1D界面下海面的雙站散射系數(shù), 討論了2階SSA散射系數(shù)隨海面粗糙度及入射角度不同的變化規(guī)律, 結(jié)果表明，高粗糙度海面聲散射效應明顯, 且在較大的角度范圍內(nèi)散射系數(shù)較為穩(wěn)定。利用SSA雙站散射系數(shù)計算了水下高頻輻射噪聲的散射聲場, 結(jié)果表明, 粗糙海面的散射效應對高頻輻射噪聲傳播產(chǎn)生較大影響, 在計算近海面聲場傳播特性時, 比如利用輻射噪聲場強度進行單基元測距等應充分考慮海面的散射效應。

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Propagation Property of Short Range High-frequency Radiated Noise Considering Sea Surface Scattering Effect

ZHAO Jun1, WU Di-xiao1, CHEN Shui-quan2

(Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Aiming at the urgent demand of constructing short range anti-torpedo system, we investigate the propagation property of torpedo′s near-field high-frequency radiated noise. We analyze the acoustic scattering properties of rough sea surface using the small slope approximation(SSA), give the expression of second-order to fourth-order SSA bistatic scattering coefficient for the rough sea surface with Gaussian distribution, and discuss the variation law of second-order SSA bistatic scattering coefficient with different sea surface roughness and incidence angle. The scattering field of underwater high-frequency radiated noise is calculated by using the SSA bistatic scattering coefficient. Simulation result shows that the scattering effect of sea surface should be considered in studying the propagation property of high- frequency radiated noise with source/receiver near sea surface.

anti-torpedo weapon system; sea surface acoustic scattering effect; bistatic scattering coefficient; small slope approximation(SSA); rough surface

TJ630.34

A

1673-1948(2012)02-0107-04

2011-05-25;

2011-08-16.

趙軍(1967-), 男, 碩士, 副教授, 研究方向為水下航行器總體技術(shù).

(責任編輯: 楊力軍)