一種典型艦船輻射噪聲模擬新算法

李 帥，張 俊，林開泉

(中國人民解放軍91388部隊，廣東 湛江 524022)

一種典型艦船輻射噪聲模擬新算法

李 帥，張 俊，林開泉

(中國人民解放軍91388部隊，廣東 湛江 524022)

基于艦船聲特性模擬在仿真實驗、模擬訓(xùn)練、聲學(xué)系統(tǒng)測評、艦船指揮系統(tǒng)方案論證以及在水聲對抗中誘騙魚雷和聲吶等方面的廣泛應(yīng)用，針對現(xiàn)有艦船聲特性模擬中常用的特定頻率響應(yīng)濾波器參數(shù)計算與設(shè)置復(fù)雜等問題，在分析和研究艦船聲學(xué)特征的基礎(chǔ)上，分別得出其線譜、連續(xù)譜的數(shù)學(xué)模型。通過頻域函數(shù)擬合，設(shè)計一種響應(yīng)頻率與幅度可調(diào)且易于實現(xiàn)的FIR低通濾波器，實現(xiàn)對艦船輻射噪聲的仿真模擬，并通過與實測艦船輻射噪聲聲特性的對比，驗證仿真方法的有效性。

艦船輻射噪聲；擬合函數(shù)；仿真；實測

0 引 言

艦船輻射噪聲作為艦船隱蔽性能的主要指標，對艦船武備性能及生存能力影響重大，其聲特征的仿真模擬是水聲軟對抗中聲誘餌的核心技術(shù)。艦船聲特征模擬仿真主要是在分析和研究艦船聲學(xué)特征的基礎(chǔ)上，對其聲特征進行逼真的模擬，用于仿真實驗、模擬訓(xùn)練、艦船指揮系統(tǒng)方案論證、聲學(xué)系統(tǒng)測評以及在水聲對抗中誘騙魚雷和聲吶等方面[1-2]。因而，艦船聲特征的模擬仿真不僅具有重大的現(xiàn)實意義與作戰(zhàn)意義，還具有很大的經(jīng)濟效益。

1 艦船輻射噪聲聲特性分析

大量艦船輻射噪聲測量資料的分析研究表明，機械噪聲、螺旋槳噪聲及水動力噪聲是艦船輻射噪聲源的三大主要類型。一般情況下，螺旋槳出現(xiàn)空化時，便會成為主要的噪聲源，尤其在高頻部分。而低速航行時，機械噪聲是主要噪聲源[3]。艦船輻射噪聲在相當寬的范圍內(nèi)是非連續(xù)譜單頻噪聲與連續(xù)譜噪聲組成的混合噪聲，艦船輻射噪聲的線譜多分布在1 000 Hz以下的低頻段，反映噪聲周期性部分能量的分布情況，由于不同的艦船具有不同的線譜幅值與頻率，因而線譜也是艦船類型的主要識別標志。艦船的輻射噪聲還具有方向性，通常其首尾的聲輻射相對較弱。大量測量資料的研究分析表明，不同類型艦船的輻射噪聲具有形狀基本類似的頻譜圖，其中連續(xù)譜體現(xiàn)了噪聲中隨機部分的能量分布情況，且連續(xù)譜存在一個100～1 000 Hz的峰值，具體頻率隨艦船類型不同而異，在該頻率以下頻段內(nèi)，頻譜以約6～12 dB每倍頻程的斜率上升，輻射噪聲能量主要集中在這一部分；在該頻率以上頻段內(nèi)，則以約6 dB每倍頻程的斜率下降[1]。

2 艦船輻射噪聲模型與仿真

被動目標分類識別設(shè)備主要通過分析輻射噪聲中頻率成分、各頻率的能量比重、各頻率相互關(guān)系等來進行分類識別。依據(jù)以上對艦船輻射噪聲的聲特性分析，文中假設(shè)與線譜分量相對應(yīng)的時域信號都是相位隨機的正弦信號，然后分別得出線譜及連續(xù)譜的數(shù)學(xué)模型，并實現(xiàn)艦船輻射噪聲的典型聲學(xué)特征模擬。

