水下高速航行体对转螺旋桨线谱噪声预报研究

对转螺旋桨的线谱噪声构成了水下高速航行体整个辐射噪声的重要部分．对转螺旋桨的线谱噪声是由前后桨与航行体尾流场相互作用及前后装相互干扰所引起的．线谱噪声预报方法是利用升力面理论和声学方法相结合实现的．详述了线谱噪声的理论计算方法、线谱噪声的特征和数值预报，同时也预报了尾流场的变化、前后桨间距变化对噪声级的影响等．预报值与实验结果吻合很好．整个方法对航行体的性能预报、噪声源识别和桨的低噪声设计均具有重要价值．     

水下高速目标对转螺旋桨空化线谱频率理论预报

水下高速目标对转螺旋桨常工作在空化状态,其噪声线谱由前后桨相互作用及前后桨与船舶尾流场的相互作用引起。通过Goldstein的声相似方程,将空泡看作螺旋桨的一部分,对空化条件下水下对转螺旋桨的线谱频率进行了理论预报。推导出了远场条件下单极子源性质的声源所产生的声压表达式,得到了其线谱预报频率。对实测水下高速目标进行了线谱预报,通过比较发现预报值与实测线谱频率具有较高的吻合度。     

一种从辐射噪声中提取调制谱的方法

在水下航行器的辐射噪声中,螺旋桨节拍对航行器的宽带辐射噪声存在着明显的振幅调制,调制频率与航行器螺旋桨的转速有关。该特征可用于估计航行器的速度及目标分类与识别。本文利用子波变换原理,从实测的航行器辐射噪声中提取了它的调制谱,并据此对螺旋桨转速进行了估计,计算机仿真结果与实测的螺旋桨的转速具有良好的一致性。     

船舶辐射噪声解调谱相位耦合特性与应用

研究了船舶辐射噪声解调谱谐波线谱的相位特性,通过对实际船舶辐射噪声数据分析,指出船舶辐射噪声解调谱线谱中轴频线谱相位和部分谐波线谱相位之和,与叶频线谱相位的差值为零或为一常数,即存在相位耦合关系。给出了频率具有耦合关系、相位差为非零常数谐波信号的高阶累量,并对这种谐波信号的高阶谱进行了仿真计算。研究了船舶辐射噪声解调谱线谱相位耦合特性的利用方法,通过对部分典型弱调制噪声信号高阶谱分析,指出利用相位耦合关系可以提高弱解调谱船舶目标的螺旋桨参数特征提取能力。      

舰船螺旋桨轴频估计中线谱要素提取算法

舰船辐射噪声DEMON谱(调制解调谱)线谱要素提取是舰船螺旋桨轴频估计中的关键步骤。现有的线谱提取技术主要用于功率谱线谱检测,侧重于线谱频率的确定,不能满足舰船螺旋桨轴频估计需求。本文根据DEMON谱线谱的特点及人工提取线谱的过程,设计了一种新的线谱要素提取算法,改进了谱峰筛选技术,将多时刻的DEMON线谱基于最大似然估计和谱峰序列相似度加以融合决策,最终确定了线谱频率和幅值(峰值)及边界。通过实际数据验证,此线谱要素提取算法更适用于螺旋桨轴频估计,可提高轴频估计的准确率。     

水下对转螺旋桨流致辐射噪声机理与预报方法*

水下对转螺旋桨流致辐射噪声的预报对于水下目标的特征提取和分类识别具有重要意义。由桨叶的旋转引起的湍流场是水下对转螺旋桨流致辐射噪声的源场。分述了水下对转螺旋桨湍流边界层脉动、旋转干涉效应和空化效应引发的水动力噪声机制和研究进展,比较了目前工程应用中的3种对转螺旋桨流致辐射噪声预报方法的特点。在分析对转螺旋桨流致辐射噪声数值预报难点的基础上,综述了对转螺旋桨流致辐射噪声计算方法的研究进展,指出间接数值模拟方法是工程中进行对转螺旋桨流致辐射噪声预报的有效方法。     

