第7章水下噪声课件.ppt

第7章 水下噪声,概述,噪声定义： 指在特定条件下不需要的声音。水下噪声：（1）海洋环境噪声和目标（舰船、潜艇、鱼雷等）的自噪声 声呐系统的主要干扰背景之一，限制装备性能。（2）目标（舰船、潜艇、鱼雷等）辐射噪声 被动声呐系统的声源，通过接收该噪声实现目标检测。水下噪声研究的意义（水声对抗与反对抗）：（1）提高被动声呐设备的检测和识别能力；（2）减振降噪处理，提高自身隐蔽性和安全性。,7.1 噪声的基本概念,1、噪声描述 噪声是一个随机过程，描述噪声的统计量有：,（1）噪声的概率密度函数：,（2）噪声的概率分布函数：,（3）平稳随机过程：,结论：平稳随机过程的概率密度函数与时间无关。,7.1 噪声的基本概念,1、噪声描述,一般水中噪声被视为平稳随机过程，若噪声的声压概率密度函数表示为：,为高斯分布，相应的噪声称为高斯噪声。其均值和方差：,常识：一般将水声干扰噪声视为高斯噪声。,7.1 噪声的基本概念,1、噪声描述,一般，表征噪声统计特性的统计量：概率密度函数、数学期望、方差、相关函数、功率谱。 由随机过程理论可知，噪声自相关函数的傅立叶变换即为功率谱密度函数：,若噪声的功率谱是均匀，则称之为白噪声。,7.1 噪声的基本概念,1、噪声描述,时间平均表示：,噪声声压有效值：,噪声声压有效值：介质特性阻抗为单位值时平均声强平方根。 如果假设噪声的平均值为零，介质阻抗为单位值，则它的方差便等于平均声强：,7.1 噪声的基本概念,2、噪声频谱分析,噪声声压是一个随机量，与时间量之间不存在确定关系，因此分析噪声声压幅值频谱没有意义；而随机过程功率谱函数是一个确定的统计量，反映了该过程的各频率分量的平均强度。,根据信号频谱曲线形状划分：（1）线谱：数学上能够用傅氏级数来表示，水声中周期、准周期信号频谱就是线谱信号；（2）连续谱：频谱分析用傅氏变换来表示，水声中瞬态非周期信号频谱就是连续谱。,7.1 噪声的基本概念,2、噪声频谱分析,7.1 噪声的基本概念,2、噪声频谱分析,声强平均频谱密度：,声强频谱密度函数：,带宽内的总声强：,注意：连续谱某确定频率分量上的声强贡献无限小。,7.1 噪声的基本概念,2、噪声频谱分析,海洋环境噪声级：,注意：水下噪声是多种噪声源的综合迭加，每种噪声源的激励不尽相同，因此，它可能是线谱，也可能是连续谱，甚至是两种的迭加。,水听器工作带宽内的噪声总声强,假设水听器工作带宽 内噪声谱 和其响应是均匀的，则：,7.1 噪声的基本概念,2、噪声频谱分析,7.1 噪声的基本概念,3、水下噪声指向特性,水下噪声具有指向性：噪声源具有指向性、噪声源空间分布、海洋传播条件等原因。常识：海面噪声（风浪噪声）垂直指向性；远处航船的辐射噪声水平指向性。 注意：工程上将海洋环境噪声视为各向同性的，便于信号处理。,7.2 海洋环境噪声,海洋环境噪声也称自然噪声，是水声信道的一种干扰背景；研究环境噪声的目的： 解决NL及其时空统计特性与环境因素之间的依赖关系，找出其规律，并由此作出必要的预报，为声呐设备设计、研制提供必要的数据； 利用噪声与信号场在时空统计特性方面的差异，设计信号处理方案，提高设备的抗干扰能力。,7.2 海洋环境噪声,1、深海中的环境噪声源,采用海底深水水听器，在低于1Hz100kHz频段内对深海噪声进行测量研究，研究结果表明： 噪声源是多种多样的，环境噪声是这些源的综合效应； 环境噪声在不同频段有不同特性，各种噪声源发声机理不同； 环境噪声与环境条件密切相关，如风速等自然条件。,7.2 海洋环境噪声,1、深海中的环境噪声源,从低频到高频次序讨论噪声源及其特性：（1）潮汐和波浪的海水静压力效应 潮汐和海面波浪是海洋内部引起海水静压力变化的原因，是低频噪声源。（2）地震扰动 地震扰动是海洋中的极低频噪声源。 地震扰动在海水中产生的压力：,式中，a为地震扰动引起的地球表面垂直振幅。,7.2 海洋环境噪声,1、深海中的环境噪声源,（3）海洋湍流 海洋中无规则随机水流形成的湍流，以多种方式产生噪声，是一种低频噪声源。 