2024, Vol. 46
作为舰船水下声学信号特征，噪声线谱具有重要的地位[1]，是声纹特征的重要组成部分，它不仅能量高传播远，而且携带重要的信息，是进行识别的重要依据。机械系统产生的线谱是水下噪声线谱中最为重要的组成部分，其频率稳定、强度高。检测线谱的常用工具是功率谱分析，若将线谱的频率进行时变展宽（称之为展频运行），则有望使线谱检测的功率谱分析失配，降低线谱信噪比，提高舰艇的隐蔽性能。
实现展频运行的物理基础是将变频器引入到电动机械系统的运行中。本文在仿真分析的基础上，以常见的船用离心泵为例进行试验研究。
1 研究现状展频技术源于第二次世界大战中的军事通信，是一种抗干扰通信技术，其目的是希望在恶劣的战争环境中能够保持通信信号的稳定性和保密性，目前已经被广泛应用于民用通信系统，哈尔滨工业大学、西北工业大学、国防科技大学、中国电子科技集团公司等国内相关高校和单位均有深入研究，并取得了突出的成果。而船用机械系统展频运行则是基于机械系统运行的固有特点，借鉴通信系统展频运行的工作原理，采用变频器实现机械设备运行时周期性或随机性、连续性或离散性的激励频率变化，将机械系统运行时的单一激励频率扩展为在一定带宽内可变的激励频率，该技术在机械系统线谱噪声控制中的应用尚处于起步阶段，对舰艇隐蔽性能的改善效果还需结合探测技术的发展综合分析。
2 方法原理及仿真高斯白噪声背景下，最大输出信噪比准则的最优滤波器是匹配滤波器[2]。在有源探测或通信情况下，信号波形确知，可以进行匹配滤波。无源声呐情况下，目标的噪声信号一般难以确知。噪声线谱的波形表现为单频信号形式，而基于傅里叶变化的功率谱估计实现了单频信号的匹配滤波。当分析带宽一定的情况下，线谱检测增益（10 logT）高于普通的宽带能量检测（5 logT）。为了实现噪声功率谱检测的失配，降低线谱检测增益，对机械设备进行展频运行，当运行频率展宽为W后，分辨率细化为ΔW后其量级比1 Hz带宽时峰值量级降低10 log（W/ΔW）。展频运行策略流程图见图1，主要包括中心运行频率确定模块、随机展频参数确定模块、展频信号发生器、变频器、电动机、泵、风机及其它转子、用户等。中心运行频率确定模块根据用户需求判断泵、风机和转子等设备需要的运行轴频，称之为中心运行频率，在该频率附近运行能够满足用户的功能需求。随机展频参数确定模块根据中心运行频率生成时变的、以轴频为中心的、难以截获的频率特性的展频参数，并输送给展频信号发生器。展频信号发生器据以生成展频信号，并输送给变频器。变频器根据展频信号发出相应频率特性的调节电压和电流，驱动电动机。电动机拖动泵、风机或其他转子，实现输送工作介质或推进。用户利用泵、风机或其他转子的作用来实现自身的功能，并将需求反馈给中心运行频率确定模块。
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图 1 机械系统展频运行策略流程 Fig. 1 Spectrum expansion strategy of mechanical system |
对展频运行策略进行仿真，不失一般性，采用线性调频的方式进行展频，中心频率为20 Hz，展开带宽约为10 Hz，仿真结果见图2。可见在展频运行后，线谱的量级下降，谱特征钝化。
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图 2 以20 Hz为中心的展频运行前后功率谱对比 Fig. 2 Power spectrum comparison before and after spectrum expansion centered on 20 Hz |
对某船用离心泵进行展频运转，测量其机脚振动信号。该泵为4级泵，每级8个叶片。泵与基座间进行弹性减振安装。泵连接变频器进行驱动，手动调节变频器的输出频率，轴频中心频率为20 Hz。工况表如表1所示。
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表 1 工况表（振动信号均记录120 s） Tab.1 Working condition table (vibration signals are recorded for 120 seconds) |
由于轴频的展频带宽只有1 Hz，机脚振动信号在时频图上的变化不明显，给出机脚振动信号叶频附近的时频图，如图3所示。图中频率分辨率为1 Hz，叶频中心频率为160 Hz。可见从工况1～工况4叶频处线谱及其他线谱随着展频周期的变短逐渐模糊，工况4时200 Hz处的线谱已经基本不可观察。这定性说明了展频运行对弱化线谱的有效性，也说明这一类船用离心泵运行能够适应变频器的快速变频，展频技术工程可行。
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图 3 机脚振动信号（叶频附近）时频图 Fig. 3 Time frequency diagram of foot vibration signal ( near leaf frequency ) |
