科普贴：潜艇辐射噪声的一般特征和水声学上噪声强度描述 ...

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。一般来说用1/3倍频程的场合比较多，单位频段内（如1Hz—10Hz）1/3倍频程的中心频率为：1，1.25，1.6，2，2.5，3.15，4，5，6.3，8，10。


2、潜艇噪声的一般特征：

潜艇噪声是指在远场（可以认为是大于10倍艇长之外的区域）所测得的潜艇辐射噪声，是潜艇流体噪声、螺旋桨噪声、机械噪声在远场的综合，其包含了潜艇的大量信息，是其他平台被动声纳探测潜艇的源泉，也会影响本潜艇平台声纳的工作。潜艇噪声的一般特征可以在频域上描述，如图1所示，在频域上潜艇噪声包含线谱分量和宽带谱分量。此外，潜艇噪声的时域波形具有周期起伏的包络特性，也就是调制谱分量。


（1）宽带谱分量
宽带谱分量的强度在低频段一般是随着频率增加而增加或基本保持不变的，在高于某一频率后（一般是几百Hz，这一频率我们称其为潜艇宽带谱的拐点频率)，宽带谱强度随着频率增高程下降的趋势，大量的数据表明这个平均下降的的趋势是-6dB/OCT，这个斜率是可变的，随着潜艇不同或工况的不同而不同，但一般范围是-4—-10dB之间。
（2）线谱分量
线谱分量的强度一般高于宽带谱几分贝到数十分贝，较强的线谱分布在较低的频段，一般到了几百或1kHz以上的频段不会再出现任何线谱了。线谱之间在频率上具有谐波的关系，就是某几条线谱频率具有相同的最大公约数，这是由于这几条线谱是有同一个转动部件产生的缘故，对于具有谐波关系的一组线谱我们称呼其为线谱镞，一艘潜艇的辐射噪声中可能存在多组线谱镞，另外还有孤立于各线谱镞的独立线谱存在。
（3）调制谱分量
调制谱分量是通过对噪声时域波形进行幅度解调而得到的，解调的过程一般是对信号进行带通滤波，然后进取绝对值后进行低通滤波，再进行傅立叶变换得到的。调制谱分量也会呈现出多条调制谱具有谐波关系这种现象，但一般只有一组，是潜艇螺旋桨转动调制到线谱或宽带谱上的，调制谱分量对噪声强度的影响并不大，但是确实潜艇噪声识别的重要特征。


3、潜艇噪声强度的描述方法：
在给定的工况、航速和潜深条件下，潜艇噪声强度就是用名词解释第6条的三种“级”来描述的。一般所谓给定的工况各国、各型潜艇都是不尽相同的，但原则都是潜艇战术航速的上限，这个上限一般是指采取静音手段（如常规潜艇用电池供电而不启动柴油机或API发动机，核潜艇采用自然循环方式）情况下，潜艇噪声不发生突发性增大，同时考虑续航力最优化的航速。对于常规潜艇这个航速一般是4——8节，对于核潜艇来说大于10kn。（这个航速对核潜艇的限制在于噪声，对于常规潜艇是综合考虑了噪声和续航）
潜艇噪声强度一般是将远场测的的辐射噪声强度折算到距离潜艇1m处的声强。这个定义是国际通用标准，是国际标准化组织推荐的定义并已经为各国水声界所认同了，当然以前比如美帝或牛牛有采用折算到1码或20码处这种冷艳高贵的算法，如果现在再提就不是神马贵族范而是有股腐尸的味道了（呕）。

（1）潜艇噪声的谱级描述
一般采用1kHz作为基准频率点来表示谱级，写做：xxxdB@1kHz，但也有采用宽带谱拐点频率来作为噪声谱级基准频率的。这种方法简单易于比较，所以一般杂志和报道中看到的说某某型潜艇噪声是XXdB都基本是这种说法。
（2）潜艇噪声的频带级描述
一般采用xxxdB@（aHz~bHz）这种表达方式，这种方式一般用来描述对于潜艇性能具有非常重要参考意义的频段的噪声强度。比如潜艇线谱集中的频段，或潜艇低频频段（即图1中最大值之前的区域）。如果用来描述潜艇低频频段，再加上对潜艇高频段宽带噪声斜率的描述就可以比较完整的呈现一艘潜艇噪声的特征了。例如：春潮级潜艇噪声在8kn条件下200Hz以下频带级148dB，200Hz以上-6dB/OCT。（数据是我瞎编的哦，亲！）
（3）潜艇噪声的总声级描述
潜艇噪声的总声级是将各个频带能量相加后的总源级，但是由于潜艇噪声在高频段具有随着频率升高而下降的趋势，因此非常高频段的噪声对噪声总辐射能量的贡献并不大，一般来说只计算到10kHz就已经足够了。这是因为，如果两个频段噪声级相同则两个频段的总声级是单一频段频带级+3dB，但是如果一个频段比另一个频段低了10dB，则总声级就是高的那个频段+0.1dB。

