舰船辐射噪声调制度对调制谱的影响
船舶辐射噪声连续谱相似度评估方法及分析
２３㊀文献引用格式:郑援ꎬ姜斌.船舶辐射噪声连续谱相似度评估方法及分析[Ｊ].电声技术ꎬ２０１９ꎬ４３(１):２３－２６.ＺＨＥＮＧＹꎬＪＩＡＮＧＢ.ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅＳｉｍｉｌａｒｉｔｙＥｖａｌｕａｔｉｏｎＭｅｔｈｏｄｓｏｆＳｈｉｐＲａｄｉａｔｅｄＮｏｉｓｅ ｓＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＳｐｅｃｔｒｕｍ[Ｊ].Ａｕｄｉｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０１９ꎬ４３(１):２３－２６.中图分类号:ＴＮ９１１.７２㊀㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀㊀ＤＯＩ:１０.１６３１１/ｊ.ａｕｄｉｏｅ.２０１９.０１.００７船舶辐射噪声连续谱相似度评估方法及分析郑㊀援ꎬ姜㊀斌(海军潜艇学院ꎬ山东㊀青岛㊀２６６１９９)摘要:评估船舶辐射噪声连续谱之间的相似度ꎬ首先需要对连续谱特征进行提取㊁量化ꎬ然后利用得到的特征数据进行相似度计算ꎮ特征提取和相似度计算方法决定相似度评估方法的有效性ꎮ对六种船舶辐射噪声连续谱相似度评估方法进行了算法实现ꎬ并使用实测船舶辐射噪声的连续谱对所实现算法的评估效果进行了比较㊁分析ꎬ分析结果可为船舶辐射噪声连续谱相似度评估的算法选用提供参考ꎮ关键词:船舶辐射噪声ꎻ连续谱ꎻ相似度ꎻ评估ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅＳｉｍｉｌａｒｉｔｙＥｖａｌｕａｔｉｏｎＭｅｔｈｏｄｓｏｆＳｈｉｐＲａｄｉａｔｅｄＮｏｉｓｅ ｓＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＳｐｅｃｔｒｕｍＺＨＥＮＧＹｕａｎꎬＪＩＡＮＧＢｉｎ(ＮａｖｙＳｕｂｍａｒｉｎｅＡｃａｄｅｍｙꎬＱｉｎｇｄａｏ２６６１９９ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｏｅｖａｌｕａｔｅｔｈｅｓｉｍｉｌａｒｉｔｙｏｆｓｈｉｐｒａｄｉａｔｅｄｎｏｉｓｅ ｓｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｓｐｅｃｔｒｕｍꎬｅｘｔｒａｃｔｉｏｎａｎｄｑｕａｎｔｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｏｎｔｉｎ￣ｕｏｕｓｓｐｅｃｔｒｕｍ ｓｆｅａｔｕｒｅｓｈｏｕｌｄｂｅｃｏｎｄｕｃｔｅｄｆｉｒｓｔ.Ｔｈｅｎｔｈｅｓｉｍｉｌａｒｉｔｙｃａｎｂｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｗｉｔｈｔｈｅｑｕａｎｔｉｚｅｄｆｅａｔｕｒｅｄａｔａ.Ｔｈｅｆｅａｔｕｒｅｅｘｔｒａｃｔｉｏｎａｎｄｓｉｍｉｌａｒｉｔｙｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｄｅｔｅｒｍｉｎｅｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓｏｆｔｈｅｓｉｍｉｌａｒｉｔｙｅｖａｌｕａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓ.Ｓｉｘｓｉｍｉｌａｒｉｔｙｅｖａｌｕａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｏｆｓｈｉｐｒａｄｉａｔｅｄｎｏｉｓｅ ｓｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｓｐｅｃｔｒｕｍａｒｅｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ.