王曉俠 劉見華

（1.海軍駐上海江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司軍事代表室 上海201913；2.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

0 引 言

水面艦船作為海軍的重要力量，一直是各海軍強(qiáng)國優(yōu)先發(fā)展的重要裝備之一。但隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭技術(shù)，特別是精確制導(dǎo)、電磁（雷達(dá)）偵察、紅外探測、水聲探測等現(xiàn)代戰(zhàn)爭綜合探測技術(shù)的不斷發(fā)展，使得水面艦船的設(shè)計(jì)發(fā)生了巨大改變。水面艦船的綜合隱身能力已成為水面艦船生命力與作戰(zhàn)能力的重要組成部分。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，艦船被敵人發(fā)現(xiàn)即意味著死亡。有關(guān)研究表明，艦船水下輻射噪聲增加6 dB，可使敵被動(dòng)聲納的探測、攻擊距離提高1倍，并使本艦被動(dòng)聲納探測距離降低50%，從而大幅增加本艦被敵發(fā)現(xiàn)的概率，使艦船生命力大幅降低，艦船的作戰(zhàn)性能大打折扣［1］?？梢?，低輻射噪聲水平是水面艦船聲隱身設(shè)計(jì)的追尋目標(biāo)。

聲隱身性是指控制艦船水下輻射噪聲水平，降低聲源強(qiáng)度、使自身難以被發(fā)現(xiàn)、跟蹤、識(shí)別和攻擊，同時(shí)提升自身發(fā)現(xiàn)、跟蹤和識(shí)別敵方的能力，進(jìn)而提高艦船的生命力和戰(zhàn)斗力，是艦船的一項(xiàng)重要戰(zhàn)技指標(biāo)。

1 艦船水下輻射噪聲起因

水面艦船是一個(gè)復(fù)雜的噪聲源分布體，產(chǎn)生水下輻射噪聲的原因主要有以下三個(gè)方面：

（1）螺旋槳噪聲

螺旋槳旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)引起周圍流場變化和壓力波動(dòng)，產(chǎn)生多種不同機(jī)理的噪聲，包括葉片共振時(shí)輻射的噪聲、渦流噪聲、唱音和空泡噪聲。空泡噪聲是寬頻且無指向性，噪聲級(jí)與艦艇速度的5～6次方成正比?？张菰肼晻?huì)使艦船的中高頻輻射噪聲突然增大20 dB以上，成為全船總輻射噪聲中最主要的成分［2］。螺旋槳除本身直接輻射噪聲外，其產(chǎn)生的脈動(dòng)壓力會(huì)激勵(lì)船體艉部結(jié)構(gòu)振動(dòng)并輻射噪聲，嚴(yán)重時(shí)也占總輻射噪聲的很大成分。另外，螺旋槳推力經(jīng)軸系中的支撐軸承和推力軸承作用于艇體的交變力，使船體產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)，并向水中輻射噪聲。當(dāng)艇體產(chǎn)生共振時(shí)，其輻射噪聲級(jí)會(huì)比螺旋槳噪聲級(jí)大許多。

（2）機(jī)械噪聲

機(jī)械設(shè)備和管系通過基座與非支撐件激勵(lì)船體振動(dòng)并向水中輻射噪聲，其大小與機(jī)械振動(dòng)狀況、底座特性、隔振裝置效率等多種因素有關(guān)，其噪聲性質(zhì)以線譜最明顯為特征，處于低頻段，傳播得較遠(yuǎn)，是艦艇的主要目標(biāo)特征信號(hào)。此外由機(jī)械空氣噪聲激勵(lì)而引起的艙室空氣噪聲向水中透射引起的噪聲，其聲級(jí)的大小與結(jié)構(gòu)的慣性、剛性和阻尼、以及空氣噪聲級(jí)等有關(guān)。

（3）水動(dòng)力噪聲

起伏的水流流過運(yùn)動(dòng)著的艦船表面所產(chǎn)生的噪聲。它包括湍流表面層產(chǎn)生的流動(dòng)噪聲、艇上部分孔穴或附體處的空化、漩渦產(chǎn)生的噪聲，航行艦艇的艇艏、艇艉的拍浪碎波噪聲等。水動(dòng)力噪聲一般被機(jī)械噪聲和螺旋槳噪聲所掩蓋。但如果附體結(jié)構(gòu)或孔穴被激勵(lì)而產(chǎn)生諧振，會(huì)輻射較強(qiáng)的窄帶線譜噪聲，且相應(yīng)聲級(jí)較高。隨航速增加，水動(dòng)力噪聲增長很快。

