第八章水下噪聲2024/4/151本章主要內(nèi)容噪聲的根本概念〔了解〕噪聲是一種隨機過程噪聲的頻譜分析水下噪聲的指向性特性海洋環(huán)境噪聲〔了解〕深海中的環(huán)境噪聲源深海環(huán)境噪聲譜自然噪聲的間歇源及自然噪聲的變化特性海洋環(huán)境噪聲的振幅分布和空間相關(guān)2024/4/152本章主要內(nèi)容海洋環(huán)境噪聲〔了解〕海洋環(huán)境噪聲的指向性艦船和魚雷的輻射噪聲〔了解〕艦船輻射噪聲的聲源級和噪聲譜〔重點〕艦船輻射噪聲源及其一般特性機械噪聲螺旋槳噪聲水動力噪聲2024/4/153本章主要內(nèi)容艦船和魚雷的輻射噪聲〔了解〕輻射噪聲源概要艦船、潛艇、魚雷的輻射噪聲級輻射噪聲的測量艦船、潛艇和魚雷的自噪聲〔了解〕艦船自噪聲源及其一般特性自噪聲的傳播路徑自噪聲級艦船自噪聲的測量2024/4/154本章主要內(nèi)容艦船噪聲控制簡介〔了解〕艦船噪聲控制方法分類機械噪聲的控制螺旋槳噪聲的控制水動力噪聲的控制2024/4/155噪聲的根本概念噪聲的定義：是指在特定條件下不需要的聲音。水下噪聲海洋環(huán)境噪聲和艦船自噪聲它們是聲納系統(tǒng)的主要干擾背景之一，限制裝備性能。目標(biāo)〔艦船、潛艇、魚雷等〕輻射噪聲它是被動聲納系統(tǒng)的聲源，通過接收該噪聲實現(xiàn)目標(biāo)檢測。水下噪聲研究的意義〔對抗與反對抗〕提高設(shè)備性能、提高自身隱蔽性2024/4/156噪聲的根本概念噪聲是一種隨機過程描述噪聲的統(tǒng)計量有：概率密度函數(shù)、概率分布函數(shù)。平穩(wěn)隨機過程描述：如果一個隨機過程經(jīng)過時間平移后，其統(tǒng)計特性保持不變，即那么稱這過程為平穩(wěn)隨機過程。提示：平穩(wěn)隨機過程的概率密度函數(shù)與時間無關(guān)，為處理上的方便，往往把水中噪聲視為平穩(wěn)隨機過程2024/4/157噪聲的根本概念高斯噪聲假設(shè)噪聲的聲壓概率密度函數(shù)表示為：上述概率密度函數(shù)為高斯分布，相應(yīng)的噪聲稱為高斯噪聲。其均值和方差為：提示：水下噪聲研究中經(jīng)常將某一類干擾假定為高斯噪聲。2024/4/158噪聲的根本概念噪聲是一種隨機過程一般，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。白噪聲由隨機過程理論可知，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)：功率譜是均勻的噪聲，那么稱之為白噪聲。2024/4/159噪聲的根本概念噪聲是一種隨機過程噪聲聲壓有效值定義：等于介質(zhì)阻抗為單位值時平均聲強的平方根。如果假設(shè)噪聲的平均值為零，介質(zhì)阻抗為單位值，那么它的方差便等于平均聲強：2024/4/1510噪聲的根本概念噪聲的頻譜分析噪聲聲壓是一個隨機量，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；隨機過程的功率譜函數(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度。根據(jù)信號頻譜曲線形狀劃分：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)周期信號的頻譜就是線譜信號；連續(xù)譜：頻譜分析用傅氏變換來表示，水聲中瞬態(tài)非周期信號的頻譜就是連續(xù)譜。2024/4/1511噪聲的根本概念噪聲的頻譜分析聲強平均頻譜密度聲強頻譜密度函數(shù)帶寬內(nèi)的總聲強：提示：連續(xù)譜某確定頻率分量上的聲強奉獻無限小。2024/4/1512噪聲的根本概念噪聲的頻譜分析海洋環(huán)境噪聲級

