水下运动声源浅海环境干涉谱仿真研究.pdf

总第150 期声学与电子工程2023年第2期水下运动声源浅海环境干涉谱仿真研究韩建辉单志超刘贤忠郑晓庆李大卫（海军航空大学，烟台，2 6 40 0 1）摘要浅海复杂多变的水文环境严重影响了水下目标辐射噪声特性，给航空声呐探测带来了巨大的挑战。在分析水下目标辐射噪声谱特征的基础上，讨论了浅海水文环境及其传播规律，基于波导不变性理论，对典型浅海环境条件下运动目标辐射噪声形成的时间-频率干涉谱进行了理论分析和仿真验证。结果表明：在Pekeris波导、负梯度和正梯度等典型浅海环境条件下，波导不变量存在差异，被动全向声呐浮标接收到的不同噪声谱声源信号具有明显的干涉特征。根据干涉谱和浅海环境参数信息可实现目标运动态势的判读。关键词浅海环境；波导不变量；声呐浮标；宽带噪声；干涉谱D0I:10.3969/j.issn.2096-2657.2023.02.01浅海环境受到众多因素的影响，呈现复杂的时变空变特性。海况的变化和风力搅拌等作用下海空的热力耦合剧烈，浅海声速具有明显的季节变化和日变化特征，浅海海底底质孔隙度、沉积层厚度等参数差异明显。随着吸声降噪技术的进步，水下目标辐射噪声级逐年下降，水下探测面临的挑战日益严峻，而浅海环境条件下的水声探测日益困难。俄罗斯学者Chuprov提出波导不变量概念 ,采用标量参数描述声场频散特性和干涉结构。李启虎等研究了基于射线模型的海底和海面反射干涉现象2 。余赞等应用波导不变量和干涉结构估计目标运动参数3.4。杨娟利用海面偶极子和双偶极子模型分析了干涉谱5。安良等通过LOFAR谱图二维傅里叶变换计算波导不变量。Brekhovskikh 等给出了线性SSP（So u n d Sp e e d Pr o f i l e）表面声道的波导不变量7 。Cockrell 等分析了深海SOFAR声道的波导不变量8.9 。文献10 研究了Pekeris 波导中波导不变量与海底反射相移参数的关系。本文利用水声传播理论，结合波导不变量概念，仿真分析不同噪声谱水下声源在Pekeris波导、负梯度和正梯度等典型浅海环境条件下的干涉现象。1目标辐射噪声及模拟水下目标航行过程中会产生辐射噪声，辐射噪声包括机械噪声、螺旋浆噪声和水动力噪声三大类。机械噪声由舰船主机和辅机等产生。螺旋桨噪声由空化噪声、叶片速率谱和“唱音”等构成。水动力噪声由水流冲击舰船产生，与航行姿态和航行速度等有关系。辐射噪声频谱一般是由连续谱和线谱叠加而成的混合谱，其中线谱成分描述了噪声中的周期分量，而连续谱成分描述了噪声中的随机能量分布。空化噪声是舰船高频段主要连续谱噪声，由螺旋桨转动过程中引起的局部负压产生的大量气泡破裂生成。空化噪声谱在高频段谱级随着频率的增加以-6 dB 倍频程的斜率下降12 ，在低频段谱级随着频率的增加而增加。可利用三参数模型来模拟水下目标噪声连续谱13 。表示连续谱的峰值频率，J而影响连续谱的高度和下降速度，当fm较大时连续谱峰值低而平缓，当fm较小时连续谱峰值高而陡峭。K使连续谱曲线旋转。GO=+KU+oJ,-K(f+fo)(1)元F2+K(f+fo)F2-K(f+fo)元利用三参数模型模拟目标噪声连续谱，m=200Hz，f o=8 0 0 H z，K=-0.2，图1给出了声源级分别为165、145、12 5d B的A型、B型和C型声源谱级。1301251201158P/暴！11010510095908505001000150020002500300035004000频率/Hz（a）A 型声源谱级水下运动户谱仿真研究韩建辉105100958P/鼎908580757005001000150020002500300035004000频率/Hz(b）B型声源谱级9085808P/录75706560555005001000150020002500300035004000频率/Hz（c）C型声源谱级图1水下目标辐射噪声谱级2干涉谱形成机理图2 给出了水下声源运动的几何关系图。水下声源深度为ds，以速度v匀速直线运动，水下声源与被动全向声呐浮标最近通过距离为ro，对应的运动轨迹点为CPA（Cl o s e s t Po i n t o f A p p r o a c h）点，被动全向声呐浮标深度为db，海深H。d0声呐浮标图2 水下声源运动几何关系声呐浮标在某一时刻接收到水下声源经海水介质传播抵达的辐射噪声信号，声信号声强的时间-频率图（或者距离-频率图）呈现明暗变换的干涉纹理。Chuprov引入波导不变量概念解释声强在时间-频率图上的干涉纹理结构。干涉纹斜率df/dt为d_ddr(2)dtdr dt对于某种亮纹，声强保持不变，dl=O，将di表示为距离r和角频率的全微分，则daal/or(3)dr波导不变量的定义为dorAS,pmn(4)drASgmn式中，Spm为第m阶与第n阶简正波相慢度的差pm分，S.m为第m阶与第n阶简正波群慢度的差分。