CN108917907A - 不同水域环境中船舶水下辐射噪声测试结果的换算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种不同水域环境中船舶水下辐射噪声测试结果的换算方法，属于计算与测试领域。该方法包括建立三维船体结构声弹性计算模型；求解三维船体结构声弹性计算模型的干模态结果；模拟实船测试状态，根据干模态结果计算出不同水深潜深环境中水域中的观察点处的声源级频谱；以预定水深潜深环境对应的声源级频谱作为基准值，确定出不同频段内总声级的修正图谱；根据修正图谱对不同水域环境中船舶水下辐射噪声级量值进行换算；解决了不同水域环境中测试得到的船舶辐射噪声级不同，难以给出统一的具有相同基准的评定结果的问题，达到了降低获得系统性测试数据的成本，方便不同水域环境中船舶水下辐射噪声级量值之间进行相互换算的效果。

Description

不同水域环境中船舶水下辐射噪声测试结果的换算方法

技术领域

本发明实施例涉及船舶水下辐射噪声计算与测试领域，特别涉及一种不同水域环境中船舶水下辐射噪声测试结果的换算方法。

背景技术

在实际海洋水声环境中，科学地评定一艘船舶(包括水下航行器)的水下辐射噪声量值涉及到海洋背景下信噪比、船舶周围的进场和远场声分布、声压信号的采样与处理方法、船舶所处的海域水深以及船舶航速和潜深等诸多因素。

目前大多采用单水听器、线阵等方式评定船舶水下辐射噪声。其中，在单水听器测试方法中，往往截取信号能量最强的特定长度的声压时域测试数据，通过Fourier变换获得与该时间段对应的辐射噪声频谱，再换算出声源级。在实际测试时，船舶所处的水域环境、水面和水底边界等因素均会对船舶水下辐射噪声的测试结果带来影响。

船舶振动辐射到水域中的场点声压，与该水域的水声环境、船舶的潜深以及场点的空间位置密切相关，可以理解为若船舶辐射出的声功率相同，但由于存在海底和海面的声反射，在浅海进行的辐射噪声水平测试与在深海进行的辐射噪声水平测试的结果一定会有差异，容易导致同样的船舶在不同水域环境中实测出的辐射噪声级不同的问题。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种不同水域环境中船舶水下辐射噪声测试结果的换算方法。该技术方案如下：

第一方面，提供了一种不同水域环境中船舶水下辐射噪声测试结果的换算方法，该方法包括：

建立三维船体结构声弹性计算模型；

求解三维船体结构声弹性计算模型的干模态结果，干模态结果包括模态振型位移和模态固有频率；

模拟实船测试状态，根据干模态结果计算出不同水深潜深环境中水域中的观察点处的声源级频谱；观察点位于船体的舷侧；

以预定水深潜深环境对应的声源级频谱作为基准值，确定出不同频段内总声级的修正图谱，修正图谱由潜深和水深对应的噪声级修正量构成；

根据修正图谱，对不同水域环境中船舶水下辐射噪声级量值进行换算。

可选的，模拟实船测试状态，计算出不同水深潜深环境中测试水域中观察点处的声源级频谱，包括：

在三维船体结构声弹性计算模型的预定位置加载激励力谱；

根据测试水域的水声环境特征，固定三维船体结构声弹性计算模型的潜深；

以干模态结果为输入参数，利用三维声弹性频域分析方法求解三维船体结构声弹性计算模型的湿表面源强、模态广义水动力系数和广义主坐标响应；

根据湿表面源强和广义主坐标响应计算出观察点处的声压频谱；

将声压频谱转换为声源级频谱。

可选的，将声压频谱转换为声源级频谱，包括：

按如下公式将声压频谱中的频域声压转换至时域，得到时域声压结果：

其中，p(x-Ut,y,z,t)表示时域声压，(x-Ut,y,z)表示观察点的空间坐标，p(x-Ut,y,z,ω_n)表示空间坐标(x-Ut,y,z)处角频率ω_n处的声压谱值，Δω＝ω_n+1-ω_n；

