王 勇 魯克明 余廣平 張 昭

(海軍駐武漢四三八廠軍事代表室 武漢 430064)

國外潛艇聲隱身技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展方向*

王 勇 魯克明 余廣平 張 昭

(海軍駐武漢四三八廠軍事代表室 武漢 430064)

潛艇的聲隱身性能是衡量潛艇作戰(zhàn)能力的一項重要指標,降低潛艇水下輻射噪聲和聲目標強度,不僅能提高潛艇的隱身性,還能提高潛艇實施先敵攻擊的能力。文章系統(tǒng)的介紹了國外潛艇聲隱身領(lǐng)域取得的成果及影響聲隱蔽性的因素,提出了該技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展建議。

潛艇;隔振;聲隱身

Class NumberTP391.9;O241.82

1 引言

潛艇由于具有隱蔽性、機動靈活、自給力、續(xù)航力大及突發(fā)攻擊能力強等特點而成為現(xiàn)代海軍的主戰(zhàn)力量。由于非聲物理場的現(xiàn)實檢測約與艇長尺度同量級,而聲波可遠達數(shù)十至上千海里,所以潛艇的聲隱身技術(shù)決定潛艇的安全性和作戰(zhàn)效能[1～2]。美國海軍在《2000～2035年海軍技術(shù)—潛艇平臺技術(shù)》報告中提出21世紀潛艇必須重點發(fā)展的六大關(guān)鍵技術(shù):隱身技術(shù)、新結(jié)構(gòu)技術(shù)、高性能傳感器技術(shù)和通訊設(shè)備技術(shù)、有效負載技術(shù)、高功率密度動力技術(shù)、外載航行器技術(shù)。其中隱身技術(shù)被列為重點發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之首。研究表明,潛艇水下噪聲降低10dB,則敵方探測發(fā)現(xiàn)我方潛艇的距離可縮短32%;如果聲納平臺自噪聲降低5dB,我方潛艇探測距離可增加60%,探測目標的海區(qū)面積可增加至原來的3倍。因此,發(fā)展和應(yīng)用潛艇的聲隱身技術(shù),成為提高潛艇生存力的重要手段。潛艇是一個復(fù)雜的噪聲源分布體,水下噪聲產(chǎn)生的原因主要有以下三個方面[3]:其一,機械設(shè)備和管系通過基座與非支撐件激勵艇體振動并向水中輻射噪聲,艙室空氣噪聲激勵艇體振動產(chǎn)生水下噪聲以及通海管路中的流體脈動向水中輻射噪聲;其二,螺旋槳在非均勻流場中旋轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生輻射噪聲,以及螺旋槳誘導(dǎo)脈動壓力通過軸系激勵或直接激勵艇體產(chǎn)生噪聲;其三,艇體結(jié)構(gòu)受表面湍流脈動壓力激勵產(chǎn)生水動力噪聲,以及突體、附體、空腔與湍流脈動壓力相互作用產(chǎn)生水動力噪聲。

2 潛艇聲隱身技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 聲學(xué)設(shè)計和建造工藝評估

總體設(shè)計是任何一艘潛艇研制的基礎(chǔ)和技術(shù)依據(jù)。潛艇的設(shè)計、選型和建造,是控制潛艇水下噪聲的第一層面的技術(shù),它直接關(guān)系到能否實現(xiàn)潛艇安靜化的目標。美、俄等國已經(jīng)形成一整套設(shè)計方法和研制體系,俄羅斯的全套聲學(xué)設(shè)計指南和水下噪聲計算方法,設(shè)計階段即可對重點設(shè)備貢獻的輻射噪聲比例進行評估,預(yù)測給定工況下整艇的輻射噪聲值,并制定了相應(yīng)的低噪聲建造工藝技術(shù)[4]。

2.2 設(shè)備布置和彈性安裝

為了減小機械設(shè)備引起的水下輻射噪聲,機械設(shè)備(尤其是振動較大的設(shè)備)應(yīng)相對集中布置,以便統(tǒng)一進行聲學(xué)處理。同時,為了減小機械設(shè)備對潛艇水下噪聲輻射面的直接激勵,設(shè)備應(yīng)該安裝在艙隔壁或者與艙隔壁相連的甲板上,盡量使結(jié)構(gòu)切向受力,而不是直接安裝在耐壓殼體上,以增加設(shè)備振動引起的結(jié)構(gòu)噪聲在傳遞途徑上的損失。國外潛艇機械設(shè)備普遍采用浮筏隔振裝置降低傳遞到基座面板的振動,并建立了浮筏系統(tǒng)的定量設(shè)計方法和規(guī)范。在此基礎(chǔ)上,國外潛艇采用艙筏隔振技術(shù)擴大隔振范圍和提高隔振效果[5]。

