祝　献，葛辉良

拖曳线列阵流噪声抑制实验

祝献，葛辉良

（杭州应用声学研究所 声纳技术重点实验室，杭州 310023）

拖曳流噪声主要由流激缆阵振动和湍流边界层起伏压力引起的两大类噪声组成。已有研究表明当拖曳线列阵声纳达到一定拖速后，流噪声是限制低频拖曳线列阵声纳探测性能的主要因素，因此，研究流噪声抑制方法对提高低频拖曳线列阵声纳探测能力具有重要的意义。通过设计不同测量阵段构建流噪声测量系统，利用实验测量数据研究流噪声空间相关性和流噪声抑制方法。通过研究表明，利用4～20个密排水听器构成水听器组较单个水听器在500 Hz以下可提高8 dB～15 dB左右的流噪声抑制能力，同时也可通过柔性的水听器安装结构达到抑制流激振动流噪声效果。

声学；声纳探测；流噪声；噪声抑制；试验研究；拖曳线列阵声纳

拖曳线列阵声纳具有孔径大、探测频率低、可变深、受本舰噪声干扰小和适装性强等特点，西方发达国家都在积极研究，并装备于各种大小舰艇。然而，拖曳线列阵声纳低频探测性能的提高，在很大程度上受到了流噪声的限制，有研究表明［1］当拖曳线列阵声纳拖速大于10节时，流噪声已经成为限制低频段声纳探测性能的主要因素之一，因此，研究流噪声抑制方法对提高低频拖曳线列阵声纳探测能力具有重要的意义。

拖曳线列阵流噪声主要由流激缆阵振动和湍流边界层（TBL）起伏压力引起的两大类噪声组成。振动流噪声的抑制国内外主要通过设计隔振段、改进水听器结构和安装结构设计来实现［2-4］。对湍流噪声的研究国外主要集中在理论建模［5］和实验测量［6］上，这些理论模型和测量方法为流噪声抑制方法的研究提供了分析途径，具有重要的参考意义。国内对拖曳线列阵湍流噪声场预报和建模也做了相应研究，分析了影响流噪声的主要因素［7-8］，这些研究对我国拖曳线列阵流噪声抑制技术发展都具有重要的指导意义。

本文主要通过设计三条不同的测量阵段来进行流噪声抑制实验研究。首先通过一条14 mm间距的30元密排阵段测量的流噪声来研究流噪声空间相关性，指导用于流噪声抑制的水听器组内阵元间距的设计；其次通过一条10 cm间距的28元密排阵段测量的流噪声来研究多个密排水听器构成水听器组抑制流噪声的效果；最后通过一条具有不同安装结构水听器的测量阵段来研究振动流噪声的抑制效果。

1　实验系统构成

整个拖曳流噪声测量系统如图1所示，包括高速绞车、牵引绳、无动力船、拖缆、隔振段、测量阵段、尾绳和浮块组成，其中拖缆长度为24 m，前（后）隔振段长度为24 m，拖缆比重为1.6，测量阵段根据测量内容选择，分为测量阵段1、测量阵段2和测量阵段3，其阵元布置见图2示意图，每条阵段由水听器、前置放大器、深度传感器和数据采集节点等器件组成，其中测量阵段1是间距14 mm的30元密排阵段，用于研究流噪声空间相关性，测量阵段2是间距10 cm的28元密排阵段，用于研究密排水听器构成水听器组抑制流噪声的效果，测量阵段3是间距20 cm的16元具有不同安装结构水听器的测量阵段，用于研究不同安装结构水听器对振动流噪声的抑制效果。测量系统所用的隔振段和测量阵段均为零浮力设计。利用试验平台的高速绞车按速度v拖曳无动力小船，当高速绞车拖曳稳定后，利用录音设备录制水听器的数据，选取深度传感器相对稳定时间段的数据作为速度v下测量的流噪声数据。

图1　拖曳流噪声测量系统

图2　3条测量阵段阵元布置示意图

2　实验研究

2.1流噪声空间相关特性分析

利用测量阵段1设计的30元密排阵（实际有效阵元29个），在7 m/s的拖曳速度下测量流噪声，通过各阵元相关性来分析流噪声空间相关特性。对于相距为L的两个水听器在［fl，fh］频段上的流噪声空间相关性可表示为

其中‘*'表示共轭。图3是在［200，400］Hz、［250，500］Hz、［300，600］Hz频带内的空间相关系数。从图中可以看出，流噪声空间相关系数随距离下降很快，但当下降到一个固定值后就下降很慢，基本趋于一致，如图3中在10 cm距离以上的噪声空间相关系数就下降很慢，基本趋于一致。因此，以10 cm间距设计水听器阵列构成的水听器组来抑制流噪声比较合适。

图3　流噪声空间相关特性分析

2.2流噪声抑制方法

这里设计两条测量阵来研究流噪声抑制效果，首先通过一条10 cm间距的28元密排阵段（测量阵段2）测量的流噪声来研究多个密排水听器构成水听器组抑制噪声的效果；其次通过一条具有不同安装结构水听器的测量阵段（测量阵段3）来研究流激缆阵振动流噪声的抑制效果。

