發射噪聲過程

發射噪聲過程是一類非常重要的隨機過程，發射噪聲模型是對系統影響的累加，這種影響開始的時刻是隨機的，持續的時間也是隨機的，它在物理、天文、工業、經濟等不同的領域有著廣泛的套用，特別討論了發射噪聲過程在金融和保險理論中的套用。

基本介紹

• 中文名：發射噪聲過程
• 外文名：shot noise process
• 描述：隨機泊松過程
• 套用：物理學發射噪聲現象
• 學科：物理

概念

發射噪聲過程亦稱散粒(效應)噪聲過程一種隨機泊松過程，是描述物理學的發射噪聲現象的一類濾過泊松過程。隨機過程稱為發射噪聲過程，如果它可以表為發生在隨機時間的點事件對一個濾波器激發所產生的脈衝回響的疊加，而這些脈衝回響有同一的樣式。

固體發動機發射過程噪聲測試分析

研究背景

飛彈發射時發出的噪聲由於其高聲強和特殊的物理性質，對周圍人員、設備和環境造成很大的危害和干擾。在此領域的理論和實驗研究工作較少，研究工作更多集中在發射過程羽流流場的數值模擬上。文中開展發射過程噪聲測試工作，分析發射噪聲的頻譜特性，以及對周圍環境和模擬室內的影響。

實驗方案和實驗系統

（1）實驗方案

共設定三個測試點(圖1)，在模擬船艙中放置兩台聲級計，測量發射時船艙內(室內)的噪聲；發動機右側野外放置一台，測量發射時的環境噪聲。

圖 1 測試系統分布圖

（2）實驗系統

噪聲的採集系統由聲級計、高速動態數據採集系統和計算機組成。噪聲數據採集系統採用美國國家儀器公司(NI)的PCI-4452高速動 態採集卡，採集速率可達1.25Mbit/s；噪聲測量設備採用ND6型脈衝精密聲級計，量程為0140dB，實驗前對三個聲級計用標準噪聲源進行校準。

校準標準為93.6dB，頻率為1000Hz的正弦信號，錶針示值在3.6dB時(輸入輸出衰減為90dB)，交流輸出為0.114Vp(峰值)，直流輸出為-0.406 Vp(峰值)。選定輸入輸出的組合衰減值a，採集到的結果的峰值為 b(測量到的電壓值)，則：實際噪聲(dB)=a+3.6/0.114*b噪聲採集時，聲級計採用交流輸出，利用高速採集卡採集噪聲。戶外放置聲級計的輸入輸出衰減設定為130 dB，模擬船艙內的聲級計輸入輸出衰減設定為100 dB。

實驗現象及數據分析

利用上述設備對飛彈進行了發射過程的噪聲測量，對發射時各個測量點的結果進行詳細的分析和處理。

（1）戶外噪聲的處理與分析

圖2為飛彈發射時戶外測量點噪聲的時域波形，橫坐標為時間，縱坐標為聲壓級(噪聲)。從噪聲的時域波形可以看出，飛彈發射時出現了兩個峰值，第一個峰值為噴管堵蓋打開和發動機工作的噪聲，為131.8 dB，然後在一段時間內，噪聲維持在131dB 左右；經過0.4s後，飛彈羽流掃過聲級計所處平面，羽流引起空氣擾動產生較大噪聲，持續時間約為 0.2s，峰值為 137.3 dB。從高速運動圖像結果可以證實這一點，經過0.4s後，整個模擬船艙和戶外聲級計處於飛彈羽流的強烈的直接干擾之下。

圖 2 飛彈發射時戶外噪聲的時域波形

（2）模擬船艙內噪聲的處理與分析

圖3是飛彈發射時模擬船艙內的測量點1的時域波形，圖中橫坐標為時間，縱坐標為聲壓級(噪聲)。從噪聲的聲壓級幅值同樣也可以看出飛彈發射時的兩個噪聲峰值，由於模擬船艙的隔音作用，船艙內的噪聲峰值比戶外有明顯的降低。噴管打開為107 dB，發動機工作時的噪聲維持在103 dB左右；經過0.4s後，飛彈的羽流掃過模擬船艙時，噪聲變大，持續時間約為0.2s，峰值為113.43 dB。

圖3 模擬船艙內測點 1 的時域波形

噪聲信號的1/3 倍頻程分析表明，戶外噪聲中心頻率為160Hz和400Hz噪聲的聲壓級最大；模擬船艙內中心頻率為 50Hz 到 150Hz 噪聲的聲壓級最大，中心頻率為 400Hz 的噪聲的聲壓級也較大。在採取降噪或保護措施時，可以根據噪聲信號的特點採取相應的措施，對聲壓級較大的頻帶進行防護。

水下武器發射噪聲的生成及控制

機械噪聲、螺旋槳噪聲以及流噪聲是潛艇航行時的主要噪聲源，被認為是破壞潛艇隱蔽性的最大殺手，受到了各國海軍的高度重視，其噪聲生成機理研究、噪聲預報、振動噪聲控制的研究都已取得了相當不錯的成果。隨著各種噪聲控制成果的套用，潛艇的輻射噪聲級正逐年下降，而發射噪聲的影響正日益突出，成為降低潛艇生命力與戰鬥力的頑疾。發射噪聲持續時間非常短，但其源級較大，會為敵方提供捕捉髮射艇的機會，為敵方規避及對抗我方攻擊武器提供時間，故降低發射噪聲是發射裝置設計研究必須考慮和解決的主要問題之一。掌握其噪聲的產生機理並控制輻射噪聲能級是潛艇結構及發射裝置設計的核心問題。武器發射噪聲源特性以及噪聲譜相關知識是進行噪聲控制的基礎。要想對振動及噪聲控制進行數學上的解釋，必須要了解發射過程中輻射噪聲產生的原理，通過對影響發射過程輻射噪聲的各種因素的分析，揭示武器發射噪聲的形成機理。