海洋湍流产生噪声机理： 湍流会使水听器、电缆等颤动或作响，产生自噪声，它不是自然噪声； 湍流运动引起压力变化辐射噪声，在湍流区以外海水中产生噪声。它是四极子源，随距离衰减快，对环境噪声贡献不大； 湍流区内部压力变化的声效应。,7.2 海洋环境噪声,1、深海中的环境噪声源,Wenz根据湍流理论和实验关系，推导的湍流压力谱。,7.2 海洋环境噪声,1、深海中的环境噪声源,（4）波浪非线性作用引起的低频噪声 海面波浪运动产生的压力随深度增加迅速变小； 两个反方向传播的行波波浪相遇，可能相互作用形成驻波，产生的压力不随深度增加而变小，其频率是形成它的波浪频率的两倍； 波浪非线性作用引起的噪声是低频噪声源。,7.2 海洋环境噪声,1、深海中的环境噪声源,（5）远处航船噪声 远处航船噪声是几十赫兹至几百赫兹频率范围内的主要噪声源。 测量结果表明： 然噪声与风和天气无关，且到达深水水听器的噪声来自水平方向； 在50Hz500Hz范围内，航船频繁海区的自然噪声量级高于航船稀少海区的测量值； 在50Hz500Hz范围内，观测到的自然噪声谱有一段突起或平坦部分，与传播的辐射噪声谱极大值相符合。,7.2 海洋环境噪声,1、深海中的环境噪声源,（6）风成噪声（海面波浪噪声） 海面粗糙度是更高频段的自然噪声的噪声源。 测量结果表明： 在500Hz25kHz频率范围内，自然噪声与海况、水听器处风速直接相关，到达深水水听器方向接近垂直。 风成噪声与风速的相关性比与海况的相关性更好。,Kundson海洋环境噪声谱,7.2 海洋环境噪声,1、深海中的环境噪声源,（7）热噪声 海洋分子热噪声限制水听器高频灵敏度，等效热噪声谱级：,DI为指向性指数，单位dB；E为转换效率，单位dB；f频率，单位kHz。,7.2 海洋环境噪声,2、深海环境噪声谱,20世纪60年代，Wenz提出环境噪声的 Wenz谱级图。 在一般情况下，它比较细致地描写出环境噪声的普遍规律性，被认为最具代表性的深海噪声谱曲线。,7.2 海洋环境噪声,2、深海环境噪声谱,深海环境噪声谱由斜率的不同的五部分组成：（1）频段，至今还不为人所知。估计该噪声来源于海水静压力效应或是地球内部的地震扰动。（2）频段，谱斜率为-8-10dB/倍频程，与风速仅有很微弱关系，最可能噪声源是海洋湍流。,7.2 海洋环境噪声,2、深海环境噪声谱,（3）频段，噪声谱基本是平的，远处行船是主要噪声源。（4）频段，谱斜率具有-5-6dB/倍频程，噪声源是离测量点不远的粗糙海面。（5）频段，海水介质分子热运动噪声，谱线斜率为6dB/倍频程。,7.2 海洋环境噪声,2、深海环境噪声谱,工程上，为预报海洋环境噪声级，需要用到不同参数表示典型自然噪声谱。 图中画出了不同航运和风速条件下的预报用曲线。 使用时，选择适当的航运和风速条件曲线，综合考虑航运条件、蒲氏风级、噪声频率、海况等因素，近似地预报自然噪声谱。,7.2 海洋环境噪声,3、自然噪声间歇源及其变化特性,（1）间歇源的噪声源 一种暂时存在的噪声源，如能发声的海洋生物、降雨等。海洋生物噪声： 甲壳类、鱼类和海生哺乳类特殊鸣声、嘈杂声等；降雨噪声： 提高自然噪声级，与降雨率和降雨面积有关。,7.2 海洋环境噪声,3、自然噪声间歇源及其变化特性,长岛海峡东端海深为36米海域测得的降雨自然噪声谱,7.2 海洋环境噪声,3、自然噪声间歇源及其变化特性,不同降雨率的降雨噪声谱理论估计值,7.2 海洋环境噪声,3、自然噪声间歇源及其变化特性,（2）自然噪声的易变性 自然噪声具有易变性。 产生原因：噪声源的易变性；传播条件的改变，影响来自远处噪声源的声传播，从而改变了噪声强度。 百慕大和巴哈马群岛海底水听器观测结果：冬季的自然噪声级比夏季高7dB。,7.2 海洋环境噪声,4、海洋环境噪声振幅分布和空间相关性,（1）振幅分布 海洋环境噪声是由大量噪声源的辐射噪声叠加所组成的，各噪声源之间互不相关； 海洋环境噪声的振幅分布是高斯分布，但在近海面其分布比高斯型尖，原因是噪声源数目不够大。