CN109143208B - 一种船舶声纳平台自噪声试验测试系统及水平测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种船舶声纳平台自噪声试验测试系统及水平测试方法，属于水下噪声控制工程领域；本发明通过计算机控制三种信号源发生器产生激励信号，使三种激励源分别产生模拟水动力噪声，模拟机械噪声与和模拟螺旋桨噪声；再通信号采集记录端采集数据并分析；本发明既可进行单一噪声源作用下声纳平台自造声的测试，也可以实施多个噪声源同时作用下的平台自造声测试的优势，一次即可获得整个宽频带上的试验测试数据，避免了分频段测试，提高了工作效率，更为真实地模拟了船舶在各工况下声纳舱室的自噪声特性；实现了船舶声纳平台自噪声试验测试系统的建立。

Description

一种船舶声纳平台自噪声试验测试系统及水平测试方法
技术领域
本发明涉及水下噪声控制工程领域，具体涉及一种船舶声纳平台自噪声试验测试系统及水平测试方法。
背景技术
船舶艏部声纳是水面战斗船舶声纳系统的重要组成部分，绝大多数战斗船舶均配备了各种类型的水声设备用于探测、定位、识别潜艇、鱼雷等水下目标，船舶的反潜和生存能力与声纳设备的探测能力密切相关，而声纳平台内的自噪声直接影响到船舶声纳的探测距离。对船舶声纳平台内自噪声进行测试预报，进而采取针对性的措施来有效控制声纳平台的自噪声，以保证声纳系统的正常工作显得尤为重要。
声纳平台自噪声主要来源于三个方面，一是舱壁板振动向平台内辐射噪声形成的机械自噪声；二是艉向水载螺旋桨辐射噪声通过透声窗进入到平台内部形成的螺旋桨自噪声；三是水流冲击透声窗形成的流噪声辐射到平台内部形成的流激自噪声。三大噪声源作用到声纳基阵部位，声纳基阵接收，形成叠加到直达信号上的自噪声干扰信号，自噪声在声纳方程中表现为噪声级NL项，其大小直接影响到船舶自身声纳的探测性能和运行的可靠性,尤其是在现代军事领域，自噪声的预报和控制始终是备受关注的问题。
目前针对船舶声纳平台自噪声的研究主要是基于软件的仿真计算，然而，软件仿真只能在一定程度上反映出船舶声纳平台的自噪声特性，而且缺乏试验数据验证。自噪声的试验测试除了能定量地估算自噪声的量级大小以外，最重要的是可以通过测试掌握不同噪声源对自噪声贡献度的大小，进而确定控制自噪声的措施及其量化技术指标。因此，发明一种船舶声纳平台自噪声试验测试系统，开展船舶声纳平台自噪声试验测试对平台自噪声控制设计具有重要的战略意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种船舶声纳平台自噪声试验测试系统，能经济有效地评估船舶在各种运行工况下艏部声纳舱室的自噪声水平问题，本发明的目的还在于能够提供一种船舶声纳平台自噪声水平的测试方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种船舶声纳平台自噪声试验测试系统，其特征在于，包含计算机1、任意信号函数发生器2、采集仪发射端3、信号源4、第一功率放大器5、第二功率放大器6、第三功率放大器7、模拟水动力噪声激励源8、压电阻抗头9、模拟机械噪声激励源10、模拟螺旋桨噪声激励源11、水听器12、数据采集器13数据采集计算机14；模拟螺旋桨噪声激励源11通过信号数据传输线经第三功率放大器7和信号源4连接于计算机1；模拟水动力噪声激励源8通过信号数据传输线经第一功率放大器5和采集仪发射端3连接于计算机1；模拟机械噪声激励源10与压电阻抗头9通过信号数据传输线经第二功率放大器6和任意信号函数发生器2连接于计算机1，三者共同组成激励源信号发射端；水听器12通过数据连接导线经信号接收转换器和带通滤波器连接于数据采集器13，并与数据采集计算机14相连接组成信号采集记录端。
