水面船舶推进系统与辅机系统水下噪声贡献分离测试方法
阅读说明：本技术 水面船舶推进系统与辅机系统水下噪声贡献分离测试方法 (Underwater noise contribution separation test method for water surface ship propulsion system and auxiliary engine system ) 是由 武国启 程广福 吴伋 刘波 吕振望 张智鹏 于 2020-04-09 设计创作，主要内容包括：本发明的水面船舶推进系统与辅机系统水下噪声贡献分离测试方法,属于船舶水下噪声源测试分析技术领域,可解决水面船舶推进系统与辅机系统水下噪声实船测试方法的问题。本发明的主要技术特征在于,设计辅机系统运行状态相同的船舶匀速航行工况与停车滑行工况,通过水下噪声测试系统,测量匀速航行工况与停车滑行工况水下噪声,采用能量对比分析方法,获取推进系统噪声与辅机系统噪声。采用本发明的水面船舶推进系统与辅机系统水下噪声贡献分离测试方法,可准确分离船舶推进系统噪声与辅机系统噪声,满足水下噪声源贡献分离方法实船试验验证需求。(The invention discloses a method for separately testing underwater noise contribution of a surface ship propulsion system and an auxiliary engine system, belongs to the technical field of ship underwater noise source test analysis, and can solve the problem of a real ship test method of underwater noise of the surface ship propulsion system and the auxiliary engine system. The method is mainly technically characterized in that a ship constant-speed sailing working condition and a parking and sliding working condition with the same operation state of an auxiliary engine system are designed, underwater noises of the constant-speed sailing working condition and the parking and sliding working condition are measured through an underwater noise test system, and the noise of a propulsion system and the noise of the auxiliary engine system are obtained by adopting an energy comparison analysis method. By adopting the underwater noise contribution separation testing method for the water surface ship propulsion system and the auxiliary engine system, the noise of the ship propulsion system and the noise of the auxiliary engine system can be accurately separated, and the real ship test verification requirement of the underwater noise source contribution separation method is met.)
技术领域
本发明属于船舶水下噪声源测试分析技术领域。
背景技术
商船等水面船舶航行引起的水下噪声是海洋噪声污染的主要来源，查明船舶航行水下噪声主要来源、准确分离主要声源对总体航行水下噪声贡献，对于船舶水下噪声控制、减少海洋噪声污染具有重要意义。水面船舶推进系统(包括主机、推进轴系及推进器)与辅机系统(除主机、推进轴系及推进器之外的其它设备及系统)是船舶航行水下噪声主要声源，准确分离推进系统噪声与辅机系统噪声，是船舶水下噪声控制措施有效实施的前提和基础。目前，水面船舶推进系统、辅机系统等声源水下噪声贡献分离主要采用理论分析、数值计算、模型试验、以及基于振动噪声测试数据的信息分析等方法，其贡献分离效果有待实船试验验证，且尚未建立有效实现贡献分离的实船测试方法。因此，有必要建立一种能够准确分离水面船舶推进系统与辅机系统水下噪声贡献、且满足贡献分离方法实船试验验证需求的测试方法。