以上就是潜艇噪声的一般特征和潜艇噪声强度在水声学上科学的描述方法，比较复杂，希望大家能够看明白，呵呵。


4、报道中常见的误区：
由于潜艇噪声强度的描述方式比较复杂，所以在军事杂志和军事报道中经常会出现对潜艇噪声描述的错误，更有很多时候为了特定目的采用偷换概念的方式来误导人民群众。
比如最常见的美帝说中国核黑鱼噪声级达到160dB，而洛杉矶级是115dB，海狼级潜艇是95dB这种对比来说明中国落后就是典型的偷换概念的例子。这里面中国核黑鱼的160dB显然用的是总声级或低频频带级，而洛杉矶级的115dB或海狼级的95dB则用的是1kHz谱级的说法。
世界上没有任何一艘潜艇能达到160dB@1kHz的噪声级，就算是石榴妹用最高航速跑也不过勉强达到这样的噪声级
那么真实的对比应该是神马样的呢？如果160dB是指的总声级的话，采用常用频谱模型则1kHz谱级应该是120dB；如果指的是低频频带级的话，则对应1kHz谱级应该是125dB左右，虽然还是比美帝的高，不过比洛杉矶级也高不到那里去了，更何况这说的是中国最早的091级核潜艇。

还有一个常见的例子是说基洛级877型噪声级是128dB，636级是118dB这种说法也是类似的，当然这次人家用的不是总声级，而是拐点频率的谱级。如果用的是1kHz谱级的话，877和636根本不能称为大洋黑洞，叫他们大洋摇滚乐队比较合适。实际换算到1kHz谱级应该是114dB和104dB左右，才是不亏”大洋黑洞“这一称号的真实数据。


以上就是我想和大家交流的：潜艇噪声的一般特征和水声学上噪声强度描述方法，以及以往报道中的一些误区。希望能得到各位亲的支持

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。一般来说用1/3倍频程的场合比较多，单位频段内（如1Hz—10Hz）1/3倍频程的中心频率为：1，1.25，1.6，2，2.5，3.15，4，5，6.3，8，10。


2、潜艇噪声的一般特征：

潜艇噪声是指在远场（可以认为是大于10倍艇长之外的区域）所测得的潜艇辐射噪声，是潜艇流体噪声、螺旋桨噪声、机械噪声在远场的综合，其包含了潜艇的大量信息，是其他平台被动声纳探测潜艇的源泉，也会影响本潜艇平台声纳的工作。潜艇噪声的一般特征可以在频域上描述，如图1所示，在频域上潜艇噪声包含线谱分量和宽带谱分量。此外，潜艇噪声的时域波形具有周期起伏的包络特性，也就是调制谱分量。

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2012-12-15 13:34 上传

图1 潜艇噪声频谱示意图
（1）宽带谱分量
宽带谱分量的强度在低频段一般是随着频率增加而增加或基本保持不变的，在高于某一频率后（一般是几百Hz，这一频率我们称其为潜艇宽带谱的拐点频率)，宽带谱强度随着频率增高程下降的趋势，大量的数据表明这个平均下降的的趋势是-6dB/OCT，这个斜率是可变的，随着潜艇不同或工况的不同而不同，但一般范围是-4—-10dB之间。
（2）线谱分量
线谱分量的强度一般高于宽带谱几分贝到数十分贝，较强的线谱分布在较低的频段，一般到了几百或1kHz以上的频段不会再出现任何线谱了。线谱之间在频率上具有谐波的关系，就是某几条线谱频率具有相同的最大公约数，这是由于这几条线谱是有同一个转动部件产生的缘故，对于具有谐波关系的一组线谱我们称呼其为线谱镞，一艘潜艇的辐射噪声中可能存在多组线谱镞，另外还有孤立于各线谱镞的独立线谱存在。
（3）调制谱分量
调制谱分量是通过对噪声时域波形进行幅度解调而得到的，解调的过程一般是对信号进行带通滤波，然后进取绝对值后进行低通滤波，再进行傅立叶变换得到的。调制谱分量也会呈现出多条调制谱具有谐波关系这种现象，但一般只有一组，是潜艇螺旋桨转动调制到线谱或宽带谱上的，调制谱分量对噪声强度的影响并不大，但是确实潜艇噪声识别的重要特征。


