中国船舶重工集团有限公司第七一○研究所 湖北宜昌 443003
摘要：本文研究了水下航行体螺旋桨转速与航速之间的关系，根据螺旋桨转速与辐射噪声的大小，推导出它们之间的函数关系。通过基于FIR滤波器的连续谱生成技术与多普勒频移技术，建立了水下航行体的一般运动模型，最后利用matlab编写仿真软件，给出仿真结果。
关键词：航行体；运动模型；辐射噪声
0引言
运动目标的辐射噪声是声呐设备和水下智能作战平台被动探测的信息源，备受世界各国海军的关注。军用水下航行体的辐射噪声一直作为一项关键性指标，研制单位一直作为一项关键技术来进行攻关，不可避免需要通过运动模型来做为技术支撑。本文在借鉴舰船辐射噪声产生机理，其辐射噪声主要来自于螺旋桨的转动所产生的噪声，为了能更清楚分析航行体的噪声特点，为靶场进行噪声测量提供技术参考和理论依据。根据水下航行体的航行特点，本文针对航行体航行声学特征，研究和分析基于自噪声通过有限冲激响应数字滤波器法的连续谱生成技术和指数函数类的线谱生成技术，并充分考虑航行体进入运动状态时，速度原因对噪声功率谱的影响，生成水下航行体航行辐射噪声模型。
1速度对线谱幅度的影响
舰船的速度是其螺旋桨的转速的函数，螺旋桨的转速又直接影响了目标频谱的线谱分量大小，而速度对背景噪声的影响不大，水下航行体航行时也存在同样关系，所以可以先建立螺旋桨转速与航速之间的关系，再根据螺旋桨转速与辐射噪声的关系，推出航行器航速与辐射噪声大小的函数关系。
1.1螺旋桨转速与航速的推导
航行体航速与螺旋桨的转速并非呈现线性关系，根据螺旋桨原理推导一个由螺旋桨转速估算航速函数。在考虑航行时所经过海区流速流向不变前提下，当航速一定时，螺旋桨产生的推力与航行器的总阻力相等，航行体阻力随速度的平方增加，因此螺旋桨的推力也随航度的平方而变化[2]和推力与航速速的关系如下：
通过公式(6)，我们可以得到航行器在任意转速下的航速。
1.2螺旋桨转速与航行体辐射噪声的关系
螺旋桨对辐射噪声的贡献主要体现在扰动海水及自身振动噪声2个方面。从以往一些测量数据分析，辐射噪声主要贡献在螺旋桨扰动海水所产生的噪声，螺旋桨扰动海水噪声分为非空泡噪声与空泡噪声两大类。这里主要研究非空泡噪声,非空泡螺旋桨噪声又可分为非空泡低频离散谱噪声、非空泡低频连续谱噪声以及非空泡高频噪声。
在非空化条件下,螺旋桨辐射噪声随航速的变化规律是在低频段成6次方变化,高频段成5次方变化,在中频段由于西尔斯函数的减缩作用, 其辐射噪声随转速成6～5次方变化[3-4]，以上述规律为研究基础,可建立不同频段、不同转速螺旋桨噪声谱级换算方法,实现不同转速下螺旋桨噪声的仿真。
螺旋桨转动频率到另一频率的程谱级换算的公式为:
图1 连续谱的三折线示意图
从上图可以看出，航行器噪声主要贡献体现在频率100Hz附近。
4Matlab仿真建模
由上面的研究的航速与其辐射噪声大小与频率的关系，结合连续谱的一般模型我们可以建立航行器噪声频谱的一般模型，背景噪声的连续谱用高斯白噪声通过图1所示的FIR滤波器，初始的高斯白噪声功率大小可以根据实际测量区域背景噪声取值，为了仿真，此处值取100dB，产生如图2所示图像：
图3 航行器10节时的噪声功率谱图
5结束语
本文在借鉴水面舰船航行速度与螺旋桨转速关系的基础上，研究了水下航行体螺旋桨转速与辐射噪声大小关系，推导出航速与辐射噪声大小的关系，结合多普勒频移的相关知识，得出航行器辐射噪声功率谱中线谱分量的幅频特性，根据基于FIR滤波器下连续谱的生成技术，得出功率谱中连续谱的幅频特性。最后用matlab进行编程仿真，建立了航行器水下运动的一般模型。为航行器噪声测量提供理论支持，同时为跟踪水下航行体运动轨迹提供技术支持。
参考文献：
[1]王之程,陈宗岐.舰船噪声测量与分析[M].北京:国防工业出版社,2004
[2] 王超,黄胜.螺旋桨噪声预报方法的综述[A].黑龙江省造船工程学会 2008年学术年会,2008，35-39.
[3]龙军,张晋,刘文帅.舰船辐射噪声特征建模[J].舰船科学技术,2008（33）,7
论文作者:朱新星
论文发表刊物:《防护工程》2019年10期
论文发表时间:2019/8/20
标签：噪声论文; 螺旋桨论文; 航速论文; 转速论文; 水下论文; 关系论文; 舰船论文; 《防护工程》2019年10期论文;