艙筏是一種以艇體結(jié)構(gòu)為安裝基座的大型浮筏,用于安裝主機、輔機等大型設(shè)備機組,設(shè)計時除遵循浮筏的設(shè)計原則外,還應(yīng)考慮艇體艙室振動對艙筏系統(tǒng)的影響。浮筏隔振效果只有在實測后才能得到,沒有修改和優(yōu)化的余地。而且浮筏的結(jié)構(gòu)形式和隔振器布置方式單一,不能充分利用筏架彈性波傳播的波型轉(zhuǎn)換以及筏架的模態(tài)振型特征來提高浮筏的隔振效果。目前采用的設(shè)備彈性安裝方式,無論是單層、雙層還是浮筏,都是屬于被動式隔振,低頻段會“失效”。雖然研制低頻隔振器是提高彈性安裝低頻段性能的一個努力方向,但是被動式隔振的低頻效果總是難以令人滿意。美軍的主動噪聲和振動控制系統(tǒng)(AN2VC),采用船用高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù),對全艇設(shè)備100Hz以下的低頻振動實施主動隔振,德國也研制開發(fā)了用于水面艦艇主機隔振的雙層主動隔振裝置,400Hz以下頻段隔振效果大于20dB。

2.3 基座和殼體振動控制

基座結(jié)構(gòu)作為設(shè)備振動從設(shè)備到艇體結(jié)構(gòu)傳遞的最重要通道,其設(shè)計有2個基本原則。第一,避免機械設(shè)備激勵與基座的振動模態(tài)發(fā)生共振;第二,在滿足設(shè)備安裝和總體布置要求的前提下,基座面板面應(yīng)盡量增厚。針對這兩點,國外采用阻抗概念和等效電路方法,建立了不同結(jié)構(gòu)基座阻抗的合成計算方法,在此基礎(chǔ)上,俄羅斯進一步歸納了不同結(jié)構(gòu)形式基座阻抗估算公式,便于實艇設(shè)計中的快速計算[6]。由于從設(shè)備到基座、從基座到水中的振動和噪聲定量關(guān)系還不十分掌握,難以從潛艇水下噪聲的目標值和設(shè)備的激勵特性,推算基座等支撐結(jié)構(gòu)輸入阻抗的最佳聲學(xué)設(shè)計量,基座傳遞阻抗的特性也需要加強研究。理論上講,可以通過殼體厚度的選取、肋骨的布置等措施來優(yōu)化殼體的聲學(xué)設(shè)計,避免殼體共振和強輻射模態(tài)的出現(xiàn)。但潛艇殼體的設(shè)計最主要服從于結(jié)構(gòu)強度、總體布置和施工工藝的需要,聲學(xué)優(yōu)化的余地極小。

目前較為實用和有效的控制殼體結(jié)構(gòu)噪聲的方法是采用阻振結(jié)構(gòu)、敷設(shè)阻尼材料和避免殼體共振。阻振結(jié)構(gòu)是附加在基座與艇體結(jié)構(gòu)之間和艇體結(jié)構(gòu)上的阻振質(zhì)量,或者廣義上講也可以是針對彈性波傳播改變結(jié)構(gòu)均勻性的任何物體。潛艇常用的阻振質(zhì)量為金屬塊,焊接在基座主要構(gòu)件或艇體結(jié)構(gòu)上。為了提高阻振質(zhì)量的效果,應(yīng)圍繞基座腹板或沿艙壁或鋪板周界布置阻振質(zhì)量?？梢赃m當配置艇內(nèi)結(jié)構(gòu)的阻振質(zhì)量,替代肋骨等增強結(jié)構(gòu)。阻振質(zhì)量應(yīng)與阻尼層配合使用。敷設(shè)阻尼材料也是一項成熟技術(shù),在實艇上已有廣泛的應(yīng)用,但是殼體聲輻射控制不僅取決于結(jié)構(gòu)阻尼,還取決于輻射阻尼,只有當結(jié)構(gòu)阻尼大于輻射阻尼時,結(jié)構(gòu)阻尼才會對聲輻射產(chǎn)生明顯的作用。在潛艇結(jié)構(gòu)上敷設(shè)阻尼材料,往往會受到重量和費用等因素的影響,選擇適當部位局部敷設(shè)阻尼材料并達到一定阻尼效果,已成為近年來阻尼材料優(yōu)化設(shè)計的一個新方向。

