水下輻射噪聲
關(guān)注創(chuàng)建者：聲學(xué)仿真初學(xué)者 創(chuàng)建時間：2023-06-27
水下輻射噪聲的視頻教程
Actran 教學(xué)視頻：使用流程模板進行多轉(zhuǎn)速工況下的輻射噪聲分析（Green分析方法）（初級）
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水下輻射噪聲的實例教程
極地科考破冰船在開展大洋和兩極科學(xué)考察時, 一方面如常規(guī)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(shè)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(fā)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(zhàn)。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(guān)標(biāo)準(zhǔn), 分析了船舶水下輻射噪聲的來源, 歸納總結(jié)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(shù)據(jù)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(jié)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(yè)的發(fā)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(huán)境噪聲產(chǎn)生影響的重要因素。隨著海洋資源利用程度的增加及經(jīng)濟全球化水平的發(fā)展, 船舶水下輻射噪聲嚴(yán)重威脅著海洋生物的生存發(fā)展, 噪聲對海洋生物特別是哺乳動物的影響, 引起了國外環(huán)境保護組織和科學(xué)家的高度關(guān)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(nèi)容[1]。另一方面, 在兩極特殊環(huán)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(xué)考察, 更需要在特定頻率范圍內(nèi)對水下輻射噪聲進行嚴(yán)格控制, 以期獲得自身探測設(shè)備較佳的環(huán)境場。
展開 德國在Ashao建立了淺水固定試驗場用于測量過往船只的水下輻射噪聲。Aschau淺水試驗場屬于德國Bundeswehr艦船和海軍武器技術(shù)中心，位于波羅的海Eckemfoede角，水深20m,水聽器距離水底l-2m。適用于海軍艦艇和商船水下輻射噪聲測試。
21世紀(jì)以來,德國聯(lián)合挪威等國家在挪威Heggemes建立了深水試驗場測量潛艇及水面船的水下輻射噪聲，并將大量軍事艦艇的檢測任務(wù)逐步轉(zhuǎn)移到Heggemes。
目前淺水與深水輻射噪聲測量結(jié)果差異是世界上研究的熱點，德國無疑走在了前列，2011年，Anton Homm等[9]試驗對比了拖曳聲源、激振機激勵船體、柴油機激勵船體等三種水下噪聲源引起的輻射噪聲在Ashau與Heggemes的測量結(jié)果。
圖4 Heggemes與Aschau輻射噪聲測試結(jié)果比較（Aschau存在低頻谷點）
針對Aschau淺水試驗場試驗結(jié)果中20Hz附近出現(xiàn)的輻射噪聲測試結(jié)果明顯存在非正常谷點情況，JanH.Ehrlich[10]建立了該試驗場聲學(xué)分層模型，并用仿真結(jié)果很好的解釋了這個現(xiàn)象。
圖5 Aschau試驗場聲學(xué)分層模型仿真結(jié)果
5.測試系統(tǒng)從單水聽器走向聲陣
水下輻射噪聲測試系統(tǒng)隨著水下噪聲測試技術(shù)的進步而進步，從單水聽器到多個水聽器，再到水聽器陣列，以及矢量水聽器的出現(xiàn)，水下輻射噪聲測試系統(tǒng)增益隨著新型潛艇隱身能力的提高而提高。
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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shè)備振動產(chǎn)生的水下噪聲、螺旋槳噪聲、螺旋槳脈動壓力作用在艉部結(jié)構(gòu)產(chǎn)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(chǎn)生的噪聲和聲納設(shè)備本身產(chǎn)生噪聲的總和。
目前噪聲仿真分析技術(shù)已擁有聲振耦合分析功能，適用于仿真計算船體設(shè)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(yōu)化船舶總體結(jié)構(gòu)與各部件，達(dá)到減振降噪的目的。圖中是水下某艦艇聲輻射仿真分析應(yīng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shè)備振動產(chǎn)生的水下噪聲、螺旋槳噪聲、螺旋槳脈動壓力作用在艉部結(jié)構(gòu)產(chǎn)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(chǎn)生的噪聲和聲納設(shè)備本身產(chǎn)生噪聲的總和。
目前噪聲仿真分析技術(shù)已擁有聲振耦合分析功能，適用于仿真計算船體設(shè)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(yōu)化船舶總體結(jié)構(gòu)與各部件，達(dá)到減振降噪的目的。圖中是水下某艦艇聲輻射仿真分析應(yīng)用示例。
展開 水下目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)，通過接收目標(biāo)的輻射噪聲或散射聲波對目標(biāo)進行分類、識別和定位，長基線低頻被動聲吶可以監(jiān)視諸如潛艇之類的大目標(biāo)，在航行過程中產(chǎn)生較大的輻射噪聲。聲波在水下可以遠(yuǎn)距離傳播，目標(biāo)識別系統(tǒng)通過聲吶被動接收目標(biāo)的輻射噪聲對目標(biāo)進行特征分析，聲矢量傳感器可用于水下弱目標(biāo)識別與檢測。
在傳統(tǒng)的聲吶系統(tǒng)中，海洋環(huán)境噪聲掩蓋了目標(biāo)聲音的特征，從而阻礙了目標(biāo)信號的檢測。但與此同時，海洋環(huán)境噪聲中也攜帶了豐富的海洋環(huán)境信息，利用海洋環(huán)境噪聲可以實現(xiàn)水下目標(biāo)聲成像。