假設(shè)水聽器工作帶寬內(nèi)噪聲譜為、且其響應(yīng)是均勻的，那么有：因此有提示：水下噪聲是多種噪聲源的綜合迭加，每種噪聲源的鼓勵不盡相同，因此，它可能是線譜，也可能是連續(xù)譜，甚至是兩種的迭加。2024/4/1513噪聲的根本概念水下噪聲的指向性特性水下噪聲具有指向性原因：噪聲源具有指向性、噪聲源空間分布、海洋傳播條件等。提示：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；遠處航船的輻射噪聲—水平指向性。2024/4/1514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)。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：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。2024/4/1515海洋環(huán)境噪聲

深海中的環(huán)境噪聲源地震擾動地震是海洋中的極低頻噪聲源。海洋湍流湍流產(chǎn)生噪聲的方式：湍流使水聽器、電纜等顫抖或作響——自噪聲〔不是自然噪聲〕；湍流壓力變化輻射噪聲——四極子源，隨距離迅速衰減，不是主要源；湍流區(qū)內(nèi)部壓力的聲效應(yīng)。海洋湍流是海洋中的低頻噪聲源。2024/4/1516海洋環(huán)境噪聲深海中的環(huán)境噪聲源行船行船是50Hz~500Hz頻率范圍內(nèi)的主要噪聲源，與風(fēng)和天氣無關(guān)。海面波浪海面波浪噪聲是500Hz~25000Hz頻率范圍內(nèi)的噪聲源，與海況直接相關(guān)。

Kundson海洋環(huán)境噪聲譜2024/4/1517海洋環(huán)境噪聲深海中的環(huán)境噪聲源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，DI為指向性指數(shù)，單位dB；E為轉(zhuǎn)換效率，單位dB；f為頻率，單位kHz。2024/4/1518海洋環(huán)境噪聲深海環(huán)境噪聲譜

