水下運(yùn)載器聲學(xué)性能預(yù)估

傅曉晗 ,付學(xué)志 ,王敏慶 *

(1.西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院,陜西 西安,710072;2.中國(guó)人民解放軍92228 部隊(duì),北京,100072)

0 引言

隨著智慧海洋聲學(xué)牧場(chǎng)的發(fā)展,環(huán)境監(jiān)測(cè)、養(yǎng)殖和運(yùn)營(yíng)維保等相關(guān)領(lǐng)域?qū)λ逻\(yùn)載裝備的需求與日俱增[1]。其中,潛水員水下輔助運(yùn)載器因其靈活的操縱性能和輕巧的體積特點(diǎn)而備受關(guān)注。當(dāng)潛水員使用水下運(yùn)載器航行時(shí),運(yùn)載器內(nèi)部的推進(jìn)電機(jī)和減速器等結(jié)構(gòu)不可避免因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)偏向等原因發(fā)生振動(dòng)[2],進(jìn)而引起水下輻射噪聲[3-4]。

水下輻射噪聲對(duì)海洋生物的影響不可忽略。許多海洋哺乳動(dòng)物都依靠聲音進(jìn)行交流、空間定位和捕食[5],且能敏銳感知水下聲場(chǎng)的變化。魚(yú)類的側(cè)線器官則對(duì)低頻噪聲十分敏感[6],人為的水下噪聲會(huì)增大魚(yú)類聽(tīng)力損傷的概率,影響?zhàn)B殖魚(yú)類的繁殖、求偶等行為[7-8],進(jìn)而降低海洋漁業(yè)捕撈的效益。

在真實(shí)的海洋環(huán)境中,人工聲學(xué)系統(tǒng)和自然聲學(xué)系統(tǒng)往往同時(shí)存在,相互制約。美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局在“持續(xù)水生生物傳感器(persistent aquatic living sensors,PALS)”項(xiàng)目中提出利用魚(yú)類側(cè)線器官對(duì)低頻噪聲較為敏感的特點(diǎn)來(lái)監(jiān)測(cè)水下環(huán)境。由于運(yùn)載器輻射噪聲的低頻聲波能量不易被海水吸收,將側(cè)線作為一種生物傳感器,利用魚(yú)群快速逃離等行為也可預(yù)判附近是否存在運(yùn)載器。為避免上述情況發(fā)生,應(yīng)使運(yùn)載器與魚(yú)類始終保持一定距離。借鑒水下裝備安全半徑[9]的概念,將運(yùn)載器與魚(yú)類之間最理想的距離定義為安全工作半徑,此時(shí)運(yùn)載器執(zhí)行水下任務(wù)而不被魚(yú)類感知,在安全工作半徑之外運(yùn)載器則不影響魚(yú)類的正常活動(dòng)。

運(yùn)載器的聲學(xué)性能決定了其在工作過(guò)程中的自輻射噪聲水平。由于運(yùn)載器內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜,其輻射噪聲往往在空間具有不規(guī)則的指向性,運(yùn)載器與魚(yú)群的相對(duì)位置不同時(shí),其輻射噪聲對(duì)魚(yú)類產(chǎn)生的影響也有所差異。鄧博文等[10]以水下加肋圓柱殼為簡(jiǎn)化模型,針對(duì)運(yùn)載器尾部結(jié)構(gòu)的聲振特性開(kāi)展了仿真分析并計(jì)算了橫向和垂向的聲輻射指向性。楊忠超等[11]研究發(fā)現(xiàn)軸系結(jié)構(gòu)受不同方向激勵(lì)時(shí),輻射聲壓會(huì)影響運(yùn)載器頭部的振動(dòng)分布及聲輻射效果。張卿冕等[12]計(jì)算了運(yùn)載器在3 種來(lái)流速度工況下軸向輻射噪聲的變化規(guī)律。為降低運(yùn)載器對(duì)海洋環(huán)境的影響,針對(duì)水下運(yùn)載器局部結(jié)構(gòu)的聲輻射特性[13-14]及降噪方案[15-16]的研究已有很多,但少有研究將運(yùn)載器的聲學(xué)性能與水下生物聯(lián)系起來(lái),量化運(yùn)載器的安全工作區(qū)域。當(dāng)潛水員利用水下運(yùn)載器接近水下生物執(zhí)行水下任務(wù),過(guò)大的噪聲會(huì)使生物感知發(fā)生逃逸[17]。基于此,文中建立了水下運(yùn)載器安全工作半徑計(jì)算模型,仿真分析了運(yùn)載器的空間聲輻射指向性,以2 種商用水下運(yùn)載器為測(cè)試對(duì)象,設(shè)計(jì)試驗(yàn)測(cè)量運(yùn)載器的水下輻射噪聲,根據(jù)輻射噪聲的頻譜特性計(jì)算運(yùn)載器的安全工作半徑,以評(píng)估運(yùn)載器的聲學(xué)性能。

