鄭 援，楊 剛，何憲文

（海軍潛艇學院，山東 青島 266199）

1 引言

信號接收者檢測到的船舶輻射噪聲信號在總聲強和譜分布上會隨著船舶的航行而發(fā)生變化，可以用于估計船舶的航行方向和速度等參數(shù)。因此，對于關(guān)注船舶航行特征的仿真應(yīng)用如聲納信號仿真、水下噪聲場仿真等，具有航行聲特征的船舶輻射噪聲信號更有利于增強其仿真的逼真性，也更易被采用。

在進行船舶輻射噪聲信號的仿真時，已有研究工作通常采用如下方法：從高斯白噪聲開始，通過信號處理逐步增加連續(xù)譜、調(diào)制譜和線譜特征，并考慮聽覺的影響，將其變換為具有指定船舶信號特征的輻射噪聲信號［1-5］。這些研究工作很好地實現(xiàn)了船舶輻射噪聲信號的靜態(tài)仿真，但均沒有考慮在所模擬的輻射噪聲信號中體現(xiàn)速度和方向等航行聲特征。

此外，有一些商用工具軟件為多媒體應(yīng)用或游戲開發(fā)提供了3D 音效方面的API 支持［6-8］，但通常針對空氣聲進行立體聲音效和動感音效的生成，即通過設(shè)定最大距離、最小距離以及滾降因子等參數(shù)，實現(xiàn)由于聽眾和聲源位置發(fā)生相對變化而產(chǎn)生的聲音衰減。需要注意，模型不同于水聲傳播規(guī)律。

為了生成船舶航行時仿真度較高的輻射噪聲信號，本文研究并給出了一種船舶輻射噪聲信號的航行聲特征仿真方法。通過仿真輻射噪聲的聲強和頻譜變化，體現(xiàn)船舶的航行聲特征，并使所生成的船舶輻射噪聲仿真信號在人耳聽覺上平滑、自然，沒有分段、卡頓的感覺。該方法對于關(guān)注船舶航行特征的仿真應(yīng)用具有工程參考價值。

2 船舶航行聲特征仿真方法

2.1 仿真過程

為了實現(xiàn)船舶輻射噪聲信號的航行聲特征仿真，改進已有船舶輻射噪聲信號的靜態(tài)仿真方法，通過增加針對船舶航行過程中聲強和頻譜變化的信號處理，使所生成的船舶輻射噪聲信號具有指定的航行聲特征。

仿真過程如下：

（1）對擬用于生成船舶輻射噪聲信號的連續(xù)譜和線譜合成時域信號，按時間進行分段；

（2）針對每一段信號，依據(jù)其對應(yīng)時刻船舶的當前位置、船舶的初始位置以及接收者的當前位置，對該段連續(xù)譜和線譜合成時域信號的每一頻率點分別進行基于水聲傳播損失的強度調(diào)整，并合并經(jīng)過強度調(diào)整后的時域信號分段；

（3）使用擬用于生成船舶輻射噪聲信號的調(diào)制譜信號，調(diào)制經(jīng)過強度調(diào)整處理的連續(xù)譜和線譜合成時域信號，得到具有航行聲特征的船舶輻射噪聲信號。

顯然，步驟（1）和步驟（2）是區(qū)別于已有船舶輻射噪聲信號靜態(tài)仿真方法的關(guān)鍵，下面給出具體的信號處理方法。

2.2 信號處理

令gx為擬用于生成船舶輻射噪聲信號的連續(xù)譜和線譜合成時域信號，即船舶輻射噪聲信號靜態(tài)仿真方法得到的中間信號，其時長為T、采樣率為fs，將其按照時間長度Δt（Δt≤1 s）分為n段。

針對于每一段信號gxi(1 ≤i≤n)，依據(jù)其對應(yīng)的時刻ti時，船舶航行到的當前位置pi、船舶的初始位置p0以及接收者的當前位置precv_i，對該段連續(xù)譜和線譜合成時域信號的每一頻率點分別進行基于水聲傳播損失的強度調(diào)整，具體如下。