2.4 管路振動和噪聲控制

管路系統(tǒng)中泵、附件、節(jié)流裝置等產(chǎn)生的振動和噪聲,沿管壁和管內(nèi)流體介質(zhì)傳播,它是機械設(shè)備工作產(chǎn)生的振動能量傳遞到艇體結(jié)構(gòu)的“第二通道”[7]。在低頻和中頻減小沿第二通道傳遞的振動能量比較困難,原因在于:第一,三維空間管路系統(tǒng)分布復(fù)雜、器件數(shù)量多、管壁振動和管內(nèi)流噪聲相互耦合,形成多源強耦合系統(tǒng)。必須在管壁隔振和降低管內(nèi)流噪聲兩方面共同采取措施才能達到效果;第二,管路隔振元件,例如撓性接管等,為了滿足可靠性要求,剛度不能太小,隔振效果有限;第三,為了有效降低管內(nèi)流噪聲,要求消聲器在低中頻段有較大的聲阻抗,普通消聲器的外形尺寸和結(jié)構(gòu)難以滿足使用要求。

2.5 吸聲材料設(shè)計

敷設(shè)在潛艇非耐壓殼外表面的消聲瓦,一般兼有吸聲和隔聲的雙重功能,它是潛艇聲學(xué)防護的最后一道屏障。俄潛艇的耐壓殼外表面,非耐壓殼的內(nèi)、外表面都敷設(shè)了不同功能的聲學(xué)材料[8],目前潛艇所敷設(shè)的消聲瓦,在具備吸聲功能為主的同時實際上已經(jīng)兼?zhèn)淞艘欢ǖ母袈曅阅?。但是消聲瓦?00Hz以下的低頻段,隔聲性能往往不夠理想。在消聲瓦設(shè)計中采用主動控制技術(shù),設(shè)計兼有主動吸聲、主動隔聲和主動聲輻射控制的“智能瓦”,是提高消聲瓦低頻性能的一個重要技術(shù)途徑。20世紀80年代中期,人們提出了智能材料和智能結(jié)構(gòu)的概念。美海軍研究機構(gòu)將智能式艇體結(jié)構(gòu)研究列為新型艦艇聲隱身的戰(zhàn)略研究內(nèi)容,美國海軍裝備技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略研究咨詢報告《2000～2035年美國海軍技術(shù)》透露,美軍將聲學(xué)智能結(jié)構(gòu)研究列為艦艇有獨創(chuàng)性的聲隱身重點發(fā)展的技術(shù)領(lǐng)域。采用聲學(xué)智能材料設(shè)計艇體結(jié)構(gòu),以艦艇水下聲輻射聲功率為聲學(xué)目標函數(shù),實現(xiàn)艦艇結(jié)構(gòu)動力特性的智能控制,可以使機械設(shè)備通過彈性安裝未能隔絕的振動及其產(chǎn)生的水下聲輻射降低到最低水平。

2.6 推進器技術(shù)

螺旋槳是潛艇中高速航行時的主要噪聲源。由于螺旋槳葉片周向載荷不均勻,旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生空泡、鳴音和振動,發(fā)出高強度的噪聲。采用大側(cè)斜、變距、多葉螺旋槳,可以改善槳葉處的水流和壓力狀態(tài)空泡,降低螺旋槳噪聲,如俄羅斯K級636潛艇采用的7葉大側(cè)斜槳,既降低了螺旋槳的振動噪聲,又提高潛艇的臨界航速?；虿捎酶咦枘岵牧现圃炻菪龢?也可以有效地抑制槳葉振動,降低輻射噪聲,如英國研制的錳銅鑄造合金、日本的鐵鉻鋁合金等,減振效果明顯。各國通過多年的試驗研究,促進了潛艇低噪聲推進器研制的發(fā)展。泵噴射推進器就是其中的成果之一。所謂“泵噴射推進器”就是在一個多葉片、大螺旋槳外面罩以導(dǎo)管,導(dǎo)管的前方有一圈固定的導(dǎo)向葉片作為定子,螺旋槳在導(dǎo)管內(nèi)作為轉(zhuǎn)子低速轉(zhuǎn)動,推動潛艇運動。這種推進器既能改變螺旋槳葉片的壓力,防止空泡產(chǎn)生,又能改善尾流性能,減少尾波的形成,使航跡模糊。導(dǎo)管還可以屏蔽螺旋槳噪聲輻射,大幅度地降低螺旋槳噪聲,已實現(xiàn)與七葉大側(cè)斜槳相比噪聲降低7dB(6kn航速)和10～12dB(11kn航速)的初步成果。

