第7章水下噪聲

1、噪聲定義：噪聲定義： 指在特定條件下不需要的聲音。水下噪聲：水下噪聲：（1）海洋環(huán)境噪聲和目標(biāo)（艦船、潛艇、魚雷等）的自噪聲 聲吶系統(tǒng)的主要干擾背景之一，限制裝備性能。（2）目標(biāo)（艦船、潛艇、魚雷等）輻射噪聲 被動聲吶系統(tǒng)的聲源，通過接收該噪聲實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測。水下噪聲研究的意義（水聲對抗與反對抗）：水下噪聲研究的意義（水聲對抗與反對抗）：（1）提高被動聲吶設(shè)備的檢測和識別能力；（2）減振降噪處理，提高自身隱蔽性和安全性。 1 1、噪聲描述、噪聲描述 噪聲是一個隨機(jī)過程，描述噪聲的統(tǒng)計(jì)量有：（1 1）噪聲的概率密度函數(shù)：）噪聲的概率密度函數(shù)：1111011limpppppPtpp，（2 2）噪聲的

2、概率分布函數(shù)：）噪聲的概率分布函數(shù)：1111111pppdptptppppP，（3 3）平穩(wěn)隨機(jī)過程：）平穩(wěn)隨機(jī)過程：tptp，11結(jié)論：平穩(wěn)隨機(jī)過程的概率密度函數(shù)與時間無關(guān)。結(jié)論：平穩(wěn)隨機(jī)過程的概率密度函數(shù)與時間無關(guān)。1 1、噪聲描述、噪聲描述 一般水中噪聲被視為平穩(wěn)隨機(jī)過程，若噪聲的聲壓概率密度函數(shù)表示為： 22221pep為高斯分布，相應(yīng)的噪聲稱為高斯噪聲。其均值和方差： dpppppdppp222常識：一般將水聲干擾噪聲視為高斯噪聲。常識：一般將水聲干擾噪聲視為高斯噪聲。 1 1、噪聲描述、噪聲描述 一般，表征噪聲統(tǒng)計(jì)特性的統(tǒng)計(jì)量：概率密度函數(shù)、數(shù)學(xué)期望、方差、相關(guān)函數(shù)、功率譜。 由隨

3、機(jī)過程理論可知，噪聲自相關(guān)函數(shù)的傅立葉變換即為功率譜密度函數(shù)： 若噪聲的功率譜是均勻，則稱之為白噪聲。 deRSdttptpTRjTTT21lim1 1、噪聲描述、噪聲描述時間平均表示： dpppI)(222/2/22)(1limTTTdttpTI噪聲聲壓有效值： 噪聲聲壓有效值：噪聲聲壓有效值：介質(zhì)特性阻抗為單位值時平均聲強(qiáng)平方根。 如果假設(shè)噪聲的平均值為零，介質(zhì)阻抗為單位值，則它的方差便等于平均聲強(qiáng)： 2/2/2)(1limTTTedttpTIp2 2、噪聲頻譜分析、噪聲頻譜分析 噪聲聲壓是一個隨機(jī)量，與時間量之間不存在確定關(guān)系，因此分析噪聲聲壓幅值頻譜沒有意義；而隨機(jī)過程功率譜函數(shù)是一個

4、確定的統(tǒng)計(jì)量，反映了該過程的各頻率分量的平均強(qiáng)度。 根據(jù)信號頻譜曲線形狀劃分：（1 1）線譜：）線譜：數(shù)學(xué)上能夠用傅氏級數(shù)來表示，水聲中周期、準(zhǔn)周期信號頻譜就是線譜信號；（2 2）連續(xù)譜：）連續(xù)譜：頻譜分析用傅氏變換來表示，水聲中瞬態(tài)非周期信號頻譜就是連續(xù)譜。2 2、噪聲頻譜分析、噪聲頻譜分析2 2、噪聲頻譜分析、噪聲頻譜分析聲強(qiáng)平均頻譜密度： 聲強(qiáng)頻譜密度函數(shù)： iiifIS dfdIfIfSiifi0lim帶寬內(nèi)的總聲強(qiáng)： 21ffdffSI注意：注意：連續(xù)譜某確定頻率分量上的聲強(qiáng)貢獻(xiàn)無限小。0lg10IINLN2 2、噪聲頻譜分析、噪聲頻譜分析海洋環(huán)境噪聲級：注意：注意：水下噪聲是多種噪

5、聲源的綜合迭加，每種噪聲源的激勵不盡相同，因此，它可能是線譜，也可能是連續(xù)譜，甚至是兩種的迭加。 水聽器工作帶寬內(nèi)的噪聲總聲強(qiáng) 假設(shè)水聽器工作帶寬 內(nèi)噪聲譜 和其響應(yīng)是均勻的，則： f)(fSfSIN0lg10lg10ISfNL2 2、噪聲頻譜分析、噪聲頻譜分析3 3、水下噪聲指向特性、水下噪聲指向特性水下噪聲具有指向性：水下噪聲具有指向性：噪聲源具有指向性、噪聲源空間分布、海洋傳播條件等原因。常識：常識：海面噪聲（風(fēng)浪噪聲）垂直指向性；遠(yuǎn)處航船的輻射噪聲水平指向性。 注意：注意：工程上將海洋環(huán)境噪聲視為各向同性的，便于信號處理。海洋環(huán)境噪聲海洋環(huán)境噪聲也稱自然噪聲，是水聲信道的一種干擾背景；

6、研究環(huán)境噪聲的目的：研究環(huán)境噪聲的目的：n 解決NL及其時空統(tǒng)計(jì)特性與環(huán)境因素之間的依賴關(guān)系，找出其規(guī)律，并由此作出必要的預(yù)報(bào)，為聲吶設(shè)備設(shè)計(jì)、研制提供必要的數(shù)據(jù)；n 利用噪聲與信號場在時空統(tǒng)計(jì)特性方面的差異，設(shè)計(jì)信號處理方案，提高設(shè)備的抗干擾能力。1 1、深海中的環(huán)境噪聲源、深海中的環(huán)境噪聲源 采用海底深水水聽器，在低于1Hz100kHz頻段內(nèi)對深海噪聲進(jìn)行測量研究，研究結(jié)果表明：n 噪聲源是多種多樣的，環(huán)境噪聲是這些源的綜合效應(yīng)；n 環(huán)境噪聲在不同頻段有不同特性，各種噪聲源發(fā)聲機(jī)理不同；n 環(huán)境噪聲與環(huán)境條件密切相關(guān)，如風(fēng)速等自然條件。1 1、深海中的環(huán)境噪聲源、深海中的環(huán)境噪聲源 從低頻

