本发明涉及船舶与海洋工程噪声预报，特别是涉及一种水面舰船水下辐射声场测量方法。
背景技术：
1、环境与资源是人们赖以生存和发展的必要条件。随着人口的不断增长和陆地资源的日益短缺，越来越多的国家将目光转向对海洋资源的开发和利用。为了充分认识和利用我国的海洋资源，维护我国的海洋权益，我们需要进一步增强对海洋的认知和控制能力。
2、由于在海洋环境中声波的衰减速度明显低于光波和电磁波，因此在人们开发和利用海洋的过程中，水声技术得以被广泛应用。水声是指通过水介质传播的声波。水声不仅在军事方面得到广泛应用，在非军事领域也有许多应用。水声技术无论是它的军事应用还是非军事应用，都是以水下目标的声特性的准确获取为基础，因此准确获取水中目标的声特性十分重要。在众多测量水中目标的声辐射特性的环境中，自由声场被认为是最理想的测试环境。自由声场(简称自由场)是声源在均匀的、各向同性的无限媒介中产生的、没有反射声和散射声的声场。在这种声场环境中测量到的声特性是水中目标自身的、不受边界和其他干扰源影响的声特性。然而，自由场是理想化的概念，实际上是不存在的，为了满足在自由场条件下进行测量的需要，研究人员开发和建设了在实验条件下可以近似满足自由声场条件的声场设施。这些设施旨在提供一个尽可能接近自由声场的环境，以确保测量到的声学特性更加准确可靠。
3、实验条件下近似满足自由声场条件的设施大致可以划分为天然水域、人工水池和其他设施三个类别。其中天然水域的范围较广，但因条件复杂、稳定性差、环境噪声较大等原因一般不适合水中目标声辐射特性的计量测试。人工水池可以进一步划分为全消声水池、局部消声水池和非消声水池等类别，相较于天然水域，人工水池的突出优点是测量的干扰因素较少，不受自然条件的限制，因此测量的准确性和稳定性较高。然而，人工水池也有不足，例如，人工水池的尺寸一般远小于天然水域，而且测量频率不能很低，因为当频率低到一定程度时，脉冲声测量技术和边界吸声处理技术都无效了。而且在实际测量中，会受到水池边界和干扰源的影响，不可能形成理想条件下的自由声场的条件，因此必须利用各种方法和技术弥补自由场条件的不足。
技术实现思路
1、本发明的目的是提供一种水面舰船水下辐射声场测量方法，以突破测试环境的限制，实现在水下非自由场的环境下获取声源的自由场声特性的目的。
2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
3、本发明提供了一种水面舰船水下辐射声场测量方法，包括水面舰船水下辐射声压测试方法、基于边界元法的声场还原方法和水面舰船辐射噪声特性仿真计算方法；所述水面舰船水下辐射声压测试方法通过使用水听器阵列测量在给定激励载荷的作用下、处于复杂声场环境中的水面舰船的辐射声压；所述基于边界元法的声场还原方法用于对所述水面舰船水下辐射声压测试方法得到的水面舰船的辐射声压进行处理，得到水面舰船自由场的辐射声压数据，所述水面舰船辐射噪声特性仿真计算方法用于对水面舰船进行有限元仿真，得到水面舰船模型的自由场声压数据，水面舰船模型的自由场声压数据与所述基于边界元法的声场还原方法得到的水面舰船自由场的辐射声压数据进行比较，验证所述水面舰船水下辐射声场测量方法准确性及预报精度。
4、优选地，所述水面舰船水下辐射声压测试方法包括以下步骤：步骤一，将激振器和力传感器安装在水面舰船上，将水听器安装在水听器支架上，将水听器支架固定在消声水池；步骤二，将水面舰船吊装入消声水池中；步骤三，通过使用水听器阵列测量在给定的激励载荷作用下水面舰船的辐射声压。
5、优选地，所述基于边界元法的声场还原方法包括水面舰船测试的试验数据的处理方法和水面舰船水下自由场声特性的还原方法；所述水面舰船测试的试验数据的处理方法用于对所述水面舰船水下辐射声压测试方法得到的水面舰船的辐射声压进行处理；
6、所述水面舰船水下自由场声特性的还原方法是基于边界元法对所述水面舰船测试的试验数据的处理方法的处理结果进行进一步处理。
7、优选地，所述水面舰船测试的试验数据的处理方法对所述水面舰船水下辐射声压测试方法得到的水面舰船的辐射声压基于傅里叶变换进行处理，所述水面舰船水下辐射声压测试方法得到的水面舰船的辐射声压为声压时域信号，使用傅里叶变换将声压时域信号转换为声压频域信号，包括以下步骤：
8、根据离散傅里叶变换公式：
9、
10、式中x(f)是声压频域信号，{xk(f)}＝x0,x1,...,xn-1,x(t)是声压时域信号，{xn(t)}＝x0,x1,...,xn-1，n为采样总数，
11、将测点处的声压频域信号进行自谱计算，得到测点处的声压幅值如下式：
12、
13、式中|pm|为声压幅值，x(f)为声压频域信号，x*(f)为x(f)的复共轭；
