《水声学》课程授课教案（讲稿）第十九讲 水下噪声

第十九讲第7章水下噪声本讲主要内容1、噪声的基本概念（了解）2、海洋环境噪声（了解）3、海洋环境噪声的指向性（重点）4、舰船辐射噪声的声源级和噪声谱（了解）5、舰船辐射噪声源及其一般特性（重点）6、辐射噪声源概要（了解）7、舰船、潜艇、鱼雷的辐射噪声级（了解）8、辐射噪声的测量（重点）二、噪声的基本概念1、噪声的定义：是指在特定条件下不需要的声音。2、水下噪声：它们是声呐系统的主要干扰背景之一，限制装备性能。3、噪声描述噪声是一种随机过程描述噪声的统计量有：概率密度函数、概率分布函数。一般水中噪声被视为平稳随机过程，若噪声的声压概率密度函数表示为：(p)=e2030/2元为高斯分布，相应的噪声称为高斯噪声。其均值和方差：μ=(p)= [(p)pdp = (p-μ)= (p-μ)(p)dp常识：一般将水声王扰噪声视为高斯噪声。一般，表征噪声统计特性的统计量：概率密度函数、数学期望、方差、相关函数、功率谱。由随机过程理论可知，噪声自相关函数的傅立叶变换即为功率谱密度函数：R(t)= lim , p(t) p(t- t)dtT-002TJS(o)=["R(t)e-jotdt由随机过程理论可知，噪声自相关函数的傅立叶变换即为功率谱密度函数功率谱是均匀的噪声，则称之为白噪声。4、噪声的频谱分析噪声声压是一个随机量，与时间量之间不存在确定关系，因此分析噪声声压幅值的频谱没有意义；随机过程的功率谱函数是一个确定的统计量，反映了该过程的各频率分量的平均强度。根据信号频谱曲线形状划分：1）线谱：数学上能够用傅氏级数来表示，水声中周期、准周期信号的频谱就是线谱信号；2）连续谱：频谱分析用傅氏变换来表示，水声中瞬态非周期信号的频谱就是连续谱。S--Af

第十九讲 第 7 章 水下噪声 本讲主要内容 1、噪声的基本概念（了解） 2、海洋环境噪声（了解） 3、海洋环境噪声的指向性（重点） 4、舰船辐射噪声的声源级和噪声谱（了解） 5、舰船辐射噪声源及其一般特性（重点） 6、辐射噪声源概要（了解） 7、舰船、潜艇、鱼雷的辐射噪声级（了解） 8、辐射噪声的测量（重点） 一、噪声的基本概念 1、噪声的定义：是指在特定条件下不需要的声音。 2、水下噪声：它们是声呐系统的主要干扰背景之一，限制装备性能。 3、噪声描述 噪声是一种随机过程描述噪声的统计量有：概率密度函数、概率分布函数。 一般水中噪声被视为平稳随机过程，若噪声的声压概率密度函数表示为： ( ) ( ) 2 2 2 p e 2 1 p  − −    = 为高斯分布，相应的噪声称为高斯噪声。其均值和方差： 常识：一般将水声干扰噪声视为高斯噪声。 一般，表征噪声统计特性的统计量：概率密度函数、数学期望、方差、相关 函数、功率谱。 由随机过程理论可知，噪声自相关函数的傅立叶变换即为功率谱密度函数： 由随机过程理论可知，噪声自相关函数的傅立叶变换即为功率谱密度函数： 功率谱是均匀的噪声，则称之为白噪声。 4、噪声的频谱分析 噪声声压是一个随机量，与时间量之间不存在确定关系，因此分析噪声声压 幅值的频谱没有意义；随机过程的功率谱函数是一个确定的统计量，反映了该过 程的各频率分量的平均强度。 根据信号频谱曲线形状划分： 1）线谱：数学上能够用傅氏级数来表示，水声中周期、准周期信号的频谱就是线 谱信号； 2）连续谱：频谱分析用傅氏变换来表示，水声中瞬态非周期信号的频谱就是连续 谱。 ( ) ( ) ( ) ( )    −  −  = − = −   = =  p p p dp p p pdp 2 2 2 ( ) ( ) ( ) ( ) ( )    − −  → −  =    =  −  S R e d p t p t dt 2T 1 R lim j T T T i i i f I S   =