FLATTE′S和MUNK等在《簡式防務(wù)周刊》首次探索了將海洋環(huán)境噪聲作為聲學(xué)“照明”源形成水下物體圖像的可能性，海洋環(huán)境噪聲在水下目標(biāo)存在時發(fā)生改變來判斷目標(biāo)的存在。20世紀(jì)80年代，BUCKINGHAM提出了聲學(xué)照明的想法，用海洋噪聲充當(dāng)“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(biāo)進行探測和成像。BUCKINGHAM針對海洋環(huán)境噪聲，進行水下目標(biāo)散射聲場的計算。
POTTER將海洋環(huán)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(xué)者KAZUYOSHI等采用基于時域有限差分分析的水聲透鏡系統(tǒng)進行環(huán)境噪聲成像研究。國內(nèi)一些學(xué)者也對基于海洋環(huán)境噪聲目標(biāo)探測進行了研究。曾娟等提出一種利用環(huán)境噪聲作為照明聲源的目標(biāo)探測方法，在理論上給出了圓形壓釋目標(biāo)被環(huán)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(biāo)對于海洋環(huán)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(biāo)聲學(xué)可見度。李小雷等基于環(huán)境噪聲互相關(guān)和環(huán)境噪聲自相關(guān)理論，利用海浪噪聲進行安靜目標(biāo)探測。孟昭然研究了雨致噪聲源水下目標(biāo)類光聲成像。
在理論研究的基礎(chǔ)上，各國學(xué)者進行了大量的實驗研究。
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水下輻射噪聲的相關(guān)專題、標(biāo)簽、搜索
水下輻射噪聲的最新內(nèi)容
沖擊源和沖擊響應(yīng)全光譜建模的新方法,包括煙火裝置和脆性接頭建模、通過建立結(jié)構(gòu)進行沖擊傳播和衰減以及敏感部件的沖擊響應(yīng)特性描述
船舶及近海工程
l 船舶和潛艇噪聲和振動的全譜系統(tǒng)級模型
l 通過主路徑和側(cè)翼路徑對船體結(jié)構(gòu)的噪聲和振動建模
l 管道系統(tǒng)中流體傳播波的建模
l 模擬齒輪箱和泵的聲輻射
l 設(shè)計隔離和吸收,以盡量減少來自機械部件的空氣和結(jié)構(gòu)噪音
l 水下輻射噪聲計算重載效應(yīng)的系統(tǒng)和分量級模型
海洋環(huán)境噪聲是海洋中普遍存在的固有聲場，其是影響聲吶系統(tǒng)探測和定位的重要參數(shù)，也是影響潛艇隱蔽性的重要因素。海洋環(huán)境噪聲的組成十分復(fù)雜，其中50～500Hz頻率范圍內(nèi)航船噪聲為主要噪聲源，而在100Hz以上的高頻段海洋環(huán)境噪聲則與海面風(fēng)速具有很好的相關(guān)性，由于潮汐或波浪運動造成的靜壓力則會產(chǎn)生極低頻的海洋環(huán)境噪聲。為了提高水聲設(shè)備水中目標(biāo)探測性能，加強海洋環(huán)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(zhàn)。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(guān)標(biāo)準(zhǔn), 分析了船舶水下輻射噪聲的來源, 歸納總結(jié)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(chǔ)上，孫軍平等用準(zhǔn)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(jì)60年代，CRON和SHERMAN開始環(huán)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。
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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(shè)備振動產(chǎn)生的水下噪聲、螺旋槳噪聲、螺旋槳脈動壓力作用在艉部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水下噪聲和水動力噪聲組成。
強化水下航行器聲隱身性能一直是提高海軍綜合突防能力、生存能力和作戰(zhàn)效能，并取得戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)優(yōu)勢的重要途徑和核心舉措。由于重流體作用，水下結(jié)構(gòu)的聲源分布和聲輻射機理特別復(fù)雜，這給水下聲輻射預(yù)報和低噪聲設(shè)計帶來不少的難題。本文首先對水下聲輻射機理進行了梳理；然后簡要介紹了Simcenter Acoustics
國內(nèi)電機噪聲理論介紹書籍幾乎鳳毛麟角，市場上難得一見的書籍也大多是上世紀(jì)80年代出版的，近年來大家對電機噪聲的研究熱情高漲，而同行們對此類理論書籍的缺乏都是感同身受。融聲奇科技技術(shù)團隊已對國外出版的介紹電機噪聲理論的經(jīng)典書籍《Noise of polyphase electric motors》進行了翻譯，并以獨家連載方式為大家系統(tǒng)而全面的介紹電機噪聲理論知識、產(chǎn)生機理及控制方法，希望為國內(nèi)關(guān)注電機噪聲的工程師
圖25 DNV水下輻射噪聲測試裝置
總體上講，民船水下輻射噪聲測試還處于單水聽器測試階段。
艦船、潛艇和魚雷的輻射噪聲，是被動聲納的聲源信號。
艦船輻射噪聲的危害：
破壞了艦船的隱蔽性；
可能引爆某些水中兵器；
干擾本艦的水聲設(shè)備(自噪聲)。
艦船、魚雷輻射噪聲特點：噪聲源繁多、集中，噪聲強度大，頻譜成分復(fù)雜。
在水產(chǎn)養(yǎng)殖中，選擇正確的位置對于健康養(yǎng)殖至關(guān)重要，例如連續(xù)流動和遠(yuǎn)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(guī)劃和執(zhí)行減緩了水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)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(shè)計堅固且可持續(xù)的魚籠網(wǎng)，最大限度地減少停滯并確保成功的魚類生產(chǎn)。讓我們一起減少水產(chǎn)養(yǎng)殖的生物足跡，讓它成為一個可持續(xù)的、令人興奮的未來，走向藍(lán)色革命！
