某型蛙人運載器輻射噪聲測量與特征分析

李玉陽，李銳，李遙

(1.海軍潛艇學院，山東青島 266199；2.中國科學院聲學研究所北海研究站，山東青島 266114；3.中國船舶工業系統工程研究院，北京 100094)

0 引言

隨著水下特種作戰和水下運載技術的快速發展，蛙人在淺海防御滲透、港口入侵、水下設備破壞中扮演著重要的角色，如圖1所示的水下運載器作為一種帶有小型螺旋槳的手持式推進設備，前端密封艙室配置有電機及蓄電池等電子元件，后端為螺旋槳及手持握把部分。蛙人運載器不僅可以輔助蛙人快速前進，而且可以提供照明、觀察和偵察手段，對蛙人水下作戰任務的順利實施具有重要作用，也是各國針對蛙人水下作戰研發的關鍵裝備。自第二次世界大戰以來，以戰斗蛙人特種破襲為代表的水下特種作戰受到越來越多國家軍隊的重視[1-2]，從而成為重要的海戰和特種作戰樣式。無論是艦船還是潛航器，在水下機動過程中都難免會產生輻射噪聲，進而破壞其隱蔽性。蛙人水下運載器運動時同樣會產生輻射噪聲，對其探測發現可以歸結為水下小、慢目標的探測問題。這類目標運動過程中產生的輻射噪聲遠低于艦艇噪聲，且具有機動性強、目標反射回波及本身的聲輻射特性均不明顯等特點。因此，對于蛙人運載器等水下小目標的探測、定位和跟蹤等一直是水下目標警戒探測領域的重點和難點問題。

圖1 蛙人和蛙人運載器Fig.1 Frogman and the frogman vehicle

本文將水下蛙人運載器輻射噪聲測量方法等同于船舶水下輻射噪聲測量方法。國際標準化組織為比較各類商船水下輻射噪聲的大小，評估不同船舶之間水下輻射噪聲性能，在2016年制定了深水輻射噪聲測量[3]，并于2019年進行了更新[4]。各標準對天氣條件的要求基本一致，一般要求海況不大于3 級，風力不大于蒲氏4 級。各標準對水聽器的布放數量和布放方式的要求大同小異，主要以布放3個水聽器的方式為主，布放要求主要依據ISO17208[3-4]，國防科工委軍用標準[5]和中國船級社的船舶水下輻射噪聲指南[6]淺水中測量布放要求采用1個水聽器。各標準規范對背景噪聲的修正方法基本一致，即當信噪比大于10 dB時，認為背景噪聲對船舶水下輻射噪聲測量結果的影響可以忽略；當信噪在3～10 dB之間時，可以基于能量原理對背景噪聲進行修正；當信噪比小于3 dB 時，認為數據無效。測量結果以1/3 oct聲壓級或聲源級來表示船舶水下輻射噪聲的大小，通常使用距離船舶參考點1 m處的聲壓級或聲源級評估被測船的水下輻射噪聲水平。

被動聲吶目標識別主要是根據目標輻射噪聲的特征來實現。功率譜估計及LOFAR 分析是獲取目標噪聲特性的有效方法，即通過時域到頻域的變換，將時間域上的復雜波形轉換成頻域上各頻率分量的分布特征。陳敬軍等[7]、王菲等[8]利用輻射噪聲功率譜對線譜和連續譜的提取方法進行了論述。螺旋槳噪聲是艦艇、魚雷、蛙人運載器等水中目標的主要噪聲源。螺旋槳噪聲常常會產生幅度調制，通過解調處理的調制譜中存在著許多離散線譜，其位置對應螺旋槳的軸頻、葉頻及其諧波。利用這些離散線譜，可估計螺旋槳的軸頻和葉片數，從而為被動聲吶目標檢測和分類提供重要依據。陶篤純[9]研究了螺旋槳的空化噪聲和噪聲節奏的物理機理。吳國清等[10]對艦船輻射噪聲的線譜進行多方面的研究，提取了艦船輻射噪聲的線譜特征、雙重譜特征以及平均功率譜特征，并利用模糊神經網絡對艦船目標進行分類。程玉勝等[11]系統研究了水聲目標識別的機理、建模、特征提取和識別方法。

為了反蛙人作戰，世界各海軍強國均在水下蛙人警戒探測方面開展了大量工作。加拿大研制的蛙人探測聲吶對使用運載器的蛙人的探測距離最遠可達2 000 m，并可360o全向監視或扇面監視[12-13]。李剛強等[14]針對蛙人運載器裝備研制的需要，設計了基于HLA 的蛙人運載器作戰效能評估系統。宋宏健等[15]研制的水下反恐監視系統，其設備包含了水下蛙人探測聲吶和小型水下探查機器人等。