所述模拟水动力噪声激励源8通过固定装置对称布置在透声窗前端湍流脉动压力较强区域，模拟船舶航行过程中流激结构辐射噪声。
所述模拟机械噪声激励源10通过固定装置与声纳舱室后舱壁相连接，模拟船舶航行过程中舱壁振动向外的辐射噪声。
所述模拟螺旋桨噪声激励源11通过吊放装置布置在船舶声纳平台模型正后方一定距离处，模拟船舶航行过程中模拟螺旋桨水载作用向外辐射的噪声。
所述水听器12固定于基阵位置处，采用多层均布空间柱面阵列的方式安装固定。
一种船舶声纳平台自噪声水平测试方法，其特征在于，实现步骤如下：
步骤一：任意函数信号发生器2输出激励信号，经第一功率放大器5将一定强度的信号传递给模拟水动力噪声激励源8模拟船舶行驶过程中的水动力激励；
步骤二：计算机1设置模拟机械噪声激励源10的信号特征，通过采集仪发射端3输出单向扫频信号经第二功率放大器6控制模拟机械噪声激励源10激励声纳舱后舱壁振动；
步骤三：模拟机械噪声激励源10激励点位置安装有压电阻抗头9用来实时监测施加在舱壁上的力和加速度随频率的变化；
步骤四：计算机1设置模拟螺旋桨噪声激励源11的信号特征，由信号源4输出宽频带模拟信号经第三功率放大器7放大，传输至模拟螺旋桨噪声激励源11偶极子发射换能器实现电声能量的转换，向声场中辐射声波；
步骤五：通过信号源4可以调整输出的信号强度来控制偶极子换能器发出声波的强弱，进而来模拟船舶不同航行状态下的螺旋桨噪声激励；
步骤六：通过基阵位置处安装的水听器12将接收的声信号转化为电信号经信号接收转换器、带通滤波器和数据采集器13记录并存储在数据采集计算机14上，通过对采集的声压信号进行均方化处理，即可得到分别在水动力噪声、机械噪声与螺旋桨噪声作用下的声纳平台内自噪声水平。
本发明实现了船舶声纳平台自噪声试验测试系统的建立，具有以下的优点：(1)该试验测试系统综合考虑了机械振动噪声、螺旋桨噪声、水动力噪声对声纳平台自噪声的影响，可以实现对声纳平台主要噪声源的有效模拟，既可以进行单一噪声源作用下声纳平台自造声的测试，也可以实施多个噪声源同时作用下的平台自造声测试；(2)可以进行宽带测试，一次即可获得整个宽频带上的试验测试数据，避免了分频段测试，提高了工作效率，更为真实地模拟了船舶在各工况下声纳舱室的自噪声特性；(3)该试验系统填补了当前船舶声纳平台自噪声控制领域无模型试验这一空白，为船舶声纳平台自噪声控制预报研究提供了有效的模拟试验方法；(4)本发明的试验测试系统安装调试方便，适用性强，试验条件满足自由场条件就可以有计划的进行试验，既可以应用于船模也可以应用于现有在役的船舶舰只，进而实现对声纳平台自噪声的预测，为自噪声的控制奠定试验数据基础。根据试验需要，既可以加载实船不同航行状态下的激励源测试信号，又可以加载仿真计算提取的船舶不同航速状态的激励源仿真值；此外还可以对声纳平台降噪控制措施的效果进行准确有效地测试。
附图说明
图1为本发明的船舶声纳平台自噪声试验测试系统整体流程框图；
图2为本发明的船舶声纳平台自噪声试验测试系统原理示意图；
图3为本发明的试验测试系统声纳基阵位置处水听器布置示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
实施例1
