張大海，魏 強(qiáng)

(中國艦船設(shè)計(jì)研究中心，武漢 430064)

基于時(shí)域?qū)拵Ь仃嚍V波的實(shí)船螺旋槳噪聲測試技術(shù)

張大海，魏 強(qiáng)

(中國艦船設(shè)計(jì)研究中心，武漢 430064)

為了解決實(shí)船螺旋槳噪聲測試分離難題，提出基于時(shí)域?qū)拵Ь仃嚳沼驗(yàn)V波的實(shí)船螺旋槳噪聲測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)。通過分析艦船水下輻射噪聲特性，將艦船等效為空間分布的多點(diǎn)輻射噪聲源；結(jié)合水聽器陣列空間濾波特性，設(shè)計(jì)能夠滿足寬頻測試要求的水聽器基陣測試系統(tǒng)；針對螺旋槳噪聲分析需求，設(shè)計(jì)時(shí)域?qū)拵Ь仃嚳沼驗(yàn)V波器組，抑制來自艦船其他部位聲源干擾，實(shí)現(xiàn)實(shí)船航行狀態(tài)螺旋槳部位噪聲源有效時(shí)長的時(shí)域采樣數(shù)據(jù)。仿真實(shí)例表明，所形成噪的聲測試技術(shù)在信干比不小于-5.0 dB時(shí)，對螺旋槳噪聲數(shù)據(jù)的時(shí)域?qū)拵崛±塾?jì)誤差不大于2.0 dB。

矩陣濾波器，螺旋槳噪聲，水聽器陣列

螺旋槳噪聲是艦船三大噪聲源之一，準(zhǔn)確獲取實(shí)船螺旋槳噪聲一直是困擾水面艦船螺旋槳聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)的瓶頸。當(dāng)前，艦船螺旋槳輻射噪聲獲取的方法包括：①應(yīng)用噪聲源分離方法從全船水下輻射噪聲中分離機(jī)械噪聲、水動力噪聲后得到螺旋槳噪聲[1]，該方法不僅需要開展艦船推進(jìn)器部位噪聲專項(xiàng)試驗(yàn)，還需要配合獲取機(jī)械噪聲數(shù)據(jù)，水動力噪聲數(shù)據(jù)，其中包括不同工況脫槳滑行測試等，過高的測試要求和全面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)需求在一定層度上限制了該方法在艦船螺旋槳噪聲分析方面的推廣；②應(yīng)用低噪聲機(jī)械設(shè)備驅(qū)動螺旋槳試驗(yàn)，降低艦船機(jī)械噪聲干擾影響，以獲取螺旋槳噪聲[2]，該方法的難點(diǎn)是低噪聲機(jī)械設(shè)備和槳驅(qū)動裝置設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)很難確定；③意大利學(xué)者研究提出利用聲波束形成技術(shù)評估噪聲源的能量和空間分布位置的方法[2]，該方法主要是利用陣列信號處理技術(shù)，通過設(shè)計(jì)測試系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)噪聲源定位測量，將噪聲源數(shù)據(jù)獲取難點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了測試系統(tǒng)與數(shù)據(jù)處理技術(shù)，可簡化艦船噪聲測試復(fù)雜度。也有研究通過分析艦船輻射噪聲的體積目標(biāo)特性，結(jié)合大量船舶噪聲通過特性數(shù)據(jù)存在的時(shí)頻譜特征，給出的艦船作為體積目標(biāo)三亮點(diǎn)噪聲輻射模型，明確了螺旋槳、機(jī)械噪聲源具有明顯空間隔離度[3-5]。基于寬帶空間濾波技術(shù)的艦船噪聲測試技術(shù)，是應(yīng)用多水聽器組成的線列陣所具備的空域?yàn)V波特性，結(jié)合水聲陣列信號數(shù)據(jù)處理方法，解決沿艇體分布的艦船輻射噪聲源空間分離問題。如聚焦波束形成、恒定束寬波束形成等技術(shù)[6]，在國外艦船噪聲特性分析中已有應(yīng)用[7]。

時(shí)域?qū)拵Ь仃嚍V波器[8]具有獲取一定空間內(nèi)噪聲源時(shí)域測試數(shù)據(jù)的能力，該技術(shù)可通過合理設(shè)計(jì)基陣測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一定時(shí)間和空間內(nèi)動態(tài)聲源輻射噪聲相對穩(wěn)定數(shù)據(jù)采集，為噪聲源特性分析提供無失真的原始數(shù)據(jù)。

