第八章 水下噪聲

1、第八章 水下噪聲噪聲定義：是指在特定條件下不需要的聲音。水下噪聲：（1）海洋環(huán)境噪聲和艦船的自噪聲它們是聲吶系統(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）輻射噪聲它是被動聲吶系統(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（對抗與反對抗）：（1）建立水下噪聲的規(guī)律和特性，提高聲吶設(shè)備的性能。（2）降噪處理，提高自身隱蔽性。8.1 噪聲的基本概念1、噪聲的描述噪聲是一個隨機(jī)過程，描述噪聲的統(tǒng)計量有：噪聲的概率密度函數(shù)：噪聲的概率分布函數(shù)：平穩(wěn)隨機(jī)過程：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)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：為高斯

2、分布，相應(yīng)的噪聲稱為高斯噪聲。其均值和方差：常識：一般將干擾視為高斯噪聲。一般，表征噪聲統(tǒng)計特性的統(tǒng)計量：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。噪聲聲壓有效值：等于介質(zhì)阻抗為單位值時平均聲強(qiáng)的平方根。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)：或時間平均表示：噪聲聲壓有效值：2、噪聲的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的頻譜沒有意義；而隨機(jī)過程的功率譜函數(shù)是一個確定的統(tǒng)計量，反映了該過程的各頻率分量的平均強(qiáng)度。根

3、據(jù)信號頻譜曲線形狀劃分：（1）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）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。聲強(qiáng)平均頻譜密度：聲強(qiáng)頻譜密度函數(shù)：帶寬內(nèi)的總聲強(qiáng)：注意：連續(xù)譜某確定頻率分量上的聲強(qiáng)貢獻(xiàn)無限小。海洋環(huán)境噪聲級：式中，為水聽器工作帶寬內(nèi)的噪聲總聲強(qiáng)。假設(shè)水聽器工作帶寬內(nèi)噪聲譜和其相應(yīng)是均勻的，則有：則有：注意：水下噪聲是多種噪聲源的綜合迭加，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。3、水下噪聲的指向特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

4、。注意：工程上將噪聲視為各向同性的，便于處理。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。8.2 海洋環(huán)境噪聲海洋環(huán)境噪聲也稱自然噪聲，研究環(huán)境噪聲的目的：解決NL及其時空統(tǒng)計特性與環(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，為聲納設(shè)備設(shè)計、制作提供必要的數(shù)據(jù)。1、深海中的環(huán)境噪聲源從低頻到高頻次序討論噪聲源及其特性：（1）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)部海水靜壓力變化的原因，它們是低頻噪聲源。（2）地震擾動地震是海洋中的極低頻噪聲源。（3）海洋湍流湍流產(chǎn)生噪聲方式：湍流使水聽器、電纜等顫動或作響自噪聲（不是自然噪聲）；湍流壓力變化輻射噪

5、聲四極子元，衰減會，不是主要源；湍流區(qū)內(nèi)部壓力的聲效應(yīng)。地海洋湍流是海洋中的低頻噪聲源。（4）行船行船是50Hz500Hz頻率范圍內(nèi)主要噪聲源，與風(fēng)和天氣無關(guān)。（5）海面波浪海面波浪噪聲是500Hz25000Hz頻率范圍內(nèi)的噪聲源，與海況直接相關(guān)。V. O. Kundson總結(jié)出著名Kundson曲線。（6）熱噪聲海洋分子的熱噪聲限制水聽器的高頻靈敏度，等效熱噪聲譜級：式中，為指向性指數(shù)，單位dB；為轉(zhuǎn)換效率，單位dB；頻率，單位kHz。2、深海環(huán)境噪聲譜Wenz譜級圖：在一般情況下，它能夠比較細(xì)致地描寫出環(huán)境噪聲地普遍規(guī)律性，被認(rèn)為最具代表性的深海噪聲譜曲線。 深海環(huán)境噪聲譜地例子如上圖，譜

6、由斜率的不同的五部分組成，解釋如下：（1） 1Hz以下，這段譜至今還不為人所知。估計該噪聲來源于海水靜壓力效應(yīng)或是地球內(nèi)部的地震擾動。（2） 譜斜率為-8-10dB/倍頻程，與風(fēng)速僅有很微弱的關(guān)系，最可能的噪聲源是海洋湍流。（3） 自然噪聲譜變平，遠(yuǎn)處行船是主要噪聲源。（4） 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） 海水介質(zhì)分子熱運(yùn)動噪聲，譜線斜率為6dB/倍頻程。工程上，為預(yù)報海洋環(huán)境噪聲級，需要不同條件下的平均典型自然噪聲譜，見右圖。圖中畫出了不同航運(yùn)和風(fēng)速條件下的預(yù)報用曲線。使用時，選擇適當(dāng)?shù)暮竭\(yùn)和風(fēng)速條件曲線，和相鄰頻段的曲線連接起來，近似地預(yù)報自然噪聲譜。3

