水下噪聲
關注創建者：聲學仿真初學者 創建時間：2023-06-25
水下噪聲的實例教程
以下文章來源于水聲之
家，作者中國船舶科學研究中心船舶振動噪聲國家級重點實驗室龐業珍 俞孟薩，本篇文章節選自論文《國外水下噪聲試驗手段發展趨勢》。
【摘要】先進發達國家建立了水下噪聲試驗從試驗室模型機理試驗-湖試大模型試驗-海試實艇試驗的完善試驗體系，走過了從單水聽器、多水聽器到聲陣的發展路程，從淺水試驗場邁向深水試驗場的發展歷程，一些國家不具備建設大型水聲試驗場條件，而簡便實用的近場測量手段也隨之有了發展的空間。隨著潛艇隱身性能的提升，水動力噪聲問題逐步顯現，水動力噪聲試驗手段同樣走過了不斷發展的歷程。21世紀以來,民船水下噪聲問題逐步受到重視，水下噪聲試驗手段也逐步在民船試驗中發揮作用。
【關鍵詞】 水下噪聲；聲陣；水聲試驗場
1.引言
二次世界大戰期間美軍在美國、加拿大和英國等海域進行測量的大量水面艦船輻射噪聲譜數據，ROSS[1]總結了二十世紀四十年代初建造的大多數水面艦船的輻射噪聲特性，研究了空化噪聲、軸和葉片調制、低頻線譜等艦船輻射噪聲特征。當時水下噪聲測試工作是以探測艦艇特征為目的。
二戰之后，隨著水聲學[2]研究的深入，水下噪聲試驗不僅僅為探測服務，更是為降低己方潛艇噪聲級，提高聲隱身能力做出了巨大貢獻。
1991年，美國海軍水下作戰部副部長貝肯[3]說過：“你要用不同的材料、不同的平衡技術、不同的安裝和隔振，做一切可能的嘗試，測試、調換、修改、重裝、再測試，在你獲得安靜以前，可能要重復100次。開始試驗每個部件，然后調整整個系統。
展開 極地科考破冰船在開展大洋和兩極科學考察時, 一方面如常規科考船一樣需盡量控制自身的輻射噪聲, 以確保不影響探測設備的功能; 另外一方面要求盡量減少自身輻射噪聲對海洋和兩極生物生存發展的影響。然而尤其是高等級破冰強度的極地科考破冰船, 其所具備的特殊船型、大功率主機、高強度螺旋槳以及可能安裝于船體外的全方位推進器都會給水下輻射噪聲控制帶來了極大的挑戰。文中介紹了某極地科考破冰船項目水下輻射噪聲的前期研究。首先比較了船舶水下輻射噪聲相關標準, 分析了船舶水下輻射噪聲的來源, 歸納總結了抑制水下輻射噪聲的方法。然后針對某極地科考破冰船的水下輻射噪聲進行了實船驗證, 實測中采用多水聽器方法, 將測得的輻射噪聲數據與國外同類船進行對比, 初步分析了目前極地科考破冰船水下噪聲特性。研究結果可為開展極地科考破冰船水下輻射噪聲抑制研究提供理論參考。
引言
近年來, 隨著船舶航運事業的發展, 海洋噪聲污染帶來的問題日益突出, 由船舶引起的水下噪聲是人類活動對水下環境噪聲產生影響的重要因素。隨著海洋資源利用程度的增加及經濟全球化水平的發展, 船舶水下輻射噪聲嚴重威脅著海洋生物的生存發展, 噪聲對海洋生物特別是哺乳動物的影響, 引起了國外環境保護組織和科學家的高度關注, 國際海事組織也不斷有提案涉及要求商用運輸船控制水下輻射噪聲的內容[1]。另一方面, 在兩極特殊環境下運行的極地科考破冰船要求在不干擾海洋生物正常活動的前提下開展兩極和大洋的科學考察, 更需要在特定頻率范圍內對水下輻射噪聲進行嚴格控制, 以期獲得自身探測設備較佳的環境場。