雖然近年來水聲信號處理和識別技術有了明顯進步，水聲目標探測設備的智能化程度也越來越高，但是對蛙人運載器這類小、慢目標的探測仍面臨諸多困難。本文針對蛙人水下運載器實際探測需求，系統開展了某型蛙人運載器的水池測量和海上測量實驗，采集了某型蛙人運載器不同工況條件下的輻射噪聲信號，分析了其聲源級和指向性，提取了其時域、頻域典型特征，為蛙人運載器的水下探測、識別研究提供了基礎數據支撐。

1 輻射噪聲測量實驗

參照GJB 4057—2000：艦船噪聲測量方法[5]開展相關實驗設計和實驗組織。實驗測量內容主要包括蛙人運載器輻射噪聲指向性、寬頻帶聲壓級和頻譜特征。實驗場地在中國科學院聲學研究所北海研究站消聲水池和青島外海試驗場進行。消聲水池大小為20 m×12 m×8 m，六面安裝有消聲尖劈，水池的自由場范圍為10 m×6 m×3.85 m，實驗設備布放在水池自由場范圍內。消聲水池實驗主要完成運載器輻射噪聲聲源級指向性測量，海上實驗主要完成運載器輻射噪聲時頻特征測量。實驗時設計了4種典型工況，分別對應運載器推進力載荷的12.5%、25%、50%和100%時的航速，螺旋槳為三葉槳結構。

蛙人運載器水池實驗設計如圖2所示，運載器固定在可旋轉的轉臺上，位置距水面3 m 處，3 只測量水聽器間距0.5 m，垂直吊放在距運載器5 m處，運載器中心點與第2只水聽器中心點位于同一水平面。運載器指向性測量時，運載器處于工況二狀態，停止所有與實驗無關的機械設備，實驗初始狀態螺旋槳正對水聽器，開啟伺服電機使轉臺緩慢勻速旋轉360o，共完成兩次有效測量。運載器聲源級測量時，水聽器處于運載器輻射噪聲最大部位延長線上，分別測量運載器4 種典型工況的聲源級，每種工況測量時均按要求記錄航速穩定后的3 min有效信號。

圖2 消聲水池測量蛙人運載器輻射噪聲的布設示意圖Fig.2 Layout diagram of measuring the radiation noise of frogman vehicle in anechoic pool

蛙人運載器海上實驗設計如圖3所示。測試海域水深為35 m，海底地形平坦，底質為泥沙底，海況為2級，天氣晴，微風，周圍5 km范圍內沒有其他艦船目標，與實驗無關的機械設備均停止運轉。海上實驗測量設備由12個陣元的聲學剛性線陣(水聽器間距0.25 m)、電子儀器艙(配置姿態儀、數據采集單元、通信單元和供電單元)、海洋表面浮體(配置北斗定位設備和通信天線)、甲板記錄單元(配置水聲信號處理與顯控軟件)等組成。聲學剛性線陣安裝于電子儀器艙上部，并坐底布放于A點，蛙人攜帶水下運載器由B點開始做勻速直線運動航向A點，A、B兩點間相距500 m，水下作業深度為10 m，蛙人在A、B兩點間往返一次計為一個航次，分別以工況一、工況二和工況三(不同行進速度)狀態航行，共進行3個有效航次的測量。因運載器工況四為極限工況，并非蛙人水下作業常用工況，且僅能航行3 min，故海上測試僅規劃實施了工況一至工況三的航次。數據處理中，針對12 元陣波束補償后的時域數據進行了分析和處理。

圖3 海上測量蛙人運載器輻射噪聲的布設示意圖Fig.3 Layout diagram of measuring the radiation noise of frogman vehicle at sea

2 數據分析處理方法

2.1 聲源級分析方法

聲源級是聲軸上距聲源1 m處產生的聲強相對于參考聲強的分貝數，是衡量目標輻射噪聲大小的重要參量，其表達式為

式中：I1為距聲源1 m 處的聲強，I0為參考聲強。參考聲強指均方根聲壓為1 μPa 的平面波的聲強，聲軸指聲源指向性圖的最大響應方向。

目標輻射噪聲為寬帶噪聲，不同頻率上的噪聲強度各不相同。由于水下目標輻射噪聲的機理很復雜，聲源級難以通過理論計算得到，需要進行實際測量。

測量步驟：

(1)在聲源的一定距離處和某一頻率f附近的1Hz帶寬內，測量輻射聲場的聲壓譜級；

(2)按作業水域聲傳播規律折算得到距聲源1 m處的聲壓譜源級LSP；

(3)已知聲壓譜源級LSP與頻率的關系曲線后，在被動聲吶接收帶寬內對各個頻率分量的譜級值作功率求和，即得出噪聲輻射目標的聲源級LS。

2.2 頻域特征分析方法

輻射噪聲頻域分析包括LOFAR 譜分析和DEMON譜分析。

針對獲取的輻射噪聲陣元域信號，做LOFAR信號處理。對于長度為N的平穩隨機過程，其功率譜可用周期圖來估計，表達式為

針對獲取的輻射噪聲陣元域信號，做DEMON信號處理。絕對值低通解調是寬帶噪聲解調最常用的方法，其提取包絡譜的主要過程為：首先將接收到的目標輻射噪聲經過帶通濾波后將信號取絕對值，然后將取絕對值后的信號通過低通濾波器，最后進行譜分析即可得到該信號的包絡譜。