,7.2 海洋环境噪声,4、海洋环境噪声振幅分布和空间相关性,（2）空间相关性 对声呐基阵设计具有重要意义； 为降低环境噪声的干扰，基阵基元间距应大于环境噪声的空间相关半径，提高基阵输出端的信噪比； 噪声的空间相关性：指海中相隔开的水听器接收到噪声的乘积对时间平均。两个相距为d各向同性单频噪声相关系数为：,7.2 海洋环境噪声,4、海洋环境噪声振幅分布和空间相关,Cron和Sherman对噪声源分布无限大平面上、噪声源指向性为 噪声场相关系数进行研究。,水平方向和垂直方向上的相关系数随间距d做衰减振荡，曲线与各向同性的单频噪声场具有相同形状； 水平方向和垂直方向上的相关系数第一个零点分别位于0.8和0.9附近；,海面粗糙度形成噪声场具有 指向特性。,7.2 海洋环境噪声,4、海洋环境噪声振幅分布和空间相关性,（3）相关延时与噪声源 如果把两相隔开的水听器的输出信号进行相关分析，则相关峰位置的延时值表示了信号到达两个水听器的时差，相关峰的幅值、形状表示了两个信号的相关特性。 百慕大群岛垂直阵测量结果：低风速时，噪声源为远处航船和风暴；高风速时，噪声源为海面噪声源。,7.2 海洋环境噪声,5、深海环境噪声指向性,深海环境噪声具有指向性：低频噪声来自远处，高频噪声源来自顶部的海面。 海面辐射噪声具有 的指向特性（噪声源和海面上虚源干涉效应引起的）。,7.3 舰船和鱼雷辐射噪声,舰船、潜艇和鱼雷的辐射噪声，是被动声呐探测、分类识别和跟踪目标的信号，是被动声呐方程中的声源级SL。 舰船辐射噪声的危害：（1）破坏了舰船和潜艇的隐蔽性；（2）可能引爆某些水中兵器；（3）干扰本舰的水声设备（自噪声）。 舰船辐射噪声是水中兵器研制的重要依据 舰船、鱼雷辐射噪声特点： 噪声源繁多、集中，噪声强度大，频谱成分复杂。,7.3 舰船和鱼雷辐射噪声,7.3 舰船和鱼雷辐射噪声,1、舰船辐射噪声的声源级和噪声谱,舰船辐射噪声的声源级：定义：水听器声轴方向上距源的等效声中心1m处的声强与参考声强之比的分贝数。 在远场测得噪声级后，再修正传播损失，归算到离声源声中心1米处，并计算出1Hz带宽内声强，则声源级和谱源级：,式中， 是换能器工作带宽， 为参考声强， 为距声源声中心1米处的噪声声强。,7.3 舰船和鱼雷辐射噪声,1、舰船辐射噪声声源级和噪声谱,噪声谱基本类型： （1）连续谱；（2）线谱；（3）混合谱。 舰船辐射噪声为线谱和连续谱的迭加。,7.3 舰船和鱼雷辐射噪声,2、舰船辐射噪声源及其特性,7.3 舰船和鱼雷辐射噪声,2、舰船辐射噪声源及其特性,舰船辐射噪声源分为三大类：机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声,7.3 舰船和鱼雷辐射噪声,（1）机械噪声 机械噪声是航行或作业舰船上的各种机械的振动，通过船体向水中辐射而形成的噪声。产生机理： 不平衡的旋转部件（电机电枢等） 重复的不连续性（齿轮、电枢槽、涡轮机叶片等） 往复部件（内燃机汽缸中爆炸）产生线谱噪声，其成分是振动基频及其谐波分量。 流体空化和湍流及排气（泵、管道、阀门中流体，凝汽器排气等） 机械摩擦（轴承等）产生连续谱噪声。,2、舰船辐射噪声源及其特性,7.3 舰船和鱼雷辐射噪声,（1）机械噪声结论： 舰船机械噪声为强线谱加弱连续谱的迭加，与舰船航行状态及机械工作状态密切相关，频谱结构较复杂、多变的； 机械噪声是舰船辐射噪声低频段主要成分。,2、舰船辐射噪声源及其特性,7.3 舰船和鱼雷辐射噪声,（2）螺旋桨噪声 螺旋桨噪声是由旋转着的螺旋桨与流体相互作用所产生的噪声，它由螺旋桨空化噪声、唱音和螺旋桨叶片旋转噪声组成。 空化噪声： 螺旋桨在水中旋转，当转速达到一定值时，叶片叶稍和表面产生负压，负压足够高，就会长生气泡，这种现象称为空化； 空化产生的气泡破裂发出尖的声脉冲，大量气泡破裂产生的噪声，称为空化噪声。,2、舰船辐射噪声源及其特性,7.3 舰船和鱼雷辐射噪声,螺旋桨空化噪声是舰船辐射噪声高频段主要成分，且为连续谱，其典型频谱如下图。