水下噪聲的產生與傳播

希爾方程描繪了聲的產生問題，從發聲機理的角度給出了聲音產生過程的數學解釋。根據波動方程與希爾方程就可以從生成機理上進一步研究水下噪聲源的問題。聲波的傳播是彈性介質(氣體、液體和固體)中傳播的壓力、應力、質點運動等的一種或多種變化。在流體介質中，引起非平穩壓力場的任何過程都會產生聲波。而引起非平穩壓力場的物理過程包括界面的振動或脈動、作用在流體的非平穩力、流體的湍流運動以及振盪的溫度。每種噪聲源在微觀上都可以歸結為某1階多極子聲源，至少在數學上可以如此簡化。艦艇、潛艇和魚雷輻射噪聲以及水下武器發射噪聲的許多重要聲源是流體動力性質的，與通過航行器或穿過管道的流體運動有關。流體動力源可按主要發聲機理來分類：表征為單極子的體積變化，表征為偶極子的振盪力和小物體的振動運動，以及表征為四極子的自由湍流。

武器發射噪聲的產生與傳遞

由於水下武器發射過程持續時間較短，一般在數秒內就完成了發射，因此發射噪聲屬於瞬態噪聲的範疇。其突出特點就是成分複雜、持續時間非常短，而噪聲能量較大，大大影響了潛艇的隱蔽性。

（1）水下發射武器噪聲源

潛艇在水下發射武器時噪聲源比較多，傳統上可以分為三大類: 機械噪聲，流體噪聲以及空化噪聲。機械噪聲包括機械衝擊噪聲、振動噪聲與摩擦噪聲。衝擊噪聲是由於運動部件之間因加速或減速時相互衝擊而產生的噪聲，以及由於工質做功對固定部件(發射管及其氣水缸)反作用力產生的噪聲；機械振動噪聲是發射過程中，其他噪聲源傳遞到發射管管體、潛艇艇殼等部件的振動引起的；摩擦噪聲是發射過程中機械零件之間互相高速運動，彼此摩擦而產生的。以氣動液壓平衡式發射裝置為例，主要機械噪聲源包括魚雷離艇時與發射管之間擠碰引起的噪聲，發射過程中氣、液缸活塞與各自缸體相互作用引起的噪聲，汽缸活塞在行程末端與黃銅緩衝片的撞擊聲，由於發射衝擊力的作用引起的結構噪聲，發射水流引起的管口附近殼體的結構振動噪聲，以及各種運動組件與接觸面之間的摩擦噪聲等。流體噪聲包括氣動噪聲及海水流動噪聲。發射過程中一個非常重要的噪聲源是高壓空氣注入氣缸或發射管內產生的較強噴注噪聲。以高壓氣作為發射工質的發射裝置，發射完畢後氣缸內氣體排到艙室內，由於流體中氣體與固體邊界之間相互作用會發出較強輻射噪聲；海水流動噪聲是由於在發射過程中水流的突然加速或減速造成的水流之間、水流與周圍固體邊界之間產生的水擊噪聲；發射過程中高壓空氣與海水運動都會產生紊流噪聲，它是流體在紊流流動中由於介質振動而引發的噪聲。空化噪聲是由於在發射過程中，因發射水流在流道口下游的局部區域形成負壓，當負壓低於當地空泡壓力時會產生空泡現象，從而生成空泡噪聲。

（2）氣動型武器噴注噪聲及衝擊噪聲

就某型武器發射裝置而言，其工作時的主要噪聲源包括發射過程噴注噪聲、發射過程衝擊激勵引起的結構噪聲以及管口噴流噪聲。高壓氣體進入氣缸時的噴注噪聲是武器發射過程中重要的噪聲源之一，高壓氣進入氣缸中壓力急劇升高，這種壓力迅速變化生成的噪聲即噴注噪聲。作用於氣缸頭和活塞頂部引起捶擊作用，激勵了衝擊結構噪聲。噴射氣流會激起氣缸壁與活塞的結構振動，同時加壓海水也會激起液缸壁的結構振動，這些結構振動傳遞會產生較大的噪聲。對這類噪聲的控制應該關注氣瓶與氣缸之間的管路及控制閥件的改進。

發射結束到回程階段，要重點考慮活塞組件的減速緩衝問題以及氣缸內氣體排入艙室的消音問題。活塞組件在發射末端水缸活塞以一定速度慣性前行，依靠水缸特形孔的設計利用流體進行一定的緩衝, 配合紫銅墊片完成緩衝。可以考慮進一步最佳化緩衝設計思路，增加緩衝的效果，減少剛性接觸。由於採用的動力方式為高壓氣做功，且作用時間短，排氣噪聲的產生是不可避免的。但進一步最佳化高壓氣體排入艙室時的消音設計，可以降低排氣噪聲，除了取得對外輻射降噪效果外還可以實現對艇員工作環境的改善。

研究結論

發射噪聲是影響武器發射時平台聲隱身性能的重要因素，對武器攻擊效果及平台生存能力產生重大影響。總體來講，發射噪聲源包括三類：機械噪聲，流體噪聲以及空化噪聲。控制武器發射噪聲是提高裝備戰鬥力的重要途徑之一，因而研究發射噪聲的生成機理意義重大。研究初步分析了水下武器發射噪聲的產生及傳播，對武器發
射時管口區域產生的噪聲進行了初步探討，但還有待進一步深入研究。