为了表征机脚振动能量在各个频段上的分布，图4给出机脚振动的1/3倍频程曲线。表2给出了轴频、2倍轴频和叶频所在1/3倍频程的值。轴频20 Hz的带级在工况2～工况4较基准工况1有所降低，最大降低1.4 dB。2倍轴频40 Hz的带级在工况2～工况4较基准工况有所升高，最大升高1.5 dB。叶频160 Hz的带级在工况2～工况4较基准工况有所降低，最大降低0.5 dB。总体看来，5～315 Hz的低频段振动，不同工况振动变化较小，可以认为其低频振动能量较为稳定，展频运行对性能影响小。以工况1和工况4作为典型工况进行线谱和调制谱对比分析。
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图 4 机脚振动的1/3倍频程数据 Fig. 4 1/3 octave data of foot vibration |
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表 2 轴频、2倍轴频和叶频所在1/3倍频程机脚振动数据对比 dB（1 μm/s2） Tab.2 Comparison of vibration data of the foot at 1/3 octave of shaft frequency, twice shaft frequency and leaf frequency dB (1 μm/s2) |
图5给出了1 Hz分辨率下机脚振动信号的低频功率谱。可见1 Hz分辨率下工况4较工况1在轴频和2倍轴频处变化较小，但是叶频处有一定幅度的降低。与工况1相比，工况4的轴频、2倍轴频和叶频分别有1.2、0.5和7.0 dB的降低。比叶频更高频率处的多根线谱在工况4已经变成了连续谱，说明即便轴频只展宽1 Hz，其对高频线谱峰值的弱化效果仍旧可观。
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图 5 分辨率1 Hz时低频线谱图 Fig. 5 Low frequency line spectrogram with resolution of 1 Hz |
图6给出了0.1 Hz分辨率下机脚振动信号的低频功率谱。与工况1相比，工况4的轴频、2倍轴频和叶频分别有7.7、7.3和15.3 dB的降低。说明随着谱分析分辨率的细化，展频运行对线谱峰值的弱化效果进一步提升。
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图 6 分辨率0.1 Hz时低频线谱图 Fig. 6 Low frequency line spectrogram with resolution of 0.1 Hz |
调制谱是舰船目标识别中另一类重要的特征。不仅推进器能够产生调制谱[1]，泵类设备也能够产生调制谱。对试验中采集到的5 Hz～10 kHz频段内机脚加速度信号进行绝对值解调，得到不同分辨率下的调制谱，见图7和图8。从图7可以看出，展频过后，调制谱中轴频20 Hz的幅值及其2倍和3倍谐波幅值有所增加，轴频的4阶谐波幅值有所降低。分析认为在展频过程中泵的流体介质处于非稳态，加剧了调制深度[3]。从图8可以看出，分辨率为0.1 Hz时，展频后调制谱中轴频及其谐波量级均有不同程度的降低，其中轴频20 Hz量级有2.7 dB的降低，说明尽管展频后调制深度有所加剧，但调制谱中轴频带宽展宽，峰值得到了降低，有利于对抗对手调制谱细化分析技术。
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图 7 分辨率1 Hz时调制谱图（纵坐标为相对量） Fig. 7 Modulation spectrogram at 1 Hz resolution (ordinate is relative) |
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图 8 分辨率0.1 Hz时调制谱图（纵坐标为相对量） Fig. 8 Modulation spectrogram at 0.1 Hz resolution (ordinate is relative) |
为了降低线船用机械系统的线谱噪声量级，本文提出了展频运行策略。仿真分析和船用离心泵台架试验证明，展频技术工程可行。展频运行策略使细化谱分析提高信噪比的方法失配，达到了降低水下声纹特征的目的。展频运行策略对宽带能量的影响小，但能够降低线谱峰值，可作为常规减振降噪技术的一个有益补充。具体效果视展频情况和细化谱分辨率而定，在本文研究中降低叶频峰值的效果在7～15 dB。
对泵调制谱的分析表明，展频运行可能增加调制谱的调制深度，对泵的调制谱轴频特征在1 Hz分辨率时有不利影响，但调制谱轴频特征在0.1 Hz分辨率时仍有2.7 dB的降低。在展宽低频线谱带宽的同时，控制调制谱的调制深度是展频技术需要进一步研究的课题之一。
| [1] |
程玉胜, 李智忠, 邱家兴. 水下目标识别[M]. 北京: 科学出版社, 2018: 6-9.
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| [2] |
鞠德航, 林可祥, 陈捷. 信号检测理论导论[M]. 北京: 科学出版社, 1977: 107-108.
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| [3] |
凌青, 宋文华, 赵春梅, 等. 浅海信道中舰船辐射噪声包络线谱传播特性[J]. 中国科学:物理学 力学 天文学, 2014, 44: 134-141. |