展開 水下目標監視系統，通過接收目標的輻射噪聲或散射聲波對目標進行分類、識別和定位，長基線低頻被動聲吶可以監視諸如潛艇之類的大目標，在航行過程中產生較大的輻射噪聲。聲波在水下可以遠距離傳播，目標識別系統通過聲吶被動接收目標的輻射噪聲對目標進行特征分析，聲矢量傳感器可用于水下弱目標識別與檢測。
在傳統的聲吶系統中，海洋環境噪聲掩蓋了目標聲音的特征，從而阻礙了目標信號的檢測。但與此同時，海洋環境噪聲中也攜帶了豐富的海洋環境信息，利用海洋環境噪聲可以實現水下目標聲成像。
FLATTE′S和MUNK等在《簡式防務周刊》首次探索了將海洋環境噪聲作為聲學“照明”源形成水下物體圖像的可能性，海洋環境噪聲在水下目標存在時發生改變來判斷目標的存在。20世紀80年代，BUCKINGHAM提出了聲學照明的想法，用海洋噪聲充當“光源”，將噪聲“照射”成像比擬大氣中日光照相，對海洋中的目標進行探測和成像。BUCKINGHAM針對海洋環境噪聲，進行水下目標散射聲場的計算。
POTTER將海洋環境噪聲場用作照明裝置，建立靜止物體被動成像理論，并給出仿真的圖像。日本學者KAZUYOSHI等采用基于時域有限差分分析的水聲透鏡系統進行環境噪聲成像研究。國內一些學者也對基于海洋環境噪聲目標探測進行了研究。曾娟等提出一種利用環境噪聲作為照明聲源的目標探測方法，在理論上給出了圓形壓釋目標被環境噪聲照射的噪聲場。林建恒等采用散射理論方法研究了水下目標對于海洋環境噪聲的散射擾動特性。蔣國健等提出了通過聲陣聚焦接收、增加積分時間以及頻域處置等方式增強水下目標聲學可見度。李小雷等基于環境噪聲互相關和環境噪聲自相關理論，利用海浪噪聲進行安靜目標探測。孟昭然研究了雨致噪聲源水下目標類光聲成像。
在理論研究的基礎上，各國學者進行了大量的實驗研究。
展開 船舶噪聲來源主要有三個，分別是艙室噪聲、水下輻射噪聲以及自噪聲，分別介紹如下：
01
艙室噪聲
艙室噪聲是由船舶的結構噪聲和空氣噪聲共同引起的。除空氣聲源艙室和鄰近艙室中的艙室噪聲主要由空氣噪聲決定外，其它艙室的艙室噪聲主要由結構噪聲決定。
02
水下輻射噪聲
船舶在海上航行時引起的水下輻射噪聲，主要由機械設備振動產生的水下噪聲、螺旋槳噪聲、螺旋槳脈動壓力作用在艉部結構產生的水下噪聲和水動力噪聲組成。
03
自噪聲
自噪聲是指聲納接收換能器所接收到的其載體產生的噪聲和聲納設備本身產生噪聲的總和。
目前噪聲仿真分析技術已擁有聲振耦合分析功能，適用于仿真計算船體設備的振動引起的聲輻射、水下艦艇的聲輻射、阻尼與隔振等問題，并可以通過合理地優化船舶總體結構與各部件，達到減振降噪的目的。圖中是水下某艦艇聲輻射仿真分析應用示例。
展開 來源：舟山虛擬仿真驗證平臺
船舶噪聲來源主要有三個，分別是艙室噪聲、水下輻射噪聲以及自噪聲，分別介紹如下：
01
艙室噪聲
艙室噪聲是由船舶的結構噪聲和空氣噪聲共同引起的。除空氣聲源艙室和鄰近艙室中的艙室噪聲主要由空氣噪聲決定外，其它艙室的艙室噪聲主要由結構噪聲決定。
02
水下輻射噪聲
船舶在海上航行時引起的水下輻射噪聲，主要由機械設備振動產生的水下噪聲、螺旋槳噪聲、螺旋槳脈動壓力作用在艉部結構產生的水下噪聲和水動力噪聲組成。
03
自噪聲
自噪聲是指聲納接收換能器所接收到的其載體產生的噪聲和聲納設備本身產生噪聲的總和。
目前噪聲仿真分析技術已擁有聲振耦合分析功能，適用于仿真計算船體設備的振動引起的聲輻射、水下艦艇的聲輻射、阻尼與隔振等問題，并可以通過合理地優化船舶總體結構與各部件，達到減振降噪的目的。圖中是水下某艦艇聲輻射仿真分析應用示例。