选取时域声压结果中声压最强的时间段，将时间段内的时域声压转化为声源级频谱。

可选的，以预定水深潜深环境对应的声源级频谱作为基准值，确定出不同频段内总声级的修正图谱，包括：

选取预定频段范围，以预定水深潜深环境对应的声源级频谱作为基准值；

针对每个水深潜深环境，在预定频段范围内的每个频率点，将水深潜深环境对应的声压与预定水深潜深环境对应的基准值相减，得到正差值序列和负差值序列，正差值序列不包括最大差值，负差值序列不包括最小差值；

按每个序列的频率点数分别对正差值序列和负差值序列求平均值；

按如下公式计算得到噪声级修正量：

其中，Δd表示噪声级修正量，N_f1表示正差值序列的频率点数，ΔL_s1表示正差值序列的平均值，N_f2表示负差值序列的频率点数，ΔL_s2表示负差值序列的平均值；

根据各个水深潜深环境对应的噪声级修正量得到修正图谱。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过建立三维船体结构声弹性计算模型，求解三维船体结构声弹性计算模型的干模态结果，模拟实船测试状态，根据干模态结果计算出不同水深潜深环境中水域中的观察点处的声源级频谱，以预定水深潜深环境对应的声源级频谱作为基准值，确定出不同频段内总升级的修正图谱，根据修正图谱，对不同水域环境中船舶水下辐射噪声量级进行换算；基于船舶三维声弹性分析方法，通过仿真计算的方式模拟出不同水域环境中船舶水下辐射噪声的测试状态，并计算出不同水域环境中船舶水下辐射噪声结果，根据计算出的不同水域环境中船舶水下辐射噪声结果获得不同频段内总声级的修正图谱，利用修正图谱中的噪声修正量值对不同水域环境中船舶水下辐射噪声结果进行换算；解决了不同水域环境中测试得到的船舶辐射噪声级不同，难以给出统一的具有相同基准的评定结果的问题，达到了降低获得系统性测试数据的成本，方便不同水域环境中船舶水下辐射噪声级量值之间进行相互换算的效果。

此外，还可以将修正图谱作为工程参考应用，以及用于后续实船试验的相互验证。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据一示例性实施例示出的一种不同水域环境中船舶水下辐射噪声测试结果的换算方法的流程图；

图2是根据一示例性实施例示出的一种模拟实船测试状态的实施示意图；

图3是根据另一示例性实施例示出的一种不同水域环境中船舶水下辐射噪声测试结果的换算方法的流程图；

图4是根据一示例性实施例示出的在水深500m潜深250m环境下的观察点时域声压结果曲线；

图5是根据一示例性实施例示出的一种潜深30m和潜深100m不同水深状态下的辐射噪声级修正图谱。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

请参考图1，其示出了本发明一个实施例提供的不同水域环境中船舶水下辐射噪声测试结果的换算方法的流程图。如图1所示，该不同水域环境中船舶水下辐射噪声测试结果的换算方法可以包括以下步骤：

在步骤101中，建立三维船体结构声弹性计算模型。

三维船体结构声弹性计算模型为数值模型。

可选的，利用通用的商业有限元软件建立三维船体结构声弹性计算模型。

在步骤102中，求解三维船体结构声弹性计算模型的干模态结果。

干模态结果包括模态振型位移和模态固有频率。

可选的，利用通用的商业有限元软件求解三维船体结构声弹性计算模型的干模态结果。

在步骤103中，模拟实船测试状态，根据干模态结果计算出不同水深潜深环境中水域中的观察点处的声源级频谱。

观察点位于船体的舷侧。

在实船测试中，水域中的观察点处设置有单水听器。可选的，观察点的数量为1个。

在模拟实船测试时，需要模拟实船单水听器情况，如图2所示，观察点21位于船舶22的左舷侧，船舶22沿直线匀速航行，从相对运动的角度分析，可以将船舶22看成静止，水域中的观察点21运动，整个声压信号是在一条直线即观察点相对平移线23上测得的，直线段上的每一点具有相对于船舶22的不同空间位置。

可选的，潜深和水深环境的个数根据实际需要确定。

潜深和水深根据实际需要确定。

潜深指三维船舶结构声弹性计算模型的重心距离水面的距离。

可选的，以干模态结果作为输入参数，通过船舶三维声弹性频域分析方法实现计算出不同水深环境中水域的观察点处的声源级频谱，潜深和水深、观测点的位置均为船舶三维声弹性频域分析方法中使用的参数。