3、潜艇噪声强度的描述方法：
在给定的工况、航速和潜深条件下，潜艇噪声强度就是用名词解释第6条的三种“级”来描述的。一般所谓给定的工况各国、各型潜艇都是不尽相同的，但原则都是潜艇战术航速的上限，这个上限一般是指采取静音手段（如常规潜艇用电池供电而不启动柴油机或API发动机，核潜艇采用自然循环方式）情况下，潜艇噪声不发生突发性增大，同时考虑续航力最优化的航速。对于常规潜艇这个航速一般是4——8节，对于核潜艇来说大于10kn。（这个航速对核潜艇的限制在于噪声，对于常规潜艇是综合考虑了噪声和续航）
潜艇噪声强度一般是将远场测的的辐射噪声强度折算到距离潜艇1m处的声强。这个定义是国际通用标准，是国际标准化组织推荐的定义并已经为各国水声界所认同了，当然以前比如美帝或牛牛有采用折算到1码或20码处这种冷艳高贵的算法，如果现在再提就不是神马贵族范而是有股腐尸的味道了（呕）。

（1）潜艇噪声的谱级描述
一般采用1kHz作为基准频率点来表示谱级，写做：xxxdB@1kHz，但也有采用宽带谱拐点频率来作为噪声谱级基准频率的。这种方法简单易于比较，所以一般杂志和报道中看到的说某某型潜艇噪声是XXdB都基本是这种说法。
（2）潜艇噪声的频带级描述
一般采用xxxdB@（aHz~bHz）这种表达方式，这种方式一般用来描述对于潜艇性能具有非常重要参考意义的频段的噪声强度。比如潜艇线谱集中的频段，或潜艇低频频段（即图1中最大值之前的区域）。如果用来描述潜艇低频频段，再加上对潜艇高频段宽带噪声斜率的描述就可以比较完整的呈现一艘潜艇噪声的特征了。例如：春潮级潜艇噪声在8kn条件下200Hz以下频带级148dB，200Hz以上-6dB/OCT。（数据是我瞎编的哦，亲！）
（3）潜艇噪声的总声级描述
潜艇噪声的总声级是将各个频带能量相加后的总源级，但是由于潜艇噪声在高频段具有随着频率升高而下降的趋势，因此非常高频段的噪声对噪声总辐射能量的贡献并不大，一般来说只计算到10kHz就已经足够了。这是因为，如果两个频段噪声级相同则两个频段的总声级是单一频段频带级+3dB，但是如果一个频段比另一个频段低了10dB，则总声级就是高的那个频段+0.1dB。

以上就是潜艇噪声的一般特征和潜艇噪声强度在水声学上科学的描述方法，比较复杂，希望大家能够看明白，呵呵。


4、报道中常见的误区：
由于潜艇噪声强度的描述方式比较复杂，所以在军事杂志和军事报道中经常会出现对潜艇噪声描述的错误，更有很多时候为了特定目的采用偷换概念的方式来误导人民群众。
比如最常见的美帝说中国核黑鱼噪声级达到160dB，而洛杉矶级是115dB，海狼级潜艇是95dB这种对比来说明中国落后就是典型的偷换概念的例子。这里面中国核黑鱼的160dB显然用的是总声级或低频频带级，而洛杉矶级的115dB或海狼级的95dB则用的是1kHz谱级的说法。
世界上没有任何一艘潜艇能达到160dB@1kHz的噪声级，就算是石榴妹用最高航速跑也不过勉强达到这样的噪声级
那么真实的对比应该是神马样的呢？如果160dB是指的总声级的话，采用常用频谱模型则1kHz谱级应该是120dB；如果指的是低频频带级的话，则对应1kHz谱级应该是125dB左右，虽然还是比美帝的高，不过比洛杉矶级也高不到那里去了，更何况这说的是中国最早的091级核潜艇。

还有一个常见的例子是说基洛级877型噪声级是128dB，636级是118dB这种说法也是类似的，当然这次人家用的不是总声级，而是拐点频率的谱级。如果用的是1kHz谱级的话，877和636根本不能称为大洋黑洞，叫他们大洋摇滚乐队比较合适。实际换算到1kHz谱级应该是114dB和104dB左右，才是不亏”大洋黑洞“这一称号的真实数据。


以上就是我想和大家交流的：潜艇噪声的一般特征和水声学上噪声强度描述方法，以及以往报道中的一些误区。希望能得到各位亲的支持