几种声学调查设备系统自噪声测量方法

　　声学调查设备的系统白噪声是影响设备性能的重要指标之一。系统白噪声主要包括电路白噪声和系统感应的空问噪声，这些噪声一般是随机信号，如硬件电路中元器件内部电了热运动等，也可能是由于系统设计或电路布线不当等原因引入的固定频率的干扰。

　　声学调查设备重要功能之一是用来获取海洋中的噪声信号，通过分析处理来提取关注的信息，确定测量目标的状态和性质。而海洋背景噪声或水下运动物体辐射出的噪声信号都是弱信号，如果声学调查设备的系统白噪声高于要测量的环境噪声，则不利于所关注信息的提取，或提取出错误的信息，这就对声学调查设备系统的白噪声提出了较高的要求。目前，对系统白噪声的测量还没有明确的方法，本文通过研究分析，提出了儿种声学调查设备系统白噪声测量方法，作为检测声学调查设备系统白噪声方法的参考。

　　1 声学调查设备的基本组成

　　常见的声学调查设备一般由压电陶瓷水听器、信号传输缆、声信号采集存储系统组成，其组成框图如图1.压电陶瓷水听器主要包括压电陶瓷和前置放大电路两部分，压电陶瓷水听器捕获到的声信号通过前置放大电路放大后，经信号传输缆进入声信号采集存储系统。声信号采集存储系统将接收的信号经放大、滤波、Afi转换等处理后再将模拟声信号转换为数字信号，并进行存储和显示。

　　声学调查设备中核心部分为声信号采集存储系统，该部分的设计一般有两种方式:一是采购市场上成熟的产品，例如基于计算机的数据采集卡;二是根据系统特点和测量需求白主研发。

　　2 自噪声测量方法

　　本文通过研究给出了3种比较常用的系统白噪声测量方法:短路噪声测量法、低噪声环境测量法和真空环境测量法。短路噪声测量法就是在实验室环境下，将输入信号端对地短路，消除系统外产生的干扰，系统获取的信号就认为是该方式测量的系统白噪声;低噪声环境测量法就是将整套设备放置在低噪声环境下进行测量，系统获取的信号就认为是该方式测量的系统白噪声，但这种方式测量的前提是要求环境噪声要足够低;真空环境测量法是指在隔绝声传导和物理振动的真空条件下系统获取的信号就是系统白噪声。

　　2.1 短路噪声测量法

　　按照声信号传输采集处理流程，在声信号的捕获端、信号传输电缆输入端、信号采集处理端，如图1所示的A,B,C处分别对地短路(消除通过信号输入端祸合到系统中的噪声干扰)，可测量声学调查设备不同部分组成系统时引入噪声的谱级，测量结果可认为是该部分的噪声，测量值可检验该部分设计是否满足设计指标要求。

　　2.1.1 声学侧量系统短路噪声将声信号采集存储系统的信号输入端对地短路，短路位置如图1所示的A占.输入信号端,短路后.声信号妥焦存储系统进行数据采集，并对采集到的数据进行频域分析，获得采集存储系统白噪声谱级，据此可检验采集存储系统设计是否满足设计指标要求，并可根据设备的任务要求对采集存储系统进行调整设计。一般情况下，要求采集存储系统的白噪声为宽带白噪声，而且在声频测量带宽内或关心的频率范围，系统白噪声要低于海洋环境噪声至少6 dB。图2一图3给出一种典型的采集存储系统短路测量的频域谱密度图和1启倍频程噪声谱级图，从图中可以看出采集存储系统白噪声为宽带白噪声，1/3倍频程噪声谱级在1kHz后达到了一139dB，完全满足设计指标要求，其结果可作为调查设备系统设计的参考。

