舰船、潜艇和鱼雷的辐射噪声,是被动声纳的声源信号。 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。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。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:
- 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 ;
- 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;
螺旋桨噪声:螺旋桨空化噪声和螺旋桨叶片振动辐射噪声。 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。 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。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。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。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;
- 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。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)。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。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。