2.7 降低水動力噪聲

潛艇在潛水狀態(tài)運行時輻射噪聲的一部分由艇體和附體周圍的流場生成,主要發(fā)生在艇體表面的孔穴、突出體、指揮臺圍殼和艉部等部位。水動力噪聲不是潛艇的主要噪聲源,但也足以為敵聲納所發(fā)現(xiàn)。特別是在高速航行,這部分噪聲更為重要。減少水動力噪聲的主要方法是改進外部設(shè)計。如外形采用水滴型,盡量做到艇體表面光滑,減少突出體。艇上開孔數(shù)量應(yīng)盡量減少,大的開孔能自動啟閉,關(guān)閉后應(yīng)看不到開孔。艇體結(jié)合處應(yīng)采用弧形圓滑過渡,減少阻力和噪聲。另外,還應(yīng)對潛艇外流進行研究,改變殼體及其附體形狀,優(yōu)化推進器的位置,重新分配吸排水的壓力場,以達到減小噪聲、增加推進效率、提高機動性、降低水動力信號的目的。

2.8 潛艇噪聲監(jiān)測技術(shù)

潛艇安靜性的不斷提高,使?jié)撏艿剿曂{的程度逐漸降低,但潛艇在使用過程中難免會出現(xiàn)聲學(xué)故障,作戰(zhàn)航行中的潛艇未能及時發(fā)現(xiàn)和修復(fù)出現(xiàn)的聲學(xué)故障是非常危險的,它會嚴重惡化潛艇的聲隱身性能,使?jié)撏б馔獗┞对谒曂{中。研究結(jié)果表明,由于潛艇聲學(xué)故障而引起的輻射噪聲即使增加3dB,都將會使?jié)撏У谋惶綔y距離大大增加。為此,美國在研制“海狼”號潛艇的同時,開始研制稱為TSMS的全艦噪聲監(jiān)測系統(tǒng)。用于實時監(jiān)測潛艇的噪聲狀況,及時發(fā)現(xiàn)和消除潛艇聲學(xué)故障對隱身性能的危害,TSMS系統(tǒng)已成為美國海軍潛艇的標準配置。法、英、德和俄羅斯海軍的新型潛艇上也已經(jīng)使用了潛艇噪聲監(jiān)測系統(tǒng)。潛艇噪聲監(jiān)測系統(tǒng)與有源振動控制技術(shù)集成,還能夠用于消除聲學(xué)故障對潛艇隱身性能的危害。

2.9 潛艇非接觸性抗沖擊技術(shù)研究

實戰(zhàn)中,潛艇常會遭受到水下非接觸性爆炸沖擊的影響。雖不形成致命的威脅,卻可能導(dǎo)致艇上各類重要設(shè)備廣泛的沖擊破壞。美國從1946年開始開展大規(guī)模的艦艇設(shè)備抗沖擊試驗和理論研究,在設(shè)備抗沖擊方面采取兩項強制措施:第一是新研制或試驗期超過5年的艦用設(shè)備必須進行沖擊試驗或者沖擊計算考核,合格才可裝艦;第二是規(guī)定每艘新型艦艇在交付使用前必須進行實船水下爆炸考核,考核不合格不能服役,必須重新進行抗沖設(shè)計,直至合格。美國艦用抗沖擊研究主要采用試驗為主,計算為輔的策略。1989年頒布的軍用規(guī)范MIL-S901D規(guī)定了艦用設(shè)備抗沖擊試驗的要求,用來考核艦用設(shè)備抗沖擊能力的驗收標準。通過抗沖擊仿真建模預(yù)測沖擊響應(yīng),結(jié)合部分的沖擊試驗進行校核是西歐海軍普遍采用的方法。英阿馬島海戰(zhàn)后,針對海戰(zhàn)中艦載設(shè)備的損壞情況,在北約海軍裝備技術(shù)委員會(NATOMEC)協(xié)調(diào)和德國海軍軍械局的主持下,西歐一些國家投入了大量的財力、物力進行研究和試驗解決這一問題,進行了大量的實船試驗,制定了新的沖擊標準,具有代表性的是德國海軍軍械局的BV0430/85標準。

3 潛艇聲隱身技術(shù)的發(fā)展方向

目前影響潛艇聲隱身水平提高的主要矛盾仍然是機、槳和液壓系統(tǒng)噪聲等技術(shù)難題。要突破這些瓶頸,須加大對這部分噪聲的治理研究,如采用大型艙筏集中隔離機械設(shè)備的振動傳遞。特別是應(yīng)加大對推進系統(tǒng)的噪聲治理,提高主動力系統(tǒng)的降噪效果、控制推進軸系的振動、降低推進器噪聲,同時加強對下列技術(shù)的研究:

1)噪聲源測試、分析技術(shù)。在大量實艇振動噪聲測量的基礎(chǔ)上,通過理論分析和計算,查清影響潛艇聲隱身性能的各主要噪聲源及量值。明確各環(huán)節(jié)的設(shè)計和優(yōu)化目標。

2)潛艇量化聲學(xué)設(shè)計技術(shù)。加強理論和實驗研究,實現(xiàn)潛艇聲隱身技術(shù)從定性設(shè)計到定量設(shè)計的轉(zhuǎn)變。

3)潛艇低噪聲建造工藝規(guī)程和檢驗驗收方法。總裝廠建造是實現(xiàn)潛艇“安靜化”的重要一環(huán),理想的工藝能將設(shè)計技術(shù)工程實現(xiàn),先進的工藝也能提高減振降噪的效果,而合適的檢驗驗收方法則是低噪聲建造工藝落實的保證。

4)實艇建造現(xiàn)場的振動監(jiān)測,完成裝艇的逐臺設(shè)備、各種工序進行實際艇殼的振動監(jiān)測,逐一記錄各種設(shè)備裝艇后,以及各種工藝措施采用后,艇殼的振動變化情況,建立設(shè)備和元件的振動烈度、聲源級以及阻抗、傳遞函數(shù)等聲學(xué)特征參數(shù)的數(shù)據(jù)庫。

5)采用低噪聲設(shè)備,并確定合理的設(shè)備性能參數(shù),盡可能減少能量需求,減小多余的功率儲備,使設(shè)備工作在最大效率區(qū)域。

6)從工程角度出發(fā),研究一種對管內(nèi)流體聲能量非接觸測量的方法,這可能需要從理論和新型傳感技術(shù)方面尋求突破。

7)采用磁致、壓電等智能作動器制作有源隔振元件,代替體積龐大的浮筏等被動減振器,根據(jù)實時測量的安裝部位的機械振動噪聲源信息,產(chǎn)生主動激勵,以抑制原有振動噪聲向艇體結(jié)構(gòu)的傳遞及向水中的輻射。

8)采用具有良好性能的壓電等智能材料制作傳感器和執(zhí)行器,將它置于消聲瓦或連續(xù)性聲學(xué)涂層中。根據(jù)潛艇的不同航行工況所具有的不同輻射聲和不同的主動聲納探測信號,自動調(diào)節(jié)消聲瓦的隔聲、吸聲性能,使消聲瓦工作在最佳狀態(tài)。

9)新型傳感器的研究。潛艇振動監(jiān)測對于降低潛艇的噪聲是至關(guān)重要的技術(shù)途徑,選擇性能優(yōu)越的傳感器對于測量數(shù)據(jù)的準確性十分必要。同時,微幅、低頻振動的抑制是潛艇振動主動控制技術(shù)的重要應(yīng)用方向之一,往往測量信號微弱而干擾信號突出,因此,開發(fā)高精度的傳感器也顯得至關(guān)重要。

10)抗沖擊試驗研究。以仿真計算為主,利用部分退役的潛艇開展非接觸性實艇爆炸試驗,對潛艇進行相應(yīng)的抗沖擊設(shè)計和改進。

4 結(jié)語

上述減振降噪措施,雖可以有效降低潛艇的噪聲級,但仍然不能使之完全消除。隨著綜合反潛體系的不斷拓展和反潛技術(shù)水平的不斷提高,全面降低潛艇的噪聲強度顯得日益重要,先進聲隱形潛艇的研制成功,將會對世界潛艇和海戰(zhàn)的發(fā)展產(chǎn)生深遠的影響。

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A Present Situation and Development of Noise Control for Submarines Abroad

Wang Yong Lu Kemin Yu Guangping Zhang Zhao
(Navy Representative Office of No.438 Factory,Wuhan 430064)

For a submarine,the vibration and noise is a very important quota of its fighting capacity.Lower the underwater noise and noise-target not only improves the noise-control of submarines,but also its initiative in the war.This paper reviews present condition of success and existing problems abroad,and then provides some suggestion for the noise-control.

submarine,vibration isolator,noise-control

TP391.9;O241.82

2009年9月17日,

2009年10月12日

王勇,男,助理工程師,研究方向:潛艇監(jiān)造及減振降噪技術(shù)。