声强平均频谱密度：S(f)= lim 41 _ dI4fo fdf声强频谱密度函数：I = [" s(f)df带宽内的总声强提示：连续谱某确定频率分量上的声强贡献无限小。海洋环境噪声级：NL=101g水听器工作带宽o内的噪声总声强假设水听器工作带宽△f内噪声谱为S（f）、且其响应是均匀的，则有：NL=10g 4f+101g SIN = S·4f1o提示：水下噪声是多种噪声源的综合迭加，每种噪声源的激励不尽相同，因此，它可能是线谱，也可能是连续谱，甚至是两种的迭加。5、水下噪声的指向性特性1）水下噪声具有指向性：噪声源具有指向性、噪声源空间分布、海洋传播条件等。2）常识：海面噪声（风浪噪声）一垂直指向性；远处航船的辐射噪声一水平指向性。海洋环境噪声也称自然噪声，研究环境噪声的目的：解决NL及其时空统计特性与环境因素之间的依赖关系，找出其规律，并由此作出必要的预报，为声呐设备设计、制作提供必要的数据。二、海洋环境噪声1、深海中的环境噪声源从低频到高频次序讨论噪声源及其特性：1）潮汐和波浪的海水静压力效应潮汐和海面波浪是海洋内部海水静压力变化的原因，它们是低频噪声源。2）地震扰动地震是海洋中的极低频噪声源。3）海洋瑞流流产生噪声的方式：①瑞流使水听器、电缆等额动或作响一一自噪声（不是自然噪声）：②瑞流压力变化辐射噪声一一四极子源，随距离迅速衰减，不是主要源；③瑞流区内部压力的声效应。海洋瑞流是海洋中的低频噪声源。④行船行船是50Hz~500Hz频率范围内的主要噪声源，与风和天气无关。③海面波浪海面波浪噪声是500Hz~25000Hz频率范围内的噪声源，与海况直接相关。③热噪声海洋分子的热噪声限制水听器的高频灵敏度，等效热噪声谱级：NL=-115+20lgf-DI-E式中，DI为指向性指数，单位dB；

声强平均频谱密度： 声强频谱密度函数： ( ) df dI f I S f lim i i f i 0 = = →    带宽内的总声强： ( )  = 2 1 f f I S f df 提示：连续谱某确定频率分量上的声强贡献无限小。 海洋环境噪声级 ： 假设水听器工作带宽 f 内噪声谱为 S（f）、且其响应是均匀的，则有： 提示：水下噪声是多种噪声源的综合迭加，每种噪声源的激励不尽相同，因 此，它可能是线谱，也可能是连续谱，甚至是两种的迭加。 5、水下噪声的指向性特性 1）水下噪声具有指向性：噪声源具有指向性、噪声源空间分布、海洋传播条件 等。 2）常识：海面噪声（风浪噪声）—垂直指向性； 远处航船的辐射噪声—水平指向性。 海洋环境噪声也称自然噪声，研究环境噪声的目的：解决 NL 及其时空统计 特性与环境因素之间的依赖关系，找出其规律，并由此作出必要的预报，为声呐 设备设计、制作提供必要的数据。 二、海洋环境噪声 1、深海中的环境噪声源 从低频到高频次序讨论噪声源及其特性： 1）潮汐和波浪的海水静压力效应 潮汐和海面波浪是海洋内部海水静压力变化的原因，它们是低频噪声源。 2）地震扰动 地震是海洋中的极低频噪声源。 3）海洋湍流 湍流产生噪声的方式： ①湍流使水听器、电缆等颤动或作响——自噪声（不是自然噪声）； ②湍流压力变化辐射噪声——四极子源，随距离迅速衰减，不是主要源； ③湍流区内部压力的声效应。海洋湍流是海洋中的低频噪声源。 ④行船 行船是 50Hz~500Hz 频率范围内的主要噪声源，与风和天气无关。 ⑤海面波浪 海面波浪噪声是 500Hz~25000Hz 频率范围内的噪声源，与海况直接相关。 ⑥热噪声 海洋分子的热噪声限制水听器的高频灵敏度，等效热噪声谱级： 式中，DI 为指向性指数，单位 dB； I S f N =  0 I S NL =10lg f +10lg NL = −115+ 20lg f − DI − E