Ｒｅａｌｍｅａｓｕｒｅｄｓｈｉｐｒａｄｉａ￣ｔｅｄｎｏｉｓｅｓａｍｐｌｅｓａｒｅｕｓｅｄｔｏｔｅｓｔꎬｃｏｍｐａｒｅａｎｄａｎａｌｙｚｅｔｈｅｉｒｅｖａｌｕａｔｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｃａｎｂｅａｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅｃｈｏｉｃｅｏｆｔｈｅｓｉｍｉｌａｒｉｔｙｅｖａｌｕａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｏｆｓｈｉｐｒａｄｉａｔｅｄｎｏｉｓｅ ｓｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｓｐｅｃｔｒｕｍ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ＳｈｉｐＲａｄｉａｔｅｄＮｏｉｓｅꎻＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＳｐｅｃｔｒｕｍꎻＳｉｍｉｌａｒｉｔｙꎻＥｖａｌｕａｔｉｏｎ１㊀引言船舶辐射噪声是一种具有多种噪声成分的宽带随机信号ꎮ连续谱信号是其重要组成成分ꎬ蕴含有丰富的目标特性信息[１－５]ꎮ例如:听觉感受上的音色㊁音调㊁响度ꎬ声纳目标识别上的连续谱特征等ꎮ因而ꎬ对两段船舶辐射噪声的连续谱特征进行相似度评估ꎬ是对船舶辐射噪声来源进行同一性辨识的手段之一ꎮ连续谱特征的形成机理较为复杂ꎮ通常认为其能级和频率结构与船舶吨位㊁类型㊁航速㊁设备工况㊁航行区域的水深㊁底质等诸多因素有关ꎬ却难以给出解析的对应关系[２]ꎮ因此ꎬ在评估船舶航行噪声连续谱之间相似度时ꎬ通常并不利用连续谱具体成因的分析结果ꎬ而是直接利用其谱特征ꎮ即:对船舶辐射噪声连续谱特征进行提取㊁量化后ꎬ利用得到的特征数据进行相似度计算ꎮ连续谱特征提取和量化的方法主要有频带能量法㊁非线性多项式拟合法㊁滤波器参数法㊁折线拟合法等[１－５]ꎮ相似度计算的方法主要有欧氏距离法㊁夹角余弦法和相关系数法等[１]ꎮ很显然ꎬ特征提取和相似度计算方法决定相似度评估方法的有效性ꎮ由于频带能量法㊁非线性多项式拟合法㊁滤波器参数法获取的特征值具有量纲统一的数据处理优势ꎬ夹角余弦法和相关系数法本质相似[１]ꎬ因而选用频带能量法㊁非线性多项式拟合法㊁滤波器参数法三种连续谱特征提取和量化的方法ꎬ以及欧氏距离法㊁夹角余弦法两种相似度计算方法ꎬ进行组合ꎬ构成六种船舶辐射噪声连续谱相似度评估方法ꎮ本文对这六种船舶辐射噪声连续谱相似度评估方法进行了算法实现ꎬ并使用实测船舶辐射噪声的连续谱信号对所实现算法的评估效果进行了比较㊁分析ꎮ２４㊀２㊀连续谱相似度评估方法由于六种连续谱相似度评估方法是由连续谱特征提取和量化方法㊁相似度计算方法组合实现的ꎬ连续谱特征分析和量化的结果是相似度计算的数据来源ꎬ相似度计算则将所提取连续谱特征向量转换成可用于比较的相似度数值ꎮ为简洁起见ꎬ下面通过分别描述这两个处理步骤的基本方法来阐述待分析㊁比较的连续谱相似度评估方法ꎮ２.１㊀连续谱特征提取、量化方法２.１.１㊀频带能量法频带能量法首先提取特定频带的能量ꎬ然后使用各窄带内能量的数值ꎬ构成表征宽带连续谱的特征值ꎮ例如１/３ｏｃｔ谱的频带声压级就是一种频带能量法的实现方式[１]ꎮ然而ꎬ频带能量法往往因为所使用特征值较多ꎬ在较好地反映宽带连续谱特征的同时ꎬ计算量大㊁计算时间长ꎮ为了兼顾精确性和计算量ꎬ考虑到船舶辐射噪声的连续谱在较高频段通常比较规则㊁对连续谱个性特征的贡献较小ꎬ本文从连续谱较低频段中ꎬ选择数个带宽相同的窄带ꎬ计算各带内声源级ꎬ作为进行相似度评估的特征向量ꎮ由于船舶辐射噪声宽带连续谱相似度评估的结果应当与信号强度无关ꎬ因此ꎬ本文在进行船舶辐射噪声宽带连续谱频带能量的相似度评估时ꎬ在上述相似度评估方法基础上ꎬ增加了减去最小谱级的预处理ꎬ以降低辐射噪声强度对相似度评估的影响ꎮ２.１.２㊀非线性多项式拟合法非线性多项式拟合法将船舶辐射噪声宽带连续谱作为非线性多项式函数曲线来处理ꎮ以频率为自变量ꎬ谱级为函数值ꎬ采用最小二乘曲线拟合方法ꎬ估计描述该曲线的非线性多项式的各特征参数[４]ꎮ这些特征参数构成用于相似度评估的特征向量ꎮ为了降低辐射噪声强度对相似度评估的影响ꎬ同样需要进行减去最小谱级的预处理ꎮ此外ꎬ由于船舶辐射噪声宽带连续谱的横坐标和纵坐标的量纲不同ꎬ数值差异较大ꎬ容易引起较大拟合误差ꎬ所以需要进行标度变换的预处理[３]ꎬ然后再进行特征参数提取ꎮ２.