海底反射對(duì)聲全息測(cè)試精度的影響研究*

豐少偉 張 晶 楊云生

(海軍工程大學(xué)科研部 武漢 430033)

海底反射對(duì)聲全息測(cè)試精度的影響研究*

豐少偉 張 晶 楊云生

(海軍工程大學(xué)科研部 武漢 430033)

針對(duì)聲全息技術(shù)在實(shí)艇測(cè)試中存在的海底聲反射問(wèn)題，結(jié)合鏡像法和半空間聲全息理論，通過(guò)仿真計(jì)算，研究了某海區(qū)海底聲反射對(duì)聲全息測(cè)試結(jié)果的影響.結(jié)果表明，海底吸聲量越大、測(cè)試精度和聲源頻率越高，則測(cè)試誤差越大.

水聲測(cè)試；半空間；海底反射；誤差分析

0 引 言

聲全息技術(shù)(NAH)最先是由Williams等[1-2]提出并應(yīng)用到潛艇輻射噪聲測(cè)試中的.由于造價(jià)相對(duì)低廉且有著較高的測(cè)試精度，澳大利亞防御科學(xué)和技術(shù)組織與美國(guó)海軍水下技術(shù)中心聯(lián)合開(kāi)展了潛艇系泊狀態(tài)下的近場(chǎng)聲全息測(cè)試，測(cè)量結(jié)果與一個(gè)價(jià)值2億5千萬(wàn)美元的測(cè)量系統(tǒng)相比，測(cè)量誤差僅在2 dB以內(nèi)，圖1為當(dāng)時(shí)試驗(yàn)時(shí)的情景.

圖1 美國(guó)與澳大利亞聯(lián)合研制的聲全息測(cè)試系統(tǒng)

潛艇輻射噪聲測(cè)試對(duì)于海洋環(huán)境的要求極高，因此測(cè)試工作的選址十分重要.文獻(xiàn)[3-5]總結(jié)出試驗(yàn)場(chǎng)應(yīng)選擇在有較好且穩(wěn)定的氣象條件的遮蔽性海域，并且水域較寬闊，水深能夠滿足測(cè)試要求.美國(guó)現(xiàn)有3個(gè)主要的水聲試驗(yàn)場(chǎng)，分別為大西洋水下測(cè)試及評(píng)估中心、東南阿拉斯加水聲試驗(yàn)場(chǎng)、本德奧瑞湖無(wú)人潛艇水下試驗(yàn)場(chǎng)，這些試驗(yàn)場(chǎng)水文環(huán)境好、外界干擾少，十分適合于開(kāi)展?jié)撏У妮椛湓肼暅y(cè)試工作.但是我國(guó)由于海洋自然環(huán)境受限，碼頭或港口附近的海水較淺，海底聲反射對(duì)于測(cè)試精度必然會(huì)有影響；此外，我國(guó)在海洋環(huán)境下開(kāi)展聲全息測(cè)試工作的經(jīng)驗(yàn)很少，鮮有研究工作可以參考，因此，為了推進(jìn)聲全息技術(shù)在潛艇輻射噪聲測(cè)試中的應(yīng)用，有必要在理論上分析研究海底聲反射對(duì)于聲全息測(cè)試精度的影響，從而提高潛艇輻射噪聲的測(cè)試精度.

文中結(jié)合鏡像法和半空間聲全息理論[6-8]，在海水較淺、聲源離海底較近的條件下，通過(guò)仿真計(jì)算研究了海底反射對(duì)聲全息測(cè)試結(jié)果的影響，這對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)地的選址及制定最優(yōu)測(cè)試方案具有重要的工程意義.

1 半空間法聲全息理論研究

平面近場(chǎng)聲全息的適用范圍為自由場(chǎng)空間，而在海水較淺且聲源離海底較近時(shí)，聲波會(huì)在海底的分界面上發(fā)生反射，也就是說(shuō)聲源的傳播并非在自由場(chǎng)空間，而是在一個(gè)半空間條件下，系統(tǒng)接收的聲源信號(hào)是直達(dá)聲和鏡面反射聲的合成.在這樣的測(cè)量環(huán)境下，就不能簡(jiǎn)單地運(yùn)用近場(chǎng)聲全息理論對(duì)聲場(chǎng)進(jìn)行分析.