E为转换效率，单位dB：f为频率，单位kHz。2、深海环境噪声谱深海环境噪声谱的例子如右图，谱由斜率不同的IIIINTV五部分组成，解释如下：1）1Hz以下，这段谱至今1201110还不为人所知。估计该噪100-8至-10分贝/倍频程声来源于海水静压力效应90斜率很小或是地球内部的地震扰动。80并且可变I2）谱斜率为-8~-10dB/倍频7060-5至6分贝/倍颗程程，与风速仅有很微弱的-50f50000关系，最可能的噪声源是50020+6分员/倍频程40瑞流（1Hz~20Hz）。30f3）自然噪声谱变平，远处110100100010000100000行船是主要噪声源。频率（赫)4）具有-5~-6dB/倍频程，噪声源是不远处的粗糙海面。5）海水介质分子热运动噪声，谱线斜率为6dB/倍频程。3、深海环境噪声的指向性深海自然噪声具有指向性：深海自然噪声具有指向性：低频噪声来自远处，高频噪声源来自顶部的海面。海面辐射噪声具有cose的指向特性（噪声源和海面上虚源干涉效应引起的）。1414赫112栋7070A WSO蒲氏风级籍氏风级、605050(0)4040303030405060703040506070三、舰船和鱼雷辐射噪声舰船、潜艇和鱼雷的辐射噪声是被动声呐系统赖以探测、跟踪的信号。舰船辐射噪声的危害：1）破坏了舰船的隐蔽性：2）可能引爆某些水中兵器；3）干扰本舰的水声设备（自噪声）。舰船、鱼雷辐射噪声特点噪声源繁多、集中，噪声强度大，频谱成分复杂。1、舰船辐射噪声的声源级和噪声谱在远场测得噪声级后，再修正传播损失，归算到离声源声中心1米处，并计算出1Hz带宽内的声强，则声源级（谱级）为：INSL=10lg-SL =10lgA式中，4f是换能器工作带宽，Io为参考声强，IN距声源声中心1米处的噪声声强

E 为转换效率，单位 dB； f 为频率，单位 kHz。 2、深海环境噪声谱 深海环境噪声谱的例子 如右图，谱由斜率不同的 五部分组成，解释如下： 1）1Hz 以下，这段谱至今 还不为人所知。估计该噪 声来源于海水静压力效应 或是地球内部的地震扰动。 2）谱斜率为-8~-10dB/倍频 程，与风速仅有很微弱的 关系，最可能的噪声源是 湍流（1Hz~20Hz）。 3）自然噪声谱变平，远处 行船是主要噪声源。 4）具有-5~-6dB/倍频程，噪 声源是不远处的粗糙海面。 5）海水介质分子热运动噪声，谱线斜率为 6dB/倍频程。 3、深海环境噪声的指向性 深海自然噪声具有指向性： 深海自然噪声具有指向性：低频噪声来自远处，高频噪声源来自顶部的海面。 海面辐射噪声具有  2 cos 的指向特性（噪声源和海面上虚源干涉效应引起的）。 三、舰船和鱼雷辐射噪声 舰船、潜艇和鱼雷的辐射噪声是被动声呐系统赖以探测、跟踪的信号。 舰船辐射噪声的危害： 1）破坏了舰船的隐蔽性； 2）可能引爆某些水中兵器； 3）干扰本舰的水声设备（自噪声）。 舰船、鱼雷辐射噪声特点 噪声源繁多、集中，噪声强度大，频谱成分复杂。 1、舰船辐射噪声的声源级和噪声谱 在远场测得噪声级后，再修正传播损失，归算到离声源声中心 1 米处，并计 算出 1Hz 带宽内的声强，则声源级（谱级）为： 式中， f 是换能器工作带宽，I0为参考声强，IN为距声源声中心 1 米处的噪声 声强。 0 10lg N I SL I = 0 10lg N I SL I f = 