从流噪声空间相关特性分析可以看出，在［200，400］Hz、［250，500］Hz、［300，600］Hz上的流噪声相关长度远小于按对应频段最高频率半波长设计的探测阵元间距，这在安装空间上为利用密排水听器阵列构成水听器组抑制流噪声提供了可能。

首先利用测量阵段2设计的密排水听器阵测量数据来验证水听器组抑制流噪声的效果。在7 m/s的拖曳速度下测量的流噪声，图4给出了不同阵元数的水听器组在100 Hz频点上相对于单个水听器的流噪声抑制能力的4次实验测量结果，图5给出了不同阵元数的水听器组在［20，500］Hz频段内相对于单个水听器的流噪声抑制能力的4次实验测量结果，从图中可以看出，随着阵元数增加，流噪声抑制能力增强，在100 Hz频点上，4元水听器抑制流噪声能力就可达到12 dB～13 dB，10元水听器抑制流噪声能力可达到12 dB～15 dB，20元水听器抑制流噪声能力可达到18 dB左右，在［20，500］Hz频段内，4元水听器抑制流噪声能力就可达到8 dB～10 dB，10元水听器抑制流噪声能力可达到10 dB～12 dB，20元水听器抑制流噪声能力可达到14 dB～15 dB，效果十分明显。考虑到低频探测阵段阵元间距较大，如按400 Hz、500 Hz和600 Hz半波长布阵的探测阵元间距为1.875 m、1.5 m和1.25 m，其空间足够用于安装多个密排水听器构成的水听器组，并以此来实现流噪声抑制。当然，水听器组内水听器个数需根据探测阵段布阵间距和实际硬件代价综合考虑，理论上水听器个数越多，流噪声抑制效果越好。

图4　在100 Hz频点上流噪声抑制能力

图5　在［20，500］Hz频段内流噪声抑制能力

其次利用测量阵段3设计的两种安装方式水听器测量数据来研究流激振动流噪声的抑制效果。一种是柔性安装结构，采用海绵包裹水听器的形式，另一种是刚性安装结构，采用塑料骨架固定水听器的形式。在7 m/s的拖曳速度下测量流噪声，图6是两种安装方式水听器流噪声的相对谱级比较图，可以看出在200 Hz以下范围内，“海绵包裹”安装方式水听器流噪声明显比“塑料骨架固定”安装方式水听器流噪声小，在200 Hz以下频段内大约有2 dB～6 dB的抑制效果，但在200 Hz以上两种安装方式水听器流噪声基本相当；这说明采用“海绵包裹”的柔性安装结构对流激缆阵振动具有一定的减振作用，而流激缆阵振动引起的噪声频段较低，因而对200 Hz以下噪声抑制效果明显，对200 Hz以上噪声抑制效果并不明显。

图6　两种安装方式水听器流噪声的相对谱级比较图

3　结语

通过对拖曳线列阵流噪声空间相关特性和流噪声抑制效果的实验研究，可得出以下几点结论：

（1）拖曳线列阵流噪声空间相关长度远小于按对应频段最高频率半波长设计的探测阵元间距，这在安装空间上为利用多个密排水听器构成的水听器组来实现流噪声抑制提供了可能。

（2）利用多个密排水听器构成的水听器组具有较好的流噪声抑制能力，由4～20个水听器构成的水听器组流噪声抑制能力较单个水听器在500 Hz以下可提高8 dB～15 dB，水听器个数越多，流噪声抑制效果越好。

（3）通过比较“海绵包裹”安装方式水听器和“塑料骨架固定”安装方式水听器流噪声，发现采用“海绵包裹”的柔性安装结构对流激缆阵振动引起的噪声具有2 dB～6 dB的抑制效果。

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［2］FITZGERALD J W.Chesapeake instrument corporation project TOAD principles and applications of Towflex hydrophones［J］.IEEE Journal of Oceanic Engineering，2004，29（2）：388-406.

［3］江国和，薛峰，唐赠艳.拖曳线列阵隔振系统参数计算分析［J］.噪声与振动控制，2011，31（3）：1-4.

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Experimental Study on Flow Noise Suppression of TowedArrays

ZHUXian，GE Hui-liang
（Key Sonar Laboratory，HangzhouAppliedAcoustics Research Institute，Hangzhou 310023，China）

Flow noise mainly consists of two kinds of vibration noises induced by flow-excited cable vibration and pressure fluctuation in the turbulence boundary respectively.Current studies show that flow noise is a major factor to restrict the towed array sonar detection in low-frequency range when the towing speed exceeds a certain value.In this paper，an experimental system with different measure modules is constructed to study the spatial correlation and noise suppression method of low frequency flow noise.Through the analysis of the experimental data，it is shown that the hydrophone group consisting of 4-20 closely arranged hydrophones can reduce the noise by 8 dB-15 dB in comparison with a single hydrophone.It is also shown that the hydrophone with a flexible structure has good flow noise suppression effects.

acoustics；sonar detection；flow noise；noise suppression；experimental study；towed array sonar

O422.8

ADOI编码：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.03.045

1006-1355（2016）03-0219-03

2016-01-25

祝献（1979-），男，浙江省兰溪市人，博士生，主要研究方向为拖曳噪声抑制与水声信号处理。E-mail：sklzhuxian@163.com

葛辉良，男，博士生导师。E-mail：sklghl@yahoo.com.cn