Wenz譜級圖：在一般情況下，它能夠比較細致地描寫出環(huán)境噪聲的普遍規(guī)律性，被認為最具代表性的深海噪聲譜曲線。2024/4/1519海洋環(huán)境噪聲深海環(huán)境噪聲譜深海環(huán)境噪聲譜的例子如右圖，譜由斜率不同的五局部組成，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。2024/4/1520海洋環(huán)境噪聲深海環(huán)境噪聲譜2〕譜斜率為-8~-10dB/倍頻程，與風(fēng)速僅有很微弱的關(guān)系，最可能的噪聲源是湍流。3〕自然噪聲譜變平，遠處行船是主要噪聲源。4〕具有-5~-6dB/倍頻程，噪聲源是不遠處的粗糙海面。5〕海水介質(zhì)分子熱運動噪聲，譜線斜率為6dB/倍頻程。2024/4/1521海洋環(huán)境噪聲深海環(huán)境噪聲譜工程上，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，見以下圖。圖中畫出了不同航運和風(fēng)速條件下的預(yù)報用曲線。使用時，選擇適當(dāng)?shù)暮竭\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。2024/4/1522海洋環(huán)境噪聲自然噪聲的間歇源及自然噪聲的變化特性間歇源的噪聲源1〕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。2〕海洋生物：甲殼類、魚類和海生哺乳類——特殊的鳴聲、嘈雜聲等；3〕降雨：提高自然噪聲級，與降雨率和面積有關(guān)——在1kHz~10kHz頻段接近于白噪聲。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。2024/4/1523海洋環(huán)境噪聲海洋環(huán)境噪聲的振幅分布和空間相關(guān)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?？臻g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2024/4/1524海洋環(huán)境噪聲海洋環(huán)境噪聲的振幅分布和空間相關(guān)Cron和Sherman研究了具有指向性的單頻噪聲源構(gòu)成的界面噪聲場的相關(guān)系數(shù)?！睟.F.Cron,C.H.Sherman.Spatial-correlationfunctionsforvariousnoisemodels.J.Acoust.Soc.Am.,1962,34(11))。當(dāng)時，當(dāng)時，水平方向：垂直方向：2024/4/1525海洋環(huán)境噪聲海洋環(huán)境噪聲的振幅分布和空間相關(guān)海面粗糙度形成的噪聲場具有的指向特性。單頻各向同性噪聲和輻射特性為的面聲源噪聲空間相關(guān)系數(shù)曲線如以下圖：2024/4/1526海洋環(huán)境噪聲深海環(huán)境噪聲的指向性深海自然噪聲具有指向性：低頻噪聲來自遠處——水平指向性高頻噪聲源來自頂部的海面——垂直指向性提示：海面輻射噪聲具有的指向特性〔噪聲源和海面上虛源干預(yù)效應(yīng)引起的〕。2024/4/1527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系統(tǒng)賴以探測、跟蹤的信號。艦船輻射噪聲的危害：破壞了艦船的隱蔽性；可能引爆某些水中兵器；干擾本艦的水聲設(shè)備〔自噪聲〕。艦船、魚雷輻射噪聲特點噪聲源繁多、集中，噪聲強度大，頻譜成分復(fù)雜。2024/4/1528艦船和魚雷的輻射噪聲2024/4/1529艦船和魚雷的輻射噪聲2024/4/1530艦船輻射噪聲的聲源級和噪聲譜艦船輻射噪聲聲源級在遠場測得噪聲級后，再修正傳播損失，歸算到離聲源聲中心1米處，并計算出1Hz帶寬內(nèi)的聲強，那么聲源級〔譜級〕為：式中，是換能器工作帶寬，為參考聲強，為距聲源聲中心1米處的噪聲聲強。2024/4/1531艦船輻射噪聲的聲源級和噪聲譜噪聲譜根本類型連續(xù)譜；線譜；艦船輻射噪聲為線譜和連續(xù)譜的迭加。2024/4/1532艦船輻射噪聲源及其一般特性艦船輻射噪聲源分為三大類機械噪聲主機：柴油機、主電動機、減速器輔機：發(fā)動機、泵、空調(diào)設(shè)備螺旋槳噪聲螺旋槳空化螺旋槳葉片振動水動力噪聲水流輻射噪聲；空腔、板和附件的共振；支柱和附件的空化2024/4/1533艦船輻射噪聲源及其一般特性機械噪聲機械噪聲是航行或作業(yè)艦船上的各種機械的振動，通過船體向水中輻射而形成的噪聲。產(chǎn)生機理：〔1〕不平衡的旋轉(zhuǎn)部件〔電機電樞等〕；〔2〕重復(fù)的不連續(xù)性〔齒輪、渦輪機葉片等〕；〔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〕機械摩擦〔軸承等〕——產(chǎn)生連續(xù)譜噪聲。2024/4/1534艦船輻射噪聲源及其一般特性機械噪聲結(jié)論：〔1〕艦船輻射噪聲為強線譜加弱連續(xù)譜的迭加，與艦船航行狀態(tài)及機械工作狀態(tài)密切相關(guān)，一般較復(fù)雜、多變；〔2〕機械噪聲是艦船輻射噪聲低頻段主要成分。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。2024/4/1535艦船輻射噪聲源及其一般特性螺旋槳噪聲螺旋槳空化噪聲螺旋槳旋轉(zhuǎn)時，葉片尖上和外表上產(chǎn)生空化。WaterFlowWaterFlowBladeTipCavitationSheetCavitation2024/4/1536艦船輻射噪聲源及其一般特性螺旋槳噪聲螺旋槳空化噪聲1〕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，其典型頻譜如以下圖。2024/4/1537艦船輻射噪聲源及其一般特性螺旋槳噪聲螺旋槳空化噪聲2〕頻譜特點：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〔100Hz~1000Hz〕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。3〕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。2024/4/1538艦船輻射噪聲源及其一般特性螺旋槳噪聲螺旋槳空化噪聲1〕空化噪聲產(chǎn)生條件：航速大于艦船臨界航速。