2、舰船辐射噪声源及其一般特性舰船辐射噪声源分为三大类机械噪声、螺旋浆噪声和水动力噪声机械噪声螺旋桨噪声水动力噪声水流辐射噪声主机：柴油机、主螺旋奖空化电动机、减速器空腔、板和附件的共螺旋桨引起船壳辅机：发动机、振振动泵、空调设备支柱和附件的空化注：此部分内容要求学生看书自学归纳辐射噪声源概要：舰艇的辐射噪声主要噪声源是机械噪声和螺旋桨噪声，二者贡献的大小取决于频率、航速和航深。对于给定的航速和航深，存在一个临界频率，低于此频率时，谱的主要成分是机械和螺旋奖的线谱：高于此频率时，谱主要成分是螺旋奖空化的连续谱。常识：通常舰艇的临界频率为100Hz~1000Hz，取决于船的种类、航速和航深。鱼雷的临界频率比较高（机械速度高）。。3、辐射噪声的测量1）测量方法：让被测船航行通过远处的测量水听器来实现测量。2）按照测量水听器、设施布放方式：固定式和活动式。3）水听器阵形式：潜艇和鱼雷一一深海（海深大于60米）、垂直阵；水面舰船一一浅海（海深大于30米）、水平阵。0水面舰船祥简潜能4水听器水听器91p销用于测量辐射噪声的水听器布设四、舰船、潜艇和鱼雷自噪声自噪声是本舰声呐的一种特殊干扰背景，表现为声呐方程中的NL，是舰船上各种声源产生的。自噪声与辐射噪声的异同点：1）相同点：声源基本相同：2）不同点：①在声呐方程中的作用不一样，辐射噪声为SL，自噪声为NL：②自噪声的传播路径复杂，而且可变：

2、舰船辐射噪声源及其一般特性 舰船辐射噪声源分为三大类 机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声 机械噪声 螺旋桨噪声 水动力噪声 主机：柴油机、主 电动机、减速器 辅机：发动机、 泵、空调设备 螺旋桨空化 螺旋桨引起船壳 振动 水流辐射噪声 空腔、板和附件的共 振 支柱和附件的空化 注：此部分内容要求学生看书自学归纳 辐射噪声源概要： 舰艇的辐射噪声主要噪声源是机械噪声和螺旋桨噪声，二者贡献的大小取决 于频率、航速和航深。对于给定的航速和航深，存在一个临界频率，低于此频率 时，谱的主要成分是机械和螺旋桨的线谱；高于此频率时，谱主要成分是螺旋桨 空化的连续谱。 常识：通常舰艇的临界频率为 100Hz~1000Hz，取决于船的种类、航速和航深。鱼 雷的临界频率比较高（机械速度高）。 。 3、辐射噪声的测量 1）测量方法：让被测船航行通过远处的测量水听器来实现测量。 2）按照测量水听器、设施布放方式：固定式和活动式。 3）水听器阵形式： 潜艇和鱼雷——深海（海深大于 60 米）、垂直阵； 水面舰船——浅海（海深大于 30 米）、水平阵。 四、舰船、潜艇和鱼雷自噪声 自噪声是本舰声呐的一种特殊干扰背景，表现为声呐方程中的 NL，是舰船上 各种声源产生的。 自噪声与辐射噪声的异同点： 1）相同点：声源基本相同； 2）不同点： ①在声呐方程中的作用不一样，辐射噪声为 SL，自噪声为 NL； ②自噪声的传播路径复杂，而且可变；