計算強度調(diào)整向量transi：

式中：TL(f,p1,p2)為頻率為f（單位為Hz）的信號由p1點傳播至p2點時以dB 為單位的水聲傳播損失；wrev是反轉(zhuǎn)向量函數(shù)。

對信號gxi進行傅里葉變換：

式中：fft為傅里葉變換。

對傅里葉變換值fft_gxi進行強度調(diào)整計算：

將強度調(diào)整后的傅里葉變換值fft_adjusted轉(zhuǎn)換回時域信號：

式中，ifft為傅里葉逆變換，real為復(fù)數(shù)取實部函數(shù)。

合并經(jīng)過強度調(diào)整處理的各段連續(xù)譜和線譜合成時域信號gx_adjustedi：

最后，使用船舶輻射噪聲信號的調(diào)制譜信號ax對總時域信號gx_adjusted進行調(diào)制，即可得到具有航行聲特征的船舶輻射噪聲仿真信號s：

3 仿真實驗及結(jié)果分析

3.1 仿真實驗

為了檢驗本文所研究船舶輻射噪聲的航行聲特征仿真方法的實際效果進行了如下仿真實驗，下面給出其中一次仿真實驗的過程。

該仿真實驗擬生成時長為120 s 的具有航行聲特征的船舶輻射噪聲信號。實驗中，接收者位于[2 000 0-20]、靜止聽測；航行船舶的等效輻射噪聲聲源位置位于水下5 m，初始坐標定為[0 0-5]，以航速[10 0 0]在水面航行120 s。上述坐標的單位均為m、速度單位為m/s。主要仿真參數(shù)賦值如下：p0=[0 0-5]；因為接收者靜止，所以precv_i=[2 000 0-20]；pi=p0+[10 0 0]×ti。

圖1 為擬用于生成船舶輻射噪聲信號的連續(xù)譜和線譜合成時域信號gx，時長T為120 s、采樣率fs為44 100 Hz。

gx按照時間片長度Δt=1 s 進行分段，共分為n=120 段。按照給出的強度調(diào)整方法，對每一段信號gxi，依據(jù)其對應(yīng)時刻ti時，船舶航行到的當前位置pi、船舶的初始位置p0、接收者的當前位置precv_i，對該段信號進行基于水聲傳播損失的強度調(diào)整。

在計算強度調(diào)整向量transi時，水聲傳播損失TL(f,p1,p2)采用了基于擴展和吸收損失的經(jīng)驗?zāi)Ｐ停?］。令海深H=1 000 m，TL的具體計算方法如下：

將經(jīng)過強度調(diào)整后的各段信號合并，得到經(jīng)過強度調(diào)整處理的全部連續(xù)譜和線譜合成時域信號gx_adjusted，如圖2 所示。

采用如圖3 所示的調(diào)制譜信號ax，對時域信號gx_adjusted進行調(diào)制，ax時長為120 s、采樣率為44 100 Hz，與gx_adjusted一致。信號調(diào)制完成后，得到時域信號s，即具有航行聲特征的船舶輻射噪聲仿真信號，如圖4 所示。

圖5 給出了信號s隨時間推移的聲強變化。圖6 給出了信號s隨時間推移的頻譜變化，其中各像素點表示對應(yīng)頻點在該時刻以dB 為單位的相對譜級。

圖7 是信號s在1 s 和120 s 時的譜分布比較。從圖7 能夠更清楚分辨出不同頻點的聲強隨距離的變化量并不相同。

3.2 實驗結(jié)果分析

由圖4～圖7 可以看出，本文方法生成的船舶輻射噪聲仿真信號，通過聲強、頻譜的變化體現(xiàn)了該聲源由遠至近的航行聲特征：信號的總聲強逐漸增大，且信號高頻段譜級隨距離縮小的增大程度要高于低頻段，與實際船舶航行所能體現(xiàn)的航行聲特征基本一致。此外，由于采用先在連續(xù)譜和線譜合成時域信號上增加航行聲特征再進行調(diào)制譜信號調(diào)制的順序進行船舶輻射噪聲仿真信號的生成，生成的具有航行聲特征的船舶輻射噪聲仿真信號在人耳聽覺上平滑、自然，沒有分段、卡頓的感覺。

4 結(jié)語

船舶航行過程中，接收者接收到的輻射噪聲信號并非穩(wěn)定不變，而是在總聲強和譜分布上隨著其航行的方向、速度發(fā)生變化，接收者可將這些航行聲特征用于判斷船舶航行的方向和速度。本文研究并給出了一種在船舶輻射噪聲仿真信號中增加航行聲特征的方法，仿真實驗結(jié)果顯示：該方法所生成的信號能夠通過聲強、頻譜的變化，體現(xiàn)船舶航行的聲特征，且在人耳聽覺上平滑、自然，沒有分段、卡頓的感覺，達到了較高的逼真度，對聲納信號仿真、水下噪聲場仿真等應(yīng)用具有工程參考價值。