董仲臣，金彥豐，李亞安，劉望生

（1.西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院，陜西 西安 710072；2.91388部隊92分隊，廣東 湛江 524022；3.浙江理工大學(xué) 機(jī)械與控制學(xué)院，浙江 杭州 310018）

聲誘餌[1]是一種重要的水聲對抗器材，是各國海軍目前所使用的主要反魚雷裝備。按照其運(yùn)動特性，可分為自航式聲誘餌、拖曳式聲誘餌、懸浮式聲誘餌和火箭助飛式聲誘餌等；按照其對抗形式的不同，可分為主動式聲誘餌、被動式聲誘餌和主被動聯(lián)合式聲誘餌等[1-2]。

在主動工作方式下，聲誘餌是通過應(yīng)答魚雷的主動尋的信號來模擬目標(biāo)反射特性的，當(dāng)聲誘餌收到魚雷自導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)出的信號后，會按一定的目標(biāo)強(qiáng)度、多普勒頻移和回波展寬，將模擬產(chǎn)生回波，從而誘騙魚雷。被動式聲誘餌即噪聲模擬器，是水聲對抗器材的重要部分，往往與主動方式聯(lián)合使用。被動式聲誘餌可以連續(xù)發(fā)出與艦船輻射噪聲相似的寬帶噪聲，對敵方的聲納和魚雷具有干擾和誘騙作用，從而逃避敵方聲納和魚雷的探測和攻擊，提高本艦的生存能力[3-4]。

本文針對艦船輻射噪聲的聲學(xué)特性進(jìn)行分析，建立被動式聲誘餌的仿真模型，包括線譜分量和連續(xù)譜分量模型，并根據(jù)模型進(jìn)行了仿真。該仿真研究可以為水聲對抗器材的戰(zhàn)術(shù)使用和反水聲對抗技術(shù)的研究提供參考。

1 艦船輻射噪聲的聲學(xué)特性

艦船在航行和工作時，推進(jìn)器和各種機(jī)械都在工作，它們產(chǎn)生的振動通過船體向水中輻射，從而產(chǎn)生了艦船輻射噪聲。理論分析和實(shí)驗結(jié)果表明[5]，艦船輻射噪聲分為3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)械噪聲是艦船輻射噪聲低頻段的主要成分[5-7]。由于各種機(jī)械形式的不同，所產(chǎn)生的水下輻射噪聲的性質(zhì)也不同。一般來說，不平衡的旋轉(zhuǎn)部件、重復(fù)不連續(xù)的工作部件和往復(fù)部件所產(chǎn)生的噪聲大部分為線譜噪聲，其主要成分是振動基頻及它的諧波分量。各種管道和泵中流體的變化、湍流、排氣，以及軸承和軸頸上的機(jī)械摩擦等所產(chǎn)生的噪聲屬于連續(xù)譜噪聲。如果這些結(jié)構(gòu)部件產(chǎn)生共振，還能疊加響應(yīng)的線譜。所以，艦船輻射噪聲可以看作是強(qiáng)線譜和弱連續(xù)譜的疊加。由于機(jī)械噪聲與艦船航行狀態(tài)和機(jī)械工作狀態(tài)密切相關(guān)，因此其頻譜結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，并且是多變的。

1.2 螺旋槳噪聲

螺旋槳噪聲是由旋轉(zhuǎn)著的螺旋槳所產(chǎn)生的噪聲，包括螺旋槳空化噪聲和螺旋槳葉片振動所產(chǎn)生的噪聲[5]。

螺旋槳在水中旋轉(zhuǎn)時，葉片表面上會產(chǎn)生負(fù)壓區(qū)，如負(fù)壓達(dá)到一定值，就會出現(xiàn)空化現(xiàn)象，大量氣泡破裂產(chǎn)生噪聲，就是空化噪聲?？栈F(xiàn)象只有在艦船達(dá)到一定的航速時才會產(chǎn)生，此時艦船的高頻輻射噪聲突然增大。因為空化噪聲是由大量大小不等的氣泡隨機(jī)破裂引起的，所以空化噪聲屬于連續(xù)譜。在高頻段，其譜級隨著頻率的增高大約以-6 dB/倍頻程的斜率下降；在低頻段，隨頻率增高而增高。因此，譜線有一個峰值，這個峰值通常在100～1 000 Hz十倍頻內(nèi)，而且隨航速和深度而變化。