　　2.1.2 信号传输电缆信号输入端短路噪声信号传输电缆在声学调查设备中用于测量信号的传输，在系统中传输电缆往往成为干扰传输的介质，噪声强度随电缆长度的增加而增加。设备中的干扰可通过信号传输缆传递到声信号捕获端，干扰前端声信号的捕获;或空问中的干扰信号通过传输电缆藕合到声学调查设备中，所以信号传输缆的设计也是声学调查设备设计中的关键。通过电缆信号输入端短路测量，可以分析出信号传输电缆对声学测量设备的噪声影响。短路位置B点如图1所示，图4一图5是某声学调查设备的信号传输电缆的短路噪声的频域谱密度图和1/3倍频程图。该电缆采用单路信号双屏蔽设计模式，电缆长度200m，从测量结果可以看出，该设备中的信号传输电缆儿乎未引入噪声。

　　2.1.3 前置放大端短路噪声前置放大电路位于声学调查设备测量系统的前端，前置放大电路信号输出方式分为单端和差分两种，相应的信号采集也为单端输入采集和差分输入采集。在信号传输电缆较短时(<50m)，前置放大电路可选择单端输出或差分输出，但当信号传输电缆长度>50m时，为减小共地电位差引入的共模干扰，前置放大输出方式选用差分输出。测量前置放大电路端的白噪声时，将前置放大电路信号输入端对地短路，短路位置如图1所示的C点。图6一图7是某声学调查设备的前置放大电路信号输入端对地短路的频域谱密度图和1 /3倍频程图。测量结果和声信号采集存储系统的信号输入端对地短路的测量结果对比可以看出，在低频段的噪声干扰高于高频段噪声干扰，但满足设计指标的要求。

　　以上测量结果是在实验室环境下得到的，实验结果不可避免地会引入试验环境的噪声，但其结果与测量系统短路时结果相差较小，也可以作为系统白噪声的参考。

　　2.2 低噪声环境的噪声测量

　　低噪声环境是目前测量声学调查设备白噪声较易满足的测量环境。一般选择交通较少、远离施工的地方测量，比如千岛湖声学试验场等，将声学调查设备布放在试验水区深夜进行测量，测量结果可以认为是声学调查设备系统白噪声。图8一图9是声学调查设备在千岛湖的环境噪声谱密度图和单通道的1/3倍频程图，该声学调查设备中的水听器前置放大器采用差分信号输出。测试结果和千岛湖背景噪声的曲线趋势吻合性较好。

　　2.3 真空环境下噪声测量

　　真空环境下测量需要将水听器、信号传输电缆及采集存储系统放在真空环境下并隔绝声传导和振动传导，这种测量方式代价太大，可实现性差，目前很少有人使用，但这种方式的测量可以得到声学调查设备白噪声的真实结果。

　　3 结论

　　声学调查设备系统白噪声是声学调查设备性能的一个重要技术指标，本文通过对实测数据进行分析研究表明，在短电缆情况下，前置放大器采用单端和差分形式对系统白噪声影响相差不大。前置放大电路短路噪声测量法可作为一般声学调查设备的性能检测的手段。低噪声环境的噪声测量法一般用于声学调查设备整机的性能测试和软件算法的验证。真空环境下噪声测量法可真实地反映设备白噪声的大小，但试验环境较难实现，一般不采用该方法。因此用户可根据需要和具备的试验条件选择合适的白噪声测量方法，为系统性能验证和系统设计提供参考依据。

　　参考文献:
　　[1]徐功慧，陈鸿志，王二庆，等.海洋环境噪声观测技术及数据处理方法.海洋技术，2011 <2>.
　　[2]孙贵新，屈新岳，潘文良.海洋环境噪声特性分析研究团.科技信息,2009,31:822,846.
　　[3]俞孟萨，叶剑平，吴有生,等.船舶声呐部位自噪声的预报方法及其控制技术.船舶力学.
　　[4]朱整.主动声呐检测信息原理[M].北京:海洋出版社,1990:34-106.
　　[5]王迎节，聂磊，刘耀华.电缆的电磁十扰分析.无线电工程，2011(5):36-41.
　　[6]杨奕.电磁兼容设计中的屏蔽技术田现代电子工程,2002,1:87-90.:69-71.2002,1:87-90.