7、到高頻次序討論噪聲源及其特性：（1 1）潮汐和波浪的海水靜壓力效應(yīng)）潮汐和波浪的海水靜壓力效應(yīng) 潮汐和海面波浪是海洋內(nèi)部引起海水靜壓力變化的原因，是低頻噪聲源。（2 2）地震擾動）地震擾動 地震擾動是海洋中的極低頻噪聲源。 地震擾動在海水中產(chǎn)生的壓力：2pfca 式中，a為地震擾動引起的地球表面垂直振幅。1 1、深海中的環(huán)境噪聲源、深海中的環(huán)境噪聲源（3 3）海洋湍流）海洋湍流 海洋中無規(guī)則隨機(jī)水流形成的湍流，以多種方式產(chǎn)生噪聲，是一種低頻噪聲源。 海洋湍流產(chǎn)生噪聲機(jī)理：n 湍流會使水聽器、電纜等顫動或作響，產(chǎn)生自噪聲，它不是自然噪聲；n 湍流運(yùn)動引起壓力變化輻射噪聲，在湍流區(qū)以外海水中產(chǎn)生噪

8、聲。它是四極子源，隨距離衰減快，對環(huán)境噪聲貢獻(xiàn)不大；n 湍流區(qū)內(nèi)部壓力變化的聲效應(yīng)。1 1、深海中的環(huán)境噪聲源、深海中的環(huán)境噪聲源Wenz根據(jù)湍流理論和實(shí)驗(yàn)關(guān)系，推導(dǎo)的湍流壓力譜。 1 1、深海中的環(huán)境噪聲源、深海中的環(huán)境噪聲源（4 4）波浪非線性作用引起的低頻噪聲）波浪非線性作用引起的低頻噪聲n 海面波浪運(yùn)動產(chǎn)生的壓力隨深度增加迅速變?。籲 兩個反方向傳播的行波波浪相遇，可能相互作用形成駐波，產(chǎn)生的壓力不隨深度增加而變小，其頻率是形成它的波浪頻率的兩倍；n 波浪非線性作用引起的噪聲是低頻噪聲源。1 1、深海中的環(huán)境噪聲源、深海中的環(huán)境噪聲源（5 5）遠(yuǎn)處航船噪聲）遠(yuǎn)處航船噪聲 遠(yuǎn)處航船噪聲是

9、幾十赫茲至幾百赫茲頻率范圍內(nèi)的主要噪聲源。 測量結(jié)果表明：n 然噪聲與風(fēng)和天氣無關(guān)，且到達(dá)深水水聽器的噪聲來自水平方向；n 在50Hz500Hz范圍內(nèi)，航船頻繁海區(qū)的自然噪聲量級高于航船稀少海區(qū)的測量值；n 在50Hz500Hz范圍內(nèi)，觀測到的自然噪聲譜有一段突起或平坦部分，與傳播的輻射噪聲譜極大值相符合。1 1、深海中的環(huán)境噪聲源、深海中的環(huán)境噪聲源（6 6）風(fēng)成噪聲（海面波浪噪聲）風(fēng)成噪聲（海面波浪噪聲） 海面粗糙度是更高頻段的自然噪聲的噪聲源。 測量結(jié)果表明：n 在500Hz25kHz頻率范圍內(nèi)，自然噪聲與海況、水聽器處風(fēng)速直接相關(guān)，到達(dá)深水水聽器方向接近垂直。n 風(fēng)成噪聲與風(fēng)速的相關(guān)性

10、比與海況的相關(guān)性更好。Kundson海洋環(huán)境噪聲譜海洋環(huán)境噪聲譜1 1、深海中的環(huán)境噪聲源、深海中的環(huán)境噪聲源（7 7）熱噪聲）熱噪聲 海洋分子熱噪聲限制水聽器高頻靈敏度，等效熱噪聲譜級：1520lgNLfDIE DI為指向性指數(shù)，單位dB；E為轉(zhuǎn)換效率，單位dB；f頻率，單位kHz。 2 2、深海環(huán)境噪聲譜、深海環(huán)境噪聲譜n 20世紀(jì)60年代，Wenz提出環(huán)境噪聲的 Wenz譜級圖。n 在一般情況下，它比較細(xì)致地描寫出環(huán)境噪聲的普遍規(guī)律性，被認(rèn)為最具代表性的深海噪聲譜曲線。2 2、深海環(huán)境噪聲譜、深海環(huán)境噪聲譜 深海環(huán)境噪聲譜由斜率的不同的五部分組成：（1）頻段，至今還不為人所知。估計(jì)該噪聲

11、來源于海水靜壓力效應(yīng)或是地球內(nèi)部的地震擾動。（2）頻段，譜斜率為-8-10dB/倍頻程，與風(fēng)速僅有很微弱關(guān)系，最可能噪聲源是海洋湍流。2 2、深海環(huán)境噪聲譜、深海環(huán)境噪聲譜（3）頻段，噪聲譜基本是平的，遠(yuǎn)處行船是主要噪聲源。（4）頻段，譜斜率具有-5-6dB/倍頻程，噪聲源是離測量點(diǎn)不遠(yuǎn)的粗糙海面。（5）頻段，海水介質(zhì)分子熱運(yùn)動噪聲，譜線斜率為6dB/倍頻程。2 2、深海環(huán)境噪聲譜、深海環(huán)境噪聲譜n工程上，為預(yù)報(bào)海洋環(huán)境噪聲級，需要用到不同參數(shù)表示典型自然噪聲譜。n 圖中畫出了不同航運(yùn)和風(fēng)圖中畫出了不同航運(yùn)和風(fēng)速條件下的預(yù)報(bào)用曲線。速條件下的預(yù)報(bào)用曲線。n 使用時，選擇適當(dāng)?shù)暮竭\(yùn)和風(fēng)速條件曲線

