海底反射對聲全息測試精度的影響研究*

豐少偉 張 晶 楊云生

(海軍工程大學科研部 武漢 430033)

海底反射對聲全息測試精度的影響研究*

豐少偉 張 晶 楊云生

(海軍工程大學科研部 武漢 430033)

針對聲全息技術在實艇測試中存在的海底聲反射問題，結合鏡像法和半空間聲全息理論，通過仿真計算，研究了某海區海底聲反射對聲全息測試結果的影響.結果表明，海底吸聲量越大、測試精度和聲源頻率越高，則測試誤差越大.

水聲測試；半空間；海底反射；誤差分析

0 引 言

聲全息技術(NAH)最先是由Williams等[1-2]提出并應用到潛艇輻射噪聲測試中的.由于造價相對低廉且有著較高的測試精度，澳大利亞防御科學和技術組織與美國海軍水下技術中心聯合開展了潛艇系泊狀態下的近場聲全息測試，測量結果與一個價值2億5千萬美元的測量系統相比，測量誤差僅在2 dB以內，圖1為當時試驗時的情景.

圖1 美國與澳大利亞聯合研制的聲全息測試系統

潛艇輻射噪聲測試對于海洋環境的要求極高，因此測試工作的選址十分重要.文獻[3-5]總結出試驗場應選擇在有較好且穩定的氣象條件的遮蔽性海域，并且水域較寬闊，水深能夠滿足測試要求.美國現有3個主要的水聲試驗場，分別為大西洋水下測試及評估中心、東南阿拉斯加水聲試驗場、本德奧瑞湖無人潛艇水下試驗場，這些試驗場水文環境好、外界干擾少，十分適合于開展潛艇的輻射噪聲測試工作.但是我國由于海洋自然環境受限，碼頭或港口附近的海水較淺，海底聲反射對于測試精度必然會有影響；此外，我國在海洋環境下開展聲全息測試工作的經驗很少，鮮有研究工作可以參考，因此，為了推進聲全息技術在潛艇輻射噪聲測試中的應用，有必要在理論上分析研究海底聲反射對于聲全息測試精度的影響，從而提高潛艇輻射噪聲的測試精度.

文中結合鏡像法和半空間聲全息理論[6-8]，在海水較淺、聲源離海底較近的條件下，通過仿真計算研究了海底反射對聲全息測試結果的影響，這對試驗場地的選址及制定最優測試方案具有重要的工程意義.

1 半空間法聲全息理論研究

平面近場聲全息的適用范圍為自由場空間，而在海水較淺且聲源離海底較近時，聲波會在海底的分界面上發生反射，也就是說聲源的傳播并非在自由場空間，而是在一個半空間條件下，系統接收的聲源信號是直達聲和鏡面反射聲的合成.在這樣的測量環境下，就不能簡單地運用近場聲全息理論對聲場進行分析.

1.1 鏡像法計算半自由空間內聲場分布

在自由場中，聲勢函數ψ在介質中滿足如下波動方程

(1)

式中：k=ω/c.

若介質存在分界面，即半自由聲場，且分界面為全反射，則在界面上其勢函數滿足以下邊界條件

(2)

處理半空間聲場問題常用的方法是鏡像法，其原理見圖2.

圖2 鏡像法原理示意圖

S為位于介質分界面下方的實際聲源，S′為所假設的位于介質分界面上方的虛擬聲源，兩者關于界面對稱，P為介質下方空間任意測量點，其聲場為實際聲源和其對應虛擬聲源所產生的聲場的疊加.即用經過界面上的鏡面反射所得到的虛源的場來補充原有聲源的場，則合成場為

(3)

式中：Ri和Rr分別為實際聲源S和虛聲源S′到測量點P的距離.

1.2 半空間近場聲全息解決海底反射問題

半空間中所測得聲壓由直射聲壓與反射聲壓兩者疊加而成，但聲壓為標量，在全息重構預處理時難以直接分離出全息面上聲源的直射聲壓，常規的聲全息公式不能直接用來重構聲源表面信息.在分析過程時，需考慮到半空間聲場的特點.

根據鏡像原理，在處理半空間中聲全息問題時，界面特性劃分為絕對軟界面、絕對硬界面及阻抗界面4種，將測得的界面一側數據根據界面特性擴展到界面對側從而構成新的擴展全息面.擴展的全息面與原全息面關于介質分界面空間對稱，然后對擴展面與原全息面整體進行變換，變換后獲得的重構面亦關于介質分界面對稱，將重構面中虛源對應的一側去掉，僅保留實際聲源對應的部分，即獲得最終的重構結果.半空間全息變換過程見圖3.