在步骤104中，以预定水深潜深环境对应的声源级频谱作为基准值，确定给出不同频段内总声级的修正图谱。

修正图谱由潜深和水深对应的噪声修正量值构成。

以预定水深潜深环境对应的声源级频谱作为基准值，可以实际需要确定出多个不同频段内总声级的修正图谱。可选的，预定水深潜深环境是根据实际需要预先确定的。

需要说明的是，修正图谱是用于给定频段内的总声级进行修正的；某一频段内的总声级往往由几个主要的峰值决定，水深、潜深和观察点的位置等因素对不同频谱的噪声影响是不同的，严格来说，如果峰值点的频率不同，则总声级的修正量也不同，因此，本发明实施例提供的修正图谱近在平均意义上适用于给定频段内的总声级进行修正。

在步骤105中，根据修正图谱，对不同水域环境中船舶水下辐射噪声级量值进行换算。

可选的，在进行换算时，确定需要换算的水域环境的潜深和水深，在修正图谱中确定噪声级修正量值，将需要换算的船舶水下辐射噪声结果减去噪声级修正量值，得到换算后的船舶水下噪声结果。

综上所述，本发明实施例提供的不同水域环境中船舶水下辐射噪声测试结果的换算方法，通过建立三维船体结构声弹性计算模型，求解三维船体结构声弹性计算模型的干模态结果，模拟实船测试状态，根据干模态结果计算出不同水深潜深环境中水域中的观察点处的声源级频谱，以预定水深潜深环境对应的声源级频谱作为基准值，确定出不同频段内总升级的修正图谱，根据修正图谱，对不同水域环境中船舶水下辐射噪声量级进行换算；基于船舶三维声弹性分析方法，通过仿真计算的方式模拟出不同水域环境中船舶水下辐射噪声的测试状态，并计算出不同水域环境中船舶水下辐射噪声结果，根据计算出的不同水域环境中船舶水下辐射噪声结果获得不同频段内总声级的修正图谱，利用修正图谱中的噪声修正量值对不同水域环境中船舶水下辐射噪声结果进行换算；解决了不同水域环境中测试得到的船舶辐射噪声级不同，难以给出统一的具有相同基准的评定结果的问题，达到了降低获得系统性测试数据的成本，方便不同水域环境中船舶水下辐射噪声级量值之间进行相互换算的效果。

此外，还可以将修正图谱作为工程参考应用，以及用于后续实船试验的相互验证。

请参考图3，其示出了本发明另一个实施例提供的不同水域环境中船舶水下辐射噪声测试结果的换算方法的流程图。如图3所示，该不同水域环境中船舶水下辐射噪声测试结果的换算方法可以包括以下步骤：

在步骤301中，建立三维船体结构声弹性计算模型。

该步骤在步骤101中进行了阐述，这里不再赘述。

在步骤302中，求解三维船体结构声弹性计算模型的干模态结果。

干模态结果包括模态振型位移和模态固有频率。

该步骤在上述步骤102中进行了阐述，这里不再赘述。

在步骤303中，在三维船体结构声弹性计算模型的预定位置加载激励力谱。

预定位置是与三维船体结构声弹性计算模型对应的实船上主要激励所在位置相对应的位置。

在模拟实船测试状态时需要模拟激励，即在三维船体结构声弹性计算模型的预定位置加载激励力谱。

如图2所示，在三维船体结构声弹性计算模型的三个位置25、26、27处加载激励力谱。

在步骤304中，根据测试水域的水声环境特征，固定三维船体结构声弹性计算模型的潜深。

在步骤305中，以干模态结果为输入参数，利用三维声弹性频域分析方法求解三维船体结构声弹性计算模型的湿表面源强、模态广义水动力系数和广义主坐标响应。

在步骤306中，根据湿表面源强和广义主坐标响应计算出观察点处的声压频谱。

在步骤307中，将声压频谱转换为声源级频谱。

如上述步骤103中所述，在实船测试时可以看成船舶静止，观察点相对于船舶运动，考虑到观察点的位置相对于船舶在运动，在每一个采样时刻，必须采取观察点到新位置处(即x-Ut)处该时刻的声压值，因此有必要将频域声压的幅值与相位谱转化到时域中，故该步骤由如下步骤实现：