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水下噪聲的最新內容
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由于泵噴推進器是由環狀導管、前后置定子與螺旋槳所組成的推進裝置, 其中帶有翼型的前置定子可以使水流產生預旋, 帶有翼型的后置定子可以回收尾流中旋轉的能量, 故基于上述的泵噴整流機理, 在水下推進器添加特定的前、后置定子使其變為類泵噴推進器, 并利用CFD仿真分析研究類泵噴推進器中螺旋槳在泵噴整流機理中抑制空泡的效果, 提出一種有效抑制空化氣泡產生以及減小水下推進器噪聲的方法, 為抑制螺旋槳空化提供更為有效的途徑
海洋環境噪聲是海洋中普遍存在的固有聲場，其是影響聲吶系統探測和定位的重要參數，也是影響潛艇隱蔽性的重要因素。海洋環境噪聲的組成十分復雜，其中50～500Hz頻率范圍內航船噪聲為主要噪聲源，而在100Hz以上的高頻段海洋環境噪聲則與海面風速具有很好的相關性，由于潮汐或波浪運動造成的靜壓力則會產生極低頻的海洋環境噪聲。為了提高水聲設備水中目標探測性能，加強海洋環境噪聲觀測成為了一個重要課題
然而尤其是高等級破冰強度的極地科考破冰船, 其所具備的特殊船型、大功率主機、高強度螺旋槳以及可能安裝于船體外的全方位推進器都會給水下輻射噪聲控制帶來了極大的挑戰。文中介紹了某極地科考破冰船項目水下輻射噪聲的前期研究。首先比較了船舶水下輻射噪聲相關標準, 分析了船舶水下輻射噪聲的來源, 歸納總結了抑制水下輻射噪聲的方法。
吳國清、陶篤純、蔣國健等對船舶水下輻射噪聲信號建模進行了大量的研究工作。在艦船水下輻射噪聲信號建模的基礎上，孫軍平等用準周期隨機聲脈沖序列模型仿真進行了仿真研究。MA等人研究了小陣雨和一般降水過程中的水下噪聲。
20世紀60年代，CRON和SHERMAN開始環境噪聲理論模型研究，提出了適合深海情況傳播模型較為簡單的C/S模型。
02
水下輻射噪聲
船舶在海上航行時引起的水下輻射噪聲，主要由機械設備振動產生的水下噪聲、螺旋槳噪聲、螺旋槳脈動壓力作用在艉部結構產生的水下噪聲和水動力噪聲組成。
一、前言
水下航行器噪聲的主要聲源有：機械噪聲、螺旋槳噪聲和水動力噪聲。這三種聲源根據產生的部位和機理，相互之間相互獨立也相互有所關聯。在低速隱蔽航行工況，機械噪聲是其最主要的噪聲源，其譜結構特征也最容易被敵方探測到。機械噪聲的主要來源是：動力設備與管路系統和艉部推進傳動系統；在巡航和高速工況，螺旋槳噪聲和水動力噪聲的貢獻量逐漸增大以至于占主導地位。
21世紀以來,民船水下噪聲問題逐步受到重視，水下噪聲試驗手段也逐步在民船試驗中發揮作用。
本文摘自百度文庫《水下噪聲》一文
在水產養殖中，選擇正確的位置對于健康養殖至關重要，例如連續流動和遠離高聲壓，即比空氣高四倍的水下輻射噪聲 (URNS) 。不幸的是，不充分的規劃和執行減緩了水產養殖產量的增長，但我們有一個解決方案：流固耦合研究可以幫助設計堅固且可持續的魚籠網，最大限度地減少停滯并確保成功的魚類生產。讓我們一起減少水產養殖的生物足跡，讓它成為一個可持續的、令人興奮的未來，走向藍色革命！
