潜艇消声瓦技术研究进展.doc

潜艇消声瓦技术研究进展.doc 计算化学课程期中报告 潜艇消声瓦技术研究 化学化工学院高分子科学与系 张晓默 MG0424116 1. 引言 现代军事变革的背景下，海军的战略地位日益提高。而高技术条件下的联合海上作战中，潜艇作为水下作战平台，作用更加重要。潜艇技术的发展，已经成为衡量国防实力的重要指标。 [1]潜艇潜行水下时，一般的光学手段和无线电手段都无法探测其位置。因此，第一次世界大战爆发后科学家开始研究用水声方法探测潜艇。1916年，使用水听器和放大器接受潜艇航行的辐射噪声的被动声纳出现，1918年，主动声纳研制成功。这类声纳的原理是发射声脉冲，接受潜艇的反射回波来发现潜艇并测定其方位和距离。现代舰用主动声纳的探测作用距离约10海里，在大洋中利用水 [2]下声道会聚带时可增至35海里，岸基声纳的作用距离可达数百至上千海里。随着电子信息技术的进步，以声纳基阵为核心的防潜警戒系统已经成为海防的重要力量。 声纳尤其是主动声纳技术的发展，给潜艇在作战中的安全性带来了严峻的挑战。从声学的角度看，潜艇产生水下噪声的原因主要有三个方面: 1)机械设备和管系通过基座与非支撑件激励艇体振动产生的噪声,包括舱室空气噪声向水中透射引起的噪声以及冷却水管中的流体脉动向水中的声辐射; 2)螺旋桨旋转运动产生的噪声，包括旋转噪声、湍流噪声、尾涡噪声和空化噪声以及螺旋桨脉动压力通过轴系激励或直接激励艇体产生的噪声; 3)水流流经艇体面以及突体、附体、空腔所产生的水动力噪声和湍流脉 [3]动压力激励艇体产生的噪声。 潜艇隐身技术即消声技术，已经成为国防科学技术方面的重要研究课题。 1 计算化学课程期中报告 2. 消声瓦及其相关技术进展 潜艇的消声技术是一项复杂的系统工程，通常采用的消声去耦结构、传输去耦结构、振动阻尼结构涉及机械设备选用、总体布置、弹性安装、基座设计、结构阻尼、隔声处理、弹性阻尼连接、消声瓦屏蔽等一系列机械噪声控制技术的综合应用，而在潜艇轻外壳外表面敷设兼有吸声和隔声的双重功能的消声瓦是一种行之有效的消声技术。 在潜艇上应用的消声瓦基本上是内部含有大小不等气泡的氯丁橡胶的混合物，这些气泡主要对声波传输起损耗作用。 根据声学性能和结构要求将橡胶制 [4]成厚度30mm-75mm的消声瓦，利用胶粘剂贴到潜艇的相关部位。消声瓦能有效吸收敌方主动声纳的探测声波，减少反射声能，达到隐身的目的。目前的消声瓦基本采用了非均匀复合层结构——其中非均匀层为带锥孔的吸声橡胶层，贴在 [5]钢板上形成具有过渡性的空腔结构。 [3][6]对频率在300Hz以下的低频波段，消声瓦的隔声性能不够理想。Lafleur [7][8]和Howarth在上世纪九十年代初开始研究主动消声瓦技术。Corsaro提出了“智能瓦”的概念，以主动控制技术提高其低频性能。 应当注意的是，用于将消声瓦粘贴在潜艇上的胶粘剂非常关键。优良的胶粘剂应当与消声瓦材料和底衬能够相容，在常温下可很快固化并具有良好的环境稳 [4]定性。通常使用的主要是触压胶粘剂，有时也使用环氧树脂等类型的胶粘剂。由于橡胶是非极性材料，只有经过改性处理使表面具有极性基团与艇壁钢板通过粘合剂牢固地粘合，同时在长期的水中浸泡和水压张弛下处于正常粘连状态而不 [9]脱落，这就是粘合剂与消声瓦之间的接触角问题。廖斌等用微波等离子体处理消声瓦，使橡胶表面变成极性，亲水性增强，表面湿润性得到很大改善。 除了制造技术外，消声瓦的另外一项重要相关技术是检测技术。如果潜艇表面的消声瓦粘贴有缺陷，会影响消声性能甚至脱落，因此需要一种无损检测手段。与难以工程化的在水槽中进行检测或是自由空间微波法模拟测量相比，裴永祥等[10]采用微波反射电桥法进行针对消声瓦粘贴缺陷的无损检测具有实时、在线的 [11]特点，响应较快且可以在空气中检测。在消声瓦的声学性能测量方面，李水 2 计算化学课程期中报告 等利用宽带压缩脉冲叠加法对整块消声瓦进行大面积水声材料的中低频测量，突破了使用脉冲声管和驻波声管测量对测量尺寸的限制。 3. 作为消声瓦辅助技术的阻尼材料技术 潜艇隐形不仅仅要依靠消声瓦，也要在结构上优化其声学性能。但是，潜艇壳体的设计最主要服从于结构强度、总体布置和施工工艺的需要，声学优化的余地极小。根据目前的技术水平而言,控制基座等支撑结构和壳体结构中噪声的传 [3]递,较为实用和有效的方法是采用阻振结构和敷设阻尼材料。阻尼材料的敷设也是一项成熟的技术，在实艇上已有广泛应用。 阻尼材料是指将固体机械振动能转化为热能而耗散以达到减振目的材料，可分为以下四类: 1) 橡胶和塑料阻尼板，用作夹芯层材料; 2) 橡胶和泡沫塑料，用作阻尼吸声材料; 3) 阻尼复合材料，用于振动和噪声控制; [12]4) 高阻尼合金。 由于实际应用中收到潜艇的重量和成本等因素制约，阻尼材料的敷设问题是 [13]研究的重点之一。