舰船螺旋桨空泡噪声的数理模型

探讨舰船螺旋桨空泡噪声指数衰减型随机脉冲序列的理论模型。据此理论模型，导得螺旋桨空泡噪声谱的表达式。结果表明，螺旋桨空泡噪声由连续谱和离散线谱组成。螺旋桨空泡噪声线谱的相对幅值取决于声脉冲前沿出现时刻的随机摆幅。高频时线谱成分趋于零，低频段线谱成分甚大于相应的连续谱成分。高频段连续谱随频率的平方而下降，低频段连续谱随频率的平方而上升，在某一较低频率处出现谱峰。上述螺旋桨空泡噪声谱特性的理论结果和实际观测数据之间具有很好的一致性。     

降低加肋双层圆柱壳辐射噪声线谱的结构声学设计

为降低双层圆柱壳辐射噪声线谱,从控制内壳振动响应和衰减壳间振动传递率进行结构声学设计。采用机械阻抗理论分析了环肋圆柱壳模态响应控制机理;由环肋振动方程推导分析了环肋径向机械阻抗特性;基于阻抗失配、波形转换原理提出一种阻抗加强环肋,分析了振动波阻抑特性;利用阻尼减振技术,综合考虑肋板的刚度、阻尼特性,设计了金属橡胶层叠肋板;结合数值计算实例,分析了设计双层壳模型的声辐射性能。结果表明:设计的双层加肋圆柱壳结构能有效降低辐射噪声线谱,在分析频段内辐射声压线谱平均降低约6.6 dB。研究结果对研制低噪声水下航行器具有良好的工程价值和应用前景。      

水下水平阵对空中运动声源的线谱探测

由于空气、海水介质声阻抗差异巨大,空中声源辐射的噪声透射入水的能量损失很大,加之水中声源目标的干扰,从水下探测空中声源相对困难。海试数据分析表明,空中高速运动声源噪声透射入水后信号较弱,在频繁存在干扰的水下声场环境中,常规宽带波束形成方法难以生效.针对空中声源普遍存在线谱的特点,首先利用线谱识别、提取与跟踪以及线谱加密技术对水下水平阵接收信号进行线谱分析,再通过剔除强干扰目标的线谱,成功分离出包含空中声源的线谱信号,实现对空中运动声源的探测,最远距离达16.8 km。通过理论和实验数据分析,验证了探测结果的正确性.      

线谱非平稳性与Dopplerlet测距测速

水中航行物的辐射噪声中的线谱特征通常被用来提高声呐的检测性能,本文用线谱特征来估计水中航行物的距离和速度。文中给出了四条水中航行物的时变谱图像和线谱图的例子,从这些例子中可以看到线谱非平稳性的一些时频形态,线谱非平稳反映的航行状态变化和由于辐射噪声与水声信道相互作用产生密集的干涉条纹等现象。文章指出了其中有二组特征蕴藏的目标距离和速度信息,线谱和干涉条纹。利用Dopplerlet变换和匹配投影算法提取到线谱中蕴藏的目标距离和速度信息。用计算机模拟验证了本方法的可行性,编写了较好的算法,并调查了算法的性能。在此基础上,从海上实验数据中估计出水中航行物的距离和速度,其估计值与海上实验实际的距离和速度相符。     