1.1 鏡像法計(jì)算半自由空間內(nèi)聲場(chǎng)分布

在自由場(chǎng)中，聲勢(shì)函數(shù)ψ在介質(zhì)中滿足如下波動(dòng)方程

(1)

式中：k=ω/c.

若介質(zhì)存在分界面，即半自由聲場(chǎng)，且分界面為全反射，則在界面上其勢(shì)函數(shù)滿足以下邊界條件

(2)

處理半空間聲場(chǎng)問(wèn)題常用的方法是鏡像法，其原理見(jiàn)圖2.

圖2 鏡像法原理示意圖

S為位于介質(zhì)分界面下方的實(shí)際聲源，S′為所假設(shè)的位于介質(zhì)分界面上方的虛擬聲源，兩者關(guān)于界面對(duì)稱，P為介質(zhì)下方空間任意測(cè)量點(diǎn)，其聲場(chǎng)為實(shí)際聲源和其對(duì)應(yīng)虛擬聲源所產(chǎn)生的聲場(chǎng)的疊加.即用經(jīng)過(guò)界面上的鏡面反射所得到的虛源的場(chǎng)來(lái)補(bǔ)充原有聲源的場(chǎng)，則合成場(chǎng)為

(3)

式中：Ri和Rr分別為實(shí)際聲源S和虛聲源S′到測(cè)量點(diǎn)P的距離.

1.2 半空間近場(chǎng)聲全息解決海底反射問(wèn)題

半空間中所測(cè)得聲壓由直射聲壓與反射聲壓兩者疊加而成，但聲壓為標(biāo)量，在全息重構(gòu)預(yù)處理時(shí)難以直接分離出全息面上聲源的直射聲壓，常規(guī)的聲全息公式不能直接用來(lái)重構(gòu)聲源表面信息.在分析過(guò)程時(shí)，需考慮到半空間聲場(chǎng)的特點(diǎn).

根據(jù)鏡像原理，在處理半空間中聲全息問(wèn)題時(shí)，界面特性劃分為絕對(duì)軟界面、絕對(duì)硬界面及阻抗界面4種，將測(cè)得的界面一側(cè)數(shù)據(jù)根據(jù)界面特性擴(kuò)展到界面對(duì)側(cè)從而構(gòu)成新的擴(kuò)展全息面.擴(kuò)展的全息面與原全息面關(guān)于介質(zhì)分界面空間對(duì)稱，然后對(duì)擴(kuò)展面與原全息面整體進(jìn)行變換，變換后獲得的重構(gòu)面亦關(guān)于介質(zhì)分界面對(duì)稱，將重構(gòu)面中虛源對(duì)應(yīng)的一側(cè)去掉，僅保留實(shí)際聲源對(duì)應(yīng)的部分，即獲得最終的重構(gòu)結(jié)果.半空間全息變換過(guò)程見(jiàn)圖3.

圖3 半空間全息變換示意圖

2 算例仿真

文中針對(duì)某具體試驗(yàn)海區(qū)條件開(kāi)展相應(yīng)的仿真驗(yàn)證工作，其中水深約10 m，被測(cè)結(jié)構(gòu)物的聲源位置最低約水下8 m，聲源級(jí)最低約120 dB.

仿真中不考慮海水的吸聲作用(只考慮海底吸聲)，將海底近似為平面，聲場(chǎng)空間近似為半自由場(chǎng).仿真中使用脈動(dòng)球聲源S(聲源半徑：0.1 m；聲源個(gè)數(shù)：3；聲源在離海底1 m同一高度；聲源間距：1 m；聲源源級(jí)：120 dB)，全息面距聲源面λ/3，海水密度為1 000 g/cm3，水中聲速為1 500 m/s，測(cè)量面尺寸為6 m×6 m，網(wǎng)格尺寸為λ/10，重建面在距離聲源λ/20處，12個(gè)仿真頻率點(diǎn)分別為為2，40，60，100，150，200，250，300，400，500，700，1 000 Hz.

