华北理工水声学讲义07水下噪声.docx

第7章 水下噪声本讲主要内容1、噪声的基本概念（了解）2、海洋环境噪声（了解）3、海洋环境噪声的指向性（重点）4、舰船辐射噪声的声源级和噪声谱（了解）5、舰船辐射噪声源及其一般特性（重点）6、辐射噪声源概要（了解）7、舰船、潜艇、鱼雷的辐射噪声级（了解） 8、辐射噪声的测量（重点）一、噪声的基本概念1、噪声的定义：是指在特定条件下不需要的声音2、水下噪声：它们是声呐系统的主要干扰背景之一，限制装备性能3、噪声描述噪声是一种随机过程描述噪声的统计量有：概率密度函数、概率分布函数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 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： 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： 功率谱是均匀的噪声，则称之为白噪声4、噪声的频谱分析 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的频谱没有意义；随机过程的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、准周期信号的频谱就是线谱信号；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的频谱就是连续谱声强平均频谱密度： 声强频谱密度函数： 带宽内的总声强： 提示：连续谱某确定频率分量上的声强贡献无限小海洋环境噪声级 ： 假设水听器工作带宽内噪声谱为S（f）、且其响应是均匀的，则有： 提示：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5、水下噪声的指向性特性 1）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 2）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 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，为声呐设备设计、制作提供必要的数据。

二、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的原因，它们是低频噪声源 2）地震扰动 地震是海洋中的极低频噪声源3）海洋湍流 湍流产生噪声的方式：①湍流使水听器、电缆等颤动或作响——自噪声（不是自然噪声）；②湍流压力变化辐射噪声——四极子源，随距离迅速衰减，不是主要源；③湍流区内部压力的声效应海洋湍流是海洋中的低频噪声源 ④行船 行船是50Hz~500Hz频率范围内的主要噪声源，与风和天气无关⑤海面波浪 海面波浪噪声是500Hz~25000Hz频率范围内的噪声源，与海况直接相关⑥热噪声 海洋分子的热噪声限制水听器的高频灵敏度，等效热噪声谱级： 式中，DI为指向性指数，单位dB； E为转换效率，单位dB； f 为频率，单位kHz。

2、深海环境噪声谱 深海环境噪声谱的例子如右图，谱由斜率不同的五部分组成，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，与风速仅有很微弱的关系，最可能的噪声源是湍流（1Hz~20Hz）3）自然噪声谱变平，远处行船是主要噪声源4）具有-5~-6dB/倍频程，噪声源是不远处的粗糙海面5）海水介质分子热运动噪声，谱线斜率为6dB/倍频程 3、深海环境噪声的指向性 深海自然噪声具有指向性：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）三、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呐系统赖以探测、跟踪的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 1、舰船辐射噪声的声源级和噪声谱在远场测得噪声级后，再修正传播损失，归算到离声源声中心1米处，并计算出1Hz带宽内的声强，则声源级（谱级）为： 式中，是换能器工作带宽，I0为参考声强，IN为距声源声中心1米处的噪声声强。

2、舰船辐射噪声源及其一般特性 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 机械噪声 螺旋桨噪声 水动力噪声 主机：柴油机、主电动机、减速器辅机：发动机、泵、空调设备 螺旋桨空化螺旋桨引起船壳振动 水流辐射噪声空腔、板和附件的共振 支柱和附件的空化 注：此部分内容要求学生看书自学归纳辐射噪声源概要：舰艇的辐射噪声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的连续谱 常识：通常舰艇的临界频率为100Hz~1000Hz，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） 3、辐射噪声的测量 1）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2）按照测量水听器、设施布放方式：固定式和活动式3）水听器阵形式：潜艇和鱼雷——深海（海深大于60米）、垂直阵；水面舰船——浅海（海深大于30米）、水平阵 四、舰船、潜艇和鱼雷自噪声自噪声是本舰声呐的一种特殊干扰背景，表现为声呐方程中的NL，是舰船上各种声源产生的自噪声与辐射噪声的异同点：1）相同点：声源基本相同；2）不同点：①在声呐方程中的作用不一样，辐射噪声为SL，自噪声为NL；②自噪声的传播路径复杂，而且可变；③自噪声为近场噪声，辐射噪声为远场噪声。

1、舰船自噪声源及其一般特征1）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，对声呐设备的影响是十分严重的 2）机械噪声和螺旋桨噪声 它们是自噪声的主要声源①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②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 3）水动力噪声 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4）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 2、自噪声的传播路径 自噪声是近场噪声，传播路径复杂而多变船壳传递、水中直接路径、散射体反射、海底和海面的反射等路径3、自噪声级 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4、舰船自噪声的测量 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NL’，则等效各向同性自噪声级NL： 注意：两种水听器的灵敏度必须相等 五、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呐的作用距离，从而可以提高舰船的对抗能力 1、舰船噪声控制方法分类 按照控制对象的不同，可分为：1）主动噪声控制——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——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 2、机械噪声的控制常规舰艇的主要源：主机、辅机；核动力潜艇的主要源：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 3、螺旋桨噪声的控制 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，推迟空化的产生；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，可以改善叶片上的压力、速度分布，推迟空化产生。

控制螺旋桨唱音根本办法增加桨叶阻尼，减小振动或改变螺旋桨的固有频率，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：7~8，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 提示：为减小水动力噪声，一般声呐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 总结：通过本讲学习，掌握水下噪声的噪声源、辐射噪声和自噪声的性质习题：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的作用2、说明螺旋桨噪声的形成机理及与航速，航深和频率的关系在低频段，螺旋桨噪声强度与频率的3次方式正比，当速度由V变为2V时，噪声强度增加多少分贝3、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。