艦船水下輻射噪聲控制的措施基本上是兩條，即振源控制和傳遞途徑控制［3］，具體的艦船聲隱身設(shè)計(jì)時(shí)如何實(shí)施，要進(jìn)行聲平衡設(shè)計(jì)。

振源控制主要是根據(jù)各種噪聲的發(fā)生機(jī)理，最有效的方法是從源頭上消除產(chǎn)生噪聲的條件和環(huán)境，但牽涉面較廣，故需進(jìn)行艦船的聲隱身頂層設(shè)計(jì)。傳遞途徑控制主要是針對(duì)機(jī)械噪聲，在振源的傳遞途徑中增加各種隔振和降噪措施，改變振源的傳遞特性，減小船體振動(dòng)的幅值，以減小水下輻射噪聲。

2 國外艦船水下輻射噪聲控制情況

國外海軍強(qiáng)國在艦船水下輻射噪聲控制領(lǐng)域起步較早，研究發(fā)展至今已經(jīng)形成了較完善的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。美國自20世紀(jì)60年代末就針對(duì)水面艦船的聲隱身工作編制了一套減振降噪的設(shè)計(jì)施工規(guī)范文件，在此基礎(chǔ)上不斷完善并逐步提高減振降噪要求。近代的“阿利·伯克”級(jí)驅(qū)逐艦是美國水面艦船聲隱身技術(shù)發(fā)展的較好代表。德國也很早就重視艦艇聲隱身技術(shù)，1974年版 《艦艇建造規(guī)范》中有獨(dú)立的“噪聲控制”部分，1990年版中有“沖擊安全性”、“振動(dòng)安全性”及“噪聲控制”三大部分，對(duì)艦船的聲學(xué)性能、戰(zhàn)術(shù)技術(shù)要求、減振降噪設(shè)計(jì)原則及施工工藝原則、減振降噪驗(yàn)收測量方法作了明確的規(guī)定，德國F-124級(jí)護(hù)衛(wèi)艦和未來型護(hù)衛(wèi)艦FDZ2020均嚴(yán)格按照規(guī)范設(shè)計(jì)制造；近年引進(jìn)的俄羅斯?jié)撏Ш退媾炌Э梢宰C實(shí)其艦艇的聲隱身技術(shù)處于世界先進(jìn)水平；法國的“拉菲特”級(jí)護(hù)衛(wèi)艦、瑞典的“維斯比”隱身護(hù)衛(wèi)艦，西班牙的F-100級(jí)護(hù)衛(wèi)艦都采用了先進(jìn)的減振降噪措施，聲隱身水平很高。

艦船水下輻射噪聲數(shù)據(jù)歷來都被各國視為核心機(jī)密，因此無法準(zhǔn)確知道國外艦船水下輻射噪聲的真實(shí)情況，只能通過一些資料報(bào)道了解到一些情況。

根據(jù)有關(guān)資料報(bào)道，在20世紀(jì)70年代，由于美國突破了振動(dòng)源設(shè)備的浮筏隔振技術(shù)、大傾斜低噪聲五葉螺旋槳制造技術(shù)以及艦艇氣幕降噪技術(shù)，并在DD963艦上成功應(yīng)用，使該艦水下輻射噪聲顯著減小，較同類艦降低25%。當(dāng)時(shí)的國外驅(qū)逐護(hù)衛(wèi)艦在18 kn航速時(shí)，水下輻射噪聲水平一般控制在170 dB左右；而到90年代，18 kn航速時(shí)的水下輻射噪聲總聲級(jí)已降至162 dB左右。

