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消声瓦技术的现状与发展趋势

2013-05-23 6页 pdf 244KB 18阅读

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消声瓦技术的现状与发展趋势 消声瓦技术的现状与发展趋势* * 收稿日期: 2000- 11- 22。 张宏军 邱伯华 (中国船舶工业集团公司船舶系统工程部) 石 磊 贺 鹏 (驻某地区舰船配套军事代表室) 摘 要: 消声瓦技术在潜艇声隐身方面所起的重要作用已为世界各国所认同, 因此各国均投 入大量的人力、物力进行消声瓦技术的机理研究和工程应用工作。本文对消声瓦机理和各国消声瓦技 术的研究和应用情况作了较为系统的介绍,并对消声瓦技术的发展趋势进行了初步探讨。 关键词: 潜艇 潜艇声隐身 消声瓦 1 引 言 1987年英...
消声瓦技术的现状与发展趋势
消声瓦技术的现状与发展趋势* * 收稿日期: 2000- 11- 22。 张宏军 邱伯华 (中国船舶工业集团公司船舶系统工程部) 石 磊 贺 鹏 (驻某地区舰船配套军事代室) 摘 要: 消声瓦技术在潜艇声隐身方面所起的重要作用已为世界各国所认同, 因此各国均投 入大量的人力、物力进行消声瓦技术的机理研究和工程应用工作。本文对消声瓦机理和各国消声瓦技 术的研究和应用情况作了较为系统的介绍,并对消声瓦技术的发展趋势进行了初步探讨。 关键词: 潜艇 潜艇声隐身 消声瓦 1 引 言 1987年英国的一艘/敏捷0( Swifture)级核 潜艇0壮丽0号( Superb)在北大西洋公约组织举 行的一次海上演习时于北冰洋与美国两艘/鲟 鱼0级攻击核潜艇进行了一次模拟攻击演习, 演 习期间,这两艘美国潜艇始终没有发现/壮丽0 号,甚至这两艘潜艇上浮至水面启动主动声纳, 依然未发现/壮丽0号。而/壮丽0号一直在/鲟 鱼0级潜艇的声纳工作范围内。在演习结束后 的中, 英国皇家海军将/壮丽0号的成功归 于消声瓦的应用。 不仅是/壮丽0号, 目前世界各国海军现役 和在建的潜艇中,绝大多数均已敷设了消声瓦。 这是因为消声瓦的主要作用在于: 1)能够减少 对方主动声纳的探测距离; 2)能够降低本艇内 机械噪声。/壮丽0号在演习中充分地证明了消 声瓦的作用。因此, 在强调潜艇隐蔽性的今天, 消声瓦的技术性能理所当然地成为/安静型0潜 艇设计的主要指标之一。消声瓦也成为现代潜 艇的一种不可缺少的重要装备。 本文简单介绍了消声瓦吸声机理、世界各 国海军消声瓦的应用情况, 并简述了消声瓦技 术的现状与发展趋势。 2 消声瓦吸声机理初探 在阐述消声瓦吸声机理前,我们先来探讨 /声反射0是如何发生的,又是如何避免的。 设有二种传播声音的介质 (如海水和钢 板)。当声音传到二种介质的交界面时,则声音 的一部分便以反射波的方式反射回来, 而另一 部分则作为折射波成为第二种介质中的声波。 如果设第一和第二种介质的密度分别为 Q1 和 Q2,声速分别为 C1 和 C2, 那么,当入射波的声压 为 Pi时, 反射波的声压为: P t = ( Q2C2- Q1C1) / ( Q2C2 + Q1C1) (1) 若第一和第二介质的声速和密度的积相 等,即 Q1C1= Q2C2, 则不会发生反射。因此, 如 果使用与海水密度和声速之积 QC尽可能近似 )6) 5舰船科学技术62001. 4 的防反射物质遮蔽船体, 那么,在海水与防反射 物质之间声音的反射减少。 但进入这种防反射物质中的声音很快便到 达该物质与艇体的交界面,于是发生声的反射, 反射波沿着相反方向的传播途径被反射到海水 中,也就是说在防反射方面没有起到什么作用。 由此可见,为有效的解决声反射问题的发生, 必 须研制一种装备,使声波能够最大限度的透射 进该装备,并在该装备中最大限度的衰减,使声 的反射达到最小。 