１.３㊀滤波器参数法滤波器参数法以船舶宽带连续谱频率和谱级的对应关系作为频率响应ꎬ设计ＦＩＲ滤波器ꎬ然后利用该ＦＩＲ滤波器的参数ꎬ构成用于评估船舶宽带连续谱相似度的特征向量ꎮ令ｆｓ为信号采样率ꎬ用于设计ＦＩＲ滤波器频率响应点包括:连续谱的谱峰频率ｆ０及其谱级ＳＬ０ꎻ在峰值频率ｆ０两侧ꎬ在[１ꎬｆ０)和(ｆ０ꎬｆｓ/２]两个区间内各自按照倍频程取样ꎬ分别得到频率值及其对应谱级ＳＬｋ㊁ＳＬｌꎮ按照该方法形成的滤波器ꎬ能够在计算效率较高的情况下ꎬ较好地反映原始船舶辐射噪声的连续谱分布及其音色特点[２]ꎮ而设计得到的ＦＩＲ滤波器的参数ꎬ就成为用于评估船舶辐射噪声宽带连续谱相似度的特征向量ꎮ２.２㊀相似度计算方法２.２.１㊀欧氏距离法欧氏距离法[１]是一种计算向量之间距离的常用方法ꎬ具体如下:ｄ(ｘꎬｙ)＝ðＮｉ＝１ｘｉ－ｙｉ２()１/２(１)欧氏距离的取值范围为[０ꎬɕ)ꎬ当两向量完全相同时为０ꎻ越不相同ꎬ取值越大ꎮ２.２.２㊀夹角余弦法夹角余弦法[１]用来度量两向量之间夹角的大小ꎬ具体如下:ｃｏｓ(ｘꎬｙ)＝ðｎｉ＝１ｘｉ ｙｉðｎｉ＝１ｘｉ２ ðｎｉ＝１ｙｉ２()１/２(２)夹角余弦的取值范围为[－１ꎬ１]ꎬ取值越大表明两向量越接近ꎻ值为１时ꎬ两向量方向完全相同ꎮ３㊀数据试验㊁结果及分析为了比较前述方法ꎬ本文使用同类型两艘不同船舶的实测航行辐射噪声信号进行了数据试验ꎬ并对结果进行了分析ꎮ船舶实测航行辐射噪声信号的采样率为２２０５０Ｈｚꎬ从两艘船舶的实测信号中各取１０段信号作为样本ꎬ每段信号时长１０ｓꎬ以便交叉进行相似度评估ꎮ首先对各样本进行连续谱估计ꎬ然后对得到的连续谱进行平滑处理ꎬ以消除随机性对连续谱特征分析的影响ꎮ图１是经过平滑处理的船舶１(左图)㊁船舶２(右图)各１０段信号所对应的宽带连续谱图ꎮ图２~图７为各评估方法得到的实验结果图ꎬ每幅图均由两个子图组成ꎬ左子图的两个曲面分别２５㊀描述船舶１㊁２信号之间㊁船舶１各段信号之间的相似度ꎬ右子图的两个曲面分别描述船舶１㊁２信号之间㊁船舶２各段信号之间的相似度ꎬ用于进行数值分析和对比ꎮ图１㊀两艘船舶实测信号的宽带噪声连续谱３.１㊀频带能量法试验及结果按照２.１.１节的方法ꎬ首先进行减去最小谱级的预处理ꎬ然后在３０００Ｈｚ以下频段ꎬ间隔２００Ｈｚ㊁带宽１００Ｈｚ计算频带能量ꎬ分别采用欧氏距离法和夹角余弦法计算船舶１各段信号之间㊁船舶２各段信号之间以及两船舶各段信号之间的相似度ꎮ将欧氏距离法计算的相似度数值除以频带数量ꎬ折算成窄带平均值ꎮ如图２所示ꎬ两船舶各段信号之间欧氏距离的散布范围为[２.５６４３４.５０３６]㊁平均值为３.７０３１ꎻ船舶１各段信号之间欧氏距离的散布范围为[０１.６８３３]㊁平均值为０.８９７６ꎻ船舶２各段信号之间欧氏距离的散布范围为[０１.８４８３]㊁平均值为０.９２５７ꎮ图２㊀频带能量－欧氏距离法相似度计算数值对比图３㊀频带能量－夹角余弦法相似度计算数值对比如图３所示ꎬ夹角余弦法计算得到的两船舶各段信号之间相似度数值的散布范围为[０.５３０１０.７３１９]㊁平均值为０.６３０４ꎻ船舶１各段信号之间夹角余弦的散布范围为[０.６４２７１.００００]㊁平均值为０.８９９８ꎻ船舶２各段信号之间夹角余弦的散布范围为[０.９８３１１.００００]㊁平均值为０.９９２５ꎮ３.２㊀非线性多项式拟合法试验及结果按照２.１.２节的方法ꎬ首先进行减去最小谱级的预处理ꎻ然后按照ｋＨｚ进行频率单位变换ꎬ谱级标度变换至[０９]ꎬ进行９阶非线性多项式拟合得到特征向量ꎻ最后分别采用欧氏距离法和夹角余弦法计算船舶１各段信号之间㊁船舶２各段信号之间以及两船舶各段信号之间的相似度ꎮ如图４所示ꎬ欧氏距离法计算得到的两船舶各段信号之间的相似度数值的散布范围为[５.６２７２２９.２７９１]㊁平均值为１５.０３９７ꎻ船舶１各段信号之间欧氏距离的散布范围为[０２１.８４１４]㊁平均值为８.１２６０ꎻ船舶２各段信号之间欧氏距离的散布范围为[０７.