海面动态波动引起的船舶辐射噪声线谱伴随调制特性

针对海上实验发现的船舶辐射噪声载波线谱两侧对称出现伴随线谱现象,建立了基于抛物方程近似理论的动态起伏海面条件下连续波信号传播预报模型,揭示了海面风速、收发距离、声源深度等因素对伴随调制线谱频率间隔和强度的影响规律。数值仿真结果表明,伴随调制线谱与其载波线谱的频率间隔由具有稳定频率的海面涌浪决定;伴随调制线谱强度随海面风速增大而增大;不同收发距离和声源深度等条件下伴随调制线谱强度随距离的变化趋势与其载波线谱强度基本一致,近水面（平均深度3 m以内）声源上移和下移伴随调制线谱能量大致相当,比载波线谱能量低约10 dB;除了载波传播损失大的深度外,非近水面声源上移和下移伴随调制线谱强度能量相差较大,比载波线谱能量整体上低约20 dB以上。对海上实测水面船辐射噪声数据进行长时间窗时频分析表明,上移和下移频率伴随调制线谱与载波线谱的间隔为0.1 Hz左右,伴随调制线谱强度与载波线谱强度相差约10 dB,与仿真分析结果一致。海面动态波动引起的船舶辐射噪声线谱伴随调制特性对水中目标特征识别等具有重要价值。      

基于变分模态分解和对称相关的目标舰船线谱检测

线谱检测是水下目标识别中的一个重要研究方向。针对舰船辐射噪声线谱信号检测与提取的需求,该文改进提出了一种基于变分模态分解和对称相关的降噪处理方法,研究了与目标线谱信号不相关的加性高斯噪声消除办法。假设舰船辐射噪声除线谱成分外均为高斯噪声,对舰船辐射噪声中线谱成分进行检测。理论推导、仿真计算与实验数据处理结果均表明,该文提出的方法能较好地检测加性高斯噪声背景下的线谱成分,较传统的相关方法更为有效。     

船舶无空泡螺旋桨非定常推力脉动及其诱导线谱噪声分析

对船舶无空泡螺旋桨非定常推力脉动及其诱导的线谱噪声进行了研究,主要目的在于螺旋桨非定常推力脉动理论预报方法的验证。基于速度势面元法计算得到非均匀流场中无空泡螺旋桨的推力脉动,在大型循环水槽中利用非定常动力仪测试得到全附体船后螺旋桨的脉动推力,以脉动推力作为声源项预报得远场线谱噪声。一阶叶频非定常推力系数理论计算值与试验值最大相差29.3%,由此引起的线谱噪声差别为3.0 dB。上述结果表明,面元法预报船后螺旋桨非定常推力脉动已达到较高精度,为船舶螺旋桨低频线谱噪声的预报提供了物理基础和重要参数。      

某型振动轮噪声数值模拟及优化分析

空中声源的辐射噪声谱包括宽带连续谱和窄带线谱,线谱能量高于连续谱。与水下声源相比,空中声源的运动速度普遍较高,线谱多普勒频移明显,可用于进行水下对空中声源的运动参数估计。首先通过时频分析提取接收信号的瞬时频率,而后利用非线性最小二乘法将瞬时频率提取值与预测值相拟合,进而估计声源的运动参数(声源的运动速度、静止频率、与接收器最小水平距离及经过最近点时刻)。仿真与实验均能较为准确地估计出声源运动参数,同时在实验中实现了水下对空中运动声源的测距和定位,测距误差小于15.8%。在满足一定信噪比和保证足够多普勒信息的情况下,该参数估计方法具有很好的适用性。     

准周期随机声脉冲序列信号在浅海波导中的传播

准周期随机声脉冲序列作为船舶辐射噪声信号模型具有合理性和一定普适性,这里将此模型与海洋波导结合,探讨基于此模型产生的噪声线谱经波导传播后的物理规律变化,即船舶辐射噪声经波导作用后的信号物理特性。理论分析和传播仿真计算表明,准周期声脉冲序列船舶噪声信号所含有的线谱由于受随机波导的随机性和多途干涉共同作用,序列脉冲出现的周期性显著被削弱,线谱相对幅度将"额外"快速衰减,从一个视角揭示了船舶辐射噪声线谱不稳定的原因,为船舶辐射噪声(尤其线谱)特性进一步研究提供了相应的理论支持。      

