CN113792383B

CN113792383B - 一种综合探测视界和噪声屏蔽效果的声学隔离方法

Info

Publication number: CN113792383B
Application number: CN202111061511.0A
Authority: CN
Inventors: 苏帅; 邹欢; 徐峰; 陈欢
Original assignee: China Ship Development and Design Centre
Current assignee: China Ship Development and Design Centre
Priority date: 2021-09-10
Filing date: 2021-09-10
Publication date: 2022-10-21
Anticipated expiration: 2041-09-10
Also published as: CN113792383A

Abstract

本发明公开了一种综合探测视界和噪声屏蔽效果的声学隔离方法，该方法包括以下步骤：1)根据导流罩的型线和声学设备的视界需求，确定导流罩的透声区域；2)根据导流罩的透声区域，确定声学设备回波不可达区域，即预设声影区的最大范围，根据声影区的最大范围，确定声障板的规格和布置位置；3)根据声障板的规格和布置位置，仿真计算其组合对来自尾向噪声的屏蔽效果，确定最终的声障板设置方案。本发明提供了一种对导流罩的透声区域和声障板进行量化设计的方法，通过优选的声障板的设计方案，在保证声学设备探测视界的同时对传至导流罩部位的螺旋桨等尾部噪声源进行有效屏蔽，净化声学设备安装部位的工作环境。

Description

一种综合探测视界和噪声屏蔽效果的声学隔离方法

技术领域

本发明涉及船舶总体集成设计技术，尤其涉及一种综合探测视界和噪声屏蔽效果的声学隔离方法。

背景技术

水面船艏部导流罩内通常布置有声学设备，声学设备的工作性能受导流罩部位自噪声的制约。导流罩部位自噪声具有多声源特性，主要有机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声。其中，螺旋桨噪声的主要频段覆盖声学设备工作频段，是声学设备工作环境治理的主要对象，其传播途径主要是通过海水直接传到或海底反射、散射传到导流罩部位。声学设备自身的水平视界一般为全向360°，但受上述螺旋桨噪声的影响，通常将其装船后的视界限定在艏向至艉部一定范围内(如0°～130°)；同时，由于螺旋桨噪声通过各种途径直接或间接传到导流罩部位，致使导流罩部位的自噪声级整体抬高，对声学设备视界内的探测性能产生不利影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种综合探测视界和噪声屏蔽效果的声学隔离方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种综合探测视界和噪声屏蔽效果的声学隔离方法，包括以下步骤：

1)根据导流罩的型线和声学设备的视界需求，确定导流罩的透声区域；

1.1)采用有限元法建模计算手段，对声学设备基阵和非透声结构建模，并利用声学设备波束形成理论，计算不同遮蔽角下声学设备的接收波束；

1.2)对比不同遮蔽角下声学设备接收波束主瓣和旁瓣的变化情况，分析非透声结构对声学设备波束的影响，进而确定遮蔽补充角的大小；

1.3)根据声学设备的保精度视界和遮蔽补充角的大小，确定保精度透声区域的边界点；

1.4)根据边界点的位置，确定保精度透声区域；

1.5)根据声学设备的可探测视界，确定可探测透声区域；

1.6)比较保精度透声区域和可探测透声区域，取区域面积大的为导流罩的透声区域；

2)根据导流罩的透声区域，确定声学设备回波不可达区域，即预设声影区的最大范围，根据声影区的最大范围，确定声障板的规格和布置位置；

3)根据声障板的规格和布置位置，仿真计算其组合对来自尾向噪声的屏蔽效果，确定最终的声障板设置方案。

按上述方案，所述步骤1.3)确定保精度透声区域的边界点具体如下：

根据声学设备的保精度视界θ，以声学设备基阵中心O为端点作与中心线夹角为θ的辅助线OA；设参与波束形成的扇面大小2ω，作与中心线夹角为ω+θ辅助线OB(B为该线段与声阵横剖面的交点)；以B起点作与OA平行的辅助线BC，根据由近场声场波动引起的遮蔽补充角γ，作辅助线BD与BC夹角为γ，其与半宽水线最外侧的交点为边界点M。

按上述方案，所述步骤2)具体如下：根据声影区的最大范围和声障板距基阵辐射面的最小距离，综合考虑声障板吸声面的回声降低水平，确定声障板的规格和布置位置，其中，声障板的规格由声影区的范围和声障板距基阵辐射面的最小距离共同决定；声障板的布置位置约束为声障板距基阵辐射面的最小距离。