一种船舶声纳平台自噪声试验测试系统，该试验测试系统包含计算机、信号源发生器、功率放大器、激励源组成的信号发射组件，水听器、信号接收转换器、带通滤波器、信号采集器、采集信号计算机组成的信号采集和处理记录组件；其中对于信号采集器有带通滤波功能的，带通滤波器可以去掉，直接将信号接收转换器和信号采集器相连接；
各仪器设备之间通过数据传输线进行连接传输，激励源包括模拟水动力噪声的复合棒压电激振器激励、模拟机械振动噪声的大功率宽带脉冲机械激振器激励和模拟螺旋桨水载噪声的偶极子发射换能器激励；
模拟水动力噪声的复合棒压电激振器激励通过固定装置对称布置在透声窗前端湍流脉动压力较强区域用来模拟船舶航行过程中流激结构辐射噪声；模拟机械振动噪声的大功率宽带脉冲机械激振器激励通过固定装置与声纳舱室后舱壁相连接，用来模拟船舶航行过程中舱壁振动向外的辐射噪声；模拟螺旋桨水载噪声的偶极子发射换能器激励通过吊放装置布置在船舶声纳平台模型正后方一定距离处，用来模拟船舶航行过程中模拟螺旋桨水载作用向外辐射的噪声；
水听器以空间柱面方式布置于基阵位置处，用来直接测量各噪声激励源作用下平台内声纳基阵位置处的声压噪声信号，水听器数目可以根据基阵大小和试验需要进行选择，原则上要能反映基阵位置处的声压噪声信号特征；既可以测试单一噪声源激励作用下声纳平台内的声压噪声信号，又可以测试不同激励源同时作用下声纳平台内的声压噪声信号。
对于多源激励并行存在的情况下，包括如下内容步骤：
该发明的试验测试系统包括信号发射组件和信号接收组件；信号发射组件包括用于设置激励源信号特征的计算机1、任意信号函数发生器2、采集仪发射端3、信号源4、第一功率放大器5、第二功率放大器6、第三功率放大器7和模拟声源；模拟声源由模拟水动力噪声激励源8、模拟机械噪声激励源10和模拟螺旋桨噪声激励源11三部分构成，其中模拟水动力噪声激励源8是通过固定装置对称布置在透声窗前端湍流脉动压力较强区域的多个复合棒压电激振器，模拟机械噪声激励源10是通过固定装置连接在声纳舱后舱壁对应位置的大功率宽带脉冲机械激振器，模拟螺旋桨噪声激励源11是布置在声纳平台正后方一定距离处的偶极子发射换能器；信号接收组件包括用于接收基阵位置处声压的阵列水听器12、数据采集器13和用于查看并保存数据的数据采集计算机14。
信号函数发生器发射信号，通过功率放大器放大后施加到透声窗前端左右对称布置的模拟水动力噪声激励源8上，激励透声窗振动，模拟水动力流激结构辐射噪声；信号源4发射信号，通过第三功率放大器7放大后施加到模拟螺旋桨噪声激励源11的偶极子发射换能器，发射声波模拟螺旋桨噪声，偶极子距离声纳基阵的距离可以根据实际试验要求做调整，以便更好地模拟螺旋桨噪声的扩散传播；计算机1通过采集仪发射端3发射信号，再经第二功率放大器6控制模拟机械噪声激励源10，激励舱壁振动模拟船舶声学平台实际工作状态下的舱壁振动辐射噪声的情况，机械激励作用端安装有压电阻抗头9用来实时监测模拟机械噪声激励源10施加在舱壁上的力和加速度。采用声纳基阵位置处布置的阵列水听器接收测量平台内自噪声。声纳基阵位置处的水听器12将声压信号经转换盒变为电信号传递给数据采集器13，进而通过数据采集计算机14上的采集软件实现数据的同步采集和存储。
实施例2
结合图1，一种船舶声纳平台自噪声试验测试系统主要由计算机、信号源发生器、功率放大器、激励源、水听器、信号接收转换器、带通滤波器、信号采集器组成。激励源通过信号数据传输线经功率放大器和信号源发生器连接于计算机组成激励源信号发射端；水听器通过数据连接导线经信号接收转换器和带通滤波器连接于信号采集器，并与数据采集计算机相连接组成信号采集记录端；