在步骤3071中，按如下公式将声压频谱中的频域声压转换至时域，得到时域声压结果。

其中，p(x-Ut,y,z,t)表示时域声压，(x-Ut,y,z)表示所述观察点的空间坐标，p(x-Ut,y,z,ω_n)表示空间坐标(x-Ut,y,z)处角频率ω_n处的声压谱值，Δω＝ω_n+1-ω_n。arg[]表示取相位角。

可选的，模拟实船单水听器测试情况，利用船舶三维声弹性分析方法获得时域声压结果。图4示出了在一个例子中由船舶三维声弹性分析方法获得的时域声压结果。

在步骤3072中，选取时域声压结果中声压最强的时间段，将声压最强的时间段内的时域声压转化为声源级频谱。

可选的，时间段的长度根据具体的实际情况确定。

可选的，在实际操作时，可以通过加窗Fourier变换并结合重叠平均的韦尔奇(Welch)方法计算功率谱，得到频域内的声压谱值，再将声压谱值转化为距离船体轴线1m处远处的声源级频谱。如图2所示，船体轴线24与观察点相对平移线23之间的水平距离为1m。可选的，1m为规范取值，观察点相对平移线与船体轴线之间的距离不影响修正图谱中的噪声级修正量值。

在步骤308中，选取预定频段范围，以预定水深潜深环境对应的声源级频谱作为基准值。

对于一艘具有确定的工况(激励源)、观察点位置和声压信号采样时段的船舶，以预定水深潜深环境中计算得到的声源级频谱作为基准值，将其与其他水深潜深环境中计算得到的声源级频谱进行比对，可得到不同频段内的总声级的修正图谱。

首先需要选取一个频段范围，以预定水深潜深环境对应的声源级频谱作为基准值。

可选的，预定频段范围是预先确定的一个频段范围。

在步骤309中，针对每个水深潜深环境，在预定频段范围内的每个频率点，将水深潜深环境对应的声压与预定水深潜深环境对应的基准值相减，得到正差值序列和负差值序列。

正差值序列不包括最大差值，负差值序列不包括最小差值。

将差值中的最大差值和最小差值去掉后，剩余的频率点数总数为N_f，差值可以分为差值为正和差值为负的两部分，即正差值序列和负差值序列，正差值序列的频率点数为N_f1，负差值序列的频率点数为N_f2。

在步骤310中，按每个序列的频率点数分别对正差值序列和负差值序列求平均值。

可选的，正差值序列按频率点数N_f1求平均值得到ΔL_s1，负差值序列按频率点数N_f2求平均值得到ΔL_s2。

在步骤311，根据公式计算得到噪声级修正量。

计算公式为：

其中，Δd表示噪声级修正量，单位为dB；N_f1表示正差值序列的频率点数，ΔL_s1表示正差值序列的平均值，N_f2表示负差值序列的频率点数，ΔL_s2表示负差值序列的平均值。

在步骤312中，根据各个水深潜深环境对应的噪声修正量得到修正图谱。

针对预定频段范围，根据各个水深潜深环境对应的噪声修正量绘制噪声级修正曲线，得到修正图谱。在一个示例性的例子中，三维船体结构声弹性计算模型为一种单层船体结构计算模型，在该单层船体结构计算模型上加载三个典型机械激励力谱，采用Pekeris水声波导环境中的船舶三维声弹性分析方法计算，以水深500m潜深250m对应的声源级频谱作为基准值，按上述步骤301中步骤312得到的修正图谱，如图5所示，曲线51为潜深30m状态的噪声级修正曲线，曲线52为潜深100m状态的噪声级修正曲线。需要说明的是，图5中仅示出了潜深30m和潜深100m的不同水深状态的噪声级修正曲线，其他潜深状态的噪声级修正量可以通过近似差值获取。