已有的螺旋槳噪聲獲取方法，盡管也能分析出螺旋槳聲特征，但需要借助大量的測試和后期數(shù)據(jù)處理，并且無法直接獲得螺旋槳噪聲時(shí)域數(shù)據(jù)，在一定程度上影響了螺旋槳噪聲特性分析全面性。為此，考慮利用艦船噪聲測試過程中反映出的體積聲源沿船長多亮點(diǎn)分布特點(diǎn)，結(jié)合時(shí)域?qū)拵Ь仃嚍V波器的時(shí)、空域所特有的濾波特性。通過合理設(shè)計(jì)艦艇水聲測試系統(tǒng)、設(shè)計(jì)對應(yīng)螺旋槳噪聲主要頻帶的時(shí)域?qū)拵Ь仃嚍V波器，并且采用選擇性開啟艦載聲源設(shè)備，保證機(jī)械與螺旋槳噪聲源之間的空間隔離度等措施，形成艦船螺旋槳噪聲測試新技術(shù)，有效解決螺旋槳噪聲測試難題。

1 艦船螺旋槳直發(fā)聲可測試性分析

1.1 主要聲源空間隔離測試可行性

艦船巡航狀態(tài)，影響其水下輻射噪聲的因素主要為機(jī)械噪聲與螺旋槳噪聲，對于一艘船長超過80 m的艦艇，選擇開啟機(jī)艙前部機(jī)械聲源設(shè)備時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)螺旋槳與機(jī)械噪聲源之間空間隔離度大于50 m。如圖1所示，假設(shè)測量基陣布置在距離船航行路線約150 m位置，2種主要噪聲源在測量基陣形成夾角α+β≈20°，根據(jù)多元線列陣波束形成原理，對于陣元間距4 m的20元線列陣，大于150 Hz低頻信號對應(yīng)的-3 dB波束寬度在為3.2°，對應(yīng)2 kHz信號的-3 dB波束寬度為0.23°，遠(yuǎn)小于2主要聲源空間夾角。因此通過多波束系統(tǒng)設(shè)計(jì)空域?yàn)V波器方式，是可以實(shí)現(xiàn)噪聲源的空間隔離的。

圖1 艦船2大噪聲源所具有的空間隔離度示意

1.2 螺旋槳穩(wěn)態(tài)噪聲數(shù)據(jù)采集可行性

艦船航行中，一定采樣時(shí)間內(nèi)為了獲得持續(xù)穩(wěn)定螺旋槳噪聲數(shù)據(jù)，需要測試系統(tǒng)能夠穩(wěn)定跟蹤螺旋槳聲源，并且不受螺旋槳聲源空間指向性影響。假設(shè)艦船以10 m/s速度前進(jìn)，穩(wěn)定采樣時(shí)間為3 s，如圖2所示，需要設(shè)計(jì)測試系統(tǒng)滿足θ≥12°的寬頻恒定空間濾波能力。根據(jù)線列陣時(shí)域?qū)拵Ь仃嚍V波器設(shè)計(jì)技術(shù)，滿足陣元間距大于半波長的20元線陣列，可設(shè)計(jì)得到具有一倍頻程寬帶空間濾波特性且θ≥12°的矩陣濾波器。鑒于此，通過稀疏陣列測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)，獲得多個倍頻程帶寬內(nèi)穩(wěn)定螺旋槳噪聲原始數(shù)據(jù)是可行的。

圖2 獲取一定采樣時(shí)長穩(wěn)定螺旋槳 噪聲數(shù)據(jù)的空域?yàn)V波需求示意

2 時(shí)域?qū)拵Ь仃嚳沼驗(yàn)V波器設(shè)計(jì)原理

假設(shè)水聲陣列陣元數(shù)為N，設(shè)計(jì)時(shí)域?yàn)V波器階數(shù)為M，各陣元輸出數(shù)據(jù)的時(shí)刻為t0，以1#陣元為例，輸出數(shù)據(jù)為x11=x1(t0)，經(jīng)過m倍采樣間隔延遲后為x1m=x1(t0-(m-1)Ts)。寫成數(shù)字信號的形式。

x11(l)=x1(l)，x1m(l)=x1(l-m+1)

(1)

式中：l為時(shí)間序數(shù)。

將各陣元輸出的數(shù)據(jù)寫成矩陣的形式(省略時(shí)間序數(shù)l)為

x1=[x11x21…xN1]T

(2)

經(jīng)過m倍采樣間隔延遲后的陣列數(shù)據(jù)為

xm=[x1mx2m…xNm]T,

m=1,2,…,M

(3)

如果將陣元輸出數(shù)據(jù)以及各延遲數(shù)據(jù)組合在一起，定義矩陣

(4)

這是一個NM×1的列向量。

同樣，將對應(yīng)于m倍采樣間隔延遲后的加權(quán)系數(shù)寫成矩陣的形式。

如果將加權(quán)系數(shù)組合在一起，定義三維矩陣

(6)

則時(shí)域?qū)拵Э沼驗(yàn)V波輸出可以寫成

y(l)=hTx(l)