激励源包括模拟水动力噪声的复合棒压电激振器激励、模拟机械振动噪声的大功率宽带脉冲机械激振器激励和模拟螺旋桨水载噪声的偶极子发射换能器激励；
模拟水动力噪声的复合棒压电激振器激励通过固定装置对称布置在透声窗前端湍流脉动压力较强区域用来模拟船舶航行过程中流激结构辐射噪声；模拟机械振动噪声的大功率宽带脉冲机械激振器激励通过固定装置与声纳舱室后舱壁相连接，用来模拟船舶航行过程中舱壁振动向外的辐射噪声；模拟螺旋桨水载噪声的偶极子发射换能器激励通过吊放装置布置在船舶声纳平台模型正后方一定距离处，用来模拟船舶航行过程中模拟螺旋桨水载作用向外辐射的噪声；
用于采集信号的水听器固定于基阵位置处，为了刚好的反映基阵位置处噪声声压信号特征，水听器采用多层均布空间柱面阵列的方式安装固定，用来直接测量各噪声激励源作用下平台内声纳基阵位置处的声压噪声信号；既可以测试单一噪声源激励作用下声纳平台内的声压噪声信号，又可以测试不同激励源同时作用下声纳平台内的声压噪声信号。
采集到的声压噪声信号通过信号线传输，经信号接收转换器、带通滤波器和信号采集器进行信号的预处理转换，最终显示并保存于计算机中。试验完毕再通过对数据的进一步处理即可得到船艏声学平台在主要激励源作用下平台内的自噪声水平，实现对船艏声学平台自噪声的试验测试预报。
实施例3
实现多个噪声源单独或并行存在测试时，一种船舶声纳平台自噪声试验测试系统如图2所示，系统包括计算机1、任意函数信号发生器2、第一功率放大器5和左右对称安装的模拟水动力噪声激励源8所组成的水动力噪声模拟部分，计算机1、采集仪发射端3、第二功率放大器6和模拟机械噪声激励源10大功率宽带脉冲机械激振器所构成的舱壁振动机械噪声模拟部分，计算机1、信号源4、第二功率放大器7和模拟螺旋桨噪声激励源11偶极子发射换能器所构成的螺旋桨噪声模拟部分，以及基阵位置水听器12、数据采集器13和数据采集计算机14所组成的数据采集部分；激励源信号的设置由计算机1来实现，基阵位置处水听器12声压数据的实时显示和采集存储由数据采集计算机14实现。具体实施步骤如下：
1任意函数信号发生器2输出激励信号，经第二功率放大器5将一定强度的信号传递给模拟水动力噪声激励源8模拟船舶行驶过程中的水动力激励，可以根据试验需要调整信号强度来模拟不同航速状态下的水动力激励，实现队不同航行工况下产生的水动力噪声的近似模拟。同时基阵位置处安装的水听器12将接收的声信号转化为电信号经信号接收转换器、带通滤波器和数据采集器13记录并存储在数据采集计算机14上，通过对采集的声压信号进行均方化处理，即可得到水动力噪声作用下的声纳平台内自噪声水平。
2计算机1设置激励源10的信号特征，通过采集仪发射端3输出单向扫频信号经功率放大器6控制模拟机械噪声激励源10激励声纳舱后舱壁振动,模拟船舶运行工况下向声纳平台内辐射的机械噪声，模拟机械噪声激励源10激励点位置安装有压电阻抗头9用来实时监测施加在舱壁上的力和加速度随频率的变化。同时安装在基阵位置处的水听器12将接收的声信号转化为电信号经信号接收转换器、带通滤波器和数据采集器13记录并存储在数据采集计算机14上，通过对采集的声压信号进行均方化处理，即可得到机械噪声作用下的声纳平台内自噪声水平。