12、，綜合考慮航運(yùn)條件、蒲氏風(fēng)級、噪聲頻率、海況等因素，近似地預(yù)報(bào)自然噪聲譜。3 3、自然噪聲間歇源及其變化特性、自然噪聲間歇源及其變化特性（1 1）間歇源的噪聲源）間歇源的噪聲源 一種暫時存在的噪聲源，如能發(fā)聲的海洋生物、降雨等。海洋生物噪聲：海洋生物噪聲： 甲殼類、魚類和海生哺乳類特殊鳴聲、嘈雜聲等；降雨噪聲：降雨噪聲： 提高自然噪聲級，與降雨率和降雨面積有關(guān)。3 3、自然噪聲間歇源及其變化特性、自然噪聲間歇源及其變化特性長島海峽東端海深為36米海域測得的降雨自然噪聲譜3 3、自然噪聲間歇源及其變化特性、自然噪聲間歇源及其變化特性不同降雨率的降雨噪聲譜理論估計(jì)值3 3、自然噪聲間歇源及其變化特

13、性、自然噪聲間歇源及其變化特性（2 2）自然噪聲的易變性）自然噪聲的易變性n 自然噪聲具有易變性。n 產(chǎn)生原因：噪聲源的易變性；傳播條件的改變，影響來自遠(yuǎn)處噪聲源的聲傳播，從而改變了噪聲強(qiáng)度。 百慕大和巴哈馬群島海底水聽器觀測結(jié)果：冬季的自然噪聲級比夏季高7dB。4 4、海洋環(huán)境噪聲振幅分布和空間相關(guān)性、海洋環(huán)境噪聲振幅分布和空間相關(guān)性（1 1）振幅分布）振幅分布n 海洋環(huán)境噪聲是由大量噪聲源的輻射噪聲疊加所組成的，各噪聲源之間互不相關(guān)；n 海洋環(huán)境噪聲的振幅分布是高斯分布，高斯分布，但在近海面其分布比高斯型尖，原因是噪聲源數(shù)目不夠大。4 4、海洋環(huán)境噪聲振幅分布和空間相關(guān)性、海洋環(huán)境噪聲振幅

14、分布和空間相關(guān)性（2 2）空間相關(guān)性）空間相關(guān)性n 對聲吶基陣設(shè)計(jì)具有重要意義；n 為降低環(huán)境噪聲的干擾，基陣基元間距應(yīng)大于環(huán)境噪聲的空間相關(guān)半徑，提高基陣輸出端的信噪比；n 噪聲的空間相關(guān)性：指海中相隔開的水聽器接收到噪聲的乘積對時間平均。n兩個相距為d各向同性單頻噪聲相關(guān)系數(shù)為：kdkdd/sin)(4 4、海洋環(huán)境噪聲振幅分布和空間相關(guān)、海洋環(huán)境噪聲振幅分布和空間相關(guān) Cron和Sherman對噪聲源分布無限大平面上、噪聲源指向性為 噪聲場相關(guān)系數(shù)進(jìn)行研究。mcosn 水平方向和垂直方向上的相關(guān)系數(shù)隨間距d做衰減振蕩，曲線與各向同性的單頻噪聲場具有相同形狀；n 水平方向和垂直方向上的相關(guān)

15、系數(shù)第一個零點(diǎn)分別位于0.8和0.9附近；2cosn 海面粗糙度形成噪聲場具有 指向特性。4 4、海洋環(huán)境噪聲振幅分布和空間相關(guān)性、海洋環(huán)境噪聲振幅分布和空間相關(guān)性（3 3）相關(guān)延時與噪聲源）相關(guān)延時與噪聲源n 如果把兩相隔開的水聽器的輸出信號進(jìn)行相關(guān)分析，則相關(guān)峰位置的延時值表示了信號到達(dá)兩個水聽器的時差，相關(guān)峰的幅值、形狀表示了兩個信號的相關(guān)特性。n 百慕大群島垂直陣測量結(jié)果：低風(fēng)速時，噪聲源為遠(yuǎn)處航船和風(fēng)暴；高風(fēng)速時，噪聲源為海面噪聲源。5 5、深海環(huán)境噪聲指向性、深海環(huán)境噪聲指向性 深海環(huán)境噪聲具有指向性：低頻噪聲來自遠(yuǎn)處，高頻噪聲源來自頂部的海面。 海面輻射噪聲具有 的指向特性（噪聲

16、源和海面上虛源干涉效應(yīng)引起的）。2cosn 艦船、潛艇和魚雷的輻射噪聲，是被動聲吶探測、分類識別和跟蹤目標(biāo)的信號，是被動聲吶方程中的聲源級SL。n 艦船輻射噪聲的危害：艦船輻射噪聲的危害：（1）破壞了艦船和潛艇的隱蔽性；（2）可能引爆某些水中兵器；（3）干擾本艦的水聲設(shè)備（自噪聲）。n 艦船輻射噪聲是水中兵器研制的重要依據(jù)艦船輻射噪聲是水中兵器研制的重要依據(jù)n 艦船、魚雷輻射噪聲特點(diǎn)：艦船、魚雷輻射噪聲特點(diǎn)： 噪聲源繁多、集中，噪聲強(qiáng)度大，頻譜成分復(fù)雜。1 1、艦船輻射噪聲的聲源級和噪聲譜、艦船輻射噪聲的聲源級和噪聲譜艦船輻射噪聲的聲源級：艦船輻射噪聲的聲源級：定義：定義：水聽器聲軸方向上距源

17、的等效聲中心1m處的聲強(qiáng)與參考聲強(qiáng)之比的分貝數(shù)。 在遠(yuǎn)場測得噪聲級后，再修正傳播損失，歸算到離聲源聲中心1米處，并計(jì)算出1Hz帶寬內(nèi)聲強(qiáng)，則聲源級和譜源級：010lgNISLI式中， 是換能器工作帶寬， 為參考聲強(qiáng)， 為距聲源聲中心1米處的噪聲聲強(qiáng)。f0INI010lgNISLIf1 1、艦船輻射噪聲聲源級和噪聲譜、艦船輻射噪聲聲源級和噪聲譜噪聲譜基本類型：噪聲譜基本類型： （1）連續(xù)譜；（2）線譜；（3）混合譜。 艦船輻射噪聲為線譜和連續(xù)譜的迭加。 2 2、艦船輻射噪聲源及其特性、艦船輻射噪聲源及其特性2 2、艦船輻射噪聲源及其特性、艦船輻射噪聲源及其特性艦船輻射噪聲源分為三大類：艦船輻射噪

