船舶水下噪声.ppt

第8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）海洋环境噪声和舰船的自噪声 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）建立水下噪声的规律和特性，提高声呐设备的性能。（2）降噪处理，提高自身隐蔽性。,8.1 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。,8.1 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。,8.1 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。,8.1 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：,8.1 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。,8.1 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。,8.1 噪声的基本概念,2、噪声频谱分析,8.1 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,8.1 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：工程上将噪声视为各向同性的，便于信号处理。,8.2 海洋环境噪声,海洋环境噪声也称自然噪声；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，为声纳设备设计、研制提供必要的数据。,8.2 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海水静压力变化原因，是低频噪声源。（2）地震扰动 地震是海洋中的极低频噪声源。（3）海洋湍流 湍流产生噪声方式：湍流使水听器、电缆等颤动或作响自噪声（不是自然噪声）；湍流压力变化辐射噪声四极子源，衰减快，不是主要源；湍流区内部压力的声效应。深海洋流湍流是海洋中的低频噪声源。,8.2 海洋环境噪声,1、深海中的环境噪声源,（4）行船（2个理由）行船是50Hz500Hz频率范围内主要噪声源，与风和天气无关，到达深水水听器方向接近水平。,（5）海面波浪 海面波浪噪声是500Hz25000Hz频率范围内的噪声源，与海况和水听器处风速直接相关，到达深水水听器方向接近垂直。Kundson曲线,8.2 海洋环境噪声,1、深海中的环境噪声源,（6）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,8.2 海洋环境噪声,2、深海环境噪声谱,Wenz谱级图：在一般情况下，它能够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。,8.2 海洋环境噪声,2、深海环境噪声谱,深海环境噪声谱例子如右图，谱由斜率的不同的五部分组成，解释如下：（1）1Hz以下，这段谱至今还不为人所知。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）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（1Hz20Hz）。,8.2 海洋环境噪声,2、深海环境噪声谱,（3）自然噪声谱变平，远处行船是主要噪声源（20Hz500Hz）。（4）具有-5-6dB/倍频程，噪声源是离测量点不远的粗糙海面。（5）海水介质分子热运动噪声，谱线斜率为6dB/倍频程。,8.2 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，需要不同条件下的平均典型自然噪声谱，见右图。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，和相邻频段的曲线连接起来，近似地预报自然噪声谱。,8.2 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：甲壳类、鱼类和海生哺乳类特殊鸣声、嘈杂声等；降雨：提高自然噪声级与降雨率和面积有关在1kHz10kHz频段接近于白噪声。（2）变化特性 自然噪声具有易变性。产生原因：噪声源的易变性和传播条件的改变。,8.2 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 根据中心极限定理，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。（2）空间相关性 噪声的空间相关：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：,8.2 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对指向性为 噪声场相关系数进行研究，如右图。水平方向和垂直方向上的相关系数理论曲线与各向同性的单频噪声场具有相同形状。海面粗糙度形成噪声场具有 指向特性。,8.2 海洋环境噪声,5、深海环境噪声指向性,深海自然噪声具有指向性：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）。,8.3 舰船和鱼雷辐射噪声,舰船、潜艇和鱼雷的辐射噪声，是被动声纳的声源信号。舰船辐射噪声的危害：（1）破坏了舰船的隐蔽性；（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、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。,8.3 舰船和鱼雷辐射噪声,8.3 舰船和鱼雷辐射噪声,8.3 舰船和鱼雷辐射噪声,1、舰船辐射噪声声源级和噪声谱,舰船辐射噪声声源级：在远场测得噪声级后，在修正传播损失，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（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。,8.3 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。,8.3 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,8.3 舰船和鱼雷辐射噪声,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：（1）不平衡的旋转部件（电机电枢等）（2）重复的不连续性（齿轮、涡轮机叶片等）（3）往复部件（汽缸的爆炸）产生线谱噪声，其成分是振动基频及其谐波分量。（4）流体空化和湍流及排气（泵、管道、凝汽器等）（5）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,8.3 舰船和鱼雷辐射噪声,机械噪声结论：（1）舰船机械辐射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，一般较复杂、多变；（2）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,8.3 舰船和鱼雷辐射噪声,螺旋桨噪声螺旋桨空化噪声和螺旋桨叶片振动辐射噪声。（1）螺旋桨空化噪声 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。,8.3 舰船和鱼雷辐射噪声,（1）螺旋桨空化噪声,2、舰船辐射噪声源及其特性,原因：高航速和浅深度时，易产生空化气泡，产生低频噪声，使谱峰向低频端移动。空化噪声产生条件：航速大于舰船临界航速。,8.3 舰船和鱼雷辐射噪声,（1）螺旋桨空化噪声,2、舰船辐射噪声源及其特性,螺旋桨空化噪声与航速关系：（a）航速低于临界航速，空化噪声级很低（未发生空化）；（b）航速增大至临界航速，空化噪声级急剧增大（空化发生、发展）；（c）航速继续增大，空化噪声级基本趋于稳定（空化充分）。,8.3 舰船和鱼雷辐射噪声,（1）螺旋桨空化噪声,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。