1 水下運(yùn)載器安全工作半徑計(jì)算模型

以被動(dòng)聲吶為例,建立水下運(yùn)載器安全工作半徑計(jì)算模型。被動(dòng)聲吶僅考慮單程噪聲傳播,聲吶方程為[18]

式中:SL為運(yùn)載器的聲源級(jí);TL為噪聲在水下傳播過(guò)程中的傳播損失;NL為環(huán)境噪聲級(jí);DI為探測(cè)聲吶的指向性指數(shù);DT為檢測(cè)閾。指向性指數(shù)DI和檢測(cè)閾DT與聲吶本身的性能參數(shù)有關(guān)。

對(duì)于商用水下運(yùn)載器,其聲源級(jí)SL可通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得,由此得到傳播損失為

水下聲能量的傳播損失與擴(kuò)展損失、吸收損失和邊界損失有關(guān)。由Marsh-Schulkin 模型,根據(jù)探測(cè)距離R的不同,分別以球面模型、球面-柱面模型和柱面模型對(duì)聲能量的傳播損失進(jìn)行描述[19]

吸收系數(shù)主要與聲波的頻率有關(guān)。如圖1 所示,吸聲系數(shù)隨聲波頻率增加而增加,即高頻聲波在傳播過(guò)程中會(huì)損耗更多能量。

圖1 聲波吸收系數(shù)隨頻率變化曲線Fig.1 Curve of acoustic absorption coefficient versus frequencies

式(3)～(5)中等式右端第1 項(xiàng)為擴(kuò)展損失,第2 項(xiàng)為吸收損失,與噪聲頻率和傳播距離有關(guān),其余項(xiàng)為邊界損失。為簡(jiǎn)化起見(jiàn),下面忽略邊界損失[18],僅考慮擴(kuò)展損失和吸收損失[21]。在已知運(yùn)載器噪聲輻射頻譜特性的前提下,由式(2)得到不同頻率聲波在海水中的傳播損失,從而計(jì)算相應(yīng)的安全工作半徑。

2 運(yùn)載器噪聲指向性分析

由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)連接形式和幾何外形復(fù)雜,水下運(yùn)載器的輻射噪聲通常具有不規(guī)則的空間指向性。在測(cè)量運(yùn)載器的輻射噪聲,預(yù)估其安全工作半徑之前,需要對(duì)輻射噪聲的指向性進(jìn)行分析,以保證實(shí)際測(cè)點(diǎn)位于輻射噪聲的主要傳播方向。基于此,建立了某型商用運(yùn)載器的幾何模型。為減少計(jì)算量,在建模過(guò)程中忽略運(yùn)載器內(nèi)部的部分結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié),僅保留結(jié)構(gòu)外殼和內(nèi)部關(guān)鍵的連接結(jié)構(gòu)。