3计算机1设置模拟螺旋桨噪声激励源11的信号特征，由信号源4输出宽频带模拟信号经第三功率放大器7放大，传输至模拟螺旋桨噪声激励源11偶极子发射换能器实现电声能量的转换，向声场中辐射声波，模拟螺旋桨噪声激励；通过信号源4可以调整输出的信号强度来控制偶极子换能器发出声波的强弱，进而来模拟船舶不同航行状态下的螺旋桨噪声激励。同时安装在基阵位置处的水听12器将接收的声信号转化为电信号经信号接收转换器、带通滤波器和数据采集器13记录并存储在数据采集计算机14上，通过对采集的声压信号进行均方化处理，即可得到螺旋桨噪声作用下的平台自噪声水平。
4计算机1设置激励源的信号特征，任意函数信号发生器2、采集仪发射端3和信号源4同时发出激励信号，激励信号通过对应的功率放大器传输至模拟水动力噪声激励源8、模拟机械噪声激励源10、模拟螺旋桨噪声激励源11，控制激励源共同作用，模拟水动力噪声、机械噪声和螺旋桨噪声共同作用下船艏声纳平台的工作环境，亦即模拟船舶航行状态下的实际工况。同时安装在基阵位置处的水听12器将接收的声信号转化为电信号经信号接收转换器、带通滤波器和数据采集器13记录并存储在数据采集计算机14上，通过对采集的声压信号进行均方化处理，即可得到水动力噪声、机械噪声和螺旋桨噪声作用下的平台自噪声水平。所述模拟水动力噪声激励源8和模拟机械噪声激励源10都是通过固定连接装置安装固定在相应激励位置；模拟机械噪声激励源10既可以激励前舱壁也可以调整激励船舶舷侧舱壁，模拟不同路径传播的机械噪声。
5图3为在基阵位置处按圆柱面布置的水听器示意图。为了更好地反映出实际工作环境下基阵位置处的自噪声特点，水听器采用空间阵列多层布置的方式。如图3中水听器布置主视图和俯视图示例所示，示例一共布置24个水听器，采用四层每层均匀布置6个水听器的圆柱阵列方式，实际试验中可以根据基阵尺寸大小和测试需要来适当减少和增加水听器的数目，水听器数目改变原则是要尽可能最真实的反映基阵位置的自噪声特性。水听器将接收到的声信号经过多途低噪声信号转接盒传输至数据采集器，再通过计算机上的采集软件实现数据的同步采集与存储。最后通过对不同层不同方向上水听器的采样声压进行平均化处理，即可得到基阵位置处的自噪声水平的频谱变化曲线。
所述基阵位置处的水听器，既可以实现对机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声单独作用下的自噪声信号的采集，又可以对不同噪声源激励组合作用下基阵位置处自噪声信号的同步采集；阵列水听器对自噪声信号的采集精度高，可实时对采集声压信号进行观测，方法简单易行。
此外，如果是对现有舰艇船只进行测试，基阵位置处自噪声信号的采集可以利用基阵自身的信号采集系统，既能保证自噪声信号采集的准确性，又能节省人力物力提高试验效率。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (6)

1.一种船舶声纳平台自噪声试验测试系统，其特征在于，包含计算机(1)、任意信号函数发生器(2)、采集仪发射端(3)、信号源(4)、第一功率放大器(5)、第二功率放大器(6)、第三功率放大器(7)、模拟水动力噪声激励源(8)、压电阻抗头(9)、模拟机械噪声激励源(10)、模拟螺旋桨噪声激励源(11)、水听器(12)、数据采集器(13)数据采集计算机(14)；模拟螺旋桨噪声激励源(11)通过信号数据传输线经第三功率放大器(7)和信号源(4)连接于计算机(1)；模拟水动力噪声激励源(8)通过信号数据传输线经第一功率放大器(5)和信号函数发生器(2)连接于计算机(1)；模拟机械噪声激励源(10)与压电阻抗头(9)通过信号数据传输线经第二功率放大器(6)和采集仪发射端(3)连接于计算机(1)，三者共同组成激励源信号发射端；水听器(12)通过数据连接导线经信号接收转换器和带通滤波器连接于数据采集器(13)，并与数据采集计算机(14)相连接组成信号采集记录端。