18、聲源分為三大類：機(jī)械噪聲、螺旋槳噪聲和水動力噪聲 （1 1）機(jī)械噪聲）機(jī)械噪聲 機(jī)械噪聲是航行或作業(yè)艦船上的各種機(jī)械的振動，通過船體向水中輻射而形成的噪聲。產(chǎn)生機(jī)理：產(chǎn)生機(jī)理：n 不平衡的旋轉(zhuǎn)部件（電機(jī)電樞等）n 重復(fù)的不連續(xù)性（齒輪、電樞槽、渦輪機(jī)葉片等）n 往復(fù)部件（內(nèi)燃機(jī)汽缸中爆炸）產(chǎn)生線譜噪聲，其成分是振動基頻及其諧波分量。n 流體空化和湍流及排氣（泵、管道、閥門中流體，凝汽器排氣等）n 機(jī)械摩擦（軸承等）產(chǎn)生連續(xù)譜噪聲。2 2、艦船輻射噪聲源及其特性、艦船輻射噪聲源及其特性（1 1）機(jī)械噪聲）機(jī)械噪聲結(jié)論：結(jié)論：n 艦船機(jī)械噪聲為強(qiáng)線譜加弱連續(xù)譜強(qiáng)線譜加弱連續(xù)譜的迭加，與艦船航行狀態(tài)

19、及機(jī)械工作狀態(tài)密切相關(guān)，頻譜結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、多變的；n 機(jī)械噪聲是艦船輻射噪聲低頻低頻段主要成分。 2 2、艦船輻射噪聲源及其特性、艦船輻射噪聲源及其特性（2 2）螺旋槳噪聲）螺旋槳噪聲 螺旋槳噪聲是由旋轉(zhuǎn)著的螺旋槳與流體相互作用所產(chǎn)生的噪聲，它由螺旋槳空化噪聲、唱音和螺旋槳葉片旋轉(zhuǎn)噪聲組成。 空化噪聲：空化噪聲：n 螺旋槳在水中旋轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值時，葉片葉稍和表面產(chǎn)生負(fù)壓，負(fù)壓足夠高，就會長生氣泡，這種現(xiàn)象稱為空化；n 空化產(chǎn)生的氣泡破裂發(fā)出尖的聲脈沖，大量氣泡破裂產(chǎn)生的噪聲，稱為空化噪聲。2 2、艦船輻射噪聲源及其特性、艦船輻射噪聲源及其特性 螺旋槳空化噪聲是艦船輻射噪聲高頻段主要成分，且

20、為連續(xù)譜，其典型頻譜如下圖。2 2、艦船輻射噪聲源及其特性、艦船輻射噪聲源及其特性頻譜特點(diǎn)：頻譜特點(diǎn)： 在高頻段，譜級隨頻率以6dB/oct斜率下降；在低頻段隨頻率增高而增高；譜峰（100Hz1000Hz）隨航速和深度而變化，當(dāng)航速增加和深度變淺時，譜峰向低頻移動。2 2、艦船輻射噪聲源及其特性、艦船輻射噪聲源及其特性空化噪聲空化噪聲譜峰變化原因：譜峰變化原因：n 高航速和淺深度情況下，易產(chǎn)生大的空化氣泡，產(chǎn)生低頻噪聲，使譜峰向低頻端移動；n 氣泡較大，其噪聲強(qiáng)度高于高頻段噪聲。產(chǎn)生條件：產(chǎn)生條件：n 艦船航速大于艦船臨界航速。2 2、艦船輻射噪聲源及其特性、艦船輻射噪聲源及其特性空化噪聲與航

21、速關(guān)系：空化噪聲與航速關(guān)系：n 航速低于臨界航速，空化噪聲級很低（未發(fā)生空化）；n 航速增大至臨界航速，空化噪聲級急劇增大（空化發(fā)生、發(fā)展）；n 航速繼續(xù)增大，空化噪聲級基本趨于穩(wěn)定（空化充分）。2 2、艦船輻射噪聲源及其特性、艦船輻射噪聲源及其特性常識：水面艦船螺旋槳空化噪聲常識：水面艦船螺旋槳空化噪聲- -航速關(guān)系不是航速關(guān)系不是S S形，關(guān)系復(fù)雜。形，關(guān)系復(fù)雜?？栈肼暸c航深關(guān)系：空化噪聲與航深關(guān)系：n 靜壓力越大越不容易空化；n 航行深度增加，臨界航速提高。空化噪聲與其它因素：空化噪聲與其它因素：n例如螺旋槳損壞、加速、轉(zhuǎn)向等因素。（2 2）螺旋槳噪聲）螺旋槳噪聲唱音：唱音：n 由于渦

22、發(fā)放激勵螺旋槳槳葉共振而產(chǎn)生的輻射噪聲；n 槳隨邊渦發(fā)放頻率和槳片彎曲振動固有頻率吻合時的流體動力-結(jié)構(gòu)耦合共振聲；n 由轉(zhuǎn)速調(diào)制的線譜簇，1001000Hz頻率范圍內(nèi)的低頻強(qiáng)線譜。2 2、艦船輻射噪聲源及其特性、艦船輻射噪聲源及其特性（2 2）螺旋槳噪聲）螺旋槳噪聲旋轉(zhuǎn)聲：旋轉(zhuǎn)聲：n 螺旋槳旋轉(zhuǎn)受流體動力非定常力作用，形成擊水發(fā)聲力源；n 譜特征：線譜，基頻為葉片數(shù)和轉(zhuǎn)速乘積，還有其倍頻線譜。2 2、艦船輻射噪聲源及其特性、艦船輻射噪聲源及其特性mnsfmn 旋轉(zhuǎn)聲是潛艇低頻段（1100Hz）噪聲的主要成分。常識：常識：頻譜特性是聲吶識別目標(biāo)和估計(jì)目標(biāo)速度的依據(jù)頻譜特性是聲吶識別目標(biāo)和估計(jì)目