仿真中邊界條件及場(chǎng)點(diǎn)設(shè)置如圖2 所示。運(yùn)載器內(nèi)部各節(jié)艙段設(shè)置為空氣域,外部為水域,結(jié)構(gòu)整體沿Y-Z平面設(shè)置對(duì)稱邊界條件。定義激勵(lì)點(diǎn)位于運(yùn)載器的電機(jī),為模擬電機(jī)對(duì)結(jié)構(gòu)整體的振動(dòng)傳遞情況,在X、Y及Z方向均設(shè)置幅值為單位力1 N 的點(diǎn)激勵(lì)。

圖2 運(yùn)載器輻射噪聲指向性分析場(chǎng)點(diǎn)示意圖Fig.2 Field points for directional analysis of radiated noise of vehicle

沿X-Y平面和Y-Z平面以 30?為間隔,運(yùn)載器幾何中心為圓心,1.5 m為半徑處等距設(shè)置2組場(chǎng)點(diǎn),記為水平方向場(chǎng)點(diǎn)和垂直方向場(chǎng)點(diǎn)。由有限元仿真計(jì)算得到電機(jī)振動(dòng)引起的運(yùn)載器輻射噪聲,提取垂直方向和水平方向各場(chǎng)點(diǎn)的聲壓級(jí)分別如圖3 和圖4所示。

圖3 運(yùn)載器垂直方向輻射噪聲指向性Fig.3 Directionality of radiation noise in vertical direction of avehicle

圖4 運(yùn)載器水平方向輻射噪聲指向性Fig.4 Directionality of radiation noise in horizontal direction of avehicle

由于運(yùn)載器的電機(jī)位于結(jié)構(gòu)尾部,當(dāng)電機(jī)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生三軸激勵(lì)時(shí),在垂直方向和水平方向運(yùn)載器尾部的輻射噪聲均高于頭部的輻射噪聲。同時(shí)可觀察到運(yùn)載器水平方向的輻射噪聲具有對(duì)稱的指向性,而在垂直方向,受運(yùn)載器幾何外形和內(nèi)部機(jī)械連接形式的影響,在[90°,150°]方向運(yùn)載器輻射噪聲的強(qiáng)度更高。由此可見(jiàn),進(jìn)行聲輻射特性測(cè)試時(shí),重點(diǎn)測(cè)量運(yùn)載器尾部的輻射噪聲可以更準(zhǔn)確地預(yù)估運(yùn)載器的聲學(xué)性能和安全工作半徑。

3 水下運(yùn)載器聲輻射特性測(cè)試及分析

以2 種商用水下運(yùn)載器(分別記為G1 和G2)為測(cè)試對(duì)象,分別測(cè)量其聲源級(jí)并對(duì)噪聲輻射特性開(kāi)展分析。G1 和G2 的動(dòng)力系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)存在差異,G2 在G1 結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上更換了新型電機(jī)和減速器,并在殼體與動(dòng)力艙之間采用了柔性連接。

運(yùn)載器水下輻射噪聲測(cè)試方案如圖5 所示。

圖5 水下輻射噪聲測(cè)試方案示意圖Fig.5 Undersea radiation noise test scheme

將4 枚標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器等間距懸掛于平臺(tái)一側(cè)以接收運(yùn)載器尾部輻射的噪聲信號(hào);同時(shí),在1 號(hào)水聽(tīng)器旁布置1 枚主信標(biāo)用于測(cè)距;在水下運(yùn)載器上布置1 枚測(cè)距應(yīng)答信標(biāo),用于接收主信標(biāo)發(fā)出的信號(hào),以確定水下運(yùn)載器與1 號(hào)水聽(tīng)器之間的距離。

圖6 為水下輻射噪聲測(cè)試系統(tǒng)示意圖。G1和G2 的常規(guī)潛深均為3 m。測(cè)試過(guò)程中,兩運(yùn)載器分別以既定航速平行于測(cè)試平臺(tái)潛行,同時(shí)采集聲輻射噪聲信號(hào)與信標(biāo)信號(hào),通過(guò)信標(biāo)數(shù)據(jù)換算出運(yùn)載器與水聽(tīng)器間的距離,獲取了運(yùn)載器的輻射噪聲頻譜,并折合為1 m 處的聲源級(jí)噪聲頻譜,如圖7 所示。

