流噪声背景下的细长线阵甚低频弱线谱检测算法.pdf

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1、2015年第1期声学与电子工程总第117期流噪声背景下的细长线阵甚低频弱线谱检测算法罗斌王茂法肖翔王晓林王世闯(第七一五研究所，杭州，310023)摘要拖线阵声呐在高速拖曳时，目标潜艇的甚低频线谱特征被淹没在背景噪声(以流噪声为主)中，为进一步提升高速拖曳时细长拖线阵声呐检测目标甚低频线谱的能力，在对细长线阵声呐的流噪声特性进行建模分析的基础上，推导出水听器对流噪声的响应函数，并提出最小均方最优滤波和经验模态分解的联合线谱检测算法，通过海试数据进行验证分析。结果表明该算法能够很好地检测出目标甚低频弱线谱，输出信噪

2、比有一定程度的提高。关键词声呐；细长线阵；流噪声；线谱；最优滤波；经验模态分解随着减振降噪技术的发展，潜艇的辐射噪声级正以1dB／年的速度迅速下降，舰壳声呐的探潜距离也呈指数减小。由于拖线阵声呐具有孔径大、平台噪声小、工作频率低、探测距离远等特点，其在探潜中的应用越来越受到重视。随着数字化电路和图2圆柱面水听器结构远距离传输技术的突破，细长线阵正逐渐适装于各细长线阵水听器对TBL压力起伏的响应功国的潜艇上，不仅能有效增加声呐作用距离，还能率谱LJJ为：探测到目标潜艇螺旋桨和辅机运行而产生的甚低(co)=频(f<1

3、00Hz)线谱。尽管细长线阵对检测目标甚低频线谱具有优势，但是由于其直径较小，水听器离护套较近，使(IJo(k,ro)H(k~)．2dkx得流噪声谱级较高。在高速拖曳时，流噪声成为影(1)响细长线阵的主要背景噪声，严重限制了细长线阵式(1)中，(尼，)表示TBL压力起伏时一空相声呐的性能。湍流边界层(TBL)压力起伏引起的流关函数的波数一频率谱；(尼，)表示护套柱壳噪声是主要组成部分。本文在该假设条件下对流噪声特性进行建模仿真，分析流噪声的特性，并基于传递函数的波数一频率谱；表示压力起伏此利用信号处理方法对其抑制

4、，从而获得较好的甚Jo(毛6)低频线谱检测效果。在管内(r

5、阵声段的结构示意图和圆柱面水听器结构图。护套外表面TBL压力起伏波数．频率谱模型目前广泛使用的主要有Corcos模型【2]、Chase模型[、Carpenter&Kewley模型[几种，本文采用Carpenter&Kewley模型的修正模型【5]。该模型是通过测量拖线阵管内水听器流噪声实验数据和理论计算结果进行比较的方法来修正模型参数的。图1细长线阵声段结构示意图15罗斌等：流噪声背景下的细长线阵甚低频弱线谱检测算法carpenter&Kewley修正模型的计算表达式为：不对称，这主要是由于压力起伏的不对称性引起

6、=的。同时可看出随着频率的增加，压力起伏谱的，迁移峰向高波数区域移动。["f=10OHz[(coR一尺))++l／br式中，为外部流体密度，尺为护套外径，v+=O．04U为剪切速度(U为自由介质流速)，Uc=0．8己，为迁移波述，c=10．0，h=3．7，b=0．2。1．2护套传递函数模型目前广‘泛采用的护套传递函数模型主要有Lindeman模型[61和Walker模型[。本文采用Lindeman模犁。OALindeman导出的T(k，co)表达式为：krad／mx(a)f_-100Hz(3)仁200Hz酏=式，

7、kb为呼吸波波数(膨胀波数)：kb2-2,O1(-O2R．(4)其巾，P．为护套内部流体密度，R为护套外径，E为护套的复杨氏模量，E=Eo(1+itg6)，tgb'~材料的损耗冈子，t为护套厚度(t／R<<1)。1．3水听器波数响应函数水听器波数响应函数与水听器灵敏度分布有krad，mx关，本文采用灵敏度沿长度方向为常数的圆柱面水(b)f=200Hz听器，其波数响应函数为：图3(，co)、IJo(k,ro)／JoGb)l、I()l及H(kx)：—sin(L—／／2)(5)它们的乘积与的关系klf2表1计算参数x参

8、数数值参数数值其为波数，，为水听器长度。拖曳速度7m／s剪切波衰减因子最03剪切速度v。0．04U护套内径b15mm2仿真研究迁移波速uO．8U护套外径18mm管内流体声速C1115Om／s管外流体声速C21500m／s2．1细长线阵管内水听器流噪声功率谱特性管内流体密度761kg／m管外流体密度1000护套材料密度P1130kg／m水听器半径ro3mmTBL压力起伏激励