此外，我們也了解到國外一些海洋調(diào)查船與科學(xué)考察船的水下輻射噪聲情況。如北約反潛戰(zhàn)研究中心的“Alliance”號(hào)海洋調(diào)查研究船，該船排水量約3 100 t，對(duì)水下輻射噪聲有嚴(yán)格要求，進(jìn)行聲學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)采用了大量的減振降噪措施。該船在8 kn航速時(shí)，水下輻射噪聲總聲級(jí)低于135 dB；12 kn航速時(shí)，水下輻射噪聲總聲級(jí)低于145 dB。愛爾蘭漁業(yè)調(diào)查船“Celtic Explore”號(hào)用于漁業(yè)、地質(zhì)、海洋環(huán)境調(diào)查及環(huán)境采樣。該船11 kn航速時(shí)，水下輻射噪聲總聲級(jí)低于145 dB。智利科學(xué)考察船在11 kn航速時(shí)，水下輻射噪聲總聲級(jí)低于138 dB。

國外水面艦船控制水下輻射噪聲一般采取以下幾項(xiàng)主要技術(shù)措施：

（1）對(duì)于螺旋槳噪聲控制：主要是采用大直徑、低轉(zhuǎn)速、大傾斜低噪聲可調(diào)螺距螺旋槳，且應(yīng)用螺旋槳?dú)饽唤翟爰夹g(shù)；

（2）對(duì)于機(jī)械噪聲控制：主要是采用單層隔振、雙層隔振、浮筏隔振、阻尼處理等，此外還重視軸系減振和管路隔振，如：與彈性設(shè)備連接的管路都需通過撓性接管連接，管路的固定采用彈性吊架等；

（3）對(duì)于水動(dòng)力噪聲的控制：主要是優(yōu)化船體線型，使船體流線光順，并避免有大的開孔和突出物，以降低流噪聲。

3 我國艦船水下輻射噪聲控制情況

自20世紀(jì)80年代，國內(nèi)已經(jīng)對(duì)艦船的機(jī)械振動(dòng)與輻射噪聲開展了一些理論和試驗(yàn)研究，并在振動(dòng)與聲輻射機(jī)理研究、艦艇結(jié)構(gòu)振動(dòng)及其傳遞控制、輻射噪聲控制等方面取得了一定進(jìn)展。我國在80年代仿照美國軍用標(biāo)準(zhǔn)編制了一些艦船噪聲限值標(biāo)準(zhǔn)和測量標(biāo)準(zhǔn)；從國外引進(jìn)了采用雙級(jí)隔振帶箱裝體的推進(jìn)柴油機(jī)和電站柴油機(jī)，單級(jí)隔振的燃?xì)廨啓C(jī)，采用大傾斜調(diào)距槳結(jié)合艉軸通氣系統(tǒng)等艦船聲學(xué)控制措施；并進(jìn)行艙室空氣噪聲的控制技術(shù)研究；對(duì)全艦空氣噪聲、結(jié)構(gòu)噪聲和水下輻射噪聲進(jìn)行了測量，這是我國對(duì)水面艦船首次進(jìn)行聲隱身設(shè)計(jì)的嘗試，積累了初步的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

不過，限于我國的工業(yè)水平、經(jīng)濟(jì)實(shí)力、控制的力度以及各部門的重視程度，與歐、美、俄等海軍強(qiáng)國相比仍存在較大差距，主要體現(xiàn)在機(jī)械工業(yè)落后、機(jī)電設(shè)備振動(dòng)噪聲大、控制力度不足、各部門對(duì)振動(dòng)噪聲的認(rèn)知欠缺等方面。20世紀(jì)90年代開始，我國陸續(xù)對(duì)在建的水面艦船提出了明確的噪聲指標(biāo)要求，各種減振降噪措施也陸續(xù)上艦應(yīng)用。

目前我國水面艦船的聲隱身工作已取得了較大的成效，一些先進(jìn)的減振降噪技術(shù)措施在我國水面艦船也逐漸得到應(yīng)用。但也應(yīng)該看到，我國現(xiàn)役水面艦船的噪聲水平整體上與國外還存在差距，值得深思。具體原因可能是多方面的，包括聲學(xué)設(shè)計(jì)的頂層設(shè)計(jì)還比較欠缺、裝艦設(shè)備及系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲大、減振降噪技術(shù)措施的應(yīng)用缺乏系統(tǒng)考慮、實(shí)測數(shù)據(jù)偏少，特別是實(shí)測時(shí)往往偏重于測試總聲級(jí)而忽視對(duì)艦上設(shè)備振動(dòng)的測試等。