参数未知的舰船辐射噪声检测方法

舰船辐射噪声的检测方法已有广泛研究,其中线谱特征是检测的重要依据。基于线谱特征的舰船辐射噪声检测方法常需要线谱数目、频率等参数作为检测的先验信息,这些信息不准确或无法确知时,检测方法的性能会受到显著影响。针对实际应用中对于未知舰船无法获得其参数信息的情况,研究基于连续谱谱峰特征的更为一般性的信号存在性检测方法。将窄带信号瞬时频率分析的思想扩展到舰船辐射噪声这类宽带信号,从信号频率与能量分布的角度推导得到宽带信号"瞬时频率"的近似表示式。构建宽带信号的瞬时频率检测器,并对其性能进行理论分析,结果表明该检测器的性能主要受舰船辐射噪声瞬时频率方差以及接收信噪比影响。通过计算机仿真和实际数据对算法的性能进行了验证。      

参数未知的舰船辐射噪声检测方法

舰船辐射噪声的检测方法已有广泛研究,其中线谱特征是检测的重要依据。基于线谱特征的舰船辐射噪声检测方法常需要线谱数目、频率等参数作为检测的先验信息,这些信息不准确或无法确知时,检测方法的性能会受到显著影响。针对实际应用中对于未知舰船无法获得其参数信息的情况,研究基于连续谱谱峰特征的更为一般性的信号存在性检测方法。将窄带信号瞬时频率分析的思想扩展到舰船辐射噪声这类宽带信号,从信号频率与能量分布的角度推导得到宽带信号"瞬时频率"的近似表示式。构建宽带信号的瞬时频率检测器,并对其性能进行理论分析,结果表明该检测器的性能主要受舰船辐射噪声瞬时频率方差以及接收信噪比影响。通过计算机仿真和实际数据对算法的性能进行了验证。     

提取螺旋桨识别特征的二种途径

本文给出海上实验数据表明舰船噪声在几十赫以下频段有着很强的低频线谱,这些线谱与螺旋桨转速等工作特征紧密联系在一起.所以螺旋桨识别特征的提取除了从解调制谱线谱来得到外,还可直接从低频线谱来得到,本文讨论了在噪声中低频线谱和解调制谱线谱的检测性能,在噪声掩盖下,低频线谱的信号高度与信噪比成正比,而解调制谱线谱的信号高度随信噪比下降是非线性的,当信噪比大时下降得很慢,当信噪比小时下降得很快.     

线谱非平稳性分析和利用干涉谱测距

研究运动舰船辐射噪声线谱的非平稳性的规律并利用其来提高声呐的检测性能和实现目标测距测深功能是本研究的目的。线谱的非平稳性有3个方面来源,线谱声源的不稳定、传输途径和目标与接收点的相对运动。通过对大量的运动目标辐射噪声进行的时频分析,总结出运动目标辐射噪声线谱的非平稳性谱图的典型表现。对不同形态的线谱应用不同的处理和检测方法,对频率稳定的连续线谱可以用长积分的最佳检测方法进行,对多普勒变化的线谱可用Dopplerlet方法处理并用于目标测距和测速,对时断时有的线谱得可用卡尔曼跟踪对付断裂的特性。从理论上分析了钟型的“线谱群”的产生原因,证明了此现象是反射声和直达声之间的谱干涉引起的。利用谱干涉现象中的干涉谷之间的关系可实现目标测距测深的目的,最后给出某一实际海上运动目标距离和深度的测量结果。     

基于主副瓣比加权的未知线谱目标检测方法研究

针对目标辐射线谱信号未知时的目标检测问题,依据水下目标辐射噪声含有高强度稳定线谱这一特征,该文提出了一种基于波束形成主副瓣比加权的宽带波束形成目标检测方法。该方法首先用二阶锥优化各频带波束形成,得到低旁瓣高增益波束形成;其次利用各频率单元波束形成主副瓣差异形成加权因子;然后利用加权因子对各频率单元波束形成进行加权统计,可以抑制背景噪声能量干扰,增强目标检测信噪比增益,克服传统线谱检测四维显示难点。理论分析和实验结果表明：该方法可以较好地增强目标线谱单元能量、抑制噪声、提高信噪比,改善能量累积检测法在远程目标检测方面的性能。