2.1 線譜分量模型與仿真

線譜獨有的能量穩(wěn)定集中的特點使其具有較高的可檢測性，其檢測、跟蹤與識別技術(shù)在聲吶應(yīng)用中意義重大，通過對其包含頻率信息的分析，可以實現(xiàn)目標參數(shù)的估計及目標類型的識別。因而，線譜的產(chǎn)生機理、標準和判定準則及其特征提取等都已經(jīng)有了深入的研究。

機械噪聲中產(chǎn)生線譜的3種聲源都是周期性振動源，因而其線譜可用周期信號模擬[4-5]。

(1)

式中：N為線譜條數(shù)；Ak，fk和φk分別為第k條線譜對應(yīng)的幅度、頻率、隨機相位。

各參數(shù)設(shè)定方法如下：

1)100 Hz以下設(shè)定其頻率fk=m·n·s。式中m，n，s分別為諧波次數(shù)、螺旋槳葉片數(shù)及螺旋槳轉(zhuǎn)速r/s。該部分與螺旋槳轉(zhuǎn)速及葉片數(shù)直接相關(guān)。

2)100～1 000 Hz的線譜因船型而異，通常與航速關(guān)系不明顯?？筛鶕?jù)具體情況設(shè)置k個模擬頻率。

3)線譜一般超出連續(xù)譜約10～25 dB。

圖1和圖2分別為用上述方法仿真得到的線譜時域信號、頻域信號仿真圖。

圖1 線譜時域信號仿真圖Fig.1 Line spectrum in time field

圖2 線譜頻域信號仿真圖Fig.2 Line spectrum in frequency field

2.2 連續(xù)譜分量模型與仿真

寬帶平穩(wěn)隨機過程可以用來擬合連續(xù)譜噪聲，通過設(shè)計的滿足噪聲頻譜特性要求的FIR低通濾波器對高斯白噪聲進行濾波，即可實現(xiàn)連續(xù)譜分量的模擬。首先采用Box-Muller方法得到足夠真實的長周期高斯白噪聲隨機序列，設(shè)β1和β2為服從N(0，1)的相互獨立的隨機數(shù)[6]，則

n=(-2lnβ1)1/2cos2πβ2，

(2)

為服從N(0，1)分布、具有純白功率譜且其幅值服從高斯分布的隨機數(shù)。

為了得到滿足噪聲頻譜特性要求的FIR低通濾波器，可采用分段函數(shù)模擬艦船輻射噪聲的連續(xù)譜函數(shù)[1]，即

(3)

式中：f為頻率；A1和A2為折線的斜率；fn1和fn2為折線的拐點頻率；SP0為輻射噪聲譜級。

然后通過以下設(shè)計步驟即可得到滿足噪聲頻譜特性要求的FIR低通濾波器：

1)設(shè)計一個截止頻率為fL，采樣頻率為fs，脈沖函數(shù)為H(n)的n階低通濾波器，其幅相響應(yīng)如圖3所示，其中fL根據(jù)艦船輻射噪聲的帶寬范圍適當選取。

圖3 一般低通FIR濾波器幅相特性曲線Fig.3 Amplitude and phase curves of common low-pass FIR filter

2)對步驟1中所設(shè)計的低通濾波器進行傅立葉變換得其幅頻函數(shù)

H(f)=F[H(n)]。

(4)

(5)

將改造函數(shù)與幅頻函數(shù)H(f)相乘，即可得滿足噪聲頻譜特性的濾波器幅頻函數(shù)

Hzs(f)=H_gz(f)×H(f)。

(6)

3)對改造后的幅頻曲線函數(shù)Hzs(f)取反傅立葉變換，得

H′(n)=F-1[Hzs(f)]。

(7)

即可得到滿足噪聲頻譜特性的FIR低通濾波器，其幅相曲線如圖4所示。

用設(shè)計好的FIR低通濾波器對高斯白噪聲進行濾波就可得到所要求的具有特定功率譜形狀的連續(xù)譜分量，艦船輻射噪聲的連續(xù)譜分量仿真信號的功率譜如圖5所示。

