基于矢量水听器的噪声声强测量技术

2022-09-11

随着舰船降噪技术的提高, 舰船辐射噪声进一步降低, 传统的声压测量技术已难以满足发展的需要。近些年来, 将水介质质点振速的测量与传统的声压测量相结合的矢量水听器技术逐步走向成熟。与传统的声压水听器相比, 矢量水听器不仅具有独特的方位测量能力和时空增益, 而且还可以同步、共点测量声场空间一点处的声压和质点振速的三个正交分量, 同时由于矢量水听器的测量声强法不受自由场和远场条件的限制, 从而使得这些年来矢量水听器和矢量信号处理技术在国内外得到了飞速发展。

1 矢量水听器测量模型

单只矢量水听器测量模型示意图如图1所示, 图中角θ为信号入射方向的仰角, φ为信号入射方向的水平角。矢量水听器同步测量声场中一点处的声压p (r, t) 和质点振速v (r, t) 的三个正交分量vx (r, t) 、vv (r, t) 、vz (r, t) , 它们分别可表示为:

φ∈[0, 2π) 其中, 为入射声波的水平方位角, θ∈[0, π) 为入射声波与Z轴的夹角。u=icosφsinθ+jsinφsinθ+zcosθ, u为单位矢量。

从中我们也可看出, 声压水听器只能在及其变换域进行处理, 而矢量水听器获得丰富的声场信息, 可在[p], [v], [pv], [p, p], [p, pv], [p, v, pv], 等各种组合和相应变换域进行信号处理, 因而有更多的方法实现所要求的处理。在噪声测量中广泛使用[pv], 即声能流。

2 矢量水听器噪声声强测量原理

矢量水听器同步测量声场中一点处的声压q (r, t) 和质点振速v (r, t) 的三个正交分量vx (r, t) 、vv (r, t) 和vz (r, t) 。复声强的定义:

符号ω表示频率, 上标*表示复共轭。p (r, ω) 和v (r, ω) 分别是p (r, t) 和v (r, t) 的Four i e r变换。复声强还可表示为有功声强和无功声强的形式:

式中, Ia (r, ω) 称为有功声强, 表示向远处传播的声能;Ir (r, ω) 称为无功声强, 表示不传播的声能。对于单频球面波, 有功声强与距离的平方成反比, 无功声强与距离三次方成反比, 是有功声强的高阶小量, 远场条件下, 无功声强可以忽略, 对测量有用的是有功声强, 可以通过对Fourier变换得到的复声强, 取实部运算得到。矢量水听器测量声强量如图2所示。

理论和实践现象表明:在各向同性的噪声场中, 声压与振速的点积的时间平均, 即平均声能流对噪声具有很强的抑制能力, 并使声能流在零附近波动。这主要得益于各向同性噪声声能流相互抵消和矢量水听器各路噪声相互独立, 且声压通道的噪声功率3倍于振速通道的噪声功率。由于被测舰船噪声来自某个方向, 因此, 利用矢量水听器可进行舰船噪声声能流的测量, 而使背景能流噪声干扰减少, 从而提高测量信噪比。这也是利用矢量水听器进行噪声测量的基本原理。下面从声能流相互抵消作用原理说明矢量水听器为什么能抗环境噪声、提高信噪比。

我们知道, 声强I、声能流密度ω、声压p和质点振速v, 有如下关系式

在无限空间均匀各向同性介质中的谐和平面波, 声能流密度ω和声强I的方向与质点振速υ的方向相同, 即指向波的传播方向。因此有:

式中ρ为介质密度, c为声速;

p0为声压振幅, υ0为振速振幅。

对于最简单的情况, 如果空间某一点声场用各方向入射的平面波的叠加表示, 则沿某一方向r合成的声强可以写成在该方向的各分量能流之和为:

式中p0 i为第i波的声压幅值;

v0 i为第i波的质点振速幅值;

φ为第i平面波传播方向与r方向的夹角。

如果用合成声压p0和vr速度表示Ir, 则:

式中φ为合成波声强与r方向的夹角。

从式 (6) 知, 合成声场的声能流密度由每个相加声能流密度和确定。如果大小相等, 方向相反的两个平面波, 其合成的声能流为零。因此, 对于均匀各向同性的漫反射噪声场, 其合成声强为零。而实际的海洋环境噪声场不会是完全均匀各向同性的, 因此, 声能流不会全部抵消, 只能部分抵消。这种声能流的抵消, 导致海洋环境噪声场的声强级低于声压级, 也就是说, 利用声压水听器和振速水听器测量声强矢量, 同用单个水听器测量声压相比, 可以获得较低的海洋环境噪声。当有目标存在时, 如果认为是平面波入射, 则:

式中pN为环境噪声场的声压;

ps为目标信号的声压;

vN r为同一点环境噪声的质点振速;

vS r为同一点目标信号的质点振速。

总的噪声场声强为:

这里假设信号和环境噪声不相关。由此表明, 当有信号时, 总的声能流等于环境噪声与信号的声能流之和。而:

即矢量水听器比声压水听器具有更大的信噪比。

3 水池测试比对

(1) 水听器与传统声压水听器的噪声测量比对试验, 设备布放示意图如图3所示。

首先把标准水听器固定于矢量系统的导流罩中心位置, 以确保两系统的测量点尽量处于一点上。高频发射换能器发射2000、2500、3150、4000、5000、6300、8000、10000Hz的单频信号, 两套系统分别记录测量结果, 同时测试人员记录信号发射时间节点。

(2) 方向性测试。

测试设备布放示意图见图3, 试验中, 发射换能器发射6 3 0 0 H z的单频信号, 信号强度固定不变。在水平面上转动矢量系统测量端, 使系统在不同方向上测量同一声源。

(3) 实验结果分析。

实验中分别对两套系统的信噪比进行了测试, 频率按1/3倍频程从2 K H z到8 K H z, 信号形式为单频信号, 图4中A图为两套系统信噪比比对结果。从图可以看出, 矢量水听器系统比常规单声压水听器具有较高的信噪比, 平均约为7.5 d B。从图上可以看出, 在2.5 K H z处信噪比较小, 主要是因为, 水池在2.5 K H z附近消声效果不太好, 存在反射声, 增加了各向异性噪声, 降低了矢量系统的抑制噪声能力。

测量过程中, 随着声源目标方位的变化, 矢量水听器测量系统中的声压水听器测量值基本不变化, 振速水听器在x、y、z三个方向测量值随之变化, 但数据处理结果声强级不变化。图4中B图为矢量系统指向性测量结果, 从图上可以看出, 矢量系统各个方向声强级测量结果约为1 0 9 d B, 偏差在2 d B以内, 表现出明显的无指向性特征。

4 结语

矢量水听器应用于噪声测量系统, 可以抑制各向同性噪声, 在同样声场条件下, 矢量声强测量的增益高于声压测量的增益, 这也正是矢量水听器测量舰船辐射噪声的优势所在, 为了提高舰船辐射噪声的测量能力, 采用声强测量的办法是有效和必要的;同时, 矢量水听器噪声测量系统无指向性、体积小、重量轻, 易于布放回收, 具有极大的军事应用价值。目前矢量水听器噪声测量系统处于起步应用阶段, 要对低噪声舰船辐射噪声进行准确测量, 具有一定的难度, 需要在矢量水听器的噪声测量方法和系统应用中进行深入的研究, 充分利用矢量水听器的抗环境干扰的能力和声能流测量的特点, 在不提高测量系统尺寸的情况下, 使测量系统的信噪比得到较大提高, 对在海况较好时测量低噪声舰船的辐射噪声有着重要的意义。

摘要：介绍了矢量水听器的测量模型及噪声声强测量原理。针对在消声水池对矢量水听器测量系统和传统声压水听器测量系统进行的比对测量, 检测了系统的整体测试性能, 分析比较了各自获得的信噪比情况, 验证了矢量水听器测量系统的无指向性特性。水池试验表明, 矢量水听器测量系统能显著抑制各向同性噪声, 提高测量系统信噪比, 可用于低噪声舰船辐射噪声的测量。

关键词：矢量水听器,噪声,声强,信噪比