Garrison通过理论计算给出了最佳敷设区域、毋须敷设区域 [14]和最佳敷设方向。Kung构筑数学模型，对材料特性、粘弹性厚度、分块数量、 [15]分块尺寸及其位置进行了优化设计。Spalding结合理论计算和试验测量结构声强的结果对阻尼的敷设位置优化提供了物理依据。 [16]为了进一步提高阻尼层的性能和效果，Baz提出了主动约束阻尼概念。这种阻尼结构由普通粘弹性材料和两层压电约束层组成。其中一层压电层位于粘弹层和基板之间,另一层压电层粘贴在粘弹层外侧。当结构振动时内压电层产生变电压，经倒相和放大后形成控制电压，作用于外压电约束层，引起粘弹性层的附 17]加剪切应变，增加振动能量的损耗。Ray[在这一工作的基础上对阻尼处理的位置作了进一步的优化。 二十世纪八十年代以来，研究者在功能结构的基础上提出了集感知、驱动和 3 计算化学课程期中报告 信息处理于一体的智能材料的概念，将智能材料应用于结构设计则出现了智能结 [3]构的思想。智能结构源于功能结构，是指将感知器、自适应机制、激励器、传 [18]感器、控制单元、电路以及电源都集成到材料结构中的设计模式。目前，在航空、航天、大型空间结构、建筑等领域，智能材料和结构的研究正方兴未艾。 4. 结语 应当指出，潜艇声隐技术是关系到国家安全的重要军事技术，各国政府均对相关技术的新进展予以法律和上的严格保护，因此相关公开文献不多。以美 [19]国专利为例，在美国专利与商标局能够查阅到的潜艇隐形技术专利只有:Sevik [20]等报道的水下消声瓦技术的新进展，这类技术在Takao等人于2002年得到批准的新专利中应用减振技术得以改良。 作为一项系统工程和综合技术，潜艇声隐技术在中国起步甚晚。实现潜艇在作战中的隐形化，不仅仅是消声瓦技术研究者的任务，也依赖于各方面相关技术的共同进步。 参考文献 [1] 汪德昭, 尚尔昌, 水声学. 北京:科学出版社, 1981. [2] 侯自强. 声纳. 中国大百科全书?电子学与计算机技术. 北京:中国大百科全 书出版社, 1986. [3] 俞孟萨, 黄国荣, 伏同先, 船舶力学, 2003, 7, 110. [4] 宫继祥, 声学与电子工程, 1994 35, 44. [5] 何祚镛, 王曼, 应用声学, 1996, 15, 12. [6] L. D. Lafleur , F. D. Shields , J. Acoust. Soc. Am., 1991, 90, 1230. [7] T. R. Howarth , V. K. Varadan , J. Acoust. Soc. Am., 1992, 91, 823. [8] R. D. Corsaro , B. Houston , J. Acoust. Soc. Am., 1997, 102, 1573. [9] 廖斌, 安同一, 王源身, 表面技术, 2003, 32(6): 22. 4 计算化学课程期中报告 [10] 裴永祥, 徐晶, 新疆师范大学学报(自然科学版), 2001, 20, 26. [11] a) 李水, 缪荣兴, 唐海清, 声学与电子工程, 2001, 62, 28. b) 李水, 缪荣兴， 声学学报, 2000, 25, 248. [12] a) 王曼霞, 雷治大. 阻尼材料. 中国大百科全书?航空航天. 北京:中国大 百科全书出版社, 1985. b) 陈永川. 中国大百科全书?物理. 北京:中国大百 科全书出版社, 1987. [13] M. R. Garrison , R. N. Miles , J. of Sound and Vibration, 1994, 172, 231. [14] S. W. Kung , R. Singh , J. of Sound and Vibration, 1999, 219, 785. [15] A. B. Spalding , J. A. Mann , J. Acounst. Soc., 1995, 97, 3617. [16] A. Baz , J. J. Ro , J. of Sound and Vibration, 1994, 28, 18. [17] M. C. Ray , A. Baz , Sound and Vibration, 1997, 208, 391. [18] C. R. Fuller , C. A. Rogers , J. of Sound and Vibration, 1992, 15, 19. [19] Sevik , M. Maurice , US. Pat. Appl. 5,444,668. [20] Takao , T. Toshinori , Suzue , T. Masayoshi , Takanishi , Y. Kohei , Inoue , Y. Masayuki , Mori , H. Kazuhiko , US. Pat. Appl. 6,479,140. 5