2.根据权利要求1所述的一种船舶声纳平台自噪声试验测试系统，其特征在于，所述模拟水动力噪声激励源(8)通过固定装置对称布置在透声窗前端湍流脉动压力较强区域，模拟船舶航行过程中流激结构辐射噪声。
3.根据权利要求1所述的一种船舶声纳平台自噪声试验测试系统，其特征在于，所述模拟机械噪声激励源(10)通过固定装置与声纳舱室后舱壁相连接，模拟船舶航行过程中舱壁振动向外的辐射噪声。
4.根据权利要求1所述的一种船舶声纳平台自噪声试验测试系统，其特征在于，所述模拟螺旋桨噪声激励源(11)通过吊放装置布置在船舶声纳平台模型正后方一定距离处，模拟船舶航行过程中模拟螺旋桨水载作用向外辐射的噪声。
5.根据权利要求1所述的一种船舶声纳平台自噪声试验测试系统，其特征在于，所述水听器(12)固定于基阵位置处，采用多层均布空间柱面阵列的方式安装固定。
6.一种船舶声纳平台自噪声水平测试方法，系统包含计算机(1)、任意信号函数发生器(2)、采集仪发射端(3)、信号源(4)、第一功率放大器(5)、第二功率放大器(6)、第三功率放大器(7)、模拟水动力噪声激励源(8)、压电阻抗头(9)、模拟机械噪声激励源(10)、模拟螺旋桨噪声激励源(11)、水听器(12)、数据采集器(13)数据采集计算机(14)；模拟螺旋桨噪声激励源(11)通过信号数据传输线经第三功率放大器(7)和信号源(4)连接于计算机(1)；模拟水动力噪声激励源(8)通过信号数据传输线经第一功率放大器(5)和信号函数发生器(2)连接于计算机(1)；模拟机械噪声激励源(10)与压电阻抗头(9)通过信号数据传输线经第二功率放大器(6)和采集仪发射端(3)连接于计算机(1)，三者共同组成激励源信号发射端；水听器(12)通过数据连接导线经信号接收转换器和带通滤波器连接于数据采集器(13)，并与数据采集计算机(14)相连接组成信号采集记录端；其特征在于，实现步骤如下：
步骤一：任意函数信号发生器(2)输出激励信号，经第一功率放大器(5)将一定强度的信号传递给模拟水动力噪声激励源(8)模拟船舶行驶过程中的水动力激励；
步骤二：计算机(1)设置模拟机械噪声激励源(10)的信号特征，通过采集仪发射端(3)输出单向扫频信号经第二功率放大器(6)控制模拟机械噪声激励源(10)激励声纳舱后舱壁振动；
步骤三：模拟机械噪声激励源(10)激励点位置安装有压电阻抗头(9)用来实时监测施加在舱壁上的力和加速度随频率的变化；
步骤四：计算机(1)设置模拟螺旋桨噪声激励源(11)的信号特征，由信号源(4)输出宽频带模拟信号经第三功率放大器(7)放大，传输至模拟螺旋桨噪声激励源(11)偶极子发射换能器实现电声能量的转换，向声场中辐射声波；
步骤五：通过信号源(4)调整输出的信号强度来控制偶极子换能器发出声波的强弱，进而来模拟船舶不同航行状态下的螺旋桨噪声激励；
步骤六：通过基阵位置处安装的水听器(12)将接收的声信号转化为电信号经信号接收转换器、带通滤波器和数据采集器(13)记录并存储在数据采集计算机(14)上，通过对采集的声压信号进行均方化处理，即可得到分别在水动力噪声、机械噪声与螺旋桨噪声作用下的声纳平台内自噪声水平。
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