,螺旋桨空化噪声与航深关系：航行深度增加，临界航速提高。螺旋桨空化噪声还与其它因素有关：例如螺旋桨损坏、加速、转向等因素。,8.3 舰船和鱼雷辐射噪声,（2）螺旋桨唱音 螺旋桨唱音是螺旋桨叶片拍击、切割水流而引起的，也称为旋转噪声，它为线谱噪声分量。其频谱的频率：,2、舰船辐射噪声源及其特性,常识：频谱特性是声纳识别目标和估计目标速度的依据。,式中，n是螺旋桨叶片数；s是螺旋桨转速；m是谐波次数。,螺旋桨唱音是潜艇低频段（1100Hz）噪声的主要成分。,8.3 舰船和鱼雷辐射噪声,（1）螺旋桨空化噪声,2、舰船辐射噪声源及其特性,8.3 舰船和鱼雷辐射噪声,（3）螺旋桨噪声方向性 船首和船尾方向比正横方向辐射的噪声小；在船首船尾方向成30o角度内，指向性凹进去，船首方向比船尾方向凹进略多些。,2、舰船辐射噪声源及其特性,8.3 舰船和鱼雷辐射噪声,水动力噪声 水动力噪声是由不规则的、起伏的海流流过运动船只表面而形成的，是水流动力作用于舰船的结果。（1）产生机理（1）水流激励壳体振动或壳体上某些结构（叶片、空穴腔体等）共振；（2）湍流附面层产生的流噪声（粘滞流体特性）；（3）航船拍浪声（船首、船尾）、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,8.3 舰船和鱼雷辐射噪声,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：,8.3 舰船和鱼雷辐射噪声,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。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）。,8.3 舰船和鱼雷辐射噪声,教材中所列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，但教材所介绍辐射噪声级随航速变化规律具有普遍性，同学们自学。,4、舰船、潜艇、鱼雷辐射噪声级,8.3 舰船和鱼雷辐射噪声,4、舰船、潜艇、鱼雷辐射噪声级,8.3 舰船和鱼雷辐射噪声,4、舰船、潜艇、鱼雷辐射噪声级,8.3 舰船和鱼雷辐射噪声,4、舰船、潜艇、鱼雷辐射噪声级,8.3 舰船和鱼雷辐射噪声,4、舰船、潜艇、鱼雷辐射噪声级,8.3 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：固定式和活动式。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、辐射噪声测量,8.3 舰船和鱼雷辐射噪声,5、辐射噪声测量,8.3 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工作带宽为W，该带宽内噪声级为BL，则1Hz带宽内的谱级为BL-10lgW。,5、辐射噪声测量,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。,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。因此，需要精确知道水听器与被测舰船之间的距离，一般采用同步钟测距装置（主动声纳）。,8.3 舰船和鱼雷辐射噪声,目前，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。国内，专门测试单位为大连760所、湛江海军第四试验场区、昆明750试验场，另外，还有哈尔滨工程大学和中科院声学所从事这方面的研究工作。,5、辐射噪声测量,8.3 舰船和鱼雷辐射噪声,5、辐射噪声测量,澳大利亚安静潜艇辐射噪声测量系统SAUR,8.3 舰船和鱼雷辐射噪声,5、辐射噪声测量,美国潜艇辐射噪声测量系统（高增益系统）,8.3 舰船和鱼雷辐射噪声,5、辐射噪声测量,美国潜艇辐射噪声测量系统,8.3 舰船和鱼雷辐射噪声,5、辐射噪声测量,美国PSI潜艇辐射噪声测量系统(PVLAMS垂直阵),8.4 舰船、潜艇和鱼雷自噪声,自噪声是本舰声纳的一种特殊干扰背景，表现为声纳方程NL，是舰船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：在声纳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。,8.4 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，对声纳设备影响是十分严重。,1、舰船自噪声源及其一般特征,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。,8.4 舰船、潜艇和鱼雷自噪声,水动力噪声：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源，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。水动力噪声随速度增长快。流噪声（一种特殊的水动力噪声）：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。为了减小流噪声的干扰，一般安装流线型导流罩，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,8.4 舰船、潜艇和鱼雷自噪声,1、舰船自噪声源及其一般特征,8.4 舰船、潜艇和鱼雷自噪声,一般声纳设备安装在舰首，海水波浪冲击船身形成自噪声，它随航速增大很快。综上所述，舰船自噪声与航速密切相关，见下图。,1、舰船自噪声源及其一般特征,8.4 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路径。,2、自噪声的传播途径,教材中所列的数据是二次世界大战期间的舰船自噪声水平，同学们自学。,3、自噪声级,8.4 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，声场不稳定，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。,8.5 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纳的作用距离，从而可以提高舰船的对抗能力。,8.5 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,8.5 舰船噪声控制简介,常规舰艇主要源：主机、辅机核动力潜艇主要源：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。,2、机械噪声控制,7.5 舰船噪声控制简介,2、机械噪声控制,8.5 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）螺旋桨叶片上大孔，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。控制螺旋桨唱音根本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螺旋桨，可以消除螺旋桨产生唱音。,3、螺旋桨噪声控制,8.5 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，潜艇长宽比适当：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，一般声纳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,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,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,1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。2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。3.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。,