按上述方案，声障板距基阵辐射面的最小距离为声障板距基阵辐射面3倍工作频率对应的波长。

本发明产生的有益效果是：

本发明提供了一种对导流罩的透声区域和声障板进行量化设计的方法，通过优选的声障板的设计方案，在保证声学设备探测视界的同时对传至导流罩部位的螺旋桨等尾部噪声源进行有效屏蔽，净化声学设备安装部位的工作环境。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的方法流程图；

图2是本发明实施例的导流罩非透声结构对声学设备接收波束的影响示意图；

图3是本发明实施例的声学设备视界范围示意图；

图4是本发明实施例的预设声影区和声障板布置位置示意图(俯视图)；

图5是本发明实施例的声障板布置位置示意图(纵剖图)；

图6是本发明实施例的导流罩内部声场仿真计算流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种综合探测视界和噪声屏蔽效果的声学隔离方法，包括以下步骤：

1)根据导流罩的型线，确定导流罩的透声区域；

声学设备基阵通常为圆柱阵，每个方向上由整阵一定数量的阵元参与波束形成，声学设备的视界包括保精度视界和可探测视界，对应的导流罩透声区域也包括保精度透声区域和可探测透声区域；

若入射信号为s(t)，则基阵的第m个阵元的输出

x_m(t)＝s(t-τ_m) (1)

设宽带信号s(t)的频率范围f∈[f_L,f_U]，对(1)式作Fourier变换

对各个阵元的输出加权并求和，就可实现波束形成。若参与波束形成的阵元数为N，定义频率为f时使用的加权向量为w(f)＝[w₁(f)w₂(f)…w_N(f)]^T，则波束输出为

Y(f)＝w^H(f)X(f)＝w^H(f)a(f,θ)S(f) (3)

式中，X(f)＝[X₁(f)X₂(f)…X_N(f)]^T，

为基阵的响应向量。

定义波束响应为

p(f,θ)＝w^H(f)a(f,θ)； (4)

1.2)对比不同遮蔽角下声学设备接收波束主瓣和旁瓣的变化情况，分析非透声结构对声学设备接收波束的影响，当影响符合要求时，即可确定遮蔽补充角γ的大小；

1.3)根据声学设备的保精度视界θ和遮蔽补充角γ的大小，确定保精度透声区域的边界点M；

以右舷为例给出透声区域确定的方法如下，左舷可相对于右舷对称处理：

如图3所示，根据声学设备的保精度视界θ，以声学设备基阵中心O为端点作与中心线夹角为θ的辅助线OA；设参与波束形成的扇面大小2ω，作与中心线夹角为ω+θ辅助线OB(B为该线段与声阵横剖面的交点)；以B起点作与OA平行的辅助线BC，根据由近场声场波动引起的遮蔽补充角γ，作辅助线BD与BC夹角为γ，其与半宽水线最外侧的交点为边界点M。

1.4)根据边界点M的位置，确定保精度透声区域；

以O为起点作经过M的射线OM，则OM为基阵保精度范围对应的可探测声线，保精度透声区域为SM；

1.5)根据声学设备的可探测视界，确定可探测透声区域；

根据声学设备的可探测视界

以基阵中心O为端点作与中心线夹角为

的射线ON，则ON为基阵可探测最大角度对应的声线，可探测透声区域为SN；

1.6)比较保精度透声区域为SM和可探测透声区域为SN，取区域面积大的为导流罩的透声区域；

2)根据导流罩的透声区域，确定声学设备回波不可达区域，即预设声影区的最大范围，根据声影区的大小，确定声障板的规格和布置位置备选方案；

假设BM和ON的交点为G，则BG和GN以外的区域为预设声影区，根据声影区的大小，综合考虑声障板吸声面的回声降低水平以及声障板距基阵辐射面一般应大于3倍工作频率对应的波长确定声障板的规格和布置位置；其中，规格受声影区的范围(斜线区域)和间距大于3倍工作频率对应的波长两大因素影响；布置位置约束为间距大于3倍工作频率对应的波长；

3)针对声障板的规格和布置位置备选方案，仿真计算其对来自尾向噪声的屏蔽效果；

来自尾向的辐射噪声为远场平面波，按图6所示的流程，采用有限元法建模计算手段，计算声障板在声学设备工作的不同频点对尾部噪声的屏蔽效果。

针对来自不同方向的入射声波，对比分析各种不同规格和布置位置的声障板对导流罩内部声场的影响，选择可保证视界同时具备较好噪声屏蔽效果的方案。

以下为一个实例：

(1)导流罩透声区域的确定

采用有限元方法，计算遮蔽补充角分别为10°和15°时，声学设备从96°到168°时的波束图，如图2所示。

受导流罩透声范围限制，在目标角度超过允许的范围时，波束发生畸变，表现为主瓣的降低和旁瓣级的升高，另外，波束左右对称性变差，严重情况时主瓣主轴位置也会发生偏移，这造成了能量的损失，影响探测性能，同时也增加了目标虚警。