23、標(biāo)速度的依據(jù)。（2 2）螺旋槳噪聲）螺旋槳噪聲 2 2、艦船輻射噪聲源及其特性、艦船輻射噪聲源及其特性螺旋槳噪聲方向性螺旋槳噪聲方向性n 艦船艏艉方向比正橫方向輻射的噪聲小，船體的遮擋和尾流的影響；n 在與艏艉方向成30o角度內(nèi)，指向性凹進(jìn)去，船艏方向比船艉方向凹進(jìn)略多些。2 2、艦船輻射噪聲源及其特性、艦船輻射噪聲源及其特性（3 3）水動力噪聲）水動力噪聲 水動力噪聲是船體與海流相對運(yùn)動時，船體表面產(chǎn)生的噪聲，是水流動力作用于艦船的結(jié)果。 產(chǎn)生機(jī)理產(chǎn)生機(jī)理n 水流沖擊激勵殼體振動或殼體上某些結(jié)構(gòu)（葉片、空穴腔體等）共振；n 湍流附面層產(chǎn)生的流噪聲（粘滯流體特性）；n 航船拍浪聲（船艏、船艉）

24、、船上循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)水口和排水口的輻射噪聲。 2 2、艦船輻射噪聲源及其特性、艦船輻射噪聲源及其特性（3 3）水動力噪聲）水動力噪聲2 2、艦船輻射噪聲源及其特性、艦船輻射噪聲源及其特性nwIkv式中，k為常數(shù)，v是航速，n是與航船水下線形等因素有關(guān)的一個量。 常識：常識：一般情況，艦船水動力噪聲小于機(jī)械噪聲和螺旋槳噪聲一般情況，艦船水動力噪聲小于機(jī)械噪聲和螺旋槳噪聲。 根據(jù)布洛欣采夫理論，水動力噪聲強(qiáng)度主要與航速有關(guān)： （1 1）輻射噪聲源強(qiáng)度）輻射噪聲源強(qiáng)度n 艦艇主要噪聲源是機(jī)械噪聲和螺旋槳噪聲，二者貢獻(xiàn)的大小取決于頻率、航速和航深。 3 3、輻射噪聲源概述、輻射噪聲源概述（1 1）輻射噪聲

25、源強(qiáng)度）輻射噪聲源強(qiáng)度n 在航速一定情況下，由于靜壓力作用，螺旋槳噪聲隨深度增加而減?。辉谏疃纫欢〞r，則隨航速增加而增加；n 對于給定的航速和航深，存在一個臨界頻率，低于此頻率時，譜的主要成分是機(jī)械和螺旋槳的線譜；高于此頻率時，譜主要成分是螺旋槳空化連續(xù)譜。3 3、輻射噪聲源概述、輻射噪聲源概述常識：通常艦艇的臨界頻率為常識：通常艦艇的臨界頻率為100Hz1000Hz100Hz1000Hz，取決于船的種，取決于船的種類、航速和航深。魚雷的臨界頻率比較高（機(jī)械速度高）。類、航速和航深。魚雷的臨界頻率比較高（機(jī)械速度高）。 （2 2）艦船輻射噪聲的指向性）艦船輻射噪聲的指向性n 艦船水平指向性不均

26、勻，船艏和船艉方向比正橫方向輻射的噪聲小，是船體的遮擋和尾流屏蔽所造成。3 3、輻射噪聲源概述、輻射噪聲源概述（3 3）艦船輻射噪聲沿船長的分布）艦船輻射噪聲沿船長的分布n 航速不大時，船中部有極大值，主機(jī)等產(chǎn)生的機(jī)械噪聲；n 隨著航速的增加，艉部出現(xiàn)第二個極大值，螺旋槳噪聲；n 航速繼續(xù)增加，艏部出現(xiàn)極大值，艏部擊浪和繞流水動力噪聲。3 3、輻射噪聲源概述、輻射噪聲源概述（4 4）艦船輻射噪聲的通過特性）艦船輻射噪聲的通過特性n 艦船輻射噪聲通過特性：是艦船沿一定航向通過無方向水聽器時，輻射噪聲的變化特性。3 3、輻射噪聲源概述、輻射噪聲源概述（4 4）艦船輻射噪聲的通過特性）艦船輻射噪聲的

27、通過特性n 水聽器接收的聲壓幅值：n 艦船在正橫距離上的聲壓級為P0，艦船在正橫距離上與水聽器間的距離為r0，系數(shù) 。n 艦船輻射噪聲通過特性對水中兵器聲引信設(shè)計(jì)具有重要意義。3 3、輻射噪聲源概述、輻射噪聲源概述00rrPPr1.31.7n 艦船、潛艇和魚雷輻射噪聲信息被列為高級機(jī)密；n 目前公開的數(shù)據(jù)是二次世界大戰(zhàn)期間的艦船輻射噪聲水平，現(xiàn)代艦船輻射噪聲水平明顯低于教材所列的數(shù)據(jù)；n 艦船、潛艇和魚雷輻射噪聲級隨航速變化規(guī)律具有普遍性。 4 4、艦船、潛艇、魚雷輻射噪聲級、艦船、潛艇、魚雷輻射噪聲級4 4、艦船、潛艇、魚雷輻射噪聲級、艦船、潛艇、魚雷輻射噪聲級4 4、艦船、潛艇、魚雷輻射噪

28、聲級、艦船、潛艇、魚雷輻射噪聲級4 4、艦船、潛艇、魚雷輻射噪聲級、艦船、潛艇、魚雷輻射噪聲級4 4、艦船、潛艇、魚雷輻射噪聲級、艦船、潛艇、魚雷輻射噪聲級4 4、艦船、潛艇、魚雷輻射噪聲級、艦船、潛艇、魚雷輻射噪聲級4 4、艦船、潛艇、魚雷輻射噪聲級、艦船、潛艇、魚雷輻射噪聲級4 4、艦船、潛艇、魚雷輻射噪聲級、艦船、潛艇、魚雷輻射噪聲級4 4、艦船、潛艇、魚雷輻射噪聲級、艦船、潛艇、魚雷輻射噪聲級測量方法：測量方法： 讓被測船航行通過遠(yuǎn)處的測量水聽器來實(shí)現(xiàn)測量。布放方式：布放方式：n 固定式（岸站）：在合適海區(qū)布放水聽器陣，并用電纜和岸上測試中心連接；n 活動式：測量設(shè)施安裝在測量船上，在