螺旋槳噪聲的另一主要成分是“唱音”，它是由螺旋槳葉片拍擊、切割水流引起的，又稱為旋轉(zhuǎn)噪聲?！俺簟笔且环N線譜噪聲分量，其頻譜與螺旋槳葉片數(shù)及轉(zhuǎn)速有關(guān)，滿足如下關(guān)系

其中：n是螺旋槳葉片數(shù)，s是螺旋槳轉(zhuǎn)速，m是諧波次數(shù)，fm是響應(yīng)的頻率。

這種“唱音”表現(xiàn)為疊加在連續(xù)譜上的線譜，它是潛艇低頻段（100 Hz以下）噪聲的主要成分。這種頻譜特性通常被聲納系統(tǒng)作為目標(biāo)識別和速度估計的依據(jù)。

1.3 水動力噪聲

水動力噪聲是由不規(guī)則的、起伏的海流流過船只表面而形成的，它是水流動力作用于艦船的結(jié)果[5]。水動力噪聲產(chǎn)生的機(jī)理為：1）水流的沖擊可以激勵艦船部分殼體的振動，也可能激勵某些結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振，如前面提到的螺旋槳葉片的共振，甚至還可能引起殼體上某些凹穴腔體的共振；2）由湍流附面層產(chǎn)生的流動噪聲也是一種水動力噪聲。這是粘滯流體的特性，即使在無凹穴的光滑的物體上也會產(chǎn)生；3）航行艦船的艦艏、艦艉的拍浪聲、船上主要循環(huán)水系統(tǒng)的進(jìn)水口和排水口處發(fā)出的噪聲也屬于水動力噪聲。

水動力噪聲是一種無規(guī)則噪聲。其噪聲強(qiáng)度主要與航速有關(guān)，可表示為

其中：k是常數(shù)，v是航速，n是與艦船水下線型等因素有關(guān)的量。

一般情況下，水動力噪聲往往被機(jī)械噪聲和螺旋槳噪聲所掩蓋，但在特殊情況下，例如當(dāng)結(jié)構(gòu)部件或者空腔被激勵成強(qiáng)線譜噪聲的諧振源時，水動力噪聲有可能在線譜出現(xiàn)范圍內(nèi)成為主要噪聲源。

2 被動式聲誘餌的聲學(xué)模型

以上分析可知，艦船輻射噪聲為不確定性信號，其主體是寬帶隨機(jī)信號，有時也包含諧波成分。通常假定艦船輻射噪聲主體為平穩(wěn)各態(tài)歷經(jīng)的隨機(jī)過程，通常由連續(xù)譜和線譜組成。 因此，分別建立連續(xù)譜和線譜的數(shù)學(xué)模型。

2.1 連續(xù)譜數(shù)學(xué)模型

連續(xù)譜相對而言是比較復(fù)雜的。連續(xù)譜噪聲可以用寬帶平穩(wěn)隨機(jī)過程來擬合，將高斯白噪聲通過滿足頻譜特性要求的特定頻率響應(yīng)的濾波器，可以得到連續(xù)譜分量。

所以為了得到艦船輻射噪聲的連續(xù)譜分量，首先需要產(chǎn)生一定方差的高斯白噪聲；然后，為了得到特定頻率響應(yīng)和相位響應(yīng)的濾波器，可以采用自適應(yīng)的方法設(shè)計濾波器；將高斯白噪聲通過設(shè)計的濾波器就可以得到具有特定功率譜形狀的連續(xù)譜。連續(xù)譜分量的模擬原理如圖1所示。

圖1 連續(xù)譜分量模擬圖Fig.1 Simulation diagram of continuous spectrum

2.2 線譜數(shù)學(xué)模型

線譜的檢測、跟蹤和識別在聲納使用中具有重要意義。線譜特有的集中而穩(wěn)定的能量可用來提高檢測性能，而且線譜所攜帶的頻率信息可以用于對目標(biāo)進(jìn)行參數(shù)估計和類型識別。線譜可以通過以下公式進(jìn)行模擬

其中：Ai、ωi、φi分別是振幅、頻率和相位信息。Ai和ωi是可以根據(jù)實(shí)際情況來確定的，而相位信息φi可以取一隨機(jī)值，m為線譜的個數(shù)。振幅的選擇與線譜高出連續(xù)譜的分貝數(shù)有關(guān)，而頻率則一般在1.5 kHz以內(nèi)。