4 我國水面艦船水下輻射噪聲控制的發(fā)展建議

艦船的水下輻射噪聲水平是一個(gè)國家整體制造工業(yè)綜合實(shí)力的體現(xiàn)。如裝艦機(jī)械設(shè)備的安靜性設(shè)計(jì)，就受到國家工業(yè)基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)水平以及材料、加工工藝的制約，沒有形成安靜性機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)加工體系，難以滿足艦船聲學(xué)控制發(fā)展的需要。目前我國艦船的聲隱身能力雖然受工業(yè)制造水平的影響非常大，但仍可通過改進(jìn)設(shè)計(jì)、綜合采用新的聲隱身技術(shù)來降低艦船的水平輻射噪聲。

4.1 加強(qiáng)艦船水下輻射噪聲指標(biāo)的論證

關(guān)于水面艦船水下輻射噪聲指標(biāo)的確定，既取決于該艦的作戰(zhàn)使命任務(wù)，同時(shí)也受到減振降噪技術(shù)水平的制約，是作戰(zhàn)需求和現(xiàn)實(shí)條件的綜合平衡問題。但是目前也存在水下輻射噪聲控制要求與具體艦船的作戰(zhàn)使命任務(wù)結(jié)合不緊的問題。提高或者降低水下輻射噪聲指標(biāo)對(duì)完成作戰(zhàn)使命任務(wù)的影響不能夠完全說清楚，水下輻射噪聲水平降到多少合適、是否是使命任務(wù)的需要、其他隱身指標(biāo)的關(guān)系以及減振降噪措施的投入產(chǎn)出關(guān)系等還無法合理評(píng)定，國內(nèi)水下輻射噪聲指標(biāo)的評(píng)價(jià)體系還不完善。水下輻射噪聲指標(biāo)要求的考核工況及航速要求與作戰(zhàn)使命任務(wù)結(jié)合不緊密，如國外反潛水面艦船更關(guān)注低航速（安靜航態(tài)）下的噪聲控制，充分發(fā)揮該航速下艦船水下輻射噪聲水平低的優(yōu)勢，以滿足戰(zhàn)術(shù)對(duì)抗的需求。建議今后在論證艦船的水下輻射指標(biāo)時(shí)，應(yīng)加大這方面的論證工作，盡可能將指標(biāo)要求和本艦使命任務(wù)聯(lián)系起來，建立科學(xué)、合理、有效的指標(biāo)評(píng)估體系。

4.2 水下輻射噪聲的控制應(yīng)注重頂層設(shè)計(jì)

艦船聲隱身設(shè)計(jì)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，必須強(qiáng)調(diào)頂層設(shè)計(jì)的重要性。水下輻射噪聲指標(biāo)應(yīng)該作為艦船的一項(xiàng)重要指標(biāo)，在設(shè)計(jì)之初就納入全艦總體設(shè)計(jì)中，與艦船的其他性能指標(biāo)一起綜合統(tǒng)籌考慮，然后才是對(duì)水下輻射噪聲總指標(biāo)進(jìn)行合理的分配、預(yù)報(bào)、綜合治理等環(huán)節(jié)。實(shí)踐表明，若結(jié)束艦船總體設(shè)計(jì)之后再采取各種減振降噪措施，則大部分情況下只能局部地解決面臨的問題，而且需要的費(fèi)用也較多。

