实时水中目标辐射噪声仿真技术研究

　　1 引言

　　人耳曾是声呐历史上最早应用的检测器。其检测正弦信号的性能接近于最佳检测器的性能[1]。现代声呐系统依然设置听觉检测部位, 熟练的声呐员可以在噪声和混响背景下检测正弦信号以及水中目标的辐射噪声。水中目标辐射噪声的逼真仿真技术, 其过程是在分析不同水中辐射噪声的基础上, 提取共性的声学特征,建立相应的数理模型, 根据不同的使用需求进行参数设置。水中目标辐射噪声声学特征的模拟技术, 包括噪声调制、线谱和连续谱等特征[2]。

　　笔者提出了一种水中目标辐射噪声建模方法和使用DirectSound技术的噪声听觉仿真技术, 能够对可听声范围内的辐射噪声进行实时建模, 并通过声卡实时播放, 可以用于声呐员训练和舰船操纵模拟器的听觉环境仿真。

　　2 水中目标辐射噪声建模

　　水中目标辐射噪声基本上由两部分组成: 一方面是主要由螺旋桨空化噪声构成的宽带连续噪声谱, 它的功率谱在高频端以6dB/oct的斜率下降, 在低频功率谱曲线有正斜率, 因此存在一个峰值。另一方面是往复运动的机械部件。螺旋桨叶片共振和水动力引起的共振等声源引起的船体噪声中的窄带分量, 这些线谱主要集中在1000Hz以下的低频频段[3]。

　　2.1 水中目标辐射噪声源分析

　　连续谱噪声主要是由水动力噪声、机械噪声和螺旋桨噪声组成的, 特别是螺旋浆发生空泡时, 噪声级增加, 使得低频线谱相对幅度减小, 甚至被连续谱噪声所掩盖。线谱部分与推进系统、螺旋桨有关[4]。

　　2.2 水中目标辐射噪声仿真

　　用于水中目标辐射噪声特征分析的方法有傅里叶谱分析、时频分析、小波分析和高阶谱分析等[5]。对水中目标噪声源的仿真就可归结为对随机信号相关特性或功率谱特性的仿真。噪声功率谱可表示为

　　其中, Gx(f)为平稳各态历经高斯过程的连续谱, Gl(f)为在频率上离散分布的线谱。

　　为了实时模拟水中目标辐射噪声, 设计仿真模型简化如图1所示。模型中x(t)表示平稳连续谱, xl(t)表示线谱, s(t)为水中目标辐射噪声信号。

　　2.2.1 水中目标辐射噪声连续谱模拟

　　由螺旋桨空化所引起的平稳连续谱噪声, 在高频部分, 其谱级以大约6dB/oct的斜率下降, 在低频段则随频率而增加, 因此空化噪声谱在某一频率处有一个峰。对包括潜艇、鱼雷在内的各种水中目标, 这个峰的位置通常位于0.1~1kHz 的范围内。谱峰值的位置除了与目标类型有关外, 还与航速和深度有关, 在高速航行和航行深度减小时, 峰值位置将向低频方向移动。根据大量实验数据分析结果发现, 对于经过一定频率模糊和时域模糊而得到的舰船噪声的平均功率谱, 其典型的功率谱曲线由二参数模型给出[6]