2.3 被動式聲誘餌的聲學(xué)模型

聲誘餌模擬的噪聲是由連續(xù)譜的寬帶噪聲信號和非連續(xù)譜的單頻噪聲組成的，其聲學(xué)模型可以表示為

其中：{}表示隨機(jī)過程，{s（n）}模擬的輻射噪聲隨機(jī)過程，{x（n）}表示寬帶平穩(wěn)隨機(jī)過程；{li（n）}表示相位隨機(jī)的周期信號。

3 被動式聲誘餌的仿真實(shí)現(xiàn)

根據(jù)連續(xù)譜數(shù)學(xué)模型，首先產(chǎn)生一隨機(jī)高斯白噪聲，如圖2所示，把該白噪聲通過設(shè)計好的濾波器，得到一定頻率響應(yīng)的噪聲，其頻譜如圖3所示；根據(jù)（3）式來進(jìn)行線譜的仿真實(shí)現(xiàn)，取m=3，可得線譜信號的頻譜如圖4所示；根據(jù)線譜的選取原則，在低頻段加入線譜信號，由（4）式來模擬被動式聲誘餌輻射噪聲，其頻譜如圖5所示。

圖2 高斯白噪聲序列Fig.2 Gauss white noise sequence

圖3 連續(xù)譜的頻域信號Fig.3 Continuous spectrum in frequency field

圖4 線譜頻域信號Fig.4 Line spectrum in frequency field

圖5 被動式聲誘餌輻射噪聲頻譜Fig.5 Radiation noise spectrum of passive acoustic decoy

4 結(jié)束語

在本文提出的被動式聲誘餌建模中，通過建立艦艇輻射噪聲連續(xù)譜和線譜的模型來實(shí)現(xiàn)被動式聲誘餌聲學(xué)特性的模擬，仿真結(jié)果可以對水聲對抗策略的選取提供參考。但如何更加逼真地模擬艦船的輻射噪聲，以達(dá)到更好的誘騙效果，仍然是水聲對抗領(lǐng)域的研究課題。

[1]肖娟，顧浩，曹志敏.聲誘餌建模與仿真研究[J].計算機(jī)仿真，2008，25（11）：25－27.XIAO Juan，GU Hao，CAO Zhi-min.Modeling and simulation of acoustic decoy[J].Computer Simulation，2008，25（11）：25－27.

[2]孫仲阜.水聲對抗系統(tǒng)中聲誘餌仿真研究[J].聲學(xué)技術(shù)，2003，22（2）：113－116.SUN Zhong-fu.Decoy simulation research of underwater acoustic countermeasure system[J].Acoustic Technology，2003，22（2）：113－116.

[3]羅修波，董曉恒.被動式聲誘餌聲學(xué)模型仿真研究[J].系統(tǒng)仿真技術(shù)及其應(yīng)用，2009，8（12）：223－225.LUO Xin-bo，DONG Xiao-heng.Simulation research on passive decoy underwater acoustic model[J].System Simulation Technology and Application，2009，8（12）：223－225.

[4]何心怡，肖昌美，張弛.自航式聲誘餌聲學(xué)特性研究[J].魚雷技術(shù)，2007，15（2）：38－41.HE Xin-yi，XIAO Chang-mei，ZHANG Chi.Study of acoustic characteristics of mobile acoustic decoy[J].Torpedo Technology，2007，15（2）：38－41.

[5]劉伯勝，雷家煜.水聲學(xué)原理[M].哈爾濱：哈爾濱船舶工程學(xué)院出版社，1992.

[6]李琴，苑秉成，張文娟.艦船輻射噪聲建模及仿真模擬器的實(shí)現(xiàn)[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2010，32（4）：121－124.LI Qin，YU Bing-cheng，ZHANG Wen-juan.Realization of ship-radiated noise modeling and simulation simulator[J].Ship Science and Technology，2010，32（4）：121－124.

[7]劉凱凱，麻劍鋒，徐雅，等.空腔流激振蕩在流量測量中的應(yīng)用探討[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2012（2）：20－22.LIU Kai-kai，MA Jian-feng，XU Ya，et al.A new application of flow-induced cavity resonance for flow rate measurement[J].Industrial Instrumentation&Automation，2012（2）：20－22.