14、将测点处的声压频域信号与参考点处的声压频域信号进行互谱计算，得到测点处的相位信息如下式：
15、φ＝arcsin[xr(f)x*(f)]
16、式中xr(f)为参考点声压频域信号的傅里叶变换，x*(f)为x(f)的复共轭，由此得到声压频域信号的完整声压信息，即所述水面舰船测试的试验数据的处理方法的处理结果为声压幅值和相位信息。
17、优选地，所述水面舰船水下辐射声压测试方法得到声压时域信号之后，经过傅里叶变换，得到声压频域信号，称为实源，所述水面舰船水下自由场声特性的还原方法通过边界元法计算处于复杂声场环境中的水面舰船在给定激励载荷的作用下的自由场辐射声场，包括以下步骤：
18、步骤一，通过镜像原理得到与实源对称位置处虚源的声压数据，将实源的声压与虚源的声压组合成一个封闭的测量面；
19、步骤二，通过边界元法计算测量面上的向外声压；
20、步骤三，通过边界元法计算作用于水面舰船表面的向内声压和向内声压入射到水面舰船表面时散射到测量面上的散射声压；
21、步骤四，通过数值计算得到水面舰船的自由场辐射声压。
22、优选地，所述步骤一中，镜像原理是考虑一个位于半空间中的实源，实源的强度为q，根据所述水面舰船测试的试验数据的处理方法中得到的测量场点处的声压幅值|pm|，能够求出实源强度然后结合实源到场点的距离d1，计算出实源在自由场中的声场p如下：
23、
24、式中,p为声场中场点声压；d1为实源到场点的距离；ω＝2πf,ω是圆频率；ρ是介质的密度；是波数，其中vc是声速；
25、当边界是柔性边界时，为了满足在边界上的声压为零的边界条件，虚源的强度与实源相同但相位相反；在这种情况下，能够得到实源与虚源叠加后的声场p2如下：
26、
27、式中，p2为实源与虚源叠加后的声场中场点声压；d1为实源到场点的距离；d2为虚源到场点的距离；
28、当场点位于边界上时，d1＝d2＝d0，d0为实源到边界的距离，声压为零，满足在边界上声压为零的条件，因此p2表示实源在柔性边界半空间中场点的声压；
29、通过镜像原理得到对应位置处的虚源声压，将实源的声压与虚源的声压组合成一个封闭的测量面。
30、优选地，所述步骤二中，根据声场分离理论，声场中任意一点的声压p(r)能够分为向内声压和向外声压：
31、p(r)＝po(r)+pi(r)
32、式中，po为向外声压，pi为向内声压；
33、向外声压表示为：
34、po(r)＝pf(r)+ps(r)
35、式中，pf为辐射声压，ps为散射声压；
36、根据声场中各部分声波的方向判断，能够得出测量面上向外声压为：
37、
38、式中，g为自由场格林函数；p(s′)表示测量面上s′点处的声压；ρ为介质密度；ω为圆频率；vn为测量面上的法向速度；s′为边界上的节点；c(s′)为固体角系数；s0为测量面；
39、当已知测量面上的声压和法向振速时，能够求出测量面上的向外声压；法向振速在实际测量中通常使用双层面测量声压来获得，设置距离测量面相同距离的内测量面和外测量面；定义p1是内测量面节点上测量得到的声压，p2是外测量面节点上测量得到的声压，通过内测量面和外测量面上的声压信息，能够得到测量面上的声压ps和法向振速vns如下：
40、
41、
42、式中，d为内测量面和外测量面之间的距离。
43、优选地，所述步骤三中，已知测量面上的声压和法向振速时，能够求出入射到水面舰船表面的向内声压pi(r)如下：
44、
45、式中，g为自由场格林函数；ρ为介质密度；ω为圆频率；vn为测量面上的法向速度；s′为边界上的节点；s0为测量面；
46、根据入射到水面舰船表面的向内声压，假设水面舰船表面为刚性，即vn(s′)＝0，能够通过边界元法进一步求出封闭声压：
47、
48、式中，pb为封闭声压，c′(r)为水面舰船表面的固体角系数；
49、当得到封闭声压后，能够进一步求得测量面上的散射声压：
50、
51、所述步骤四中，当求得散射声压后，根据声场分离理论，水面舰船的自由场声压能够通过向外声压减去散射声压即得到：
52、
53、式中，为在刚性假设下还原得到的测量面上的自由场声压；由此，基于边界元法处理测量得到的水面舰船的辐射声压，还原得到给定激励载荷的作用下、处于复杂声场环境中的水面舰船自由场的辐射声压。
54、优选地，所述水面舰船辐射噪声特性仿真计算方法包括以下步骤：
55、步骤一，建立水面舰船几何模型；
56、步骤二，根据结构特点和计算要求确定水面舰船模型和流场区域的单元属性、网格尺寸；
57、步骤三，定义水面舰船模型水线以下的外表面和流场之间的相互耦合的关系；
58、步骤四，在水面舰船模型上与所述水面舰船水下辐射声压测试方法中相同的激励点处施加相同的激励载荷，得到水面舰船模型的自由场声压数据。