不同海底反射條件對(duì)聲全息測(cè)試分析結(jié)果的幅度誤差和相位誤差見(jiàn)圖4.圖中B代表海底吸聲量.海底的吸聲量越大，測(cè)試分析結(jié)果的幅度和相位相對(duì)誤差越小.因此，在該海區(qū)條件下開(kāi)展聲全息測(cè)試時(shí)要盡量選擇吸聲量較大的泥沙底(泥沙底的反射損失可達(dá)8 dB以上).此外，隨著分析頻率的提高，測(cè)試分析結(jié)果的幅度和相位相對(duì)誤差也越來(lái)越大，因此，在實(shí)際分析中應(yīng)該根據(jù)試驗(yàn)條件確定合理的分析頻率上限.

圖4 海底反射對(duì)重建聲壓幅度和相位的影響

圖5為自由場(chǎng)和反射損失為8 dB條件下重建效果的對(duì)比圖，由圖5可見(jiàn)，反射損失為8 dB條件下，通過(guò)聲場(chǎng)重建獲得的相位分布幾乎一致，幅值分布略有差異，但也可較好地重現(xiàn)聲源信息，基本滿足工程應(yīng)用的要求.

圖5 自由場(chǎng)和反射損失為8 dB海底反射條件下頻率 為1 000 Hz的聲源幅值和相位分布對(duì)比

綜上所述，在設(shè)定的分析頻率低于1 000 Hz時(shí)，在該海區(qū)選擇泥沙底的位置進(jìn)行聲全息測(cè)試，可以獲得較好的測(cè)試結(jié)果.

3 結(jié) 束 語(yǔ)

文中針對(duì)平面近場(chǎng)聲全息技術(shù)在實(shí)艇測(cè)試中存在的海底聲反射問(wèn)題開(kāi)展了相關(guān)的研究工作，結(jié)合鏡像法和半空間聲全息理論，通過(guò)仿真計(jì)算研究了某海區(qū)海底聲反射對(duì)聲全息測(cè)試結(jié)果的影響.結(jié)果表明，海底吸聲量越大、測(cè)試精度和聲源頻率越高，則測(cè)試誤差越大，對(duì)實(shí)艇聲全息試驗(yàn)海區(qū)的選址及測(cè)試方案優(yōu)化具有重要的工程意義.

[1]WILLIAMS E G, HOUSTON B H, BUCARO J A. Broadband near-field acoustical holography for vibrating cylinders[J]. J Acoust Soc Am，1989，85(2)：674-679．

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[5]邱衛(wèi)海,劉文帥,王秀波,等．國(guó)外艦船噪聲測(cè)試技術(shù)[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2011，33(4)：147-150．

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[7]劉麗華.半空間聲全息法水下噪聲源識(shí)別技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2008．

[8]陳心昭,畢傳興,李衛(wèi)兵,等．基于分布源邊界點(diǎn)法的新型近場(chǎng)聲全息技術(shù)[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005,28(9):961-966.

Effects of Seabed Reflection on Acoustic Holographic Test Accuracy

FENG Shaowei ZHANG Jing YANG Yunsheng

(OfficeofScientificResearch,NavalUniversityofEngineering,Wuhan430033,China)

The relevant research wok is carried out on the seabed sound reflection which has influence on the result of real-boat tests based on the acoustic holographic technology. The effect of seabed reflection on underwater acoustic test is analyzed through simulating the sound field of free field and semi-free field. The result shows that higher underwater sound absorbing, test accuracy and sound resource frequency would result in bigger test errors.

acoustic test; half-space; seabed reflection; error analysis

2016-11-16

*湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(2013CFB436)

O322

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.01.024

豐少偉(1975—)：男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究領(lǐng)域?yàn)楹＼娧b備保障