水下运载器声学性能预估

2024-01-13傅晓晗付学志王敏庆

水下无人系统学报 2023年6期

傅晓晗 ,付学志 ,王敏庆 *

(1.西北工业大学航海学院,陕西西安,710072;2.中国人民解放军92228 部队,北京,100072)

0 引言

随着智慧海洋声学牧场的发展,环境监测、养殖和运营维保等相关领域对水下运载装备的需求与日俱增[1]。其中,潜水员水下辅助运载器因其灵活的操纵性能和轻巧的体积特点而备受关注。当潜水员使用水下运载器航行时,运载器内部的推进电机和减速器等结构不可避免因为结构偏向等原因发生振动[2],进而引起水下辐射噪声[3-4]。

水下辐射噪声对海洋生物的影响不可忽略。许多海洋哺乳动物都依靠声音进行交流、空间定位和捕食[5],且能敏锐感知水下声场的变化。鱼类的侧线器官则对低频噪声十分敏感[6],人为的水下噪声会增大鱼类听力损伤的概率,影响养殖鱼类的繁殖、求偶等行为[7-8],进而降低海洋渔业捕捞的效益。

在真实的海洋环境中,人工声学系统和自然声学系统往往同时存在,相互制约。美国国防高级研究计划局在“持续水生生物传感器(persistent aquatic living sensors,PALS)”项目中提出利用鱼类侧线器官对低频噪声较为敏感的特点来监测水下环境。由于运载器辐射噪声的低频声波能量不易被海水吸收,将侧线作为一种生物传感器,利用鱼群快速逃离等行为也可预判附近是否存在运载器。为避免上述情况发生,应使运载器与鱼类始终保持一定距离。借鉴水下装备安全半径[9]的概念,将运载器与鱼类之间最理想的距离定义为安全工作半径,此时运载器执行水下任务而不被鱼类感知,在安全工作半径之外运载器则不影响鱼类的正常活动。

运载器的声学性能决定了其在工作过程中的自辐射噪声水平。由于运载器内部机械结构复杂,其辐射噪声往往在空间具有不规则的指向性,运载器与鱼群的相对位置不同时,其辐射噪声对鱼类产生的影响也有所差异。邓博文等[10]以水下加肋圆柱壳为简化模型,针对运载器尾部结构的声振特性开展了仿真分析并计算了横向和垂向的声辐射指向性。杨忠超等[11]研究发现轴系结构受不同方向激励时,辐射声压会影响运载器头部的振动分布及声辐射效果。张卿冕等[12]计算了运载器在3 种来流速度工况下轴向辐射噪声的变化规律。为降低运载器对海洋环境的影响,针对水下运载器局部结构的声辐射特性[13-14]及降噪方案[15-16]的研究已有很多,但少有研究将运载器的声学性能与水下生物联系起来,量化运载器的安全工作区域。当潜水员利用水下运载器接近水下生物执行水下任务,过大的噪声会使生物感知发生逃逸[17]。基于此,文中建立了水下运载器安全工作半径计算模型,仿真分析了运载器的空间声辐射指向性,以2 种商用水下运载器为测试对象,设计试验测量运载器的水下辐射噪声,根据辐射噪声的频谱特性计算运载器的安全工作半径,以评估运载器的声学性能。

1 水下运载器安全工作半径计算模型

以被动声呐为例,建立水下运载器安全工作半径计算模型。被动声呐仅考虑单程噪声传播,声呐方程为[18]

式中:SL为运载器的声源级;TL为噪声在水下传播过程中的传播损失;NL为环境噪声级;DI为探测声呐的指向性指数;DT为检测阈。指向性指数DI和检测阈DT与声呐本身的性能参数有关。

对于商用水下运载器,其声源级SL可通过试验测得,由此得到传播损失为

水下声能量的传播损失与扩展损失、吸收损失和边界损失有关。由Marsh-Schulkin 模型,根据探测距离R的不同,分别以球面模型、球面-柱面模型和柱面模型对声能量的传播损失进行描述[19]

吸收系数主要与声波的频率有关。如图1 所示,吸声系数随声波频率增加而增加,即高频声波在传播过程中会损耗更多能量。

图1 声波吸收系数随频率变化曲线Fig.1 Curve of acoustic absorption coefficient versus frequencies

式(3)～(5)中等式右端第1 项为扩展损失,第2 项为吸收损失,与噪声频率和传播距离有关,其余项为边界损失。为简化起见,下面忽略边界损失[18],仅考虑扩展损失和吸收损失[21]。在已知运载器噪声辐射频谱特性的前提下,由式(2)得到不同频率声波在海水中的传播损失,从而计算相应的安全工作半径。

2 运载器噪声指向性分析

由于内部结构连接形式和几何外形复杂,水下运载器的辐射噪声通常具有不规则的空间指向性。在测量运载器的辐射噪声,预估其安全工作半径之前,需要对辐射噪声的指向性进行分析,以保证实际测点位于辐射噪声的主要传播方向。基于此,建立了某型商用运载器的几何模型。为减少计算量,在建模过程中忽略运载器内部的部分结构细节,仅保留结构外壳和内部关键的连接结构。