圖3 半空間全息變換示意圖

2 算例仿真

文中針對某具體試驗海區條件開展相應的仿真驗證工作，其中水深約10 m，被測結構物的聲源位置最低約水下8 m，聲源級最低約120 dB.

仿真中不考慮海水的吸聲作用(只考慮海底吸聲)，將海底近似為平面，聲場空間近似為半自由場.仿真中使用脈動球聲源S(聲源半徑：0.1 m；聲源個數：3；聲源在離海底1 m同一高度；聲源間距：1 m；聲源源級：120 dB)，全息面距聲源面λ/3，海水密度為1 000 g/cm3，水中聲速為1 500 m/s，測量面尺寸為6 m×6 m，網格尺寸為λ/10，重建面在距離聲源λ/20處，12個仿真頻率點分別為為2，40，60，100，150，200，250，300，400，500，700，1 000 Hz.

不同海底反射條件對聲全息測試分析結果的幅度誤差和相位誤差見圖4.圖中B代表海底吸聲量.海底的吸聲量越大，測試分析結果的幅度和相位相對誤差越小.因此，在該海區條件下開展聲全息測試時要盡量選擇吸聲量較大的泥沙底(泥沙底的反射損失可達8 dB以上).此外，隨著分析頻率的提高，測試分析結果的幅度和相位相對誤差也越來越大，因此，在實際分析中應該根據試驗條件確定合理的分析頻率上限.

圖4 海底反射對重建聲壓幅度和相位的影響

圖5為自由場和反射損失為8 dB條件下重建效果的對比圖，由圖5可見，反射損失為8 dB條件下，通過聲場重建獲得的相位分布幾乎一致，幅值分布略有差異，但也可較好地重現聲源信息，基本滿足工程應用的要求.

圖5 自由場和反射損失為8 dB海底反射條件下頻率 為1 000 Hz的聲源幅值和相位分布對比

綜上所述，在設定的分析頻率低于1 000 Hz時，在該海區選擇泥沙底的位置進行聲全息測試，可以獲得較好的測試結果.

3 結 束 語

文中針對平面近場聲全息技術在實艇測試中存在的海底聲反射問題開展了相關的研究工作，結合鏡像法和半空間聲全息理論，通過仿真計算研究了某海區海底聲反射對聲全息測試結果的影響.結果表明，海底吸聲量越大、測試精度和聲源頻率越高，則測試誤差越大，對實艇聲全息試驗海區的選址及測試方案優化具有重要的工程意義.

[1]WILLIAMS E G, HOUSTON B H, BUCARO J A. Broadband near-field acoustical holography for vibrating cylinders[J]. J Acoust Soc Am，1989，85(2)：674-679．

[2]WILLIAMS E G, BRIAN H HOUSTON, PETER C HERDIC. Interior near-field acoustical holography in flight[J]. J Acoust Soc Am，2000，108(4)：1451-1463．

[3]劉興章.美國潛艇水聲試驗現狀及啟示[J].艦船科學技術，2011，33(2)：140-143．

[4]王大海,劉興章.美國大西洋水下測試評估中心測量設施分析[J].艦船科學技術，2011，33(10)：140-143．

[5]邱衛海,劉文帥,王秀波,等．國外艦船噪聲測試技術[J].艦船科學技術，2011，33(4)：147-150．

[6]張若愚.半空間柱面聲全息及可視化[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2009．

[7]劉麗華.半空間聲全息法水下噪聲源識別技術研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2008．

[8]陳心昭,畢傳興,李衛兵,等．基于分布源邊界點法的新型近場聲全息技術[J].合肥工業大學學報(自然科學版),2005,28(9):961-966.

Effects of Seabed Reflection on Acoustic Holographic Test Accuracy

FENG Shaowei ZHANG Jing YANG Yunsheng

(OfficeofScientificResearch,NavalUniversityofEngineering,Wuhan430033,China)

The relevant research wok is carried out on the seabed sound reflection which has influence on the result of real-boat tests based on the acoustic holographic technology. The effect of seabed reflection on underwater acoustic test is analyzed through simulating the sound field of free field and semi-free field. The result shows that higher underwater sound absorbing, test accuracy and sound resource frequency would result in bigger test errors.

acoustic test; half-space; seabed reflection; error analysis

2016-11-16

*湖北省自然科學基金項目資助(2013CFB436)

O322

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.01.024

豐少偉(1975—)：男，碩士，高級工程師，主要研究領域為海軍裝備保障