圖6 測(cè)試系統(tǒng)示意圖Fig.6 Test system

圖7 2 種商用運(yùn)載器噪聲頻譜Fig.7 Noise spectrum of two commercial vehicles

除水下運(yùn)載器內(nèi)部的機(jī)械噪聲外,所測(cè)噪聲頻譜還包括環(huán)境噪聲以及運(yùn)載器航行時(shí)結(jié)構(gòu)表面與水流相互作用產(chǎn)生的水動(dòng)力噪聲。為降低環(huán)境噪聲對(duì)測(cè)試的影響,試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)滿足信噪比(signalnoise ratio,SNR)的要求,即

式中:Ps為信號(hào)能量;Pn為噪聲能量。

測(cè)試中需考慮背景噪聲的影響。將SSNR>6 dB的數(shù)據(jù)視為有效數(shù)據(jù)[22],測(cè)試結(jié)果的有效頻段為。此外,由于在低航速下,水下運(yùn)載器的機(jī)械噪聲遠(yuǎn)高于水動(dòng)力噪聲和螺旋槳噪聲[23],因此測(cè)試所得輻射噪聲主要來(lái)自于運(yùn)載器內(nèi)部的動(dòng)力系統(tǒng)。

圖7 所測(cè)運(yùn)載器的輻射噪聲包含寬頻噪聲和線譜噪聲。由于線譜噪聲能量集中,且聲壓幅值遠(yuǎn)高于寬帶噪聲,更易被水下聲學(xué)設(shè)備和海洋魚(yú)類等生物感知,下面以線譜噪聲信號(hào)的SNR 表征該線譜頻率處噪聲能量,對(duì)G1 和G2 的線譜噪聲進(jìn)行分析。表1 和表2 分別給出了G1 和G2 線譜噪聲的SNR。

表1 G1 線譜噪聲SNRTable 1 Signal-to-noise ratio of line spectrum noise of vehicle G1

表2 G2 線譜噪聲SNRTable 2 Signal-to-noise ratio of line spectrum noise of vehicle G2

由表1 和表2 可知,線譜噪聲在高、中、低頻段均存在,且中、高頻段線譜噪聲能量高于低頻線譜噪聲。在高頻線譜噪聲中部分噪聲頻率呈倍頻關(guān)系,對(duì)噪聲頻率分析可知該頻率對(duì)應(yīng)了運(yùn)載器內(nèi)部電機(jī)的斬波頻率。對(duì)于中、高頻段的線譜噪聲,可通過(guò)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)和阻尼處理等方式實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減振,達(dá)到抑制輻射噪聲的目的;對(duì)低頻段的線譜噪聲,阻尼處理的降噪效果有限,需對(duì)運(yùn)載器內(nèi)部的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,以降低運(yùn)載器的低頻輻射噪聲。

4 水下運(yùn)載器安全工作半徑分析

為了分析運(yùn)載器輻射噪聲對(duì)安全工作半徑的影響,根據(jù)運(yùn)載器的噪聲輻射特性進(jìn)一步計(jì)算G1 和G2 在有效測(cè)試頻段內(nèi)的安全工作半徑。

4.1 檢測(cè)閾

對(duì)水下設(shè)備而言,檢測(cè)閾DT的取值與其性能及決策設(shè)置有關(guān),即

式中:PFA為決策的虛警概率;PD為決策的檢測(cè)概率。

以某型聲吶為例,其接收機(jī)的性能曲線[20]如圖8 所示。當(dāng)PD=0.7,PFA=10-12,由接收 機(jī)性能曲線可知此時(shí)檢測(cè)閾DT為19 dB。