０３８９]㊁平均值为２.４９５４ꎮ图４㊀非线性多项式拟合－欧氏距离法相似度计算数值对比图５㊀非线性多项式拟合－夹角余弦法相似度计算数值对比如图５所示ꎬ夹角余弦法计算得到的两船舶各段信号之间相似度数值的散布范围为[０.２３４９２６㊀０.８７６２]㊁平均值为０.６４４４ꎻ船舶１各段信号之间夹角余弦的散布范围为[０.８５１１１.００００]㊁平均值为０.９６０８ꎻ船舶２各段信号之间夹角余弦的散布范围为[０.７９７７１.００００]㊁平均值为０.９６０１ꎮ３.３㊀滤波器参数法试验及结果按照２.１.３节的方法ꎬ根据船舶辐射噪声的宽带连续谱设计３２阶滤波器ꎬ并将滤波器参数作为特征值ꎬ分别采用欧氏距离法和夹角余弦法计算船舶１各段信号之间㊁船舶２各段信号之间以及两船舶各段信号之间的相似度ꎮ如图６所示ꎬ欧氏距离法计算得到的两船舶各段信号之间的相似度数值的散布范围为[０.１３３７０.３８８９]㊁平均值为０.２７８２ꎻ船舶１各段信号之间欧氏距离的散布范围为[００.２０５３]㊁平均值为０.０８５５ꎻ船舶２各段信号之间欧氏距离的散布范围为[００.０９１７]㊁平均值为０.０３０３ꎮ图６㊀滤波器参数－欧氏距离法相似度计算数值对比图７㊀滤波器参数－夹角余弦法相似度计算数值对比如图７所示ꎬ夹角余弦法计算得到的两船舶各段信号之间相似度数值的散布范围为[０.６０５４０.８７８４]㊁平均值为０.７３４８ꎻ船舶１各段信号之间夹角余弦的散布范围为[０.９５５８１.００００]㊁平均值为０.９８３２ꎻ船舶２各段信号之间夹角余弦的散布范围为[０.９７２２１.００００]㊁平均值为０.９９２１ꎮ３.４㊀试验结果分析依据试验结果ꎬ可得到如下数据分析结论:(１)频带能量法在采用欧氏距离法计算相似度时ꎬ不同目标的连续谱之间的相似度数值区间与相同目标的连续谱之间的相似度数值区间无重叠ꎬ所以比较容易确定用以划分连续谱是否相似的阈值ꎮ但在采用夹角余弦法计算相似度时ꎬ船舶１的连续谱之间的相似度数值区间与船舶１㊁２的连续谱之间的相似度数值区间存在重叠ꎬ因而不易确定用以划分连续谱是否相似的阈值ꎮ(２)非线性多项式拟合法无论是采用欧氏距离法还是夹角余弦法进行相似度计算时ꎬ船舶１的连续谱之间的相似度数值区间ꎬ船舶２的连续谱之间的相似度数值区间ꎬ与船舶１㊁２的连续谱之间的相似度数值区间ꎬ三者之间存在重叠ꎬ因而很难确定用以划分连续谱是否相似的阈值ꎮ(３)滤波器参数法在采用欧氏距离法计算相似度时ꎬ船舶１的连续谱之间的相似度数值区间与船舶１㊁２的连续谱之间的相似度数值区间存在重叠ꎬ因而不易确定用以划分连续谱是否相似的阈值ꎮ但在采用夹角余弦法计算相似度时ꎬ不同目标的连续谱之间的相似度数值区间与相同目标的连续谱之间的相似度数值区间无重叠ꎬ所以比较容易确定用以划分连续谱是否相似的阈值ꎮ４㊀结束语本文研究了船舶辐射噪声连续谱相似度评估方法ꎬ并对六种船舶辐射噪声连续谱相似度评估方法进行了算法实现及实测数据试验比较ꎮ根据试验的数据分析结果ꎬ可以得到如下结论:由滤波器参数法和夹角余弦法组合构成的方法㊁由频带能量法和欧氏距离法组合构成的方法ꎬ在确定船舶辐射噪声连续谱相似度评估的阈值方面具有优势ꎬ且前者由于所得相似度数值是归一化的ꎬ因而在相似度表示上更为自然ꎮ该分析结果可为船舶辐射噪声连续谱相似度评估的算法选用提供参考ꎮ参考文献:[１]张宇.舰船宽带连续谱特征监测技术[Ｊ].舰船科学技术ꎬ２０１１ꎬ３３(３):１０４－１０８.[２]郑援ꎬ胡成军ꎬ宋汝刚.船舶航行辐射噪声信号仿真方法研究[Ｊ].信号处理ꎬ２０１６ꎬ３２(１):１４－２０.[３]杨向锋ꎬ张效民ꎬ孙继红.舰船辐射噪声功率谱特征提取方法研究[Ｊ].鱼雷技术ꎬ２００６ꎬ１４(１):３５－３８.[４]曾庆军ꎬ王菲ꎬ黄国建.基于连续谱特征提取的被动声纳目标识别技术[Ｊ].上海交通大学学报ꎬ２００１ꎬ３６(３):３８２－３８６.[５]高光磊.舰船辐射噪声连续谱特征提取方法研究[Ｊ].舰船科学技术ꎬ２０１０ꎬ３２(７):８１－８４.作者简介:㊀㊀郑㊀援(１９７３ )ꎬ工学博士ꎬ教授ꎬ主研水声信号处理ꎻ㊀㊀姜㊀斌(１９７９ )ꎬ工学硕士ꎬ工程师ꎬ主研水声工程ꎮ责任编辑:辛美玉收稿日期:２０１８－０９－２６。
【装备】说说舰船辐射噪声源及其一...