gm将波导不变量带入干涉纹斜率表达式中，得到fdr(5)dtrdt水下声源经过CPA点的时刻为to，由目标运动轨迹可得到r=Vv(t-to)+r(6)则dr(7)dtV?t+r得到t(8)dt(t-to)2+(r/v)式中，to为声源经过CPA点的参考时刻，某干涉条纹对应时刻to的坐标为（fo,r），通过分离变量并积分得到干涉条纹的表达式：/2f(t)=f1+(9)(/）)当声源和接收器之间的距离超过水深的若干倍时，点源位于(0,z），水听器的接收距离为r，接收深度z，则水听器的接收声压为14.1iMi元/4p(r,z,)=Vm(z,）(10)p(z,)V8元m=1Ym式中，k为第m号简正波水平波数，m(z)为第m号简正波的特征函数。声压谱为水下运动声源浅海环境谱仿真研究韩建辉等：I(r,z,zs,)=E(pp)=(11)S(a)ZB,+2ZB,B,cosAkim(a)m1?md,(z,)d;(z,)式中,B,(z,z)=S()为声源谱级，p(z,)/8元k,rk m 为第m号和第1号简正波水平波数差。Akm=km-k,l(12)m声压谱由两项组成：第1项为随距离和频率慢变项；第2 项为多个cos因子累加项，体现出水平波数之间的干涉特征，且随距离的增加或减小而呈现振荡变化，振荡变化特征导致了波导不变条纹图案。根据定义，第m号和第1号简正波形成的波导不变量m为1aAkm(0)(13)ml式中，是角频率。分层介质中给定距离上的声场是由一组阶数相近的简正波模态决定的。在该组模态中，相速度um和群速度Vm近似等于某个平均值，分别设为u和V。此外，相速度和群速度是某一函数关系式相联系的，u=u(v)。在 WKB（We n z e l,K r a m e r s a n dBrillouin）近似中，相速度和群速度关系与模态数和声波频率无关。可得到d(1/v)udv=(14)d(1/u)du在浅海绝对硬底条件下，波导不变量m存在解析解。理想波导中简正波水平波数可以表示为n元n=1,2,.N(15)d根据定义可以得到浅海硬底条件下波导不变量=1。浅海硬底条件下波导不变量近似不变，与简正波号数和频率等无关。表面波导的折射率满足线性条件（n(z)=1-2z，n(z)为折射率）的，则简正波相速度u和群速度v满足9 3Vu=(16)2+(v/c.)2式中，Co为海面声速。可得3=(17)2-(v/c.)2当v接近co时，-3。向上折射的线性声速剖面c(z)=c(1+az)，及理想反射上边界波导的波导不变量为9.12)IsinxolB(18)Isin xoI-H1+/sin。1式中,H=lncosO3仿真分析3.1Pekeris波导3.1.1不同辐射噪声级声源干涉谱仿真分析仿真条件采用Pekeris波导环境，如图3 所示。海深H=200m，声速cw=1490m/s，密度p%=1024kg/m，海底介质声速c,=1610m/s，其密度为p,=1900kg/m。接收传感器深度d,=100m，目标等深航行，目标深度d，=50 m。航行速度V=10m/s，水下目标与被动全向声呐浮标最近通过距离为r=1200m，最近通过时刻为0 时刻。仿真频段为50 0 3 0 0 0 Hz。利用三参数模型仿真模拟水下目标噪声连续谱，fm=200Hz，f。=8 0 0 H z，K=-0.2，海洋环境噪声级为50 dB。采用KRAKEN软件对声场建模。海面d,=50 m声源H=200md,=100 m航空声呐浮标海水声速Cw=1490 m/s海水密度Pw=1024kg/m海底海底声速C,=1610m/s海底密度P,=1900 kg/m图3Pekeris波导环境图4给出了A型、B型和C型声源同一条件下航空声呐浮标接收的干涉谱。由仿真结果可知：声源运动产生明显的弯月形干涉纹理效应。当声源由远到近接近CPA点时，航空声呐浮标接收信号谱图的干涉亮纹呈现由大变小的趋势，干涉暗纹的变化趋势与干涉亮纹相似。对比图4中（a）（c）不同噪声级声源产生的干涉谱，具有相同的特点：干涉亮纹在8 0 0 Hz附近均达到最大值，以该频率为中心分别向低频和高频扩展，干涉亮纹逐渐减弱，随着频率的增大，干涉亮纹逐渐不明显；区别在于不同声源产生的噪声谱强度在接收声呐浮标处差异较大，同样条件下，噪声级高的声源其干涉谱明显，4韩建辉等：水下运动声源浅海环境谱仿真研究噪声级低的声源其干涉谱较弱，容易被海洋环境噪声掩盖而难以观察到。20-150-10010-500S/期0-1050-20100-30150-4050010001500200025003000频率/Hz（a）A 型声源干涉谱20-150-10010-500S/0-1050-20100-30150-4050010001500200025003000频率/Hz（b）B型声源干涉谱20-150-10010-500S/回0-1050-20100-30150-4050010001500200025003000频率/Hz（c）C型声源干涉谱图4不同噪声级声源的干涉谱3.1.2相对位置因素对干涉谱的影响分析相对位置因素包括CPA距离ro、声源运动速度、声源深度、接收浮标深度等。