,2、舰船辐射噪声源及其特性,频谱特点： 在高频段，谱级随频率以6dB/oct斜率下降；在低频段随频率增高而增高；谱峰（100Hz1000Hz）随航速和深度而变化，当航速增加和深度变浅时，谱峰向低频移动。,7.3 舰船和鱼雷辐射噪声,2、舰船辐射噪声源及其特性,空化噪声谱峰变化原因： 高航速和浅深度情况下，易产生大的空化气泡，产生低频噪声，使谱峰向低频端移动； 气泡较大，其噪声强度高于高频段噪声。产生条件： 舰船航速大于舰船临界航速。,7.3 舰船和鱼雷辐射噪声,2、舰船辐射噪声源及其特性,空化噪声与航速关系： 航速低于临界航速，空化噪声级很低（未发生空化）； 航速增大至临界航速，空化噪声级急剧增大（空化发生、发展）； 航速继续增大，空化噪声级基本趋于稳定（空化充分）。,7.3 舰船和鱼雷辐射噪声,2、舰船辐射噪声源及其特性,常识：水面舰船螺旋桨空化噪声-航速关系不是S形，关系复杂。,空化噪声与航深关系： 静压力越大越不容易空化； 航行深度增加，临界航速提高。空化噪声与其它因素：例如螺旋桨损坏、加速、转向等因素。,7.3 舰船和鱼雷辐射噪声,（2）螺旋桨噪声唱音： 由于涡发放激励螺旋桨桨叶共振而产生的辐射噪声； 桨随边涡发放频率和桨片弯曲振动固有频率吻合时的流体动力-结构耦合共振声； 由转速调制的线谱簇，1001000Hz频率范围内的低频强线谱。,2、舰船辐射噪声源及其特性,7.3 舰船和鱼雷辐射噪声,（2）螺旋桨噪声旋转声： 螺旋桨旋转受流体动力非定常力作用，形成击水发声力源； 谱特征：线谱，基频为叶片数和转速乘积，还有其倍频线谱。,2、舰船辐射噪声源及其特性,旋转声是潜艇低频段（1100Hz）噪声的主要成分。,常识：频谱特性是声呐识别目标和估计目标速度的依据。,7.3 舰船和鱼雷辐射噪声,（2）螺旋桨噪声,2、舰船辐射噪声源及其特性,7.3 舰船和鱼雷辐射噪声,螺旋桨噪声方向性 舰船艏艉方向比正横方向辐射的噪声小，船体的遮挡和尾流的影响； 在与艏艉方向成30o角度内，指向性凹进去，船艏方向比船艉方向凹进略多些。,2、舰船辐射噪声源及其特性,7.3 舰船和鱼雷辐射噪声,（3）水动力噪声 水动力噪声是船体与海流相对运动时，船体表面产生的噪声，是水流动力作用于舰船的结果。 产生机理 水流冲击激励壳体振动或壳体上某些结构（叶片、空穴腔体等）共振； 湍流附面层产生的流噪声（粘滞流体特性）； 航船拍浪声（船艏、船艉）、船上循环系统进水口和排水口的辐射噪声。,2、舰船辐射噪声源及其特性,7.3 舰船和鱼雷辐射噪声,（3）水动力噪声,2、舰船辐射噪声源及其特性,式中，k为常数，v是航速，n是与航船水下线形等因素有关的一个量。,常识：一般情况，舰船水动力噪声小于机械噪声和螺旋桨噪声。,根据布洛欣采夫理论，水动力噪声强度主要与航速有关：,7.3 舰船和鱼雷辐射噪声,（1）辐射噪声源强度 舰艇主要噪声源是机械噪声和螺旋桨噪声，二者贡献的大小取决于频率、航速和航深。,3、辐射噪声源概述,7.3 舰船和鱼雷辐射噪声,（1）辐射噪声源强度 在航速一定情况下，由于静压力作用，螺旋桨噪声随深度增加而减小；在深度一定时，则随航速增加而增加； 对于给定的航速和航深，存在一个临界频率，低于此频率时，谱的主要成分是机械和螺旋桨的线谱；高于此频率时，谱主要成分是螺旋桨空化连续谱。,3、辐射噪声源概述,常识：通常舰艇的临界频率为100Hz1000Hz，取决于船的种类、航速和航深。鱼雷的临界频率比较高（机械速度高）。,7.3 舰船和鱼雷辐射噪声,（2）舰船辐射噪声的指向性 舰船水平指向性不均匀，船艏和船艉方向比正横方向辐射的噪声小，是船体的遮挡和尾流屏蔽所造成。,3、辐射噪声源概述,7.3 舰船和鱼雷辐射噪声,（3）舰船辐射噪声沿船长的分布 航速不大时，船中部有极大值，主机等产生的机械噪声； 随着航速的增加，艉部出现第二个极大值，螺旋桨噪声； 航速继续增加，艏部出现极大值，艏部击浪和绕流水动力噪声。