【装备】说说舰船辐射噪声源及其一...大概很多人都不了解舰船的辐射噪声是什么原因造成的，但是舰船的噪声水平是舰船特别重要的指标，就行人们生活中的汽车噪声水平一样，大量舰船辐射噪声资料表明，舰船辐射噪声源分为三大类：机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声，机械噪声：主机（柴油机、主电动机、减速器）辅机（发电机、泵、空调设备）螺旋桨噪声：螺旋桨上或其附近的空化螺旋桨引起的舰壳共振水动力噪声：水流辐射噪声空腔、板和附件的共振在支柱和附件上的空化机械噪声机械噪声指的是航行或作业舰船上的各种机械的振动，通过船体向水中辐射而形成的噪声。
根据舰上各种机械产生噪声的机理，又可将机械噪声分为五类，如不平衡的旋转部件，重复的不连续性，如齿轮、电枢槽、涡轮机叶片等工作时产生的噪声。
由于各机械结构的运动形式不同，它们产生的水下辐射噪声的机理和性质也就不同，一般说来机械噪声是舰船辐射噪声低频段的主要成分。
螺旋桨噪声螺旋桨也是机械，但产生噪声的机理和所产生噪声的频段不同于上述的机械噪声，所以将螺旋桨噪声单独列出，螺旋桨噪声是由旋转着的螺旋桨叶片与流体相互作用所产生的噪声，它由螺旋桨空化噪声、唱音和螺旋桨叶片速率谱噪声组成，这三种噪声产生的机理不同，其特性也不同。
空化噪声螺旋桨在水中旋转时，当转速达到一定值时，叶片末端和表面会产生负压区，当负压达到足够高时，就会产生气泡，这种现象称之为空化，空化产生的气泡破裂时会发出尖的声脉冲，大量气泡破裂产生的噪声是一种很响的咝咝声，即所谓的空化噪声。
这种噪声往往是舰船辐射噪声高频段的主要成分。
空化现象只在舰船达到一定航速时才会产生，此时，船的高频辐射噪声突然增大，这个航速称为舰船临界航速，二战时期，研究人员曾对航行在潜望镜深度的潜艇进行过测量，根据大量研究数据得出了螺旋桨空化噪声与航速间的关系，临界航速在3~5节之间。
航速低于临界航速时，此时基本不会出现空化现象，因此空化噪声级很低，一旦航速大于临界航速，空化就骤然发生，所以空化噪声就急剧增大，增值可达20~50dB，当航速继续增加时，由于空化已经很充分，基本达到了饱和，所以空化噪声渐趋平稳。
船舶辐射噪声信号仿真及评价
的要求。对船舶辐射噪声仿真信号进行评价，是调整仿真参数和判定仿真信号是否达到要求的必要步骤。该
文给出了一套对实测船舶辐射噪声信号进行重构仿真及评价的方法，仿真过程考虑了信号的听觉、连续谱、调
制谱和线谱特征，评价方法对各特征进行指标提取和量化，并通过实测与仿真信号之间的相似度计算评价仿
真信号的仿真度。对实测船舶辐射噪声信号进行重构仿真的试验结果显示，仿真信号具有较高的特征仿真度，
船舶辐射噪声信号的仿真主要进行时域上的 信号处理，通过增量式的仿真过程，逐步实现所需信 号特征；而船舶辐射噪声仿真信号的评价，利用各种 谱分析技术提取评价指标并进行量化计算，则是常 用的手段 [2−4]。此外，人耳的听觉感受作为船舶辐 射噪声的重要特征之一 [5−7]，在信号仿真时用于调 整调制深度等不易体现在谱特征中、但对听测逼真 度有较大影响的特征参数；在评价仿真信号时，则以 听觉特征参数的形式影响仿真度的计算结果。
第 38 卷 第 4 期 2019 年 7 月
⋄ 李启虎院士八十华诞学术论文 ⋄
Journal of Applied Acoustics
Vol. 38, No. 4 July, 2019
船舶辐射噪声信号仿真及评价
郑 援† 李智忠 姜 斌 孙 斌
(海军潜艇应尽可能多地仿真特定船舶辐射噪声的信号特征，达到具体应用对信号仿真度
ZHENG Yuan LI Zhizhong JIANG Bin SUN Bin
(Navy Submarine Academy, Qingdao 266199, China)
Abstract Simulation of ship radiated noise signals should exhibit the specified ship radiated noise signals’ features as far as possible in order to meet the fidelity requirement of applications. Evaluation of the simulated ship radiated noise signals is necessary for the correction of simulation parameters and determination if the simulated signals have met the qualification. A method is proposed to reconstruct signals from measured ship radiated noise signals and then evaluate its fidelity. The simulation procedure synthesizes the auditory, continuous spectrum, line spectrum and demodulation spectrum features of the ship radiated noise signals. The evaluation method extracts and quantifies indices of features mentioned above, and evaluates the fidelity of the simulated noise signals by computing the similarity between the measured and simulated noise signals. Experiments are conducted to evaluate the feasibility and validity of this method with measured ship radiated noise signals. The results show that the reconstructed signals are of high simulation fidelity, which is coincident with the evaluated fidelity value. Key words Ship radiated noise signal, Simulation, Evaluation, Spectrum feature