29、預(yù)定的測量海區(qū)，測量船雙錨定位，并布設(shè)測量水聽器陣。5 5、輻射噪聲的測量、輻射噪聲的測量水聽器陣形式：水聽器陣形式：n 潛艇和魚雷深海（大于60米）、垂直陣；n 水面艦船淺海（大于30米）、水平陣。 5 5、輻射噪聲的測量、輻射噪聲的測量寬帶噪聲級與單位帶寬譜級：寬帶噪聲級與單位帶寬譜級： 輻射噪聲通常以1Hz帶寬內(nèi)譜級表示，但對于測量儀器設(shè)備有一定工作帶寬為W，該帶寬內(nèi)噪聲級為BL，則1Hz帶寬內(nèi)的譜級為： BL0=BL-10lgW 5 5、輻射噪聲的測量、輻射噪聲的測量注意：注意：上述噪聲為白噪聲，如果被測帶寬內(nèi)有線譜噪聲，則歸算上述噪聲為白噪聲，如果被測帶寬內(nèi)有線譜噪聲，則歸算方法不再

30、適用。方法不再適用。5 5、輻射噪聲的測量、輻射噪聲的測量n 通常測量是在遠(yuǎn)場，一般按照球面波擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行修正，歸算到離聲源聲中心1米處；n 距離修正：需要精確知道水聽器與被測艦船之間的距離，水上目標(biāo)用六分儀、激光測距儀或雷達(dá)測距，而水下目標(biāo)測試一般采用同步鐘測距裝置（主動聲納）；n 測量海域：選擇“安靜”海域；n 艦船輻射噪聲測量是一項(xiàng)專門測量技術(shù)，隨著潛艇隱身技術(shù)水平的提高，對測試技術(shù)和設(shè)備提出更高的要求。5 5、輻射噪聲的測量、輻射噪聲的測量澳大利亞安靜潛艇輻射噪聲測量系統(tǒng)澳大利亞安靜潛艇輻射噪聲測量系統(tǒng)SAURSAUR 5 5、輻射噪聲的測量、輻射噪聲的測量美國潛艇輻射噪聲測量系統(tǒng)（高

31、增益系統(tǒng)）美國潛艇輻射噪聲測量系統(tǒng)（高增益系統(tǒng)）5 5、輻射噪聲的測量、輻射噪聲的測量美國潛艇輻射噪聲測量系統(tǒng)美國潛艇輻射噪聲測量系統(tǒng)5 5、輻射噪聲的測量、輻射噪聲的測量美國美國PSIPSI潛艇輻射噪聲測量系統(tǒng)潛艇輻射噪聲測量系統(tǒng)(PVLAMS(PVLAMS垂直陣垂直陣) )艦船、潛艇和魚雷的自噪聲：艦船、潛艇和魚雷的自噪聲：是本艦聲吶或魚雷制導(dǎo)系統(tǒng)的一種特殊干擾背景，在聲吶方程中表現(xiàn)為背景干擾噪聲，是艦船、潛艇和魚雷上的各種聲源產(chǎn)生的。自噪聲與輻射噪聲區(qū)別：自噪聲與輻射噪聲區(qū)別：（1 1）相同點(diǎn)：）相同點(diǎn)：聲源基本相同；（2 2）不同點(diǎn)：）不同點(diǎn)：n 在聲吶方程中的作用不一樣，輻射噪聲為S

32、L，自噪聲為NL；n 自噪聲的傳播路徑復(fù)雜，而且可變；n 自噪聲為近場噪聲，輻射噪聲為遠(yuǎn)場噪聲，兩者性質(zhì)和特性不同。噪聲源：噪聲源：n 機(jī)械噪聲、螺旋槳噪聲和水動力噪聲。n 水動力噪聲，特別是流噪聲，對聲吶設(shè)備影響是十分嚴(yán)重。1 1、艦船自噪聲、艦船自噪聲源及源及其一般特征其一般特征1 1、艦船自噪聲、艦船自噪聲源及源及其一般特征其一般特征（1 1）機(jī)械噪聲和螺旋槳噪聲）機(jī)械噪聲和螺旋槳噪聲 它們是自噪聲的主要聲源。n 機(jī)械噪聲：機(jī)械噪聲：是噪聲低頻段的單頻分量，在低速航行時，艦船的輔機(jī)是主要的自噪聲源，與航速幾乎無關(guān)。n 螺旋槳噪聲：螺旋槳噪聲：在高航速、高頻/淺海和艇尾方向，它才是主要自噪

33、聲源。（2 2）水動力噪聲）水動力噪聲產(chǎn)生機(jī)理：產(chǎn)生機(jī)理：n 水流流經(jīng)水聽器、水聽器支架座和船體外部結(jié)構(gòu)所形成的噪聲，如湍流附面層水聽器上產(chǎn)生湍流壓力、流激殼體振動、空化和渦流輻射噪聲；噪聲源距水聽器近、隨速度的增長快；n 海水波浪沖擊船身產(chǎn)生噪聲，船艏聲吶的主要干擾背景；n 航行中水聽器與水的摩擦及撞擊產(chǎn)生的噪聲，通過安裝流線型導(dǎo)流罩降低水流的直接撞擊和防止空化噪聲的產(chǎn)生。1 1、艦船自噪聲源及其一般特征、艦船自噪聲源及其一般特征1 1、艦船自噪聲源及其一般特征、艦船自噪聲源及其一般特征（2 2）水動力噪聲）水動力噪聲流噪聲（一種特殊的水動力噪聲）：流噪聲（一種特殊的水動力噪聲）：n 流噪聲