2024/4/1539艦船輻射噪聲源及其一般特性螺旋槳噪聲螺旋槳空化噪聲2〕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、開展〕；c〕航速繼續(xù)增大，空化噪聲級根本趨于穩(wěn)定〔空化充分〕。2024/4/1540艦船輻射噪聲源及其一般特性螺旋槳噪聲螺旋槳空化噪聲3〕螺旋槳空化噪聲與航深關(guān)系：a〕航行深度增加，臨界航速提高，空化噪聲級增加。4〕螺旋槳空化噪聲還與其它因素有關(guān)，例如螺旋槳損壞、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。2024/4/1541艦船輻射噪聲源及其一般特性螺旋槳空化噪聲2024/4/1542艦船輻射噪聲源及其一般特性螺旋槳噪聲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〔1~100Hz〕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)。2024/4/1543艦船輻射噪聲源及其一般特性

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)，指向性凹進去，船首方向比船尾方向凹進略少些。2024/4/1544艦船輻射噪聲源及其一般特性水動力噪聲水動力噪聲是由不規(guī)那么的、起伏的海流流過運動船只外表而形成的，是水流動力作用于艦船的結(jié)果。產(chǎn)生機理：1〕水流鼓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)進水口和排水口的輻射噪聲。2024/4/1545艦船輻射噪聲源及其一般特性水動力噪聲根據(jù)布洛欣采夫理論，水動力噪聲強度主要與航速有關(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。

提示：一般情況，艦船水動力噪聲小于機械噪聲和螺旋槳噪聲。2024/4/1546輻射噪聲源概要艦艇的輻射噪聲主要噪聲源是機械噪聲和螺旋槳噪聲，二者奉獻的大小取決于頻率、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。提示：通常艦艇的臨界頻率為100Hz~1000Hz，取決于船的種類、航速和航深。魚雷的臨界頻率比較高〔機械速度高〕。2024/4/15472024/4/1548艦船、潛艇、魚雷的輻射噪聲級

2024/4/1549艦船、潛艇、魚雷的輻射噪聲級

2024/4/1550輻射噪聲的測量測量方法：讓被測船航行通過遠處的測量水聽器來實現(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?！埠Ｉ畲笥?0米〕、垂直陣；水面艦船——淺海〔海深大于30米〕、水平陣。2024/4/1551輻射噪聲的測量用于測量輻射噪聲的水聽器布設(shè)2024/4/1552輻射噪聲的測量輻射噪聲通常以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，那么1Hz帶寬內(nèi)的譜級為BL-10lgW。提示：上述噪聲為白噪聲，如果被測帶寬內(nèi)有線譜噪聲，那么該歸算方法不再適用。通常測量是在遠場，一般按照球面波擴展規(guī)律進行修正，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〕。2024/4/15532024/4/1554輻射噪聲的測量澳大利亞安靜潛艇輻射噪聲測量系統(tǒng)SAUR

2024/4/1555輻射噪聲的測量美國潛艇輻射噪聲測量系統(tǒng)〔高增益系統(tǒng)〕2024/4/1556輻射噪聲的測量美國潛艇輻射噪聲測量系統(tǒng)2024/4/1557輻射噪聲的測量美國PSI潛艇輻射噪聲測量系統(tǒng)(PVLAMS垂直陣)2024/4/1558艦船自噪聲源及其一般特性自噪聲是本艦聲納的一種特殊干擾背景，表現(xiàn)為聲納方程中的NL，是艦船上各種聲源產(chǎn)生的。自噪聲與輻射噪聲的異同點：相同點：聲源根本相同；不同點：1〕在聲納方程中的作用不一樣，輻射噪聲為SL，自噪聲為NL；2〕自噪聲的傳播路徑復(fù)雜，而且可變；3〕自噪聲為近場噪聲，輻射噪聲為遠場噪聲。2024/4/1559艦船自噪聲源及其一般特征噪聲源：機械噪聲、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)備的影響是十分嚴重的。機械噪聲和螺旋槳噪聲它們是自噪聲的主要聲源。機械噪聲：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。2024/4/1560艦船自噪聲源及其一般特征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外表上的壓力。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。2024/4/1561艦船自噪聲源及其一般特征水動力噪聲一般聲納設(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)，見以下圖。2024/4/15622024/4/1563自噪聲級參考數(shù)據(jù)取自二戰(zhàn)時期的測量結(jié)果。艦船自噪聲的測量為使用上的方便，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，那么等效各向同性自噪聲級NL：提示：兩種水聽器的