潜艇辐射噪声的特征、强度描述方法以及一些误区
潜艇辐射噪声的特征、强度描述方法以及一些误区导读经常听大家在讨论潜艇噪声啊，那么潜艇噪声到底是什么样的，以及水声学专业上如何描述潜艇噪声强度的呢？下面我打算用尽量通俗的语言来略微讲解一下，希望不要太枯燥。
首先需要了解的基本名词和解释，如果你想真正看懂本文最好仔细看这几个名词，在谈到潜艇噪声的时候这几个名词会经常出现——当然对电子与信息工程、通信工程、雷达这种相关工程的亲以及我的同行水声工程出身的亲这几个名词可以忽略不看吧。
1、名词：(1)时域、频域：描述信号的空间，通俗的说时域就是信号的波形，频域就是信号波形经傅立叶变换后的形态。
除此之外，信号还可以经过不同变换在不同的信号空间内被描述，不过一般对信号的描述都在时域或频域空间内进行，其他各种域基本都是为了提取信号用的。
(2)带宽：信号在频域上的宽度，一般有3dB带宽，6dB带宽以及10dB 带宽多种，是指信号在频率上的能量下降到中心频率能量3dB(6,10)之内的频点间的宽度——必须注意这和搞电脑或者网络的带宽定义不同，网络的带宽在水声对应的称呼是信道最大容量。
(3)宽带、窄带：宽带是指带宽远大于频率下限的信号，而窄带一般是指带宽远小于频率下限的信号。
(4)线谱：简单而不严格的说，线谱就是单一频率的信号——实际上带宽极窄的信号也可以被称为线谱。
(5)调制谱：信号(宽带、窄带或线谱)因螺旋桨转动或其他因素将转动的能量周期性的乘到信号上，从时域上看是信号的包络，是一种幅度调制，和收音机的AM类似。
(6)谱级、频带级、总源级：这些都是描述声强度的量，谱级是指单一谱线(可以认为是1Hz带宽上)的信号强度，频带级是指某个给定带宽上信号的总强度，总源级是指信号的总强度。
对于没有频谱是平的白噪声而言，B带宽内的频带级是谱级加上10logB(7)倍频程：倍频程是频带划分的一种方式，如果F1/F2=2则称F1和F2之间是一倍频程，用OCT表示。
如果F1/F2=2^1/3则称F1和F2之间是三分之一倍频程，用1/3OCT表示。
船舶航行辐射噪声的主动控制方法研究
Ｖｏ １ ． ２ ９ Ｎｏ ． ９
Ｓ ｅ ｐ．２ ０１ ３
船 舶 航行 辐 射 噪声 的主 动控 制方 法研 究
郑 援 胡成军 赵 汉波
ｓ ｅ ｌ ｉ ｓ ｎ ａ ｖ ｉ ｇ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ ｉ ｎ ｃ ｅ ｒ ｔ ｉｎ ａ ｒ ｅ ｇ ｉ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ａ ｃ ｔ ｉ ｖ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｓ ｅ ｃ ｏ ｎ ｄ ａ ｒ ｙ ｎ ｏ ｉ ｓ ｅ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ ｄ ｏ ｃ ａ ｎ ｃ ｅ ｌ ｓ ｏ ｍｅ ｎ ｏ ｉ ｓ ｅ ｓ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｃ ｅ ｉ ｖ ｅ ｒ ．Ｂ ｅ ｓ ｉ ｄ ｅ ｓ ，ｔ ｈ ｅ
Ｚ Ｈ Ｅ Ｎ Ｇ Ｙ ｕ ａ ｎ ＨＵ Ｃ ｈ ｅ ｎ ｇ — ｊ ｕ ｎ Ｚ Ｈ Ａ ０ Ｈ ａ ｎ — ｂ ｏ
（ Ｎ ａ ｖ ｙ ｓ ｕ ｂ ｍ ａ ｉ ｒ ｎ ｅ ａ ｃ ａ ｄ ｅ ｍ ｙ ， Ｑ ｉ ｎ ｇ ｄ ａ ｏ ２ ６ ６ ０ ４ ２ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
关键词 ：船舶航行噪声 ；低频线谱 ；有源噪声控制
中 图分 类 号 ：Ｔ Ｎ ９ １ １ ． ７ ２ Ｔ Ｂ ５ ６ 文 献标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１ ０ ０ ３ — ０ ５ ３ ０ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ９ — １ ２ ０ ０ － ０ ６
Ｏｎ ｔ ｈ ｅ Ａｃ ｔ ｉ ｖ ｅ Ｃｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｖｅ ｓ ｓ ｅ ｌ Ｎａ ｖ ｉ ｇ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｎｏ ｉ ｓ ｅ ｓ
ｍｅ ｎ ｔ ｓ ａ ｒ ｅ ｔ ｈ ｅ ｎ ｃ ｏ ｎ ｄ ｕ ｃ ｔ ｅ ｄ ｗ ｉ ｔ ｈ ｖ ａ ｒ ｉ ｏ ｕ ｓ ｌ ｏ ｗ ｆ ｒ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｙ ｌ ｉ ｎ ｅ ａ ｒ ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ｕ ｍ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｌ ｓ ａ ｓ ｉ ｎ ｐ ｕ ｔ ｓ ．Ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗ ｔ ｈ ａ ｔ ｗ ｈ ｅ ｎ ｙ ｅ ｓ －
噪声调频信号及调频指数对功率谱的影响.