34、是由水聽器附近的湍流附面層中的湍流，作用在水聽器表面上的壓力形成的。1 1、艦船自噪聲源及其一般特征、艦船自噪聲源及其一般特征流噪聲特性：流噪聲特性：n 流噪聲譜：低頻段平坦，高頻段以-9dB/oct的斜率下降，功率譜過渡頻率為：n 流噪聲隨自由流速的變化：在頻率低于過渡頻率時，流噪聲譜級和自由流速u0的三次方成正比；在頻率高于過渡頻率時，流噪聲譜級和自由流速u0的六次方成正比。1 1、艦船自噪聲源及其一般特征、艦船自噪聲源及其一般特征00fu（3 3）自噪聲隨航速的變化及指向性）自噪聲隨航速的變化及指向性 n 艦船自噪聲與航速密切相關(guān)；n 在低頻，機(jī)械噪聲是主要噪聲源；在高頻，水動力噪聲和螺

35、旋槳噪聲是主要噪聲源。 1 1、艦船自噪聲源及其一般特征、艦船自噪聲源及其一般特征（3 3）自噪聲隨航速的變化及指向性）自噪聲隨航速的變化及指向性 n 由于自噪聲源空間分布及近場特性，自噪聲具有明顯指向性；n 自噪聲在艏部較大范圍內(nèi)比較均勻，在艉部方向最大。1 1、艦船自噪聲源及其一般特征、艦船自噪聲源及其一般特征 自噪聲是近場噪聲，傳播路徑復(fù)雜而多變。船殼傳遞、水中直接繞射路徑、散射體反射、海底和海面的反射等可能路徑。2 2、自噪聲的傳播途徑、自噪聲的傳播途徑n 大型驅(qū)逐艦和小型快艇在25kHz的等效各向同性自噪聲級隨航速的變化曲線。 3 3、艦船自噪聲級、艦船自噪聲級n 潛艇自噪聲級頻譜曲

36、線以及隨航速的變化。 3 3、艦船自噪聲級、艦船自噪聲級4 4、艦船自噪聲測量、艦船自噪聲測量 由于自噪聲的聲源眾多、路徑復(fù)雜多變、測量點(diǎn)離聲源很近、聲場不穩(wěn)定等，因此準(zhǔn)確測量自噪聲比較困難。測量結(jié)果與水聽器安裝位置、安裝方式及其指向性有關(guān)。 為使用上的方便，引入等效各向同性自噪聲級：用無指向性水聽器測量結(jié)果表示艦船自噪聲級。 設(shè)指向性水聽器測得聲級為 ，則等效各向同性自噪聲級NL：NLNLNLDI注意：兩種水聽器的靈敏度相等。注意：兩種水聽器的靈敏度相等。 降低艦船噪聲，一方面提高艦船自身的隱蔽性隱蔽性，另一方面提高艦載聲吶的作用距離作用距離，從而可以提高艦船的對抗能力對抗能力。 按照控制對

37、象的不同，可分為：（1 1）主動噪聲控制）主動噪聲控制（Active noise control）聲源，是控制和降低艦船噪聲最根本/最積極方法；措施改進(jìn)機(jī)械設(shè)計(jì)、采用合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)、改革工藝和操作方法、提高加工精度和裝配質(zhì)量等。（2 2）被動噪聲控制）被動噪聲控制（Passive noise control）傳播途徑，措施采取阻尼、隔振或減振的辦法、采取吸聲結(jié)構(gòu)、對螺旋槳噪聲采用屏蔽罩等。 1 1、艦船噪聲控制方法分類、艦船噪聲控制方法分類常規(guī)艦艇主要源：常規(guī)艦艇主要源：主機(jī)（柴油機(jī)、汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、推進(jìn)電機(jī)等）、輔機(jī)（電機(jī)、各種泵及空調(diào)系統(tǒng)等）；核動力潛艇主要源：核動力潛艇主要源：齒輪變速

38、箱、循環(huán)水泵等?？刂拼胧嚎刂拼胧海?）設(shè)計(jì)合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)；（2）改善機(jī)械的工作狀態(tài)；（3）避免結(jié)構(gòu)共振；（4）完善機(jī)械制造工藝，提高加工精度；（5）提高安裝精度，嚴(yán)格操作規(guī)程，注意維護(hù)保養(yǎng)；（6）采用浮筏技術(shù)。2 2、機(jī)械噪聲控制、機(jī)械噪聲控制2 2、機(jī)械噪聲控制、機(jī)械噪聲控制 控制螺旋槳空化最根本辦法是避免或推遲空化現(xiàn)象。采取措施：（1）采用正反螺旋槳，減小尾流的旋轉(zhuǎn)，降低水動力噪聲；（2）增大螺旋槳盤面比，減小負(fù)荷強(qiáng)度；增大螺旋槳直徑，減低螺旋槳轉(zhuǎn)速，使負(fù)壓區(qū)推遲出現(xiàn)或壓差變小，推遲空化產(chǎn)生；（3）增加螺旋槳葉片數(shù)，使水趨于均勻，負(fù)壓減小，推遲空化產(chǎn)生；（4）螺旋槳葉片上打孔，改變螺旋

39、槳的幾何參數(shù)；（5）使船尾有良好線型，改善葉片上力、速度分布，推遲空化產(chǎn)生；（6）提高螺旋槳加工精度。 控制螺旋槳唱音辦法是增加槳葉阻尼，減小振動或改變螺旋槳固有頻率，避免共振；采用高阻尼合金材料制造，消除螺旋槳產(chǎn)生唱音。 3 3、螺旋槳噪聲控制、螺旋槳噪聲控制 控制水動力噪聲的措施：（1）改進(jìn)艦船船體線型；保持水面艦船船體光滑，潛艇長寬比78，艇外形呈水滴形、拉長水滴形；（2）減少艇體上不必要的開孔和突出物；（3）將艇體尾部與螺旋槳設(shè)計(jì)同軸的回轉(zhuǎn)體，推遲空化產(chǎn)生。 為減小水動力噪聲，一般聲吶安裝在流線型導(dǎo)流罩內(nèi)，導(dǎo)流罩用橡膠制作，并用鋼板加固。設(shè)計(jì)要求：透聲性能要好，有足夠機(jī)械強(qiáng)度，良好的流