,3、辐射噪声源概述,7.3 舰船和鱼雷辐射噪声,（4）舰船辐射噪声的通过特性 舰船辐射噪声通过特性：是舰船沿一定航向通过无方向水听器时，辐射噪声的变化特性。,3、辐射噪声源概述,（4）舰船辐射噪声的通过特性 水听器接收的声压幅值： 舰船在正横距离上的声压级为P0，舰船在正横距离上与水听器间的距离为r0，系数 。 舰船辐射噪声通过特性对水中兵器声引信设计具有重要意义。,7.3 舰船和鱼雷辐射噪声,3、辐射噪声源概述,7.3 舰船和鱼雷辐射噪声,舰船、潜艇和鱼雷辐射噪声信息被列为高级机密； 目前公开的数据是二次世界大战期间的舰船辐射噪声水平，现代舰船辐射噪声水平明显低于教材所列的数据； 舰船、潜艇和鱼雷辐射噪声级随航速变化规律具有普遍性。,4、舰船、潜艇、鱼雷辐射噪声级,7.3 舰船和鱼雷辐射噪声,4、舰船、潜艇、鱼雷辐射噪声级,7.3 舰船和鱼雷辐射噪声,4、舰船、潜艇、鱼雷辐射噪声级,7.3 舰船和鱼雷辐射噪声,4、舰船、潜艇、鱼雷辐射噪声级,7.3 舰船和鱼雷辐射噪声,4、舰船、潜艇、鱼雷辐射噪声级,7.3 舰船和鱼雷辐射噪声,4、舰船、潜艇、鱼雷辐射噪声级,7.3 舰船和鱼雷辐射噪声,4、舰船、潜艇、鱼雷辐射噪声级,7.3 舰船和鱼雷辐射噪声,4、舰船、潜艇、鱼雷辐射噪声级,7.3 舰船和鱼雷辐射噪声,4、舰船、潜艇、鱼雷辐射噪声级,7.3 舰船和鱼雷辐射噪声,测量方法： 让被测船航行通过远处的测量水听器来实现测量。布放方式： 固定式（岸站）：在合适海区布放水听器阵，并用电缆和岸上测试中心连接； 活动式：测量设施安装在测量船上，在预定的测量海区，测量船双锚定位，并布设测量水听器阵。,5、辐射噪声的测量,7.3 舰船和鱼雷辐射噪声,水听器阵形式： 潜艇和鱼雷深海（大于60米）、垂直阵； 水面舰船浅海（大于30米）、水平阵。,5、辐射噪声的测量,7.3 舰船和鱼雷辐射噪声,宽带噪声级与单位带宽谱级： 辐射噪声通常以1Hz带宽内谱级表示，但对于测量仪器设备有一定工作带宽为W，该带宽内噪声级为BL，则1Hz带宽内的谱级为： BL0=BL-10lgW,5、辐射噪声的测量,注意：上述噪声为白噪声，如果被测带宽内有线谱噪声，则归算方法不再适用。,7.3 舰船和鱼雷辐射噪声,5、辐射噪声的测量,通常测量是在远场，一般按照球面波扩展规律进行修正，归算到离声源声中心1米处； 距离修正：需要精确知道水听器与被测舰船之间的距离，水上目标用六分仪、激光测距仪或雷达测距，而水下目标测试一般采用同步钟测距装置（主动声纳）； 测量海域：选择“安静”海域； 舰船辐射噪声测量是一项专门测量技术，随着潜艇隐身技术水平的提高，对测试技术和设备提出更高的要求。,7.3 舰船和鱼雷辐射噪声,5、辐射噪声的测量,澳大利亚安静潜艇辐射噪声测量系统SAUR,7.3 舰船和鱼雷辐射噪声,5、辐射噪声的测量,美国潜艇辐射噪声测量系统（高增益系统）,7.3 舰船和鱼雷辐射噪声,5、辐射噪声的测量,美国潜艇辐射噪声测量系统,7.3 舰船和鱼雷辐射噪声,5、辐射噪声的测量,美国PSI潜艇辐射噪声测量系统(PVLAMS垂直阵),7.4 舰船、潜艇和鱼雷自噪声,舰船、潜艇和鱼雷的自噪声：是本舰声呐或鱼雷制导系统的一种特殊干扰背景，在声呐方程中表现为背景干扰噪声，是舰船、潜艇和鱼雷上的各种声源产生的。自噪声与辐射噪声区别：（1）相同点：声源基本相同；（2）不同点： 在声呐方程中的作用不一样，辐射噪声为SL，自噪声为NL； 自噪声的传播路径复杂，而且可变； 自噪声为近场噪声，辐射噪声为远场噪声，两者性质和特性不同。,7.4 舰船、潜艇和鱼雷自噪声,噪声源： 机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声。 水动力噪声，特别是流噪声，对声呐设备影响是十分严重。,1、舰船自噪声源及其一般特征,7.4 舰船、潜艇和鱼雷自噪声,1、舰船自噪声源及其一般特征,（1）机械噪声和螺旋桨噪声 它们是自噪声的主要声源。 机械噪声：是噪声低频段的单频分量，在低速航行时，舰船的辅机是主要的自噪声源，与航速几乎无关。 