基于聲散射模型的魚雷自噪聲特性分析及仿真預報

徐園園, 王明洲, 蔣繼軍, 李斌

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基于聲散射模型的魚雷自噪聲特性分析及仿真預報

徐園園1, 2, 王明洲1, 2, 蔣繼軍1, 2, 李斌1

(1. 中國船舶重工集團公司 第705研究所, 陜西 西安, 710075; 2. 水下信息與控制重點實驗室, 陜西 西安, 710075)

針對水下高速航行時魚雷的主要自噪聲源——螺旋槳噪聲, 分析了其通過散射傳播形成的自噪聲, 以水下聲散射理論為依據, 在忽略雷長情況下建立了簡化的自噪聲場物理模型, 計算了自噪聲平均強度級, 分析了魚雷輻射噪聲級(螺旋槳噪聲形成的輻射噪聲)、聲吸收系數、散射系數、航深等參數對自噪聲的影響。仿真結果表明, 變化規律與經驗數據吻合, 證明了該模型的正確性和有效性。

魚雷; 自噪聲; 聲學散射; 自噪聲仿真預報

0 引言

對于自導魚雷, 其信號處理的性能與聲納基陣接收數據的信噪比有關, 即隨著信噪比的下降而降低。因此, 自噪聲的預報與研究對魚雷的聲自導作用距離、探測精度等有著重要作用。

魚雷自噪聲的來源主要有機械噪聲、螺旋槳噪聲及流噪聲。其中, 在低速、海況級別高的情況下, 機械噪聲占主要地位。在中速時, 流噪聲是主導噪聲[1]。航速超過20 kn的情況下, 雖然流噪聲隨航速的增大而增加, 但螺旋槳噪聲開始占主導地位。且在千赫茲頻段上螺旋槳空化噪聲將是主要噪聲源[2]。本文研究了高頻段、高航速條件下螺旋槳噪聲通過聲散射形成的魚雷航行自噪聲強度。

1 水下噪聲聲散射原理

魚雷自噪聲源所產生的聲和振動, 通過不同的路徑到達魚雷頭部聲納。

圖1為螺旋槳噪聲通過海水傳播到達魚雷頭部聲納的路徑。圖中, 通過路徑海洋中的散射體反向散射螺旋槳噪聲, 引起體積散射自噪聲,為通過海面散射螺旋槳噪聲的路徑,為海底散射路徑。

圖1 螺旋槳噪聲的傳播路徑

螺旋槳噪聲通過,,這3種聲散射路徑傳播到魚雷頭部聲納而形成的自噪聲即為魚雷散射自噪聲, 這是魚雷自噪聲的一個重要組成部分。通過體積散射體反向散射的螺旋槳噪聲稱為體積散射自噪聲; 通過分布在界面上的散射體散射所形成的自噪聲稱為界面散射自噪聲。最顯著的散射界面是海面和海底。

不同于文獻[3]~[7], 本文依據文獻[2]中混響散射模型的基本理論, 推導魚雷散射自噪聲。但在混響散射模型中雜波噪聲為窄帶脈沖, 時間域上只在脈寬內有信號, 而自噪聲在時間域上連續, 任意時刻都存在噪聲信號, 直接導致了散射體元選法的差異。

假設魚雷自導為無指向性單個換能器, 換能器與螺旋槳噪聲源的距離為(雷長), 當散射路徑足夠長時,的影響可以忽略, 因此將魚雷頭部聲納視為收發同置換能器。

2 魚雷散射自噪聲模型

2.1 體積散射自噪聲理論模型

圖2 體積散射模型坐標系

圖3 體積散射體元

體積散射自噪聲預報中, 通過積分計算得換能器接收體積散射自噪聲

體積散射自噪聲級

2.2 界面散射自噪聲理論模型

1) 通過散射界面所散射的螺旋槳噪聲信號在同一時刻返回魚雷頭部聲納才能進行疊加。

界面散射自噪聲預報中, 粗糙表面對聲的散射滿足Lambert定律[1]。即界面散射系數

(9)