(7)

圖3是基于FIR濾波器的時(shí)域空域矩陣濾波的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖。由圖3可見，其中要設(shè)計(jì)N×N個FIR濾波器，每個陣元輸出都與N個FIR濾波器對應(yīng)，之后，再將這N×N個FIR濾波器的輸出進(jìn)行重新組合，獲得與N個陣元相對應(yīng)的輸出。

圖3 時(shí)域?qū)拵Э沼蚓仃嚍V波的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

3.1 測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在滿足艦船體積聲源多源特性距離條件下，設(shè)計(jì)測量基陣系統(tǒng)與被測艦船橫向間距150 m，對應(yīng)每倍頻程帶寬的均勻線列陣陣元數(shù)為20，所設(shè)計(jì)通帶為基陣法向?yàn)橹行?2°的矩陣空間，阻帶為18°空間，測試頻帶為螺旋槳噪聲能量較為集中的150～4 000 Hz頻段。

根據(jù)時(shí)域?qū)拵Ь仃嚳沼驗(yàn)V波器設(shè)計(jì)能力，即依據(jù)1/2波長設(shè)置的水聽器基陣，可實(shí)現(xiàn)對應(yīng)頻率和向上倍頻程數(shù)據(jù)的時(shí)域?qū)拵Ь仃嚳沼驗(yàn)V波。需要將對應(yīng)頻段進(jìn)一步按倍頻程關(guān)系分解為144～286，286～608，608～1 256，1 256～2 080，2 144～4 096 Hz 5個子頻段，對應(yīng)設(shè)計(jì)滿足不同子頻段的水聽器陣列，為了實(shí)現(xiàn)5個子頻段同步測量。設(shè)計(jì)總長76 m、陣元總數(shù)為60的水聽器陣列如圖4所示，陣元間距分為4、2、1、0.5和0.25 m 5檔對稱布置，以保證不同子頻段水聽器陣元數(shù)和空域分辨能力的一致性。

圖4 設(shè)計(jì)滿足5子帶寬頻信號處理用水聽器線列陣

3.2 時(shí)空域矩陣濾波器設(shè)計(jì)

以對應(yīng)陣元間距為0.5 m的20元線列陣構(gòu)成的測試子單元為例，應(yīng)用前述時(shí)域?qū)拵Ь仃嚳沼驗(yàn)V波器設(shè)計(jì)原理和文獻(xiàn)[8]中給出的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)得到1 256～2 080 Hz頻段時(shí)域?qū)拵Ь仃嚍V波器，其空間濾波特性如圖5～6所示。可以看出，設(shè)計(jì)得到的時(shí)域?qū)拵Ь仃嚳沼驗(yàn)V波器可實(shí)現(xiàn)通帶空間12°和阻帶空間18°要求，通帶波動度≤0.3 dB，阻帶衰減>10.0 dB的空間濾波特性。

圖5 TDBSF方向?yàn)V波特性

圖6 TDBSF頻率-方位濾波特性

3.3 推進(jìn)器噪聲獲取仿真實(shí)例

為了真實(shí)模擬艦船通過測量區(qū)域時(shí)所提出的測量技術(shù)有效性，以3.1給出的測試系統(tǒng)與艦船空間關(guān)系，假設(shè)相對測量基陣艦船機(jī)械噪聲源集中部位與螺旋槳部位之間夾角為20°，螺旋槳進(jìn)入測量系統(tǒng)穩(wěn)定采集時(shí)間從法線左側(cè)6°開始，到法線右側(cè)6°結(jié)束，機(jī)械噪聲干擾始終保持與被測聲源夾角。同3.2，為體現(xiàn)子頻段內(nèi)測量系統(tǒng)寬頻信號處理能力，螺旋槳聲源采用設(shè)計(jì)的1 200～2 000 Hz寬頻諧波信號模擬，時(shí)間序列如圖7所示，信號位置以2°間隔逐次分布于水聽器基陣法線方向夾角-6°～+6°之間，應(yīng)用隨機(jī)噪聲模擬艦船機(jī)械噪聲，時(shí)間序列如圖8所示，信號保持與模擬螺旋槳聲源夾角不變，設(shè)置信干比為0 dB。圖9為對應(yīng)模擬信號源位于2°方向時(shí)，2#水聽器接收到的未經(jīng)空域?yàn)V波艦船輻射噪聲的時(shí)間序列，可以看出，模擬螺旋槳信號完全淹沒干擾輻射噪聲中。