7、、自然噪聲的間歇源及自然噪聲的變化特性（1）間歇源的噪聲源它是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：甲殼類、魚類和海生哺乳類特殊的鳴聲、嘈雜聲等；降雨：提高自然噪聲級與降雨率和面積有關(guān)在1kHz10kHz頻段接近于白噪聲。（2）變化特性自然噪聲具有易變性。產(chǎn)生原因：噪聲源的易變性和傳播條件的改變4、海洋環(huán)境噪聲的振幅分布和空間相關(guān)（1）振幅分布根據(jù)中心極限定理，海洋環(huán)境噪聲的振幅分布是高斯分布，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。（2）空間相關(guān)性噪聲的空間相關(guān)：指海中相隔開的水聽器接收到的噪聲的乘積對時間的平均。兩個相距為的各向同性單頻噪聲的相關(guān)系數(shù)為Cr

8、on和Sherman對指向性為的噪聲場相關(guān)系數(shù)進(jìn)行研究，如右圖。水平方向和垂直方向上的相關(guān)系數(shù)理論曲線與各向同性的單頻噪聲場具有相同形狀。海面粗糙度形成的噪聲場具有的指向特性。5、深海環(huán)境噪聲的指向性深海自然噪聲具有指向性：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（噪聲源和海面上虛源干涉效應(yīng)引起的）。8.3 艦船和魚雷的輻射噪聲艦船、潛艇和魚雷的輻射噪聲，是被動聲納的聲源信號。艦船輻射噪聲的危害：（1）破壞了艦船的隱蔽性；（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）。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、艦船輻射

9、噪聲的聲源級和噪聲譜艦船輻射噪聲聲源級：在遠(yuǎn)場測得噪聲級后，在修正傳播損失，歸算到離聲源聲中心1米處，并計算出1Hz帶寬內(nèi)的聲強(qiáng)，則聲源級（譜級）為：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)。噪聲譜基本類型：（1）連續(xù)譜；（2）線譜。艦船輻射噪聲為線譜和連續(xù)譜的迭加。2、艦船輻射噪聲源及其特性艦船輻射噪聲源分為三大類：機(jī)械噪聲、螺旋槳噪聲和水動力噪聲。機(jī)械噪聲螺旋槳噪聲水動力噪聲主機(jī)：柴油機(jī)、主電動機(jī)、減速器輔機(jī)：發(fā)動機(jī)、泵、空調(diào)設(shè)備螺旋槳空化螺旋槳引起船殼振動水流輻射噪聲空腔、板和附件的共振支柱和附件的空化（一）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

10、過船體向水中輻射而形成的噪聲。產(chǎn)生機(jī)理：（1）不平衡的旋轉(zhuǎn)部件（電機(jī)電樞等）；（2）重復(fù)的不連續(xù)性（齒輪、渦輪機(jī)葉片等）；（3）往復(fù)部件（汽缸的爆炸）；產(chǎn)生線譜噪聲，其成分是振動基頻及其諧波分量（4）流體空化和湍流及排氣（泵、管道、凝汽器等）；（5）機(jī)械摩擦（軸承等）。產(chǎn)生連續(xù)譜噪聲。結(jié)論：（1）艦船輻射噪聲為強(qiáng)線譜加弱連續(xù)譜的迭加，與艦船航行狀態(tài)及機(jī)械工作狀態(tài)密切相關(guān)，一般較復(fù)雜、多變；（2）機(jī)械噪聲是艦船輻射噪聲低頻段主要成分。（二）螺旋槳噪聲螺旋槳噪聲：螺旋槳空化噪聲和螺旋槳葉片振動輻射噪聲。（1）螺旋槳空化噪聲螺旋槳空化噪聲是艦船輻射噪聲高頻段主要成分，且為連續(xù)譜，其典型頻譜如右圖。頻

11、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。原因：高航速和淺深度時，易產(chǎn)生空化氣泡，產(chǎn)生低頻噪聲，使譜峰向低頻端移動?？栈肼暜a(chǎn)生條件：航速大于艦船臨界航速。螺旋槳空化噪聲與航速關(guān)系：（a）航速低于臨界航速，空化噪聲級很低（未發(fā)生空化）；（b）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）；（c）航速繼續(xù)增大，空化噪聲級基本趨于穩(wěn)定（空化充分）。螺旋槳空化噪聲與航深關(guān)系：航行深度增加，臨界航速提高，空化噪聲級增加。螺旋槳空化噪聲還與其它因素有關(guān)，例如螺旋槳損壞

12、、加速、轉(zhuǎn)向等因素。 常識：水面艦船的螺旋槳空化噪聲航速關(guān)系不是S形，關(guān)系復(fù)雜。（2）螺旋槳唱音螺旋槳唱音是螺旋槳葉片拍擊、切割水流而引起的，也稱為旋轉(zhuǎn)噪聲，它為線譜噪聲分量。其頻譜的頻率：式中，n是螺旋槳葉片數(shù)；s是螺旋槳轉(zhuǎn)速；m是諧波次數(shù)。螺旋槳唱音是潛艇低頻段（1100Hz）噪聲的主要成分。常識：頻譜特性是聲納識別目標(biāo)和估計目標(biāo)速度的依據(jù)。（3）螺旋槳噪聲方向性船首和船尾方向比正橫方向輻射的噪聲??；在船首船尾方向成30o角度內(nèi)，指向性凹進(jìn)去，船首方向比船尾方向凹進(jìn)略多些。（三）水動力噪聲水動力噪聲是由不規(guī)則的、起伏的海流流過運(yùn)動船只表面而形成的，是水流動力作用于艦船的結(jié)果。產(chǎn)生機(jī)理：（1