水下輻射噪聲指標(biāo)和其他性能指標(biāo)是密切相關(guān)的，因此需要在艦船設(shè)計(jì)的早期階段就考慮到聲學(xué)要求，從源頭、總體、系統(tǒng)的角度進(jìn)行綜合權(quán)衡，如船型的選擇。美國最新的水聲監(jiān)聽船“無瑕”號(hào)采用了小水線面雙體船型，可將大的機(jī)電設(shè)備布置在甲板上方，以減少機(jī)械振動(dòng)的傳遞；如推進(jìn)方式的選擇，可以考慮選擇采用電力推進(jìn)和噴水推進(jìn)來滿足低噪聲的要求。此外，在艦船設(shè)計(jì)之初就必須考慮采用減振降噪技術(shù)措施所需的排水量、空間及重心的儲(chǔ)備；在艦船總布置上應(yīng)考慮將振動(dòng)大的設(shè)備集中布置、以便于采用浮筏隔振甚至是艙筏隔振，應(yīng)考慮將對(duì)聲學(xué)環(huán)境要求高的換能器艙盡可能布置在遠(yuǎn)離振動(dòng)大的區(qū)域；優(yōu)化設(shè)計(jì)船體線型，艉部線型的優(yōu)化可改善艉部流場的非均勻性，減輕螺旋槳葉片的工作負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)推進(jìn)性能和噪聲性能的良好統(tǒng)一，附體線型和水下大開口形式的優(yōu)化，可減少水動(dòng)力噪聲；考慮艦船結(jié)構(gòu)聲學(xué)設(shè)計(jì)，避免造成各種振源激勵(lì)的共振和放大，船體基座結(jié)構(gòu)進(jìn)行聲學(xué)設(shè)計(jì)，增大基座輸入機(jī)械阻抗，減小振動(dòng)傳遞。

在總體設(shè)計(jì)初期就進(jìn)行上述考慮之后，再應(yīng)用相關(guān)的減振降噪技術(shù)措施，可達(dá)到事半功倍的效果，有助于水下輻射噪聲指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

此外，在考慮單層隔振、雙層隔振及浮筏隔振等技術(shù)措施時(shí)，還必須兼顧考慮艦船的抗沖擊性能。

4.3 加強(qiáng)施工建造過程的控制

聲隱身性能是艦船的一項(xiàng)重要戰(zhàn)技指標(biāo)。水下輻射噪聲的控制必須貫穿于論證、方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)、施工設(shè)計(jì)、施工建造、試驗(yàn)試航、服役使用、維護(hù)修理、信息反饋等全壽命過程。

這里著重強(qiáng)調(diào)一下在建造階段需要重點(diǎn)加強(qiáng)控制，以保障所采用的減振降噪技術(shù)措施能夠按照設(shè)計(jì)師的意圖順利實(shí)施，達(dá)到預(yù)期的良好效果。在建造階段，制造技術(shù)、安裝技術(shù)、工藝控制等方面對(duì)艦船的聲學(xué)特征有著直接的影響，有些減振降噪技術(shù)措施對(duì)施工方法的要求特別高，在設(shè)計(jì)圖紙上可能無法準(zhǔn)確表達(dá)。如隔振器的螺栓緊固力矩的不一致，就可能使設(shè)備的安裝不平衡，導(dǎo)致振動(dòng)加大的情況發(fā)生。

4.4 加強(qiáng)振動(dòng)噪聲測試工作

在進(jìn)行艦船聲隱身設(shè)計(jì)的頂層設(shè)計(jì)時(shí)，需要良好的分析和預(yù)測能力，而最直接有效和可靠的方法是基于母型船的類比修正方法，而做好該項(xiàng)工作的基礎(chǔ)是需要對(duì)母型船的聲學(xué)特征有充分的了解，這就需要掌握母型船的實(shí)船噪聲測試數(shù)據(jù)。

由于受多方面因素的限制，目前我國水面艦船的水下輻射噪聲實(shí)測數(shù)據(jù)還比較少，特別是實(shí)測時(shí)往往偏重于測試總聲級(jí)而忽視對(duì)裝艦設(shè)備的振動(dòng)測試，導(dǎo)致即使獲得了實(shí)測數(shù)據(jù)，也很難以深入分析各振源的貢獻(xiàn)度，更談不上全面把握艦船的噪聲特性分布規(guī)律等。因此，加強(qiáng)實(shí)艦的噪聲測量和裝艦設(shè)備振動(dòng)傳遞特性測試將有助于艦船聲隱身技術(shù)工作取得更大的實(shí)效。

［1］繆旭弘，王振全.艦艇水下噪聲控制技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展對(duì)策［C］.第十屆船舶水下噪聲學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集.2005.

［2］朱英富，張國良.艦船隱身技術(shù)［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2003.

［3］侯振寧.艦艇隱身技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀［J］.艦船電子對(duì)抗，2000，（2）：19-24.