界面散射自噪聲級

3 仿真分析

3.1 魚雷自噪聲仿真預報

圖5 散射自噪聲強度隨傳播距離的變化規律

3.2 魚雷散射自噪聲隨參數的變化規律

改變魚雷螺旋槳輻射噪聲級、散射系數、聲吸收系數以及航行深度等參數, 進行計算機仿真, 研究體積散射、界面散射及魚雷散射自噪聲強度隨參數變化的規律。

3.2.1 散射自噪聲隨螺旋槳噪聲的變化關系

僅改變輻射噪聲級, 不同航速下輻射噪聲譜級與散射自噪聲級的關系如表1所示。

表1 散射自噪聲隨螺旋槳輻射噪聲級的變化規律

魚雷的輻射噪聲與航速有直接關系[4]。由表1可看出, 隨著航速的增加, 魚雷輻射噪聲增加, 魚雷散射自噪聲也相應增加, 且魚雷散射自噪聲與輻射噪聲成正比關系。

3.2.2 散射自噪聲隨聲吸收系數的變化規律

圖6中, (a), (b), (b), (d)分別為體積散射、海面散射、海底散射及魚雷散射自噪聲隨聲吸收系數的變化關系曲線。由于溫度、鹽度不同, 海水聲吸收系數不同, 散射體積自噪聲隨聲吸收系數的增大而減小。這是因為聲吸收系數越大, 噪聲信號在海水中的衰減越大。

圖6 散射自噪聲強度隨聲吸收系數的變化規律

3.2.3 散射自噪聲隨散射系數的變化規律

在僅改變散射系數條件下, 研究散射自噪聲與散射系數的關系[2]。

圖7 體積散射自噪聲隨體積散射系數的變化關系

2) 界面散射系數。僅改變海面或海底散射系數, 在上述條件下進行仿真, 結果分別見表2和表3。由表中數據可知, 界面散射系數越大, 散射體散射能力越強, 界面散射自噪聲級越大, 且其與散射系數成正比關系。

表2 海面散射自噪聲隨散射系數的變化規律

表3 海底散射自噪聲隨散射系數的變化規律

3.2.4 散射自噪聲隨航行深度的變化規律

圖8 體積散射自噪聲隨航行深度的變化關系

4 結束語

本文基于聲散射模型對魚雷自噪聲進行了建模, 推導出體積散射、界面散射及魚雷散射自噪聲預報公式, 仿真討論了魚雷自噪聲隨不同參數的變化規律。仿真結果表明, 該理論模型得出的魚雷自噪聲級與文獻中自噪聲級的強度測量值范圍[3]、規律一致, 證明了該理論模型的有效性, 對高頻、高航速下魚雷自噪聲的預報有實際意義。

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Characteristic Analysis and Prediction Simulation of Torpedo Self-Noise Based on Acoustic Scattering Model

XU Yuan-yuan1,2, WANG Ming-zhou1,2, JIANG Ji-jun1,2, LI Bin1

(1. The 705 Research Institution, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China; 2. Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory, Xi′an 710075, China)

Propeller noise forms the main self-noise source of a torpedo running at high speed under water by scattering propagation. According to the underwater acoustic scattering theory, a simplified self-noise field physical model is constructed by ignoring torpedo length to calculate the average intensity level of self-noise and analyze the influences of the parameters, such as the radiated noise level from torpedo propeller, the sound absorption coefficient, the scattering coefficient, and the running depth, on the self-noise. Simulation results coincide with the empirical data, indicating the validity and effectiveness of this model.

torpedo; self-noise; acoustic scattering; prediction simulation of self-noise

TJ630.1; TB56

A

1673-1948(2013)02-0105-05

2012-07-19;

2012-08-27.

徐園園(1988-), 女, 在讀碩士, 研究方向為水聲工程.

(責任編輯: 楊力軍)