圖8 接收機(jī)性能曲線Fig.8 Performance curves of a receiver

海水養(yǎng)殖的經(jīng)濟(jì)魚(yú)類珍珠龍膽石斑魚(yú),其敏感的聽(tīng)覺(jué)頻率為300 Hz[24]。在敏感頻率范圍內(nèi)噪聲聲壓級(jí)比環(huán)境噪聲級(jí)高 15～30 dB 以上,魚(yú)類就能分辨出噪聲信號(hào)。

下面分別以水下聲學(xué)設(shè)備和海洋魚(yú)類為例,計(jì)算2 種運(yùn)載器的安全工作半徑。

4.2 安全工作半徑計(jì)算結(jié)果及分析

G1 和G2 靠近聲吶執(zhí)行水下任務(wù)時(shí),運(yùn)載器安全工作半徑隨頻率的變化關(guān)系如圖9 所示。

圖9 2 種水下運(yùn)載器安全工作半徑對(duì)比Fig.9 Comparison of safe working radius of two vehicles

由圖9 可知,在中、高頻段,G2 的安全工作半徑小于G1,低頻段二者的差異更加明顯。

針對(duì)低頻噪聲敏感的珍珠龍膽石斑魚(yú),計(jì)算得到在其敏感聽(tīng)覺(jué)頻率300 Hz 處,G1 的安全工作半徑為36.4 m,G2 則為15.0 m,G2 的安全工作半徑降低至G1 的41%。由此可見(jiàn),更換動(dòng)力系統(tǒng)和采用柔性連接等優(yōu)化手段能夠有效降低運(yùn)載器的輻射噪聲,近距離作業(yè)時(shí),G2 對(duì)魚(yú)類的影響更小。

5 結(jié)束語(yǔ)

以水下運(yùn)載器的安全工作半徑為指標(biāo)可規(guī)范運(yùn)載器的有效工作區(qū)域,避免海洋魚(yú)類因感知運(yùn)載器輻射噪聲而逃逸,進(jìn)而提高運(yùn)載器的作業(yè)效率。通過(guò)被動(dòng)聲吶方程建立了水下運(yùn)載器安全工作半徑計(jì)算模型,計(jì)算了運(yùn)載器的空間輻射噪聲指向性,測(cè)試并分析了2 種商用運(yùn)載器的噪聲輻射特性,預(yù)估了其安全工作半徑。結(jié)果表明:

1) 運(yùn)載器的輻射噪聲具有不規(guī)則的空間指向性,受電機(jī)安裝位置的影響,運(yùn)載器尾部的空間輻射噪聲明顯高于首部和中間艙段,預(yù)估安全工作半徑時(shí)應(yīng)以運(yùn)載器尾部的輻射噪聲為主要判斷依據(jù)。

2) 所測(cè)2 種運(yùn)載器的水下輻射噪聲包括寬頻噪聲和線譜噪聲,其中線譜噪聲的能量遠(yuǎn)高于寬頻噪聲,且在高、中及低頻都存在,由于運(yùn)載器低頻聲的安全工作半徑大于高頻聲,易被海洋魚(yú)類和其他聲學(xué)設(shè)備所感知,設(shè)計(jì)、優(yōu)化運(yùn)載器時(shí)應(yīng)以降低低頻輻射噪聲為主要目標(biāo)。

3) G2 內(nèi)部的各項(xiàng)聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)有效降低了輻射噪聲,從而改進(jìn)了運(yùn)載器的安全工作半徑,利于潛水員近距離執(zhí)行水下任務(wù)。

文中的研究結(jié)果是以低航速運(yùn)載器為受試對(duì)象得到的。對(duì)中、高航速的水下運(yùn)載器,其輻射噪聲的成因更加復(fù)雜。后續(xù)工作將基于文中的水下運(yùn)載器安全工作半徑模型,拓展預(yù)估中、高航速航行的水下運(yùn)載器的聲學(xué)性能,并開(kāi)展相應(yīng)的聲學(xué)性能評(píng)估研究。