橡胶类的高分子材料无疑是该种装备的首 选基材,这是因为橡胶的声阻抗和水非常接近, 声波很容易从水进入到橡胶中,同时,橡胶类的 高分子材料由于本身的特性, 能够将声波等其 他形式的能量转化为热能,从而达到衰减声波 的目的。 橡胶等高分子材料是如何衰减声波的? 材 料中哪些性能直接影响吸声效果? 在外力(声波)的作用下, 橡胶等高分子材 料的形变性质介于弹性材料和粘弹性材料之 间,应力大小同时依赖于应变和应变速率,在交 变压力作用下,分子链构象重排需要一定的时 间(松弛时间 S) , 这将使应变滞后于应力, 即应 变和应力之间存在一个相位差D,即损耗角, 因 此,在交变压力的每一循环过程中, 都要消耗 功,将其他形式的能量(如声能)转化为热能, 称 之为力学损耗或内耗。由于相位差 D存在, 材 料的模量是一个复数( E* ) ,并有如下关系式: E * = E. ( X) + KE0( X) = | E* | eiXD (2) 式中: E. ( X)和 E0( X)分别为储能模量和损耗 模量。 又有: G= tg DE = E0( X) / E. ( X) (3) 其中:G为损耗因子。 可见,高分子材料E* ( E. 或 E0)与频率、压 力、温度、tgD有关。并且, 当 X> 1/ 2或 X< 1/ 2 时(即低频或高频时) E. ( X)基本与频率无关, 伴随分子运动而产生的能量吸收很小, E0( X) 和 tgD几乎为零。只有当 XU 1/ 2时, 分子运动 将弹性能转化为分子运动热能而损耗掉。E0 ( X)及 tgD、lg( X)的关系曲线均出现峰值。 声波在介质中能量衰减可知,声波在介质 中传播一个周期,能量损失可量化为: H = PE2E0tgD (4) 最大应变决定于形变的形式,最简单的弹 性形变可分为伸长、压缩和均匀剪切形变,三者 的模量之间的关系可表示为: E = 2(1+ L) G = 3(1 - 2L) K (5) 其中:橡胶 LU015 橡胶体积弹性模量 k大致与水相等, 密度 接近,具有与水良好的阻抗匹配。但橡胶体积 形变的损耗因子 Gk很小, 声波进入橡胶后衰减 很小, 如果单纯依靠单一材料本身达到吸声效 果,则需要相当大的厚度,在工程上没有实际意 义;另一方面,对橡胶的剪切形变来说,剪切模 量 L比弹性模量 k要小两个数量级, 但剪切损 耗因子GL很大, 接近 1, 因此, 为提高橡胶体吸 声能力, 必须设法把声波传播引起的橡胶体的 体积形变转化为剪切形变。通过声波在橡胶体 中的波形转换、散射和反射等获得。 为达到上述目的, 一般采用两种方式:一种 是材料改进和声学结构相结合,即利用材料本 身的吸声特性和通过声学结构造成声波在结构 中的波形转换、散射和反射达到衰减声波的目 的;另一种是仅仅对材料进行改进或采用复合 材料来实现声波的衰减,例如,一种典型的材料 是在橡胶中加入金属粒子。由金属粒子运动产 生小气孔,并随橡胶变形而产生热量,从而吸收 粒子的动能- 入射的声波。 实际上,世界各国消声瓦技术也基本按照 这两种思路发展的。 3 世界消声瓦技术应用现状 第二次世界大战末期, 德国海军为了挽回 )7)5舰船科学技术62001. 4 败局,减少潜艇的损失量,开始在部分常规动力 潜艇的外壳上加装一层名为/阿里贝里奇0( A-l berich)的合成橡胶防声材料, 这种材料用橡胶 制成, 材料厚约 30mm,内部有直径 2~ 5mm 的 圆柱型空洞。它利用声音入射时产生的气泡变 形来吸收声能,在降低反射量及艇内噪声方面 有一定作用。这个/阿里贝里奇0或许就可以认 为是世界上第一种用于实艇的消声瓦。 第二次世界大战结束后, 前苏联和英国均 获得了部分/阿里贝里奇0技术,并在此基础上, 前苏联和英美开始分别发展各自的消声瓦技 术,最终形成风格各异,同时又有十分优良的吸 声、抑振效果的消声瓦系统技术。 前苏联由于制造业和加工业相对落后, 因 此生产的潜艇往往噪声很大。为达到在全球和 美国争霸的目的,前苏联对潜艇的声隐身和减 振降噪技术一直投入大量的人力物力,消声瓦 技术也相对较为先进, 种类也较齐全。经过 50、60年代的设计研究和反复试验,于 1965 年 开始在潜艇上正式敷设消声瓦, 目前所有现役 潜艇均敷设有消声瓦。