13、）水流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；（2）湍流附面層產(chǎn)生的流噪聲（粘滯流體特性）；（3）航船拍浪聲（船首、船尾）、船上循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)水口和排水口的輻射噪聲。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)：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：一般情況，艦船水動力噪聲小于機(jī)械噪聲和螺旋槳噪聲。3、輻射噪聲源概要艦艇的輻射噪主要噪聲源是機(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。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的連續(xù)譜。常識：通常艦艇的臨

14、界頻率為100Hz1000Hz，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）。4、艦船、潛艇、魚雷輻射噪聲級教材中所列的數(shù)據(jù)是二次世界大戰(zhàn)期間的艦船輻射噪聲水平，現(xiàn)代的艦船輻射噪聲水平明顯低于教材所列的數(shù)據(jù)，但教材所介紹的輻射噪聲級隨航速變化規(guī)律具有普遍性，同學(xué)們自學(xué)。5、輻射噪聲的測量測量方法：讓被測船航行通過遠(yuǎn)處的測量水聽器來實(shí)現(xiàn)測量。按照測量水聽器、設(shè)施布放方式：固定式和活動式。水聽器陣形式：潛艇和魚雷深海（大于60米）、垂直陣；水面艦船淺海（大于30米）、水平陣。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)備工作帶寬為W，該帶寬內(nèi)噪聲級為BL，則1Hz帶寬內(nèi)的

15、譜級為BL-10lgW。注意：上述噪聲為白噪聲，如果被測帶寬內(nèi)有線譜噪聲，則歸算方法不在適用。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。因此，需要精確知道水聽器與被測艦船之間的距離，一般采用同步鐘測距裝置（主動聲納）。目前，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。國內(nèi)，專門測試單位為大連760所、湛江海軍第四試驗(yàn)場區(qū)、昆明750試驗(yàn)場，另外，還有哈爾濱工程大學(xué)和中科院聲學(xué)所從事這方面的研究工作。8.4 艦船、潛艇和魚雷的自噪聲自噪聲是本艦聲納的一種特殊干擾背景，表現(xiàn)為聲納方程N(yùn)L，是艦船上的各種聲源產(chǎn)生的

16、。自噪聲與輻射噪聲區(qū)別：（1）相同點(diǎn)：聲源基本相同；（2）不同點(diǎn)：在聲納方程中的作用不一樣，輻射噪聲為SL，自噪聲為NL；自噪聲的傳播路徑復(fù)雜，而且可變；自噪聲為近場噪聲，輻射噪聲為遠(yuǎn)場噪聲。1、艦船自噪聲源及其一般特征噪聲源：機(jī)械噪聲、螺旋槳噪聲和水動力噪聲。水動力噪聲，特別是流噪聲，對聲納設(shè)備的影響是十分嚴(yán)重的。（一）機(jī)械噪聲和螺旋槳噪聲它們是自噪聲的主要聲源。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)。螺旋槳噪聲：在高航速、高頻/淺海和艇尾方向，它才是主要自噪聲源。（二）水動力噪聲水動力噪聲：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

17、的噪聲源，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。水動力噪聲隨速度增長快。流噪聲（一種特殊的水動力噪聲）：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。為了減小流噪聲的干擾，一般安裝流線型導(dǎo)流罩，降低水流的直接撞擊和防止空化噪聲的產(chǎn)生。一般聲納設(shè)備安裝在艦首，海水波浪沖擊船身形成自噪聲，它隨航速增大很快。綜上所述，艦船自噪聲與航速密切相關(guān)，見下圖。2、自噪聲的傳播路徑自噪聲是近場噪聲，傳播路徑復(fù)雜而多變。船殼傳遞、水中直接路徑、散射體反射、海底和海面的反射等路徑。3、自噪聲級教材中所列的數(shù)據(jù)是二次世界大戰(zhàn)期間的艦船自噪聲水平，同學(xué)們自學(xué)。4、艦船自噪聲

18、的測量由于自噪聲的聲源眾多、路徑復(fù)雜多變，聲場不穩(wěn)定，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：注意：兩種水聽器的靈敏度相等。8.5 艦船噪聲控制簡介降低艦船噪聲，一方面提高艦船自身的隱蔽性，另一方面提高艦載聲納的作用距離，從而可以提高艦船的對抗能力。1、艦船噪聲控制方法分類按照控制對象的不同，可分為：（1）主動噪聲控制聲源，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、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）被動噪聲控制傳播途徑，措施采取阻尼、隔振或減振的辦法、采取吸聲結(jié)構(gòu)、對