59、优选地，所述基于边界元法的声场还原方法得到的水面舰船自由场的辐射声压数据与所述水面舰船辐射噪声特性仿真计算方法得到的水面舰船模型的自由场声压数据进行比较，计算相对误差和绝对误差，绘制所述水面舰船辐射噪声特性仿真计算方法和所述水面舰船水下辐射声压测试方法得到的声功率级频谱图，根据对比结果结合试验过程中涉及到的因素，分析误差产生原因，验证所述水面舰船水下辐射声场测量方法的准确性及预报精度。
60、本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
61、本发明是结合船舶结构动力学和声学边界元法的特点提出的新试验模式、流程，具有可行性，本发明的流程成本低，便于工程应用。采用本发明可以科学的、准确的得到水下目标自由场声辐射特性。
1.一种水面舰船水下辐射声场测量方法，其特征在于：包括水面舰船水下辐射声压测试方法、基于边界元法的声场还原方法和水面舰船辐射噪声特性仿真计算方法；所述水面舰船水下辐射声压测试方法通过使用水听器阵列测量在给定激励载荷的作用下、处于复杂声场环境中的水面舰船的辐射声压；所述基于边界元法的声场还原方法用于对所述水面舰船水下辐射声压测试方法得到的水面舰船的辐射声压进行处理，得到水面舰船自由场的辐射声压数据，所述水面舰船辐射噪声特性仿真计算方法用于对水面舰船进行有限元仿真，得到水面舰船模型的自由场声压数据，水面舰船模型的自由场声压数据与所述基于边界元法的声场还原方法得到的水面舰船自由场的辐射声压数据进行比较，验证所述水面舰船水下辐射声场测量方法准确性及预报精度。
2.根据权利要求1所述水面舰船水下辐射声场测量方法，其特征在于：所述水面舰船水下辐射声压测试方法包括以下步骤：步骤一，将激振器和力传感器安装在水面舰船上，将水听器安装在水听器支架上，将水听器支架固定在消声水池；步骤二，将水面舰船吊装入消声水池中；步骤三，通过使用水听器阵列测量在给定的激励载荷作用下水面舰船的辐射声压。
3.根据权利要求2所述水面舰船水下辐射声场测量方法，其特征在于：所述基于边界元法的声场还原方法包括水面舰船测试的试验数据的处理方法和水面舰船水下自由场声特性的还原方法；所述水面舰船测试的试验数据的处理方法用于对所述水面舰船水下辐射声压测试方法得到的水面舰船的辐射声压进行处理；
4.根据权利要求3所述水面舰船水下辐射声场测量方法，其特征在于：所述水面舰船测试的试验数据的处理方法对所述水面舰船水下辐射声压测试方法得到的水面舰船的辐射声压基于傅里叶变换进行处理，所述水面舰船水下辐射声压测试方法得到的水面舰船的辐射声压为声压时域信号，使用傅里叶变换将声压时域信号转换为声压频域信号，包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述水面舰船水下辐射声场测量方法，其特征在于：所述水面舰船水下辐射声压测试方法得到声压时域信号之后，经过傅里叶变换，得到声压频域信号，称为实源，所述水面舰船水下自由场声特性的还原方法通过边界元法计算处于复杂声场环境中的水面舰船在给定激励载荷的作用下的自由场辐射声场，包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述水面舰船水下辐射声场测量方法，其特征在于：所述步骤一中，镜像原理是考虑一个位于半空间中的实源，实源的强度为q，根据所述水面舰船测试的试验数据的处理方法中得到的测量场点处的声压幅值|pm|，能够求出实源强度然后结合实源到场点的距离d1，计算出实源在自由场中的声场p如下：
7.根据权利要求5所述水面舰船水下辐射声场测量方法，其特征在于：所述步骤二中，根据声场分离理论，声场中任意一点的声压p(r)能够分为向内声压和向外声压：
8.根据权利要求7所述水面舰船水下辐射声场测量方法，其特征在于：所述步骤三中，已知测量面上的声压和法向振速时，能够求出入射到水面舰船表面的向内声压pi(r)如下：
9.根据权利要求1所述水面舰船水下辐射声场测量方法，其特征在于：所述水面舰船辐射噪声特性仿真计算方法包括以下步骤：
10.根据权利要求1所述水面舰船水下辐射声场测量方法，其特征在于：所述基于边界元法的声场还原方法得到的水面舰船自由场的辐射声压数据与所述水面舰船辐射噪声特性仿真计算方法得到的水面舰船模型的自由场声压数据进行比较，计算相对误差和绝对误差，绘制所述水面舰船辐射噪声特性仿真计算方法和所述水面舰船水下辐射声压测试方法得到的声功率级频谱图，根据对比结果结合试验过程中涉及到的因素，分析误差产生原因，验证所述水面舰船水下辐射声场测量方法的准确性及预报精度。