噪声调频信号及调频指数对功率谱的影响Effect of noise FM jamming and modulation index onthe signal power spectrum摘要：本论文主要用仿真实验软件maltalb探究了噪声调频信号的调制解调原理，运用了通信原理中的相关知识，深刻理解了调频信号的关键知识点，就是调频信号的调制原理及过程，再者是调制信号时高斯白噪声时，系统的输出及功率谱。
在改变调制指数时，功率谱的相关变化。
Abstract: This paper is mainly used simulation software maltalb explores the noise FM signal modulation and demodulation principle, the use of a communication principle of knowledge, a deep understanding of the key knowledge points FM signal is frequency modulated signal modulation principle and process, and then modulated signal by a Gaussian white noise, the system output and the power spectrum. Changing the modulation index, the power spectrum related changes关键词：噪声调频，调制指数功率谱Keywords: Noise FM modulation index power spectrum引言：调制在通信系统中具有十分重要的作用。
一方面，通过调制可以把基带信号的频谱搬移到所希望的位置上去，从而将调制信号转换成适合于信道传输或便于信道多路复用的已调信号。
船舶辐射噪声限值
船舶辐射噪声限值船舶辐射噪声是指船舶运行过程中产生的噪声辐射到周围环境中的现象。
船舶在运行时会产生各种噪声，如发动机噪声、螺旋桨噪声、船体振动噪声等。
这些噪声不仅会对船员的健康造成影响，还会扰乱海洋生态系统和居民生活。
因此，船舶辐射噪声限值的制定非常重要。
船舶辐射噪声限值的制定主要是为了保护海洋生态环境和人类健康。
根据国际海事组织（IMO）的规定，船舶在设计和建造过程中需要符合一定的噪声限值要求。
这些限值要求会根据船舶类型、航行区域和船舶用途的不同而有所差异。
船舶辐射噪声限值对于商船和客船来说非常重要。
商船和客船通常在近海和沿海地区进行运输和旅游活动，其船舶辐射噪声对周围环境和居民的影响较大。
因此，国际海事组织对商船和客船的辐射噪声限值要求较为严格。
商船和客船的噪声限值通常通过噪声级别和频率谱密度来衡量，要求船舶在特定频率范围内的噪声级别不得超过规定的限值。
船舶辐射噪声限值对于渔船和研究船也是必要的。
渔船在捕鱼作业过程中会使用各种机械设备，如渔网机、拖网机等，这些设备会产生噪声，对鱼类和其他海洋生物造成干扰。
因此，渔船的辐射噪声限值要求也比较严格。
研究船在海洋科学研究过程中也需要进行噪声测量和分析，以评估船舶对研究结果产生的影响。
船舶辐射噪声限值对于军舰和海警船也具有重要意义。
军舰和海警船通常在执行特殊任务时需要保持较高的隐身性能，而噪声是影响船舶隐身性能的重要因素之一。
因此，军舰和海警船的辐射噪声限值要求相对较低，以确保船舶在执行任务时不会被敌方侦测到。
船舶辐射噪声限值的制定需要综合考虑船舶设计、建造和运行的各个方面。
船舶设计时需要采用吸声材料和减振措施来降低噪声辐射。
船舶建造时需要进行噪声测试和验证，确保船舶符合噪声限值要求。
船舶运行时需要进行定期的噪声监测和管理，以确保船舶在运行过程中不会超过规定的噪声限值。
船舶辐射噪声限值的制定对于保护海洋生态环境和人类健康非常重要。
通过制定合理的噪声限值，可以有效控制船舶的辐射噪声，减少对海洋生态系统和居民生活的影响。
11∕2维谱在舰船辐射噪声线谱提取中的应用
11∕2维谱在舰船辐射噪声线谱提取中的应用辐射噪声是指由水下舰船、潜艇、海洋平台等机械设备产生的声源在水中的传播和空气中的辐射引起的噪声。
在海洋战争和海洋资源开发中，辐射噪声是一种重要的信息来源。
然而，如何有效地提取海洋中的辐射噪声频谱信息是一个挑战。
11∕2维谱是一种二维频谱分析方法，可以有效地提取复杂的频谱信息。
在舰船辐射噪声线谱提取中的应用，11∕2维谱可以用来对舰船辐射噪声进行频谱分析，并提供更全面的信息。
首先，舰船辐射噪声具有复杂的频谱特征。
传统的频谱分析方法往往只能提取部分频谱信息，不能全面反映辐射噪声的频谱特征。
11∕2维谱可以通过将时间和频率同时考虑，在二维平面上展示频谱信息，可以更全面地展现舰船辐射噪声的频谱特征。
其次，11∕2维谱可以有效降低信号噪声比（SNR）。
在舰船辐射噪声的频谱分析中，由于海洋环境复杂，辐射噪声受到水声传播和空气传播等多种因素的影响，使得辐射噪声的SNR较低。
传统的频谱分析方法往往需要高SNR才能有效提取频谱信息。
但是11∕2维谱可以通过对时间和频率的两个维度同时进行计算，在其展示的频谱信息中对信号和噪声进行区分，有效提取辐射噪声的频谱信息，从而提高分析的准确度。
最后，11∕2维谱可以有效应用于频谱特征分析和信号分类。
在舰船辐射噪声中，存在不同的频谱特征和信号类型。
11∕2维谱可以有效提取这些特征信息，并将其展示在二维平面上。
这为后续频谱特征分析和信号分类提供了有效的支持。
综上所述，11∕2维谱在舰船辐射噪声线谱提取中具有广泛的应用前景。
11∕2维谱可以提取更全面的频谱信息、降低信号噪声比、并有效应用于频谱特征分析和信号分类。
通过将11∕2维谱应用于舰船辐射噪声分析中，可以更深刻地认识舰船辐射噪声的特征和规律，并为海洋战争和海洋资源开发提供更准确的信息支持。