圖4 滿足條件的FIR低通濾波器幅相特性曲線Fig.4 Amplitude and phase curves of the demanded low-pass FIR filter

圖5 連續(xù)譜仿真曲線Fig.5 Continuous spectrum simulation

2.3 艦船輻射噪聲的合成

艦船輻射噪聲的時域數(shù)學(xué)模型為[8]：

S(nTs)=[1+a(nTs)]Gc(nTs)+Gl(nTs)。

(9)

式中：a(nTs)為調(diào)制函數(shù)，其幅度比較小，通過對輻射噪聲的濾波、檢波和譜分析得到，主要由螺旋槳的葉片頻、軸頻及倍頻等組成；Gc(nTs)，Gl(nTs)分別為連續(xù)譜分量和線譜分量對應(yīng)的時域波形。

圖6 艦船輻射噪聲頻域信號的仿真曲線Fig.6 Simulation of ship-radiated noise in frequency field

圖7 某艦船輻射噪聲頻域信號的實測曲線Fig.7 Ship-radiated noise of certain ship in frequency field

圖6為用本文所設(shè)計的方法得到的艦船輻射噪聲頻域信號的仿真曲線。圖7為實測的某艦船某工況下的輻射噪聲頻域信號曲線。由于實際測量噪聲時使用了200 Hz～200 kHz的帶寬濾波器，因而實測曲線中200 Hz以下的曲線不具有參考價值。但從曲線可以看出，該模擬方法很好地再現(xiàn)了海洋環(huán)境噪聲及艦船輻射噪聲的典型聲學(xué)特征，得到的仿真結(jié)果與前文所提到的變化規(guī)律一致，也與實際測量的曲線相似。而在實際應(yīng)用中，某些目標輻射噪聲的譜級隨頻率變化的規(guī)律可能有所不同，但其濾波器的設(shè)計方法與文中相同，只需根據(jù)要求改變改造函數(shù)即可，同時可以根據(jù)具體的艦船信息，在仿真噪聲中用式(1)加入相應(yīng)的諧波分量。

3 結(jié) 語

艦船輻射噪聲的逼真模擬在仿真實驗、模擬訓(xùn)練、艦船指揮系統(tǒng)方案論證、聲學(xué)系統(tǒng)測評以及在水聲對抗中誘騙魚雷和聲吶等方面都具有重要的應(yīng)用?？紤]到艦船輻射噪聲中的概率分布、多途時延及混沌特性等諸多問題，難以給出其精確的特征模型。本文基于以往艦船輻射噪聲的研究成果，結(jié)合對艦船噪聲產(chǎn)生機理、頻譜結(jié)構(gòu)和基本特性的分析，給出一種新的艦船輻射噪聲典型特征的模擬方法，

不僅很好地再現(xiàn)了艦船輻射噪聲的典型聲學(xué)特征，且具有很強的實用性和靈活性。

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New simulation algorithm of typical ship-radiated noise

LI Shuai，ZHANG Jun，LIN Kai-quan

(No.91388 Unit of PLA，Zhanjiang 524022，China)

The simulation of ship-radiated noise is widely used in the domains such as program demonstration of ship command system，simulation training，acoustic system evaluation，as well as decoying torpedoes and sonar in the underwater acoustic warfare．While，the parameters calculated and set of common FIR filter with specific frequency response are complex.Based on analyzing the acoustic characteristics of ship-radiated noise，the line spectrum and continuous spectrum are modeled.Then a FIR filter with adjustable frequency and margin response，which has the advantage of easy engineering implementation，is designed to implement the simulation of ship-radiated noise．Finally，some simulation and experimental results as well as analysis of the algorithm are also presented to verify the validity of the theoretical results and simulation algorithm.

ship-radiated noise；fitting function；simulation；measured

2013-01-16；

2013-04-18

李帥(1986-),男，碩士，助理工程師,研究方向為水聲信號處理。

TB533

A

1672-7649(2014)03-0046-04

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.03.009