在步骤313中，根据修正图谱，对不同水域环境中船舶水下辐射噪声级量值进行换算。

该步骤在上述步骤105中进行了阐述，这里不再赘述。

综上所述，本发明实施例提供的不同水域环境中船舶水下辐射噪声测试结果的换算方法，通过建立三维船体结构声弹性计算模型，求解三维船体结构声弹性计算模型的干模态结果，模拟实船测试状态，根据干模态结果计算出不同水深潜深环境中水域中的观察点处的声源级频谱，以预定水深潜深环境对应的声源级频谱作为基准值，确定出不同频段内总升级的修正图谱，根据修正图谱，对不同水域环境中船舶水下辐射噪声量级进行换算；基于船舶三维声弹性分析方法，通过仿真计算的方式模拟出不同水域环境中船舶水下辐射噪声的测试状态，并计算出不同水域环境中船舶水下辐射噪声结果，根据计算出的不同水域环境中船舶水下辐射噪声结果获得不同频段内总声级的修正图谱，利用修正图谱中的噪声修正量值对不同水域环境中船舶水下辐射噪声结果进行换算；解决了不同水域环境中测试得到的船舶辐射噪声级不同，难以给出统一的具有相同基准的评定结果的问题，达到了降低获得系统性测试数据的成本，方便不同水域环境中船舶水下辐射噪声级量值之间进行相互换算的效果。

此外，还可以将修正图谱作为工程参考应用，以及用于后续实船试验的相互验证。

需要说明的是：上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种不同水域环境中船舶水下辐射噪声测试结果的换算方法，其特征在于，所述方法包括：

建立三维船体结构声弹性计算模型；

求解所述三维船体结构声弹性计算模型的干模态结果，所述干模态结果包括模态振型位移和模态固有频率；

模拟实船测试状态，根据所述干模态结果计算出不同水深潜深环境中水域中的观察点处的声源级频谱；所述观察点位于船体的舷侧；

以预定水深潜深环境对应的声源级频谱作为基准值，确定出不同频段内总声级的修正图谱，所述修正图谱由潜深和水深对应的噪声级修正量构成；

根据所述修正图谱，对不同水域环境中船舶水下辐射噪声级量值进行换算。

2.根据权利要求1所述的换算方法，其特征在于，所述模拟实船测试状态，计算出不同水深潜深环境中测试水域中观察点处的声源级频谱，包括：

在所述三维船体结构声弹性计算模型的预定位置加载激励力谱；

根据所述测试水域的水声环境特征，固定所述三维船体结构声弹性计算模型的潜深；

以所述干模态结果为输入参数，利用三维声弹性频域分析方法求解所述三维船体结构声弹性计算模型的湿表面源强、模态广义水动力系数和广义主坐标响应；

根据所述湿表面源强和所述广义主坐标响应计算出所述观察点处的声压频谱；

将所述声压频谱转换为声源级频谱。

3.根据权利要求2所述的换算方法，其特征在于，所述将所述声压频谱转换为声源级频谱，包括：

按如下公式将所述声压频谱中的频域声压转换至时域，得到时域声压结果：

其中，p(x-Ut,y,z,t)表示时域声压，(x-Ut,y,z)表示所述观察点的空间坐标，p(x-Ut,y,z,ω_n)表示空间坐标(x-Ut,y,z)处角频率ω_n处的声压谱值，Δω＝ω_n+1-ω_n；

选取所述时域声压结果中声压最强的时间段，将所述时间段内的时域声压转化为所述声源级频谱。

4.根据权利要求1至3任一所述的换算方法，其特征在于，所述以预定水深潜深环境对应的声源级频谱作为基准值，确定出不同频段内总声级的修正图谱，包括：

选取预定频段范围，以预定水深潜深环境对应的声源级频谱作为基准值；

针对每个水深潜深环境，在所述预定频段范围内的每个频率点，将所述水深潜深环境对应的声压与所述预定水深潜深环境对应的基准值相减，得到正差值序列和负差值序列，所述正差值序列不包括最大差值，所述负差值序列不包括最小差值；

按每个序列的频率点数分别对所述正差值序列和所述负差值序列求平均值；

按如下公式计算得到噪声级修正量：

其中，Δd表示噪声级修正量，N_f1表示正差值序列的频率点数，ΔL_s1表示正差值序列的平均值，N_f2表示负差值序列的频率点数，ΔL_s2表示负差值序列的平均值；

根据各个水深潜深环境对应的噪声级修正量得到所述修正图谱。