典型声源声聚焦引起辐射噪声测量误差的分析

    引 言

    在影响目标辐射噪声测量精度的诸多因素中，由于技术的进步已使其中很多因素(如：设备，测距[1]，测量方法[2,3]等)都得到很好解决，在此情况下，以前曾经常被忽略的“声场聚焦现象”的影响就显得日益突出，应予以解决。所谓声场聚焦即声场空间分布上的能量汇集，其聚焦特性反映了声场能量的波动起伏规律，在空间上则呈现明暗条纹。

    由于浅海近距离存在声场聚焦现象，使得目标辐射噪声在近距离的声传播衰减不符合严格的球面波衰减规律，因此通常采用简单的球面波衰减规律对近距离上的测量结果进行声源级计算[4]是有偏差的。如何将不同深度处的声源或接收器，在不同频带内测得的辐射噪声归算到距目标的声学中心 1m 处，是解决目标辐射噪声测量精度的一个重要问题。本文基于射线声学理论的虚源法，探讨了浅海近距离下声场聚焦的规律及其对辐射噪声测量结果的影响，并通过具体的算例，对聚焦现象引起的测量误差进行了定量分析与研究。

    1 声场计算模型

    根据舰船噪声测量方法的国家军用标准，浅海运动目标辐射噪声测量通常选用 50～100m 的距离[5]，在此距离内，可以忽略海水本身对声波能量的吸收，而且可以认为介质的密度 ρ 、声速c 、界面的反射系数不随时间变化。

    1.1 单极子点声源的辐射声场

    不失一般性，可选取水平向右为 r 正轴，竖直向下为 z正轴，考虑海面、海底多次反射，利用虚源法，可得浅海多途环境下空间点( r , z )处的单极子点源单频波的声压场[6]：

    式中 k 为波数， i = 1~ 4表示每增加一阶虚源所增加的四条声线；2 2 1/ 2( )li liR = r + Z，表示第 l 次反射时第 i 条声线所对应的虚源与观察点之间的距离，liZ 为其垂直距离， r 为其水平距离，当 l = 1时，11Z 代表直达声，12Z 代表声线经过一次海底反射，13Z 代表声线经过一次海面反射，14Z 代表声线先后经过一次海底和一次海面反射。 arctan( / )li liθ = r Z，为第l 次海底反射时的入射角度，V 表示海面反射系数(假定为常数)，li表示第 l 次第 i 条声线的海底反射系数，满足瑞利反射。

    根据尤拉方程[7]：可得水平和竖直方向的质点振速分量rv ，zv 。为了简化，仅给出

    式中 m 为海水和海底的介质密度比，n 为介质中声速之比。

    1.2 偶极子点声源的辐射声场

    偶极子声源是指两个相距很近的(相对波长而言)、振源强度相等、振动相位相反的点声源的组合[7]。不失一般性，设偶极子轴与水平方向的夹角为α ，(如图 1)，引入时间因子，其自由场条件下的声场时空分布函数如下：