③自噪声为近场噪声，辐射噪声为远场噪声。1、舰船自噪声源及其一般特征1）噪声源：机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声。水动力噪声，特别是流噪声，对声呐设备的影响是十分严重的。2）机械噪声和螺旋浆噪声它们是自噪声的主要声源。①机械噪声：是噪声低频段的单频分量，在低速航行时，舰船的辅机是主要的自噪声源，与航速几乎无关。②螺旋奖噪声：在高航速、高频/浅海和艇尾方向，它才是主要自噪声源。3）水动力噪声水动力噪声：水流流经水听器、水听器支架座和船体外部结构所形成的噪声源，如端流附面层一一水听器上产生瑞流压力、流激壳体振动、空化和涡流辐射噪声。水动力噪声随速度增长快。4）流噪声（一种特殊的水动力噪声）：是由水听器附近的流附面层中的流作用在水听器表面上的压力。为了减小流噪声的干扰，一般安装流线型导流罩，降低水流的直接撞击和防止空化噪声的产生。2、自噪声的传播路径自噪声是近场噪声，传播路径复杂而多变。船壳传递、水中直接路径、散射体反射、海底和海面的反射等路径。3、自噪声级教材中所列的数据是二次世界大战期间的舰船自噪声水平。4、舰船自噪声的测量由于自噪声的声源众多、路径复杂多变，声场不稳定，因此准确测量自噪声比较困难。测量结果与水听器安装位置、安装方式及其指向性有关。为使用上的方便，引入等效各向同性自噪声级：用无指向性水听器测量结果表示舰船自噪声级。设指向性水听器测得声级为NL，则等效各向同性自噪声级NL:NL=NL'+DI注意：两种水听器的灵敏度必须相等。五、舰船噪声控制简介降低舰船噪声，一方面提高舰船自身的隐蔽性，另一方面提高舰载声呐的作用距离，从而可以提高舰船的对抗能力。1、舰船噪声控制方法分类按照控制对象的不同，可分为：1）主动噪声控制一一声源，是控制和降低舰船噪声最根本/最积极方法；措施一一改进机械设计、采用合理的机械结构、改革工艺和操作方法、提高加工精度和装配质量等。2）被动噪声控制一一传播途径，措施一一采取阻尼、隔振或减振的办法、采取吸声结构、对螺旋桨噪声采用屏蔽罩等。2、机械噪声的控制常规舰艇的主要源：主机、辅机；核动力潜艇的主要源：齿轮变速箱、循环水泵等。控制措施：1）设计合理的机械结构；

③自噪声为近场噪声，辐射噪声为远场噪声。 1、舰船自噪声源及其一般特征 1）噪声源： 机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声。水动力噪声，特别是流噪声，对声 呐设备的影响是十分严重的。 2）机械噪声和螺旋桨噪声 它们是自噪声的主要声源。 ①机械噪声：是噪声低频段的单频分量，在低速航行时，舰船的辅机是主要的 自噪声源，与航速几乎无关。 ②螺旋桨噪声：在高航速、高频/浅海和艇尾方向，它才是主要自噪声源。 3）水动力噪声 水动力噪声：水流流经水听器、水听器支架座和船体外部结构所形成的噪声 源，如湍流附面层——水听器上产生湍流压力、流激壳体振动、 空化和涡流辐射噪声。水动力噪声随速度增长快。 4）流噪声（一种特殊的水动力噪声）：是由水听器附近的湍流附面层中的湍流作 用在水听器表面上的压力。为了减小流噪声的干扰，一般安装流线型导 流罩，降低水流的直接撞击和防止空化噪声的产生。 2、自噪声的传播路径 自噪声是近场噪声，传播路径复杂而多变。船壳传递、水中直接路径、散射 体反射、海底和海面的反射等路径。 3、自噪声级 教材中所列的数据是二次世界大战期间的舰船自噪声水平。 4、舰船自噪声的测量 由于自噪声的声源众多、路径复杂多变，声场不稳定，因此准确测量自噪声 比较困难。测量结果与水听器安装位置、安装方式及其指向性有关。 为使用上的方便，引入等效各向同性自噪声级：用无指向性水听器测量结果 表示舰船自噪声级。设指向性水听器测得声级为 NL’，则等效各向同性自噪声级 NL： NL= NL+DI 注意：两种水听器的灵敏度必须相等。 五、舰船噪声控制简介 降低舰船噪声，一方面提高舰船自身的隐蔽性，另一方面提高舰载声呐的作 用距离，从而可以提高舰船的对抗能力。 1、舰船噪声控制方法分类 按照控制对象的不同，可分为： 1）主动噪声控制——声源，是控制和降低舰船噪声最根本/最积极方法；措施— —改进机械设计、采用合理的机械结构、改革工艺和操作方法、提高加工精度 和装配质量等。 2）被动噪声控制——传播途径，措施——采取阻尼、隔振或减振的办法、采取吸 声结构、对螺旋桨噪声采用屏蔽罩等。 2、机械噪声的控制 常规舰艇的主要源：主机、辅机； 核动力潜艇的主要源：齿轮变速箱、循环水泵等。 控制措施： 1）设计合理的机械结构；