声源采用B型声源，波导环境与前相同，图5给出了ro=1000m和ro=200m时的干涉谱。从图中可以看出，ro越远，得到的干涉谱越平缓，ro越近，得到的干涉谱变化越剧烈；当ro较小时，干涉谱呈放射状分布，在远场近似为斜纹。采用B型声源，波导环境与前相同，图6 给出了v=8m/s和v=15m/s时的干涉谱。从图中可以看出，速度越小，得到的干涉谱越平缓，速度越大，得到的干涉谱变化越剧烈，-200-1500-100-10-50S/回-200-3050-40100-50150200-6050010001500200025003000频率/Hz(a)ro=1000 m-20010-1500-100-10-50-20S/回0-3050-40-50100-60150-7050010001500200025003000频率/Hz(b)ro=200 m图5不同CPA距离时的干涉谱-1000-10-50-20S/回0-30-4050-50100-6050010001500200025003000频率/Hz(a)v=8 m/s韩建辉等：水下运动声源浅海环境谱仿真研究-1000-10-50-200-304050-50100-6050010001500200025003000频率/Hz(b)v=15 m/s图6 不同声源速度的干涉谱采用B型声源，波导环境与前相同，声源深度为2 0 m，图7 给出了浮标接收深度分别为40 m、80m、12 0 m、19 0 m 时的干涉谱。由图7 可知，随着接收深度的增大，干涉纹的基本形状没有发生变化，但是干涉亮纹和暗纹越来越稀疏。0-100-10-50-20S/间0-30-4050-50100-6050010001500200025003000频率/Hz(a）#接收深度40 m0-100-10-50-20S/回期0-304050-50100-6050010001500200025003000频率/Hz(b）接收深度8 0 m0-100-10-50-20S/回0-3050-40-501006050010001500200025003000频率/Hz（c）接收深度12 0 m0-100-10-20-50-30S/回400-5050-60-70100-8050010001500200025003000频率/Hz(d）接收深度19 0 m图7 不同接收深度时的干涉谱3.2浅海正梯度仿真环境参数如下：海水深度H=60m，满足均匀声速梯度分布，海面海水声速ci=1460m/s，海底海水声速c2=1510m/s，密度p=1024kg/m；半空间海底声速c,=1750m/s，密度p,=1941kg/m。声源等深航行，声源深度d.=5m，声呐浮标深度d=15m。其他设定与3.1.1节中相同。通过KRAKEN仿真得到图8 所示干涉图。30-15020-100-5010S/0050-10100-20150-3050010001500200025003000频率/Hz(a）正梯度下A型声源的干涉谱6水下运动声源浅海环境谱仿真研究韩建辉等：30-15020-100-5010S/回0050-10100-20150-3050010001500200025003000频率/Hz（b）正梯度下B型声源的干涉谱30-15020-100-5010S/面0050-10100-20150-3050010001500200025003000频率/Hz（c）正梯度下C型声源的干涉谱图8 不同噪声级声源的干涉谱由仿真结果可知：在浅海正梯度条件下，声源运动同样产生了明显的干涉效应，但是该干涉效应与Pekeris波导明显不同，呈现出反弯月形干涉纹理。当声源由远到近接近CPA点时，接收信号的谱图干涉亮纹呈现由小变大的趋势，干涉暗纹的变化趋势与干涉亮纹相似。对比图8 中（a）（c）不同噪声级声源产生的干涉谱，具有与图4相同的特点，干涉亮纹在8 0 0 Hz附近均达到最大值，以该频率为中心分别向低频和高频扩展，干涉亮纹逐渐减弱，随着频率的增大，干涉亮纹逐渐不明显；不同声源产生的噪声谱强度在接收声呐浮标处差异较大，同样条件下，噪声级高的声源干涉谱明显，噪声级低的声源其干涉谱较弱，当海洋环境噪声较大时干涉谱易被淹没而难以发现。3.3浅海负梯度仿真条件：海深H=200m。线性负梯度，海面海水声速ci=1520m/s，海底海水声速c2=1480m/s，密度pw=1024kg/m，海底介质声速c,=1750m/s，其密度为p,=1994kg/m。接收传感器深度d,=40m，声源等深航行，声源深度d。=2 0 m。航行速度v=10m/s，水下目标与被动全向声呐浮标最近通过距离r=1200m，最近通过时刻为0 时刻。仿真频段为50 0 3 0 0 0 Hz。海洋环境噪声级为50 dB。