舰船、潜艇、鱼雷的辐射噪声特性及其测量方法

舰船、潜艇和鱼雷的辐射噪声，是被动声纳的声源信号。 

舰船辐射噪声的危害： 

• 破坏了舰船的隐蔽性；
  
• 可能引爆某些水中兵器；
  
• 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

舰船辐射噪声声源级：在远场测得噪声级后，在修正传播损失，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，Δf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。

噪声谱基本类型：连续谱、线谱。舰船辐射噪声为线谱和连续谱的迭加。

2、舰船辐射噪声源及其特性

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。

(1) 机械噪声

机械噪声是航行或作业舰船上的各种机械的振动，通过船体向水中辐射而形成的噪声。产生机理：

• 不平衡的旋转部件(电机电枢等)；
• 重复的不连续性(齿轮、涡轮机叶片等)；
  
• 往复部件(汽缸的爆炸)——产生线谱噪声，其成分是振动基频及其谐波分量 ；
• 流体空化和湍流及排气(泵、管道、凝汽器等)；
• 机械摩擦(轴承等)——产生连续谱噪声。

结论：

• 舰船辐射噪声为强线谱加弱连续谱的迭加，与舰船航行状态及机械工作状态密切相关，一般较复杂、多变； 
• 机械噪声是舰船辐射噪声低频段主要成分。
  

(2) 螺旋桨噪声

螺旋桨噪声：螺旋桨空化噪声和螺旋桨叶片振动辐射噪声。 

① 螺旋桨空化噪声

螺旋桨空化噪声是舰船辐射噪声高频段主要成分，且为连续谱，其典型频谱如下图。 

空化噪声谱随航速和深度的变化关系

工作在潜望镜深度的潜艇的宽带辐射噪声

频谱特点：在高频段，谱级随频率以6dB/Oct斜率下降；在低频段随频率增高而增高；谱峰(100Hz~1000Hz)随航速和深度而变化，当航速增加和深度变浅时，谱峰向低频移动。 

原因：高航速和浅深度时，易产生空化气泡，产生低频噪声，使谱峰向低频端移动。

空化噪声产生条件是航速大于舰船临界航速。螺旋桨空化噪声与航速关系如下：

• 航速低于临界航速，空化噪声级很低(未发生空化)；
  
• 航速增大至临界航速，空化噪声级急剧增大(空化发生、发展)；
  
• 航速继续增大，空化噪声级基本趋于稳定(空化充分)。
  

螺旋桨空化噪声与航深关系：航行深度增加，临界航速提高，空化噪声级增加。螺旋桨空化噪声还与其它因素有关，例如螺旋桨损坏、加速、转向等因素。水面舰船的螺旋桨空化噪声-航速关系不是S形，关系复杂。

② 螺旋桨唱音

螺旋桨唱音是螺旋桨叶片拍击、切割水流而引起的，也称为旋转噪声，它为线谱噪声分量，其频谱的频率：

式中，n是螺旋桨叶片数；s是螺旋桨转速；m是谐波次数。螺旋桨唱音是潜艇低频段(1~100Hz)噪声的主要成分。频谱特性是声纳识别目标和估计目标速度的依据。

③ 螺旋桨噪声方向性

船首和船尾方向比正横方向辐射的噪声小;在船首—船尾方向成30°角度内，指向性凹进去，船首方向比船尾方向凹进略多些。

(3) 水动力噪声

水动力噪声是由不规则的、起伏的海流流过运动船只表面而形成的，是水流动力作用于舰船的结果。产生机理：

• 水流激励壳体振动或壳体上某些结构(叶片、空穴腔体等)共振；
  
• 湍流附面层产生的流噪声(粘滞流体特性)；
  
• 航船拍浪声(船首、船尾)、船上循环系统进水口和排水口的辐射噪声。
  

根据布洛欣采夫理论，水动力噪声强度主要与航速有关：

式中，k为常数，v是航速，n是与航船水下线形等因素有关的一个量。一般情况，舰船水动力噪声小于机械噪声和螺旋桨噪声。

3、辐射噪声源概要

舰艇的辐射噪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。

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)。

4、辐射噪声的测量

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。 按照测量水听器、设施布放方式：固定式和活动式。 水听器阵形式：潜艇和鱼雷——深海(大于60米)、垂直阵；水面舰船——浅海(大于30米)、水平阵。

用于测量辐射噪声的水听器布设

辐射噪声通常以1Hz带宽内谱级表示，但对于测量仪器设备工作带宽为W，该带宽内噪声级为BL，则1Hz带宽内的谱级为BL-10lgW。

注意：上述噪声为白噪声，如果被测带宽内有线谱噪声，则归算方法不在适用。

通常测量是在远场，一般按照球面波扩展规律进行修正，归算到离声源声中心1米处。因此，需要精确知道水听器与被测舰船之间的距离，一般采用同步钟测距装置(主动声纳)。目前，舰船辐射噪声测量是一项专门测量技术，随着潜艇隐身技术水平的提高，对测试技术和设备提出更高的要求。

本文摘自百度文库《水下噪声》一文