Page 189 - 《应用声学》2025年第1期

第 44 卷 第 1 期 胡园等： 沉底式矢量水听器阵辐射噪声测量系统 185

2π Z
, (5)
G 1 = 10 lg ∫
π
2
G (θ)dθ
θ
−π d
式(5) 中，G(θ) 为方向性函数。为了方便计算，假设
9 8 7 6 5 4 3 2 1
在主瓣宽度内的幅值为 1，其他位置为 0，由于常规 X
ϕ
线阵存在左右舷模糊的对向主瓣，因此不严格地通
Y
过主瓣宽度对阵列的指向性进行估计：
π 图 3 阵列方位角和俯仰角示意图
G 1 ≈ 10 lg . (6)
θ −3 dB Fig. 3 Azimuth and elevation angles of an array
结合式 (6) 与图 2 可知，对于确定尺寸的被测
在测量距离较近而阵列孔径较大的条件下，距
目标，在近距离下通过阵列波束获取指向性存在上
离对辐射噪声的影响不可忽略，近场聚焦波束形成
限。以 10 m 尺寸的被测目标为例，当被测距离为
方法公式如下：
30 m 时，需要的主瓣宽度为 20 ，因此其能够获取
◦
H
的最大指向性增益为9.5 dB。根据对被测目标辐射 P(θ, φ) = w (θ, φ)Rw(θ, φ), (8)
噪声规律的总结，UUV 系统的 1/3 倍频程声压级在
其中，w(θ, φ) = [r 1 e jkr 1 , r 2 e jkr 2 , · · · , r n e jkr n T
] ，r n
400 Hz 以上呈衰减趋势，较高的声压级普遍分布在
为被测目标到第 n 个阵元上的距离。结合矢量水听
100∼125 Hz，有些UUV在25 Hz和90 Hz处存在线
器的偶极子指向性时，
谱 [12−13] 。因此，综合考虑阵列实际布放难度与被
测目标辐射噪声规律，设计阵元间距为1.5 m的9元 w(θ, φ)
线阵，使其可在 63 Hz 下的阵列长度与半波长采样 = [r 1 e jkr 1 , r 2 e jkr 2 , · · · , r n e jkr n T
]
条件下的2阵元等效。也就是说，在被测目标的主要 ⊗ [1, cos φ n sin θ n , sin φ n sin θ n , cos θ n ] , (9)
T
辐射能量区间内，阵列的空间增益约为 3∼9.5 dB，
下角标 n 为第 n 号阵元的导向角。下面设置一组仿
从而在低频段具有一定的指向增益，并且在最佳测
真对矢量阵的单边指向性进行验证。
量条件下指向增益接近上限。
设置声源由方位角 φ = 90 、俯仰角 θ = 90 方
◦
◦
将9 元线列阵，阵元间距 1.5 m条件代入式(4)，
位入射，波束形成公式如式 (8) 所示，由常规声压
得到不同频率下的主瓣宽度。在100 Hz 以下，阵列
阵、单个矢量水听器和组合的矢量阵波束图如图 4
的主瓣宽度急剧增大，常规线阵无法获取足够的空
所示。
间增益。为进一步增强测量线阵的指向性，满足测
由图 4 可以看到，在具有阵列空间增益的水平
量波束完全覆盖目标的条件，在确定大小的波束内
方向上，常规声压测量阵列存在主波束和对向波束，
尽量提高测量信噪比，同时满足低频测量需求，需结
而矢量阵只有一个主波束，其单边指向性使得矢量
合矢量水听器与频率无关的空间增益。
阵比声压阵多出 3 dB 的指向增益。而在不存在阵
通常采用P +V c 的形式获取矢量水听器的组合
列空间增益的垂直方向上，常规声压阵列为全指向
单边指向性，从而获取矢量水听器的空间增益。对
性，不存在波束，而矢量阵与单矢量水听器相同，具
于二维矢量水听器，V c (t) = V x (t) cos θ + V y (t) sin θ；
有固有的空间增益。因此，三维矢量水听器的全空
对于三维矢量水听器，需要同时考虑方位角和俯仰
间增益约为 4.8 dB，矢量阵列的全空间增益为声压
角，此时V c (t) = V x (t) cos φ sin θ+V y (t) sin φ sin θ+
阵列空间增益与矢量水听器空间增益之和。对于目
V z (t) cos θ。因此，为保证阵的指向与矢量水听器的
标近场噪声测量，结合各向同性环境噪声中单矢量
指向一致，重新定义阵列角度定义如图3所示。
水听器的 4.8 dB 固有增益，它使得矢量阵测量系统
在此条件下，考虑全空间指向性，指向增益计
相比于声压水听器阵，在相同孔径下，获得更多的低
算公式为
频段测量空间增益，减小了对波束宽度的要求，降低
4π
. (7)
π/2 ∫ π 了对阵列孔径的要求，更容易满足低频段低辐射噪
G 1 = 10 lg ∫
2
G (φ, θ)dφdθ 声测量的需求。
−π/2 −π