发明内容
本发明的目的在于，针对目前尚未建立有效实现水面船舶推进系统与辅机系统水下噪声贡献分离的实船测试方法的问题，提出一种水面船舶推进系统与辅机系统水下噪声贡献分离测试方法，可准确分离实船推进系统与辅机系统水下噪声，且满足贡献分离方法实船试验验证需求。
为实现本发明的上述目的，本发明的核心是设计水面船舶匀速航行工况与停车滑行工况，通过水下噪声测试系统，测量匀速航行工况与停车滑行工况水下噪声，采用能量对比分析方法，获取推进系统噪声与辅机系统噪声，实现推进系统与辅机系统水下噪声贡献分离。
本发明的水面船舶推进系统与辅机系统水下噪声贡献分离测试方法包括以下内容：
(一)测试原理
船舶匀速航行工况水下噪声主要为推进系统噪声与辅机系统噪声之和：
Ep匀速＝Ep推+Ep辅 (1)
式中，Ep匀速为船舶匀速航行工况总体水下噪声，Ep推为船舶推进系统噪声，Ep辅为船舶辅机系统噪声。
对于停车滑行工况，推进系统停止运行，船舶依靠惯性航行，此时水下噪声主要为辅机系统噪声：
Ep辅＝Ep滑 (2)
式中，Ep滑为船舶停车滑行工况水下噪声。则匀速航行工况噪声与停车滑行工况噪声能量差，即为推进系统噪声：
Ep推＝Ep匀速-Ep滑 (3)
因此，通过船舶匀速航行工况与停车滑行工况水下噪声测试分析，可实现推进系统与辅机系统水下噪声贡献分离。
(二)测试工况
船舶推进系统噪声与辅机系统噪声一般随航速变化，针对特定航速下推进系统噪声与辅机系统噪声贡献分离，航行测试工况包括匀速航行工况和停车滑行工况。对于匀速航行工况，推进系统与辅机系统运行状态保持稳定；对于停车滑行工况，推进系统停止运行，船舶依靠惯性航行，辅机系统运行状态与匀速航行工况相同。
(三)测试系统
本发明中所需水下噪声测试系统主要包括水声测量系统和距离测量系统，水下噪声测试系统测量不确定度需小于3dB。
水声测量系统主要包括1只或多只水听器、数据采集仪。水听器和数据采集仪测量频率范围及精度需满足水声测试要求，或测量频率范围10Hz-50kHz、测量精度不小于16位、采样率不小于最大测量频率2.56倍。
距离测量系统主要包括差分GPS设备或水声测距设备，能够实时获取水听器至被测船舶距离，距离测量精度优于2m。
(四)测试方法
对于匀速航行工况测试，测量前布放水声测量系统及距离测量系统，水听器布放深度大于10m，若采用多只水听器测量时，水听器相对水面同一位置沿深度方向等间距布放，间距大于10m。布放完毕后被测船舶保持测试工况状态匀速直线航行，航线与水听器正横距离为1倍船长，偏差小于±10％。当被测船舶距离正横位置2倍船长时开始测量，同步进行水声信号、水听器至被测船舶距离等参数测量，被测船舶按航线通过正横位置，当远离正横位置2倍船长时结束测量。本单程测量结束后，被测船舶远离水听器转向，准备下一单程测量。在每个单程测试前、后都需测量背景噪声，匀速航行工况测试共计不少于4个单程，其中左、右舷侧测试各不少于2个单程，每个单程测试过程及要求相同。
对于停车滑行工况测试，除被测船舶测试工况状态不同外，其它测试要求与匀速航行工况相同。测量前船舶匀速直线航行，开始测量时，主机停车，其它辅机系统运行状态保持不变，船舶依靠惯性直线航行，测量结束后，主机启动，恢复匀速航行工况状态，船舶转向，准备下一单程测量。
(五)测量条件
测量时，船舶测试工况状态稳定，测试海域水深大于60m，海况不大于3级，测量信噪比大于3dB。
(六)数据分析
将船长方向主机至推进器中点位置作为船舶水下噪声等效声中心，选取声中心与水听器角度±45°范围，作为水下噪声数据分析时段。将数据分析起始时刻至终止时刻分为若干数据窗，每个数据窗长度按10°步长选取，对应中心时刻分别为-40°、-35°、…、-5°、0°、+5°、…、+35°、+40°，在10Hz-50kHz频段内按1/3oct频带计算每个数据窗声压级L′p+n(rk，wj，hi，fe)，其中，rk为第k单程、wj为第j数据窗、hi为第i水听器，fe为第e频带中心频率。
背景噪声按式(4)计算：
式中，Lnstart(rk，hi，fe)和Lnend(rk，hi，fe)分别为每单程测量前与测量后背景噪声。当信噪比大于10dB时，测量数据按式(5)修正：
L′p(rk，wj，hi，fe)＝L′p+n(rk，wj，hi，fe) (5)
式中，L′p(rk，wj，hi，fe)为背景噪声修正后的声压级。当信噪比大于3dB、小于10dB时，测量数据按式(6)修正：
等效声中心声源级Lp(rk，wj，hi，fe)按式(7)计算：
Lp(rk，wj，hi，fe)＝L′p(rk，wj，hi，fe)+TL(D(rk，wj，hi，fe)) (7)
式中，TL(D(rk，wj，hi，fe))为传播损失，D(rk，wj，hi，fe)为水听器与等效声中心距离。声传播损失按式(8)计算：