仿真中边界条件及场点设置如图2 所示。运载器内部各节舱段设置为空气域,外部为水域,结构整体沿Y-Z平面设置对称边界条件。定义激励点位于运载器的电机,为模拟电机对结构整体的振动传递情况,在X、Y及Z方向均设置幅值为单位力1 N 的点激励。

图2 运载器辐射噪声指向性分析场点示意图Fig.2 Field points for directional analysis of radiated noise of vehicle

沿X-Y平面和Y-Z平面以 30◦为间隔,运载器几何中心为圆心,1.5 m为半径处等距设置2组场点,记为水平方向场点和垂直方向场点。由有限元仿真计算得到电机振动引起的运载器辐射噪声,提取垂直方向和水平方向各场点的声压级分别如图3 和图4所示。

图3 运载器垂直方向辐射噪声指向性Fig.3 Directionality of radiation noise in vertical direction of avehicle

图4 运载器水平方向辐射噪声指向性Fig.4 Directionality of radiation noise in horizontal direction of avehicle

由于运载器的电机位于结构尾部,当电机对结构产生三轴激励时,在垂直方向和水平方向运载器尾部的辐射噪声均高于头部的辐射噪声。同时可观察到运载器水平方向的辐射噪声具有对称的指向性,而在垂直方向,受运载器几何外形和内部机械连接形式的影响,在[90°,150°]方向运载器辐射噪声的强度更高。由此可见,进行声辐射特性测试时,重点测量运载器尾部的辐射噪声可以更准确地预估运载器的声学性能和安全工作半径。

3 水下运载器声辐射特性测试及分析

以2 种商用水下运载器(分别记为G1 和G2)为测试对象,分别测量其声源级并对噪声辐射特性开展分析。G1 和G2 的动力系统和机械结构存在差异,G2 在G1 结构的基础上更换了新型电机和减速器,并在壳体与动力舱之间采用了柔性连接。

运载器水下辐射噪声测试方案如图5 所示。

图5 水下辐射噪声测试方案示意图Fig.5 Undersea radiation noise test scheme

将4 枚标准水听器等间距悬挂于平台一侧以接收运载器尾部辐射的噪声信号;同时,在1 号水听器旁布置1 枚主信标用于测距;在水下运载器上布置1 枚测距应答信标,用于接收主信标发出的信号,以确定水下运载器与1 号水听器之间的距离。

图6 为水下辐射噪声测试系统示意图。G1和G2 的常规潜深均为3 m。测试过程中,两运载器分别以既定航速平行于测试平台潜行,同时采集声辐射噪声信号与信标信号,通过信标数据换算出运载器与水听器间的距离,获取了运载器的辐射噪声频谱,并折合为1 m 处的声源级噪声频谱,如图7 所示。

图6 测试系统示意图Fig.6 Test system

图7 2 种商用运载器噪声频谱Fig.7 Noise spectrum of two commercial vehicles

除水下运载器内部的机械噪声外,所测噪声频谱还包括环境噪声以及运载器航行时结构表面与水流相互作用产生的水动力噪声。为降低环境噪声对测试的影响,试验结果应满足信噪比(signalnoise ratio,SNR)的要求,即

式中:Ps为信号能量;Pn为噪声能量。

测试中需考虑背景噪声的影响。将SSNR>6 dB的数据视为有效数据[22],测试结果的有效频段为。此外,由于在低航速下,水下运载器的机械噪声远高于水动力噪声和螺旋桨噪声[23],因此测试所得辐射噪声主要来自于运载器内部的动力系统。

图7 所测运载器的辐射噪声包含宽频噪声和线谱噪声。由于线谱噪声能量集中,且声压幅值远高于宽带噪声,更易被水下声学设备和海洋鱼类等生物感知,下面以线谱噪声信号的SNR 表征该线谱频率处噪声能量,对G1 和G2 的线谱噪声进行分析。表1 和表2 分别给出了G1 和G2 线谱噪声的SNR。

表1 G1 线谱噪声SNRTable 1 Signal-to-noise ratio of line spectrum noise of vehicle G1

表2 G2 线谱噪声SNRTable 2 Signal-to-noise ratio of line spectrum noise of vehicle G2

由表1 和表2 可知,线谱噪声在高、中、低频段均存在,且中、高频段线谱噪声能量高于低频线谱噪声。在高频线谱噪声中部分噪声频率呈倍频关系,对噪声频率分析可知该频率对应了运载器内部电机的斩波频率。对于中、高频段的线谱噪声,可通过结构加强和阻尼处理等方式实现结构减振,达到抑制辐射噪声的目的;对低频段的线谱噪声,阻尼处理的降噪效果有限,需对运载器内部的动力系统进行优化,以降低运载器的低频辐射噪声。