水下运动声源浅海环境干涉谱仿真研究.pdf
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1、总第150 期声学与电子工程2023年第2期水下运动声源浅海环境干涉谱仿真研究韩建辉单志超刘贤忠郑晓庆李大卫(海军航空大学,烟台,2 6 40 0 1)摘要浅海复杂多变的水文环境严重影响了水下目标辐射噪声特性,给航空声呐探测带来了巨大的挑战。在分析水下目标辐射噪声谱特征的基础上,讨论了浅海水文环境及其传播规律,基于波导不变性理论,对典型浅海环境条件下运动目标辐射噪声形成的时间-频率干涉谱进行了理论分析和仿真验证。结果表明:在Pekeris波导、负梯度和正梯度等典型浅海环境条件下,波导不变量存在差异,被动全向声呐浮标接收到的不同噪声谱声源信号具有明显的干涉特征。根据干涉谱和浅海环境参数信息可实现
2、目标运动态势的判读。关键词浅海环境;波导不变量;声呐浮标;宽带噪声;干涉谱D0I:10.3969/j.issn.2096-2657.2023.02.01浅海环境受到众多因素的影响,呈现复杂的时变空变特性。海况的变化和风力搅拌等作用下海空的热力耦合剧烈,浅海声速具有明显的季节变化和日变化特征,浅海海底底质孔隙度、沉积层厚度等参数差异明显。随着吸声降噪技术的进步,水下目标辐射噪声级逐年下降,水下探测面临的挑战日益严峻,而浅海环境条件下的水声探测日益困难。俄罗斯学者Chuprov提出波导不变量概念 ,采用标量参数描述声场频散特性和干涉结构。李启虎等研究了基于射线模型的海底和海面反射干涉现象2 。余赞
3、等应用波导不变量和干涉结构估计目标运动参数3.4。杨娟利用海面偶极子和双偶极子模型分析了干涉谱5。安良等通过LOFAR谱图二维傅里叶变换计算波导不变量。Brekhovskikh 等给出了线性SSP(So u n d Sp e e d Pr o f i l e)表面声道的波导不变量7 。Cockrell 等分析了深海SOFAR声道的波导不变量8.9 。文献10 研究了Pekeris 波导中波导不变量与海底反射相移参数的关系。本文利用水声传播理论,结合波导不变量概念,仿真分析不同噪声谱水下声源在Pekeris波导、负梯度和正梯度等典型浅海环境条件下的干涉现象。1目标辐射噪声及模拟水下目标航行过程中
4、会产生辐射噪声,辐射噪声包括机械噪声、螺旋浆噪声和水动力噪声三大类。机械噪声由舰船主机和辅机等产生。螺旋桨噪声由空化噪声、叶片速率谱和“唱音”等构成。水动力噪声由水流冲击舰船产生,与航行姿态和航行速度等有关系。辐射噪声频谱一般是由连续谱和线谱叠加而成的混合谱,其中线谱成分描述了噪声中的周期分量,而连续谱成分描述了噪声中的随机能量分布。空化噪声是舰船高频段主要连续谱噪声,由螺旋桨转动过程中引起的局部负压产生的大量气泡破裂生成。空化噪声谱在高频段谱级随着频率的增加以-6 dB 倍频程的斜率下降12 ,在低频段谱级随着频率的增加而增加。可利用三参数模型来模拟水下目标噪声连续谱13 。表示连续谱的峰值
5、频率,J而影响连续谱的高度和下降速度,当fm较大时连续谱峰值低而平缓,当fm较小时连续谱峰值高而陡峭。K使连续谱曲线旋转。GO=+KU+oJ,-K(f+fo)(1)元F2+K(f+fo)F2-K(f+fo)元利用三参数模型模拟目标噪声连续谱,m=200Hz,f o=8 0 0 H z,K=-0.2,图1给出了声源级分别为165、145、12 5d B的A型、B型和C型声源谱级。1301251201158P/暴!11010510095908505001000150020002500300035004000频率/Hz(a)A 型声源谱级水下运动户谱仿真研究韩建辉105100958P/鼎908580
6、757005001000150020002500300035004000频率/Hz(b)B型声源谱级9085808P/录75706560555005001000150020002500300035004000频率/Hz(c)C型声源谱级图1水下目标辐射噪声谱级2干涉谱形成机理图2 给出了水下声源运动的几何关系图。水下声源深度为ds,以速度v匀速直线运动,水下声源与被动全向声呐浮标最近通过距离为ro,对应的运动轨迹点为CPA(Cl o s e s t Po i n t o f A p p r o a c h)点,被动全向声呐浮标深度为db,海深H。d0声呐浮标图2 水下声源运动几何关系声呐浮标在