對于周期性局部平穩過程的目標輻射噪聲，其包絡譜一般有多根線譜，對應不同的調制頻率和倍頻分布，首先考慮單根線譜的情況。數學模型可以表示為

其中：x(t)是窄帶平穩白色高斯隨機過程，m為調制系數，0

其中：B是寬帶噪聲x(t)的帶寬，B0為頻率分辨率，T為信號長度。輻射噪聲包絡譜中軸頻f0處的譜強度為

因為局部平穩高斯過程S(t)加上平穩高斯噪聲n(t)得到的Y(t)仍然可近似視為一個局部平穩高斯過程，式(8)可轉化為

比例因子α的計算公式為

α與輸入信噪比RSN有關，直接影響輻射噪聲包絡譜的調制深度，當RSN>>1 時，α≈1；當RSN<<1時，α≈RSN。

這種情況下對應的目標輻射噪聲包絡譜零頻率譜強度S(0)、連續譜均值μ0和標準差σ0分別為

包絡譜軸頻f0處的譜強度為

3 實驗測量結果分析

3.1 聲源級測量結果

根據水池聲源級實驗測量結果，選取水聽器接收信號時長為3 min 的穩定信號進行聲源級分析，采樣頻率為128 kHz，頻譜分析采用1/3 oct線性平均方式，加窗類型為漢寧窗，平均時間為8 s。四種航速下的1/3 oct頻帶聲壓級如圖4所示。

圖4 不同工況下蛙人運載器輻射噪聲的頻譜隨頻率變化的曲線Fig.4 Noise spectrum curves radiated by the frogman vehicle under different working conditions

與環境噪聲頻譜相比，工況一的輻射噪聲有效頻段為100 Hz～2 kHz 和22～22.5 kHz。隨著運載器航速載荷的增加，輻射噪聲高頻部分的能量隨之增加，工況二、三、四的輻射噪聲的有效頻段變為100 Hz以上的測量頻段，800 Hz頻點處聲壓級提高了19 dB。將寬頻帶聲壓級的測量結果折算到距運載器1 m處計算運載器的聲源級，表1給出了運載器四種推進載荷航速下聲源級的統計結果。工況一至工況四的聲源級分別為97.2、106.3、117.9 和130.2 dB。

表1 不同工況下蛙人運載器輻射噪聲全頻帶聲源級Table 1 Source levels of the radiation noise of frogman vehicle in full frequency band under different working conditions

3.2 指向性分析

根據水池指向性實驗測量結果，起始狀態螺旋槳正對水聽器，使運載器均勻且慢速地旋轉360o，選取穩定信號段的有效信號，采樣頻率為128 kHz，頻譜分析采用線性平均方式，加窗類型為漢寧窗，平均時長為8 s，將寬頻帶聲壓級的測量結果折算到距運載器1 m 處計算不同方位角運載器的聲源級。運載器旋轉方位角的功率譜如圖5所示。由圖5可見，運載器500 Hz以下低頻部分的聲壓級隨方位角變化，從0°開始聲壓級呈變弱趨勢至180°為最弱，再到360°又逐漸增強。此規律是符合運載器尾部螺旋槳輻射噪聲遠離或靠近接收水聽器的旋轉狀態。而在高頻22.5 kHz附近出現頻域峰值，但聲壓級穩定，與方位角沒有關系。圖6 給出了運載器2次旋轉測量實驗全頻帶指向性曲線的均值，加粗實線為平滑平均后的指向性結果，曲線基本對稱，不完全對稱是與轉臺在水下受螺旋槳運轉推力的作用，不能完全保證轉臺勻速旋轉有關。

圖5 不同方向上蛙人運載器輻射噪聲的功率譜Fig.5 Noise power spectrums radiated by the frogman vehicle in different directions

圖6 蛙人運載器輻射噪聲的指向性曲線Fig.6 The directivity curve of the radiation noise of frogman vehicle

因此運載器輻射噪聲在低頻部分是有指向性差異的，正對螺旋槳方向的聲壓級最大，而頭部方向的聲壓級最小。實際應用中海上蛙人運載器是呈攻擊狀態的，即運載器頭部朝著水聽器行進，運載器的聲源級在實際計算中是偏小的。