螺旋桨噪声：在高航速、高频/浅海和艇尾方向，它才是主要自噪声源。,7.4 舰船、潜艇和鱼雷自噪声,（2）水动力噪声产生机理： 水流流经水听器、水听器支架座和船体外部结构所形成的噪声，如湍流附面层水听器上产生湍流压力、流激壳体振动、空化和涡流辐射噪声；噪声源距水听器近、随速度的增长快； 海水波浪冲击船身产生噪声，船艏声呐的主要干扰背景； 航行中水听器与水的摩擦及撞击产生的噪声，通过安装流线型导流罩降低水流的直接撞击和防止空化噪声的产生。,1、舰船自噪声源及其一般特征,7.4 舰船、潜艇和鱼雷自噪声,1、舰船自噪声源及其一般特征,7.4 舰船、潜艇和鱼雷自噪声,（2）水动力噪声流噪声（一种特殊的水动力噪声）： 流噪声是由水听器附近的湍流附面层中的湍流，作用在水听器表面上的压力形成的。,1、舰船自噪声源及其一般特征,7.4 舰船、潜艇和鱼雷自噪声,流噪声特性： 流噪声谱：低频段平坦，高频段以-9dB/oct的斜率下降，功率谱过渡频率为： 流噪声随自由流速的变化：在频率低于过渡频率时，流噪声谱级和自由流速u0的三次方成正比；在频率高于过渡频率时，流噪声谱级和自由流速u0的六次方成正比。,1、舰船自噪声源及其一般特征,7.4 舰船、潜艇和鱼雷自噪声,（3）自噪声随航速的变化及指向性 舰船自噪声与航速密切相关； 在低频，机械噪声是主要噪声源；在高频，水动力噪声和螺旋桨噪声是主要噪声源。,1、舰船自噪声源及其一般特征,7.4 舰船、潜艇和鱼雷自噪声,（3）自噪声随航速的变化及指向性 由于自噪声源空间分布及近场特性，自噪声具有明显指向性； 自噪声在艏部较大范围内比较均匀，在艉部方向最大。,1、舰船自噪声源及其一般特征,7.4 舰船、潜艇和鱼雷自噪声,自噪声是近场噪声，传播路径复杂而多变。船壳传递、水中直接绕射路径、散射体反射、海底和海面的反射等可能路径。,2、自噪声的传播途径,7.4 舰船、潜艇和鱼雷自噪声,大型驱逐舰和小型快艇在25kHz的等效各向同性自噪声级随航速的变化曲线。,3、舰船自噪声级,7.4 舰船、潜艇和鱼雷自噪声,潜艇自噪声级频谱曲线以及随航速的变化。,3、舰船自噪声级,7.4 舰船、潜艇和鱼雷自噪声,4、舰船自噪声测量,由于自噪声的声源众多、路径复杂多变、测量点离声源很近、声场不稳定等，因此准确测量自噪声比较困难。测量结果与水听器安装位置、安装方式及其指向性有关。 为使用上的方便，引入等效各向同性自噪声级：用无指向性水听器测量结果表示舰船自噪声级。 设指向性水听器测得声级为 ，则等效各向同性自噪声级NL：,注意：两种水听器的灵敏度相等。,7.5 舰船噪声控制简介,降低舰船噪声，一方面提高舰船自身的隐蔽性，另一方面提高舰载声呐的作用距离，从而可以提高舰船的对抗能力。,7.5 舰船噪声控制简介,按照控制对象的不同，可分为：（1）主动噪声控制（Active noise control）声源，是控制和降低舰船噪声最根本/最积极方法；措施改进机械设计、采用合理的机械结构、改革工艺和操作方法、提高加工精度和装配质量等。（2）被动噪声控制（Passive noise control）传播途径，措施采取阻尼、隔振或减振的办法、采取吸声结构、对螺旋桨噪声采用屏蔽罩等。,1、舰船噪声控制方法分类,7.5 舰船噪声控制简介,常规舰艇主要源：主机（柴油机、汽轮机、燃气轮机、推进电机等）、辅机（电机、各种泵及空调系统等）；核动力潜艇主要源：齿轮变速箱、循环水泵等。控制措施：（1）设计合理的机械结构；（2）改善机械的工作状态；（3）避免结构共振；（4）完善机械制造工艺，提高加工精度；（5）提高安装精度，严格操作规程，注意维护保养；（6）采用浮筏技术。,2、机械噪声控制,7.5 舰船噪声控制简介,2、机械噪声控制,7.5 舰船噪声控制简介,控制螺旋桨空化最根本办法是避免或推迟空化现象。