40、線型。4 4、水動力噪聲控制、水動力噪聲控制n 艦船輻射噪聲頻率范圍：10Hz500Hz（考慮聲傳播）；n 航船噪聲對環(huán)境噪聲貢獻(xiàn)的范圍：10km100km；更遠(yuǎn)距離航船對環(huán)境噪聲的貢獻(xiàn)可忽略；近距離航船不宜計(jì)入環(huán)境噪聲，是被動檢測和識別問題。1 1、航船噪聲影響范圍、航船噪聲影響范圍n 航船噪聲是不同地理位置上的所有船只輻射噪聲的疊加；n 航船噪聲模型是理想條件下的統(tǒng)計(jì)平均結(jié)果；n 航船噪聲理論建模三要素：航船噪聲聲源級；航船密度；聲傳播損失。2 2、航船噪聲理論建模要素、航船噪聲理論建模要素（1 1）航船噪聲源級模型）航船噪聲源級模型ROSSROSS模型：模型：n 根據(jù)二次大戰(zhàn)期間測量大型

41、貨船的源級數(shù)據(jù)得到用螺旋槳葉端速v度和尺度B表示的經(jīng)驗(yàn)公式：2 2、航船噪聲理論建模要素、航船噪聲理論建模要素17560lg2510lg4LvB（1 1）航船噪聲源級模型）航船噪聲源級模型n 1985年，Scrimger和Heitmeyer測量貨船得到航船噪聲源級：（1 1）航船噪聲源級模型）航船噪聲源級模型RANDI-2RANDI-2模型：模型：n 單艘貨船的平均聲源級與航速v（節(jié)）、船長L（呎）和頻率f（Hz）的關(guān)系公式：n Sv(f)為航船噪聲源級平均曲線。2 2、航船噪聲理論建模要素、航船噪聲理論建模要素 60lg1220lg300SLSv fvL（1 1）航船噪聲源級模型）航船噪聲源

42、級模型RANDI-2RANDI-2模型：模型：n 軍艦的聲源級與船速v（節(jié)）、排水量T（噸）、距離D（碼）和頻率f（kHz）的關(guān)系公式：n與客船、軍艦和運(yùn)輸船在5kHz頻率上的測量值相符，不適用貨船和油輪。2 2、航船噪聲理論建模要素、航船噪聲理論建模要素 60lg9lg20lg20lg35SLvTfD（2 2）航船密度）航船密度n 航船密度數(shù)據(jù)可通過航測得到；n 航船密度還可通過船只航行模型計(jì)算得到。（3 3）傳播損失）傳播損失n 根據(jù)現(xiàn)場條件，選擇合適的計(jì)算方法；n 常用方法：射線方法、簡正波方法、拋物方程等。2 2、航船噪聲理論建模要素、航船噪聲理論建模要素n 假設(shè)感興趣區(qū)域內(nèi)，有M條航

43、線，在第i條航線上平均有Ni艘船舶航行，其中第j艘航船距接收器距離dij，其聲源級為NLij，則在接收器處的聲級為NLij-TLij；n M條航線上所有航船對接收器處環(huán)境噪聲的總貢獻(xiàn)：3 3、航船噪聲理論模型、航船噪聲理論模型0.11110lg10iijijNMNLTLijNLn 近20年來航船噪聲平均譜：4 4、航船噪聲的實(shí)測平均譜級、航船噪聲的實(shí)測平均譜級5 5、航船噪聲的空間指向性模型、航船噪聲的空間指向性模型（1 1）RANDI-2RANDI-2模型模型n 航船噪聲空間指向性取決于航船的數(shù)量和它們相對于接收器的距離和方位、聲傳播損失及它隨距離、方位的變化等因素；n RANDI-2模型的

44、航船噪聲水平指向性： 0.1110lg10sssssnSLTL rsH，5 5、航船噪聲的空間指向性模型、航船噪聲的空間指向性模型（2 2）波束噪聲的指向性模型）波束噪聲的指向性模型n 波束噪聲是指陣列接收器所接收到的噪聲；n 實(shí)質(zhì)是接收陣列的波束與各噪聲源的卷積；n 利用每個陣元的復(fù)數(shù)聲壓輸出可以得到任意形狀陣的輸出，然后對所有船只求和，就可以得到噪聲場的指向性。n 風(fēng)成噪聲是分布于海表面大量噪聲源輻射噪聲在接收點(diǎn)疊加；n 風(fēng)成噪聲建模研究歸結(jié)為聲源特性和聲傳播特性研究；n 噪聲源特性主要是指噪聲源類型及其強(qiáng)度，而海面噪聲源的強(qiáng)度是風(fēng)速和頻率等參數(shù)的函數(shù)；n 聲傳播特性是研究平面分布噪聲源產(chǎn)

45、生的聲波在非均勻海水介質(zhì)中的傳播特性。1 1、風(fēng)成噪聲聲源級模型、風(fēng)成噪聲聲源級模型 風(fēng)成噪聲聲源級是單位海面產(chǎn)生的噪聲源級，它取決于風(fēng)速與頻率，與位置無關(guān)。（1 1）WilsonWilson風(fēng)成噪聲源級模型風(fēng)成噪聲源級模型n Wilson模型使用頻率501000Hz，風(fēng)速1030節(jié)。偶極子源條件下的風(fēng)成噪聲源級模型： SL fvcR v S f， 61 24.1562 100.03537cS ff1 1、風(fēng)成噪聲聲源級模型、風(fēng)成噪聲聲源級模型n 白帽指數(shù)是指海表面被“白帽”覆蓋的百分比：n 單極子源情況下的風(fēng)成噪聲源級模型： 321.50091749.681.00 1.54.32930303

46、030vR vvvvvRvv 22mSLSL fvkz，1 1、風(fēng)成噪聲聲源級模型、風(fēng)成噪聲聲源級模型（2 2）Kuperman/FerlaKuperman/Ferla源級模型源級模型n 由實(shí)測環(huán)境噪聲級，通過傳播損失修正得到源級。2 2、風(fēng)成噪聲指向性理論模型、風(fēng)成噪聲指向性理論模型（1 1）Cron/ShermanCron/Sherman（C/SC/S）模型）模型n 假設(shè)噪聲源分布在海面層中，噪聲源具有cosm形式的輻射指向性，模型僅考慮直線傳播，垂直相關(guān)函數(shù)： 2212sin2 cos12cossinilmCkdkdkdkdjkdkdkdkd 23423424sin12cos24sin24 cos14cos3sin6cos6sinilmCkdkdkdk