表1和表2给出了遮蔽补充角分别为10°和15°时，不同角度目标的波束性能。

表1遮蔽补充角为10°时不同方位目标波束能量变化

表2遮蔽补充角为15°时不同方位目标波束能量变化

可以看到，导流罩遮蔽补充角为10°时，对120°左右的目标探测基本无影响；导流罩遮蔽补充角为15°时，对130°左右的目标探测基本无影响。因此，为保证声学设备的保精度视界不小于130°，遮蔽补充角应不小于15°。

同时根据导流罩型线，导流罩透声区域为艏部～#12；根据声学设备0°～160°的可探测视界要求，导流罩透声区域为艏部～#14。同时满足上述两个要求，则确定导流罩最终的透声区域为艏部～#14。

(2)备选声障板方案的选择

根据透声区域和预定声影区范围，设计备选声障板的位置及规格，如表3所示。

表3声障板位置与规格

编号	与基阵声中心水平距离(m)	规格：宽×高(m)
			1	2.5	1.0×1.7
2	3.1	1.7×1.6
			3	3.6	1.3×1.6
4	4.1	1.2×0.5

根据不同位置处的型线变化，确定声障板备选方案的规格，如图4和图5所示。本实施例中，在D1、D2、D3和D4等位置处设置声障板作为备选方案；

(3)备选声障板的仿真对比分析

为使噪声控制和声学设备视界达到综合兼优，按图6所示的流程采用仿真计算手段对备选的多个声障板方案进行对比分析。

仿真分析后，1#声障板和2#声障板对视界的影响均较大，而4#声障板对艉部噪声的屏蔽效果较不明显，两方面权衡后选择3#声障板。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种综合探测视界和噪声屏蔽效果的声学隔离方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）根据导流罩的型线和声学设备的视界需求，确定导流罩的透声区域；

所述步骤1）具体如下：

1.1）采用有限元法建模计算方式，对声学设备基阵和非透声结构建模，并根据声学设备波束形成理论，计算不同遮蔽角下声学设备的接收波束；

1.2）对比不同遮蔽角下声学设备接收波束中主瓣和旁瓣的变化情况，分析非透声结构对声学设备波束的影响，进而确定遮蔽补充角的大小；

1.3）根据声学设备的保精度视界和遮蔽补充角的大小，确定保精度透声区域的边界点；

1.4）根据边界点的位置，确定保精度透声区域；

1.5）根据声学设备的可探测视界，确定可探测透声区域；

1.6）比较保精度透声区域和可探测透声区域，取区域面积大的为导流罩的透声区域；

2）根据导流罩的透声区域，确定声学设备回波不可达区域，即预设声影区的最大范围，根据声影区的最大范围，确定声障板的规格和布置位置；

3）根据声障板的规格和布置位置，仿真计算其组合对来自尾向噪声的屏蔽效果，确定最终的声障板设置方案。

2.根据权利要求1所述的综合探测视界和噪声屏蔽效果的声学隔离方法，其特征在于，所述步骤1.3）确定保精度透声区域的边界点具体如下：

根据声学设备的保精度视界θ，以声学设备基阵中心O为端点作与中心线夹角为θ的辅助线OA；设参与波束形成的扇面大小2ω，作与中心线夹角为ω+θ辅助线OB，B为该辅助线段与声阵横剖面的交点；以B起点作与OA平行的辅助线BC，根据由近场声场波动引起的遮蔽补充角γ，作辅助线BD与BC夹角为γ，其与半宽水线最外侧的交点为边界点M。

3.根据权利要求1所述的综合探测视界和噪声屏蔽效果的声学隔离方法，其特征在于，所述步骤2）具体如下：根据声影区的最大范围和声障板距基阵辐射面的最小距离，综合考虑声障板吸声面的回声降低水平，确定声障板的规格和布置位置，其中，声障板的规格由声影区的范围和声障板距基阵辐射面的最小距离共同决定；声障板的布置位置约束为声障板距基阵辐射面的最小距离。

4.根据权利要求1所述的综合探测视界和噪声屏蔽效果的声学隔离方法，其特征在于，声障板距基阵辐射面的最小距离为声障板距基阵辐射面3倍工作频率对应的波长。