采取措施：（1）采用正反螺旋桨，减小尾流的旋转，降低水动力噪声；（2）增大螺旋桨盘面比，减小负荷强度；增大螺旋桨直径，减低螺旋桨转速，使负压区推迟出现或压差变小，推迟空化产生；（3）增加螺旋桨叶片数，使水趋于均匀，负压减小，推迟空化产生；（4）螺旋桨叶片上打孔，改变螺旋桨的几何参数；（5）使船尾有良好线型，改善叶片上力、速度分布，推迟空化产生；（6）提高螺旋桨加工精度。 控制螺旋桨唱音办法是增加桨叶阻尼，减小振动或改变螺旋桨固有频率，避免共振；采用高阻尼合金材料制造，消除螺旋桨产生唱音。,3、螺旋桨噪声控制,7.5 舰船噪声控制简介,控制水动力噪声的措施：（1）改进舰船船体线型；保持水面舰船船体光滑，潜艇长宽比78，艇外形呈水滴形、拉长水滴形；（2）减少艇体上不必要的开孔和突出物；（3）将艇体尾部与螺旋桨设计同轴的回转体，推迟空化产生。 为减小水动力噪声，一般声呐安装在流线型导流罩内，导流罩用橡胶制作，并用钢板加固。设计要求：透声性能要好，有足够机械强度，良好的流线型。,4、水动力噪声控制,7.6 航船噪声理论模型,舰船辐射噪声频率范围：10Hz500Hz（考虑声传播）； 航船噪声对环境噪声贡献的范围：10km100km；更远距离航船对环境噪声的贡献可忽略；近距离航船不宜计入环境噪声，是被动检测和识别问题。,1、航船噪声影响范围,7.6 航船噪声理论模型,航船噪声是不同地理位置上的所有船只辐射噪声的叠加； 航船噪声模型是理想条件下的统计平均结果； 航船噪声理论建模三要素：航船噪声声源级；航船密度；声传播损失。,2、航船噪声理论建模要素,7.6 航船噪声理论模型,（1）航船噪声源级模型ROSS模型： 根据二次大战期间测量大型货船的源级数据得到用螺旋桨叶端速v度和尺度B表示的经验公式：,2、航船噪声理论建模要素,7.6 航船噪声理论模型,（1）航船噪声源级模型 1985年，Scrimger和Heitmeyer测量货船得到航船噪声源级：,7.6 航船噪声理论模型,（1）航船噪声源级模型RANDI-2模型： 单艘货船的平均声源级与航速v（节）、船长L（呎）和频率f（Hz）的关系公式： Sv(f)为航船噪声源级平均曲线。,2、航船噪声理论建模要素,7.6 航船噪声理论模型,（1）航船噪声源级模型RANDI-2模型： 军舰的声源级与船速v（节）、排水量T（吨）、距离D（码）和频率f（kHz）的关系公式：与客船、军舰和运输船在5kHz频率上的测量值相符，不适用货船和油轮。,2、航船噪声理论建模要素,7.6 航船噪声理论模型,（2）航船密度 航船密度数据可通过航测得到； 航船密度还可通过船只航行模型计算得到。（3）传播损失 根据现场条件，选择合适的计算方法； 常用方法：射线方法、简正波方法、抛物方程等。,2、航船噪声理论建模要素,7.6 航船噪声理论模型,假设感兴趣区域内，有M条航线，在第i条航线上平均有Ni艘船舶航行，其中第j艘航船距接收器距离dij，其声源级为NLij，则在接收器处的声级为NLij-TLij； M条航线上所有航船对接收器处环境噪声的总贡献：,3、航船噪声理论模型,7.6 航船噪声理论模型,近20年来航船噪声平均谱：,4、航船噪声的实测平均谱级,7.6 航船噪声理论模型,5、航船噪声的空间指向性模型,（1）RANDI-2模型 航船噪声空间指向性取决于航船的数量和它们相对于接收器的距离和方位、声传播损失及它随距离、方位的变化等因素； RANDI-2模型的航船噪声水平指向性：,7.6 航船噪声理论模型,5、航船噪声的空间指向性模型,（2）波束噪声的指向性模型 波束噪声是指阵列接收器所接收到的噪声； 实质是接收阵列的波束与各噪声源的卷积； 利用每个阵元的复数声压输出可以得到任意形状阵的输出，然后对所有船只求和，就可以得到噪声场的指向性。,7.7 风成噪声理论模型,风成噪声是分布于海表面大量噪声源辐射噪声在接收点叠加； 风成噪声建模研究归结为声源特性和声传播特性研究； 噪声源特性主要是指噪声源类型及其强度，而海面噪声源的强度是风速和频率等参数的函数； 声传播特性是研究平面分布噪声源产生的声波在非均匀海水介质中的传播特性。