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设 ｓ ｆ的 频 域形 式 为 （ ） 则 （ ） 看 作 一 个 复 高 （） ， 可
：２ ．ｇ Ｖ２ Ｔ ０ １（ 一 ） Ｂ
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收 稿 日期 ：００—１ ３ ２１ ０— ０ 作 者 简 介 ： 建 波 （９ ６ ） 男 ， 士 研 究 生 ， 刘 １ ８一 ， 硕 主要 从 事 水 声 装 备 技 术 及 应 用 研 究 。
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（ ３ ）
由于舰船 螺旋 桨主轴 角频率 。与其 带宽相 比是小 量 ， 于 对
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般 来 说 辐 射 噪声 调 制 度 都 较 小 ， 忽 略 式 （ ） 的交 叉 乘 故 ３中
（） 则 １ Ｆ（ ） ＝ （） Ｔｓ ） ＋∑。 （ ｉ ） 一ｗ ＋ ［ 。
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这个模 型虽然能 简单直观 地展示 调制谱 谐波信 号产生 的机理 ， 却和实际情况有很大的差别 。因为辐 射噪声 中的 但 被调制信号并不是简单 的正余 弦信号 ， 而是一个 复杂的随机
刘 建波 ， ： 船 辐射 噪 声调 制度 对调 制谱 的 影响 等 舰
９ ７
当 带 通 滤 波 器 的输 出信 噪 比 为 Ｓ Ｒ 时 ， 制 谱 中谐 波 信号 信 Ｎ 调
２ 背 景 噪声 影 响
上述分析没有 考虑 噪声 的影 响 ， 事实 上 ， 纳接 收 到 的 声
信 号 不 可 避 免 地 存 在 背 景 噪 声 和 舰 船 辐 射 信 号 。 对 噪 声 的
幅度 的异常情况口 。文献 ［ ］ １ 中指 出可将 舰船 辐射 噪声 看
作 高 斯 过 程 ； 献 ［ ］ 对 调 制 系 数分 析 的基 础 上 ， 立 了 舰 文 ２在 建 船 辐 射 噪 声 的 调 制 谱模 型
由 于 Ｓ ｔ为 宽 带 高 斯 噪 卢 ， ｔ≠Ｏ时 （） 当 Ｏ
（ ）＝ Ｉ ｓ ）－ｔ ∞ （ ｇ￣ ｔ ）ｄ
（ ） ＝ （ ） ∞ （ ）
关重要的作用。舰 船辐射 噪声 的调 制谱 与舰船螺 旋桨转 速
以 及 叶 片 数 有 紧 密 的联 系 ， 模 型 可 以简 单 表 示 为 … 其
ｓ ￡ ＝ ㈨ ｆ ＋ ｉ （ｏ ） ） ｃ （ ∑ａｉ ｉ ｔ （ １ ｓ ｇ） ｎｏ
第３ ２卷
第 ２期
四 川 兵 工 学 报
２１ ０ １年 ２月
【 其他研究】
舰 船 辐 射 噪 声 调 制 度 对 调 制 谱 的 影 响
刘建波 ， 树平 ， 立 国 韩 刘
（ 军潜 艇 学 院 ， 海 山东 青 岛 ２ ６７ ） ６ ０ １
摘要： 基于调制谱理论和舰船辐射噪声是高斯过程 的假 定 ， 把调制谱谐 波信号 与非谐波分 量分别 当作信号与 噪声 ， 定量地讨论 了调制系数与调 制谱谐波信号信噪 比的关系 ， 分析 了背景噪声对调制谱 谐波信号信 噪比的影响 。
由于 Ｓｔ是 宽带 高斯过 程 ， （） 假设其 带宽为 Ｂ， 采样 时长 为 ， 当 ２ Ｔ＞Ｉ时 ， 据 中心 极限定 理 ， （ ） 则 Ｂ＞ 根 服从 高斯
分 布
ｓ ￡ ＝ｓ ｆ １ ２ ｓｉ ｔ＋ （ ） ） ＋ ∑ａ Ｉ ｏ （（ ｃ ｗｌ ｏ ∑ ∑。 Ｏ ｉ 。 ｏ ） Ｃ ［ ｏｃ （ ｔ Ｓｗ 】 ｓ ）
影响进行分析是必须 的 ， 定经带通 滤波后的背景噪声 Ｉ ｔ 假 ｔ ） （
噪 比如 下
２ ｌ ０ ｇ
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（８ １）
与 （） 关 且 信 噪 比为 Ｓ Ｒ， 波 后 的 信 号 如 下 ｔ无 Ｎ 滤
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（） ４
于是 可得 调 制 谱 中各 谐 波 信 号 的 信 噪 比为 ２ ｌ ０ ｇ
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量 ， 谐波信号的信噪比可表示为 则
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些
（ ７ ）
调 制谱 提 取 分 析
提取调制谱的方法 有很 多， 为方便 理论 分析 ， 这里 采用
乎 方 滤 波 法 进 行 提取 。将 ｓ ￡作 平 方 得 （）
关 键 词 ： 船 辐 射 噪声 ； 制谱 舰 调
中 图分 类 号 ：４ ７ ４ ０ ２ ． 文 献标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０６— ７７ ２ １ ）２～ ０ ６一 ２ １０ ０ ０ （０ １ ０ ０ ９ Ｏ
舰 船 辐 射 噪 声 的 调 制 谱 分 析 在 舰 船 目标 识 别 中有 着 至
过程 信 号 ； 同时 这 样 简 单 的模 型 不 能 解 释 调 制 谱 谐 波 簇 相 对
（） ５
Ｆ（ ） ～ ＝ ） ∑ａ Ｆ（ 一 ∞） Ｔｓ Ｉ 。 Ｆ 。 ＋ ｋ 。 ＋ （ Ｉ 。
（ｇ 。 ］一 ａＦ （ ）＋ （ 。 ｉ。＋ ｏ ） ｉ ０ ） （） ６
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Ｊ 一
（） ２
从式 （ ） ６ 可以看 出， 调制谱 在第 ｉ 阶谐 波频率 处有 明显
其中 ：（） Ｓｔ为高斯过程 ； 为螺旋桨主轴的角频率 ； 。 ａ 为调 制 系数。调制系数与叶片数 、 螺旋桨单 叶片的空化噪声模型有 关， 详细的分析可参考文献 ［ ］ ２。