圖7 設(shè)計(jì)的寬頻諧波信號時(shí)間序列

圖8 隨機(jī)噪聲信號時(shí)間序列

圖9 2#水聽器接收的未經(jīng)濾波信號時(shí)間序列

為了驗(yàn)證本論文設(shè)計(jì)測試系統(tǒng)中濾波器帶內(nèi)波動對真實(shí)信號影響，無干擾信號條件下，利用3.2設(shè)計(jì)時(shí)空域矩陣濾波器，測試系統(tǒng)2#水聽器接收到信號經(jīng)濾波后的時(shí)間序列與原始信號時(shí)間序列對比見圖10?？梢钥闯觯転V波器時(shí)延和通帶波動影響，測試系統(tǒng)輸出信號相比源信號時(shí)間序列存在30多個時(shí)延序列差異，其余部分時(shí)間序列波形具有較好的一致性。通帶內(nèi)聲源運(yùn)動到不同方位角時(shí)經(jīng)測試系統(tǒng)輸出有效信號時(shí)間序列與源信號對應(yīng)時(shí)間序列相比的平均失真度見圖11。可以看出，在通帶范圍內(nèi)失真度小于1.1 dB(失真度計(jì)算見式(8))，證明了本測試系統(tǒng)在一定采樣時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定獲取被測聲源信號的能力。

(8)

結(jié)合艦艇實(shí)際螺旋槳噪聲與機(jī)械噪聲之間存在的信噪比不同，通過改變模擬信號源于干擾噪聲源的信干比，得到了信干比從5.0～-5.0 dB范圍內(nèi)的信號時(shí)間序列對比圖(見圖12)和相比無干條件下測得信號的平均失真度曲線(見圖13)，可以看出，在機(jī)械噪聲相比螺旋槳噪聲高出5.0 dB的情況下，本測試系統(tǒng)所測得螺旋槳噪聲信號的平均失真不大于2.0 dB。由此可以判斷，本文所設(shè)計(jì)螺旋槳噪聲測試系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對艦船螺旋槳部位輻射噪聲的時(shí)域提取。

圖10 無干擾條件下，測試系統(tǒng)2#水聽器濾波 輸出信號與源信號時(shí)間序號對比

圖11 源信號運(yùn)動至通帶內(nèi)不同方位角時(shí)，濾波后 得到2#水聽器接收信號時(shí)間序列失真度

圖12 無干擾條件和信干比從5.0～-5.0 dB 范圍內(nèi)的信號時(shí)間序列對比

圖13 不同信干比條件下，濾波后得到2#水聽器接收信號時(shí)間序列失真度

4 結(jié)論及下一步工作建議

1)實(shí)現(xiàn)150～4 000 Hz頻段范圍內(nèi)螺旋槳噪聲測試需要60元水聽器構(gòu)成的稀疏陣列，基陣尺度需要76 m。

2)所設(shè)計(jì)測試系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)帶外10.0 dB干擾抑制空間濾波能力，同帶信號波動度小于0.3 dB。

3)所設(shè)計(jì)測試系統(tǒng)在信干比-5.0 dB條件下濾波得到信號時(shí)間序列，相比無干擾條件信號時(shí)間序列平均失真度為1.6 dB，能夠保證現(xiàn)通帶內(nèi)信號提取。

4)信號源處于通帶內(nèi)不同位置時(shí)，所設(shè)計(jì)測試系統(tǒng)濾波前后原信號時(shí)間序列的平均失真度不大于1.1 dB，可保證一定采樣時(shí)間內(nèi)被測聲源信號的穩(wěn)定性。

5)本文提出的測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的空間濾波器是通過程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的，還需要靠獲取基陣測試數(shù)據(jù)后進(jìn)行處理。下一步工作考慮通過將濾波器參數(shù)植入高速計(jì)算芯片，實(shí)現(xiàn)測試系統(tǒng)對基陣測試數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取能力。

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Measure Technique for Ship-propeller-noise Based on Time Domain Broadband Spatial Matrix Filter

ZHANG Da-hai, WEI Qiang

(China Ship Design and Research Center, Wuhan 430064, China)

In order to solve warship propeller noise measuring problem, the measure technique for ship-propeller-noise by designing of time domain broadband spatial matrix filter (TDBSF) was provided. The main technical points of this technique include supposing warship as several point noise sources, using space filtering function of sonar array design broadband frequency hydrophone array, designing time domain broadband spatial matrix filter according propeller noise testing requirement. To verify availability of the measure technique, broadband frequency hydrophone array and matrix filter were designed. Simulation result showed that the proposed measure technique can get out propeller noise signal from ship radiating noise in condition of SNR≥-5.0 dB, and the accumulated error is not greater than 2.0 dB.

matrix filter; propeller noise; hydrophone array

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.06.005

2016-02-21

張大海(1979—)，男，博士，工程師

U664.33

A

1671-7953(2016)06-0020-05

修回日期：2016-04-02

研究方向:水面艦船綜合隱身

E-mail:21128105@qq.com