,7.7 风成噪声理论模型,1、风成噪声声源级模型,风成噪声声源级是单位海面产生的噪声源级，它取决于风速与频率，与位置无关。（1）Wilson风成噪声源级模型 Wilson模型使用频率501000Hz，风速1030节。偶极子源条件下的风成噪声源级模型：,7.7 风成噪声理论模型,1、风成噪声声源级模型,白帽指数是指海表面被“白帽”覆盖的百分比： 单极子源情况下的风成噪声源级模型：,7.7 风成噪声理论模型,1、风成噪声声源级模型,（2）Kuperman/Ferla源级模型 由实测环境噪声级，通过传播损失修正得到源级。,7.7 风成噪声理论模型,2、风成噪声指向性理论模型,（1）Cron/Sherman（C/S）模型 假设噪声源分布在海面层中，噪声源具有cosm形式的辐射指向性，模型仅考虑直线传播，垂直相关函数：,7.7 风成噪声理论模型,2、风成噪声指向性理论模型,（2）Chapman模型 改进C/S模型，考虑声传播效应和海底反射过程，噪声强度指向性函数：,7.7 风成噪声理论模型,2、风成噪声指向性理论模型,（3）Buckingham模型 应用离散简正波模式推导了等声速低衰减浅水波导中的噪声垂直相关系数和阵增益： M是简正波数目，zi和zl水听器深度，z0是声源层深度，N是单位面积上源的数量，A是常数，是反应简正波衰减的量。,7.7 风成噪声理论模型,2、风成噪声指向性理论模型,（4）Plaisant模型 应用上线理论处理声源到接收出的声传播，并考虑海水吸收、海底损失、变化的声速剖面等因素； 推导噪声强度随俯仰角、水听器之间的互相关函数的表达式； 该模型的相关系数仅与水听器间距有关。,7.7 风成噪声理论模型,2、风成噪声指向性理论模型,（5）Kuperman/Ingenito（K/I）模型 K/I模型考虑了离散模式和连续模式，声源层视为无限大，恰好位于海面下； 当声源指向性与阵指向性之间具有确定关系时，则声源相关函数为： 是面上源间距。,7.7 风成噪声理论模型,2、风成噪声指向性理论模型,（6）CANARY模型 应用射线理论，考虑变化的声速剖面、海底反射系数和海水声吸收； 主要用于快速计算噪声随是深度变化、垂直指向性和阵响应； 多途效应通过求和来解决，可应用不均匀环境和非均匀源分布情况。,7.7 风成噪声理论模型,2、风成噪声指向性理论模型,（7）理论结果与实测结果比较 垂直阵响应：在撒丁岛以西浅水域，风速22节，声速分布实时测量，海底参数估计，低航船噪声情况。理论结果是采用m=1的K/I模型。,7.7 风成噪声理论模型,3、风成噪声理论模型小结,THE END,作业,1. 写出（1）海洋环境噪声源及其频率特性；（2）海洋环境噪声的空间指向特性和振幅分布特性。2. 为什么说频率50500Hz，50025000Hz的环境噪声分别是航船噪声和风成噪声（海面波浪噪声）？3. 说明舰船机械噪声产生机理？频谱具有哪些特点？4. 说明螺旋桨噪声形成机理及与航速，航深和频率的关系。在低频段，螺旋桨噪声强度与频率3次方正比，当速度由V变为2V时，噪声强度增加多少分贝？,作业,5.已知：甲船，其辐射噪声谱密度级如右图；乙船用被动声呐探测甲船，该声呐系统工作通带为：500Hz2000Hz；全指向性接收器；能量检测工作方式，当信噪比大于6dB时，认为检测到目标；若来自海洋环境噪声和乙船自噪声的总干扰噪声各向同性并且为均匀谱密度分布，在接收器处其噪声谱密度级为70dB（0dB= ）；试求：（1）乙船接收到甲船噪声信号级；（2）乙船接收的干扰噪声级；（3）乙船探测到甲船的最远距离（取声波球面扩展；不计海水声吸收）（4）为增大探测到甲船的距离，乙船 的被动声呐应如何改进设备参数。,作业,6为何在水下噪声研究中将舰船噪声分为舰船辐射噪声和舰船自噪声？写出舰船辐射噪声的噪声源，并说明它们的频率特性及在辐射噪声中起作用。7对于舰船自噪声来说，水动力噪声具有特殊的重要性，在工程上可采取哪些措施降低水动力噪声。8. 舰船水动力噪声的产生机理？写出舰船自噪声的噪声源，并说明它们在辐射噪声中起的作用。,