图9 给出了负梯度条件下不同噪声级声源的干涉谱-15020-10010-5000-1050-20100-30150-4050010001500200025003000频率/Hz（a）A 型声源的干涉谱-15020-10010-50S/00-1050-20100-30150-4050010001500200025003000频率/Hz（b）B型声源的干涉谱-15020-10010-500S/间0-1050-20100-301504050010001500200025003000频率/Hz（c）C型声源的干涉谱图9 负负梯度不同噪声级声源的干涉谱由仿真结果可知：浅海负梯度条件下声源运动产生明显的干涉效应，与Pekeris波导情况类似。当声源由远到近接近CPA点时，航空声呐浮标接收信韩建辉等：水下运动声源浅海环境干涉谱仿真研究号的谱图其干涉亮纹由大变小。干涉亮纹在8 0 0 Hz附近均达到最大值，相对于C型声源而言，噪声级高的A型声源的干涉谱信噪比更高。4结束语本文研究了浅海环境下航空声呐浮标接收的不同噪声级声源运动形成的干涉谱，理论分析了运动声源辐射噪声谱干涉结构形成机理。在给出不同噪声谱声源的基础上，数值仿真了浅海Pekeris波导、正声速梯度、负声速梯度条件下的干涉谱。仿真结果表明：Pekeris波导和负声速梯度条件下，波导不变量为正值，声源运动形成弯月形干涉纹理；正声速梯度下波导不变量为负值，声源运动形成反弯月形干涉纹理；干涉纹理在过渡频率处幅度最大，随着频率分别向低频和高频扩展幅度逐渐减小。结合浅海环境因素，利用浮标获取的运动声源干涉谱特征，可对声源的运动态势进行判读。这对于航空声呐探测、目标识别和被动定位等具有积极意义。参考文献：1 CHUPROV S D.Interference structure of a sound field in alayered oceanJJ.Ocean Acoustics:Current State,1982:71-91.2李启虎,王磊浅海波导中水下目标辐射噪声干涉条纹的理论分析和试验结果J.声学学报,2 0 11,3 1(4):2 53-2 57.3余,惠俊英,赵智勇,等。基于声场干涉结构的双水平阵（元）被动测距J声学学报，2 0 12,3 7(4):440-447.4余赞，惠俊英，殷敬伟，等。基于波导不变量的目标运动参数估计及被动测距J.声学学报,2 0 11,3 6(3)：2 58-2 6 4.5杨娟.水下动目标被动跟踪关键技术研究D.哈尔滨工程大学,2 0 0 7.6安良，王志强，陆估人.利用LOFAR谱图的二维傅里叶变换脊计算波导不变量1.电子与信息学报,2 0 0 8，3 0(12)：2930-2933.7 BREKHOVSKIKH L M,LYSANOV YU P.Funcdamentalsof ocean acousticsM.2nd ed.New York:Springer-verlag,1991:140-145.8 COCKRELL K L,SCHMIDT H.Robust passive rangeestimation using the waveguide invariantJj.Journal of theAcoustical Society of America,2010,127(5):2780-2789.9 COCKRELL K L,SCHMIDT H.A modal wentzel-krammers-brillion approach to calculate waveguide invariantfor non-ideal waveguidesJ.JASA,2011,130:72-83.10 SHANG E C,WU J R,ZHAO Z D.Relating waveguideinvariant and bottom reflection phase-shift parameter P in aPekeris waveguideJ.JASA,2012,131:3691-3697.11刘伯胜.水声学原理M.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2 0 18.12汪德昭,尚尔昌水声学M北京：科学出版社,2 0 13:442-446.13陶笃纯.噪声过程的计算机模拟.声学学报,19 8 6,11(6):371-372.14陈小剑.舰船噪声控制技术M上海：上海交通大学出版社,2 0 13:16 6-16 7.15 FINN B JENSEN,WILLIAM A KUPEMUAN.Computational ocean acousticsM.Aip Press,1993:260-267.16 JENSEN FINN B,KUPERMAN WILLIAN A,PORTERMICHAELB,etal.计算海洋声学M.2版周利生,王鲁军,杜栓平，译北京：国防工业出版社，2 0 17:2 6 9-2 7 6.