7、某一时刻接收到水下声源经海水介质传播抵达的辐射噪声信号,声信号声强的时间-频率图(或者距离-频率图)呈现明暗变换的干涉纹理。Chuprov引入波导不变量概念解释声强在时间-频率图上的干涉纹理结构。干涉纹斜率df/dt为d_ddr(2)dtdr dt对于某种亮纹,声强保持不变,dl=O,将di表示为距离r和角频率的全微分,则daal/or(3)dr波导不变量的定义为dorAS,pmn(4)drASgmn式中,Spm为第m阶与第n阶简正波相慢度的差pm分,S.m为第m阶与第n阶简正波群慢度的差分。gm将波导不变量带入干涉纹斜率表达式中,得到fdr(5)dtrdt水下声源经过CPA点的时刻为to,由
8、目标运动轨迹可得到r=Vv(t-to)+r(6)则dr(7)dtV?t+r得到t(8)dt(t-to)2+(r/v)式中,to为声源经过CPA点的参考时刻,某干涉条纹对应时刻to的坐标为(fo,r),通过分离变量并积分得到干涉条纹的表达式:/2f(t)=f1+(9)(/))当声源和接收器之间的距离超过水深的若干倍时,点源位于(0,z),水听器的接收距离为r,接收深度z,则水听器的接收声压为14.1iMi元/4p(r,z,)=Vm(z,)(10)p(z,)V8元m=1Ym式中,k为第m号简正波水平波数,m(z)为第m号简正波的特征函数。声压谱为水下运动声源浅海环境谱仿真研究韩建辉等:I(r,z,
9、zs,)=E(pp)=(11)S(a)ZB,+2ZB,B,cosAkim(a)m1?md,(z,)d;(z,)式中,B,(z,z)=S()为声源谱级,p(z,)/8元k,rk m 为第m号和第1号简正波水平波数差。Akm=km-k,l(12)m声压谱由两项组成:第1项为随距离和频率慢变项;第2 项为多个cos因子累加项,体现出水平波数之间的干涉特征,且随距离的增加或减小而呈现振荡变化,振荡变化特征导致了波导不变条纹图案。根据定义,第m号和第1号简正波形成的波导不变量m为1aAkm(0)(13)ml式中,是角频率。分层介质中给定距离上的声场是由一组阶数相近的简正波模态决定的。在该组模态中,相速度
10、um和群速度Vm近似等于某个平均值,分别设为u和V。此外,相速度和群速度是某一函数关系式相联系的,u=u(v)。在 WKB(We n z e l,K r a m e r s a n dBrillouin)近似中,相速度和群速度关系与模态数和声波频率无关。可得到d(1/v)udv=(14)d(1/u)du在浅海绝对硬底条件下,波导不变量m存在解析解。理想波导中简正波水平波数可以表示为n元n=1,2,.N(15)d根据定义可以得到浅海硬底条件下波导不变量=1。浅海硬底条件下波导不变量近似不变,与简正波号数和频率等无关。表面波导的折射率满足线性条件(n(z)=1-2z,n(z)为折射率)的,则简正波
11、相速度u和群速度v满足9 3Vu=(16)2+(v/c.)2式中,Co为海面声速。可得3=(17)2-(v/c.)2当v接近co时,-3。向上折射的线性声速剖面c(z)=c(1+az),及理想反射上边界波导的波导不变量为9.12)IsinxolB(18)Isin xoI-H1+/sin。1式中,H=lncosO3仿真分析3.1Pekeris波导3.1.1不同辐射噪声级声源干涉谱仿真分析仿真条件采用Pekeris波导环境,如图3 所示。海深H=200m,声速cw=1490m/s,密度p%=1024kg/m,海底介质声速c,=1610m/s,其密度为p,=1900kg/m。接收传感器深度d,=10
12、0m,目标等深航行,目标深度d,=50 m。航行速度V=10m/s,水下目标与被动全向声呐浮标最近通过距离为r=1200m,最近通过时刻为0 时刻。仿真频段为50 0 3 0 0 0 Hz。利用三参数模型仿真模拟水下目标噪声连续谱,fm=200Hz,f。=8 0 0 H z,K=-0.2,海洋环境噪声级为50 dB。采用KRAKEN软件对声场建模。海面d,=50 m声源H=200md,=100 m航空声呐浮标海水声速Cw=1490 m/s海水密度Pw=1024kg/m海底海底声速C,=1610m/s海底密度P,=1900 kg/m图3Pekeris波导环境图4给出了A型、B型和C型声源同一条件
13、下航空声呐浮标接收的干涉谱。由仿真结果可知:声源运动产生明显的弯月形干涉纹理效应。当声源由远到近接近CPA点时,航空声呐浮标接收信号谱图的干涉亮纹呈现由大变小的趋势,干涉暗纹的变化趋势与干涉亮纹相似。对比图4中(a)(c)不同噪声级声源产生的干涉谱,具有相同的特点:干涉亮纹在8 0 0 Hz附近均达到最大值,以该频率为中心分别向低频和高频扩展,干涉亮纹逐渐减弱,随着频率的增大,干涉亮纹逐渐不明显;区别在于不同声源产生的噪声谱强度在接收声呐浮标处差异较大,同样条件下,噪声级高的声源其干涉谱明显,4韩建辉等:水下运动声源浅海环境谱仿真研究噪声级低的声源其干涉谱较弱,容易被海洋环境噪声掩盖而难以观察
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