TL(D(rk，wj，hi，fe))＝20log(D(rk，wj，hi，fe)) (8)
各水听器测量的声源级按能量进行平均、各数据窗测量的声源级按能量进行平均、各单程测量的声源级按线性进行平均：
式中，I、J、K分别为水听器数量、数据窗数量和单程数。由式(12)计算测试工况水下噪声1/3oct频带能量：
由式(12)可获得匀速航行工况与停车滑行工况水下噪声，代入式(2)和式(3)，可得推进系统噪声与辅机系统噪声。
本发明的优点在于，通过匀速航行工况与停车滑行工况对比测试，可准确分离船舶推进系统噪声与辅机系统噪声，满足水下噪声源贡献分离方法实船试验验证需求。
附图说明
图1本发明中船舶水下噪声测试与分析方法示意图。
图2本发明中典型散货船推进系统噪声与辅机系统噪声贡献分离结果。
图3本发明中典型散货船推进系统噪声与辅机系统噪声贡献比。
具体实施方式
结合实施例对本发明的水面船舶推进系统与辅机系统水下噪声贡献分离测试方法进行详细说明。本实施例中水面船舶为典型散货船。
结合实施例，如图1所示，本发明具体实施方式如下：
(1)选择3只水听器及数据采集仪组建水声测量系统，水听器1相对水面同一位置按不同深度进行布放，深度分别为15m、30m、45m，水声测量系统测量频率范围10Hz-50kHz、测量精度不小于16位、采样率不小于最大测量频率2.56倍。
(2)选择差分GPS测距方法，将差分GPS设备分别布置于水听器对应水面位置与被测船舶2，组建距离测量系统，可实时获取水听器至被测船舶2距离，测量精度优于2m，由水声测量系统与距离测量系统组成的水下噪声测试系统的测量不确定度小于3dB。
(3)被测船舶2的测试工况为11kn经济航行工况与11kn停车滑行工况，选择的测试海域水深大于70m，海况不大于3级，背景噪声满足信噪比大于3dB要求。
(4)首先开展匀速航行工况水下噪声测试，测量前由水声测量系统测量测试海域背景噪声，被测船舶2保持工况状态匀速直线航行，航线3与水听器1正横距离4为1倍船长，偏差小于±10％。当被测船舶2距离正横位置5为2倍船长7时开始测量6，同步进行水声信号、水听器1至被测船舶2距离等参数测量，被测船舶2按航线3通过正横位置5，当被测船舶2远离正横位置5的距离为2倍船长7时结束测量8。本单程测量结束后，被测船舶2远离水听器1转向，准备下一单程测量，同时水声测量系统测量测试海域背景噪声。每个单程测试过程及要求相同，共计进行4个单程测试，其中左、右舷侧各进行2个单程测试。
(5)然后开展停车滑行工况水下噪声测试，测量前由水声测量系统测量测试海域背景噪声，被测船舶2按匀速航行工况状态直线航行，航线3与水听器1正横距离4为1倍船长，偏差小于±10％。当被测船舶2距离正横位置5为2倍船长7时开始测量6，同步进行水声信号、水听器1至被测船舶2距离等参数测量，同时主机停车，其它辅机系统运行状态保持不变，船舶依靠惯性直线航行。被测船舶2按航线3通过正横位置5，当被测船舶2远离正横位置5的距离为2倍船长7时结束测量8。本单程测量结束后，主机启动，恢复匀速航行工况状态，被测船舶2远离水听器1转向，准备下一单程测量，同时水声测量系统测量测试海域背景噪声。每个单程测试过程及要求相同，共计进行4个单程测试，其中左、右舷侧各进行2个单程测试。
(6)测试完毕后进行数据分析，将船长方向的主机至推进器中点位置作为船舶水下噪声等效声中心9，选取声中心与水听器角度±45°范围10，作为水下噪声数据分析时段11。将数据分析起始时刻12至终止时刻13分为若干数据窗，每个数据窗长度按10°步长选取，对应中心时刻分别为-40°、-35°、…、-5°、0°、+5°、…、+35°、+40°，在10Hz-50kHz频段内按1/3oct频带计算每个数据窗声压级L′p+n(rk，wj，hi，fe)。
(7)按式(4)计算背景噪声Ln(rk，hi，fe)，按式(5)或式(6)计算背景噪声修正后的声压级L′p(rk，wj，hi，fe)，按式(7)计算等效声中心声源级Lp(rk，wj，hi，fe)，按式(9)、式(10)、式(11)进行数据平均，按式(12)计算匀速航行工况与停车滑行工况水下噪声，按式(2)和式(3)计算推进系统噪声与辅机系统噪声。
按照本发明的水面船舶推进系统与辅机系统水下噪声贡献分离测试方法，给出本实施例典型散货船11kn经济航行工况下推进系统噪声、辅机系统噪声分离结果及两者对总体水下噪声贡献比，如图2和图3所示。根据实施例贡献分离结果，表明按照本发明的水面船舶推进系统与辅机系统水下噪声贡献分离测试方法，可实现10Hz-50kHz频段推进系统噪声与辅机系统噪声的有效分离，满足贡献分离方法实船试验验证需求。
最后所应说明的是，以上实施方式仅用以说明本发明的技术实施通用过程而非限制。尽管对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均涵盖在本发明的权利要求范围当中。