3.3 頻域特征分析

根據運載器線譜頻率特征海上測量實驗，圖3中運載器起始點B距接收點A約500 m，以工況一、工況二和工況三在A、B兩點間依次往返。截取每次航行數據中有效且平穩的時長為10 s的信號做頻域特征分析。其中0～10 s內的信號是運載器在工況一的航行數據，10～20 s 內的信號是運載器在工況二的航行數據，20～30 s 內的信號是運載器在工況三的航行數據，各陣元采集的信號連續且穩定。

頻域LOFAR 譜分析時間窗1 s，重疊長度為0.5 s，在如圖7所示運載器低頻部分(2000 Hz以下)的LOFAR譜中，頻域特征可視為一段寬頻段信號，帶寬起始頻率為150 Hz，截止頻率隨著推進器載荷增加。在如圖8所示運載器高頻部分(22～23.5 kHz)有明顯的線譜特征，相同航速下相鄰兩線譜間的差值是恒定的，試驗中3種航速下相鄰兩線譜間的差值依次為82、97、122 Hz，這里數值的差異即可反映出運載器不同推進載荷航速下的頻域特征差異。

圖7 不同工況下不同時段輻射噪聲低頻部分的LOFAR譜Fig.7 The LOFAR spectrums of the radiation noise at low frequencies in different time intervals under different working conditions

圖8 不同工況下不同時段輻射噪聲高頻部分的LOFAR譜Fig.8 The LOFAR spectrums of the radiation noise at high frequencies in different time intervals under different working conditions

對所截取的頻率為22～23.5 kHz 的高頻段信號進行DEMON譜分析，采用平方法的解調方式，譜分析時間窗長為1 s，重疊長度為0.5 s，試驗中三種航速下運載器DEMON 譜分析結果如圖9所示。結合能量原理對DEMON譜進行基于背景噪聲的修正，工況一和工況二線譜特征明顯，可以區分出軸頻和葉頻及其諧波簇。三種航速下的軸頻和葉頻譜線值如表2所示。工況一的軸頻值28 Hz，葉頻及其四次諧波簇的值依次為82、164、246和410 Hz；工況二的軸頻值為33 Hz，葉頻及其四次諧波簇的值依次為97、195、291 和388 Hz；工況三的軸頻約為42 Hz，葉頻及其二次諧波簇的值依次為117、234 Hz，結合圖4(c)中工況三的頻域連續譜升高，逐漸淹沒了22～23.5 kHz 帶寬內的線譜，因此DEMON譜中的線譜信噪比較弱。通過葉頻和軸頻的比可以推算螺旋槳葉片數，三種航速下葉頻和軸頻的比依次為2.92、2.93、2.78，四舍五入取整，數值為3，符合運載器螺旋槳的三葉槳結構。

表2 不同工況下輻射噪聲的軸頻、葉頻譜線值統計表Table 2 Statistical table of spectrum line values of the radiation noise at axial frequencies and blade frequencies under different working conditions

圖9 不同工況下不同時段輻射噪聲高頻部分的DEMON譜Fig.9 The DEMON spectrums of the radiation noise at high frequencies in different time intervals under different working conditions

4 結論

本文針對某型蛙人水下運載器的輻射噪聲特性進行了實驗測試和分析研究。從測試分析結果可以看出，該蛙人運載器的輻射噪聲能量主要集中在低頻150 Hz～1 kHz 和高頻22～23.5 kHz 部分，工況四的聲源級達到了約130 dB，聲源相對較高，不利于蛙人保持隱蔽，且續航能力較差。綜合測量結果表明，工況二適合于本型運載器長時間的水下作業。運載器輻射噪聲在低頻部分是有指向性差異的，正對螺旋槳方向的聲壓級最大，而頭部方向的聲壓級最小。在實際應用中，海上蛙人運載器呈攻擊狀態，即運載器頭部朝著水聽器行進，運載器的聲源級在實際計算中偏小。運載器螺旋槳特征反映在功率譜的高頻部分，其特征是一系列相同間隔的線譜。線譜的間隔可反映螺旋槳的轉速，該間隔與DEMON譜中螺旋槳葉頻數值一致。在DEMON譜中可看到明顯的軸頻、葉頻和各次諧波簇，螺旋槳轉速增大，軸頻和葉頻隨之增大。葉頻和軸頻的比基本固定，其值為螺旋槳槳葉數，與文中實驗驗證結果一致。

本文的研究結果為蛙人運載器的實際應用、蛙人運載器的探測定位和目標識別提供了典型特征依據。同時，也為蛙人運載器的設計提供了參考，運載器必須考慮有效的減振降噪措施，以提升蛙人水下隱身能力。