其消声瓦的基材主要是 丁苯橡胶。发展消声瓦技术一直遵循以下几个 设计原则: (1) 材料设计与声学结构设计相结合: 前 苏联是橡胶生产大国,有丰富的丁苯橡胶资源, 且声学水平也较高, 为最大限度的达到吸声效 果, 其消声瓦一直是带有一定声学结构的橡胶 制品。 ( 2) 声隐身技术和减振降噪技术相结合: 前苏联的潜艇自噪声很高,在努力将敌主动声 纳下目标强度降低的同时,一直积极研究对本 艇自噪声的治理的方法, 并将消声瓦技术和浮 筏技术等机械噪声治理、袖套等管路噪声治理 这些减振降噪技术有机的结合起来。 (3) 攻击型潜艇和战略型潜艇相区别: 前 苏联认为攻击型潜艇 ( SS/ SSN) 和战略型潜艇 ( SSBN)由于承担的任务不同, 设计时, 前者要 突出灵活性, 后者要优先考虑安静性, 为此,两 者所采用的消声瓦技术也是有很大区别的。 如现役的主战攻击型核潜艇/ 阿库拉0 ( Akula)级, 其舯部与艉部壳体均敷设了 50至 150mm厚的消声瓦, 艏部壳体使用的则是一种 蒙皮。该种蒙皮如同海豚皮一样, 在水下航行 时能起到抑制某种边界层的作用,有效地减小 了航行阻力。据推测, 这种蒙皮是由上下两层 固态橡胶和中间的液态橡胶(或许中间层是类 似于发泡橡胶的材料)所组成的具有一定结构 的橡胶制品。它能够随航速和压力的变化自动 进行调整。这是公开发表的该种技术的唯一工 程应用实例。目前还不知道前苏联是如何解决 蒙皮破损所造成的液态橡胶泄露问题的。图 1 显示的是改进型 /阿库拉0级攻击型核潜艇 /Tiger0号。由于蒙皮技术采用/无缝0技术敷 设,从艇上的积雪形成的痕迹可以很明显的分 辨出蒙皮敷设区(积雪没有横纵向堆积)和预制 型消声瓦敷设区(积雪有明显的横纵向堆积)。 图 1 / TIGER0号攻击型核潜艇 然而从/台风0级这种世界最大的战略型核 潜艇的照片中(见图 2)则会发现, 整艇均敷设 了 100至 200mm 的厚型消声瓦(采用陶瓷和橡 胶复合的消声瓦则更厚) ,未发现采用蒙皮。反 )8) 5舰船科学技术62001. 4 映了前苏联对攻击型潜艇和战略型潜艇在消声 瓦上的不同设计思路。 前苏联潜艇, 尤其是核潜艇其外壳体很少 仅敷设一种规格的消声瓦, 除外销艇外。这是 因为潜艇的各个部位对于整艇的目标强度的贡 献均不相同,目前还没有一种消声瓦能够/包治 百病0。所以,同一艘潜艇(主要是核潜艇)的不 同部位敷设的消声瓦厚度差别很大,其根据在 于不同厚度消声瓦的声学结构是不尽相同的。 外壳体的消声瓦在减小声纳反射信号的同时, 还具有一定的降低自噪声的作用, 如在/塞拉0 (Sierra)级和/阿库拉0( Akula)级攻击型潜艇上 开始采用的一种新的双层消声瓦。它不仅能减 小声纳的反射信号,还能降低自噪声。这种瓦 的内层是一种直径各不相同的多孔瓦,用于消 除特定频率的声音, 外层则是整体的,用于吸收 主动声纳信号,以减少主动声自导鱼雷攻击的 可能性。 图 2 / 台风0级战略型核潜艇 前苏联潜艇均采用双壳体, 其消声瓦设计 人员充分利用潜艇的这一结构, 在潜艇的内外 壳体上均敷设了消声瓦。外壳体敷设的消声瓦 主要是减小反射信号, 内壳体的消声瓦主要是 降低本艇自噪声。内壳体的消声瓦主要敷设在 噪声较大的舱室外壁,有针对性地敷设解耦瓦、 阻尼瓦或消声器。 解藕瓦技术是用粘合胶把解耦瓦粘到机械 周围的艇体上,利用在艇壳和水之间形成/阻抗 失配0的原理来阻止噪声传入水中。它与阻尼 瓦和消声器均是减振降噪技术的又一应用实 例。 第二次世界大战后, 大英帝国的国力逐渐 衰落,英国海军的潜艇更新换代速度很慢。消 声瓦技术的研究虽然起步很早,但发展水平远 远落后于前苏联。英国海军于 70年代中期曾 在/丘吉尔0号( Churchill)核潜艇上进行消声瓦 的敷设试验。此后, 在/敏捷0级的/壮丽0号和 /君权0号( Scepter)艇的改装期间都敷设了消声 瓦,粘贴方法与前苏联潜艇相似,虽取得了很好 的效果,但是,消声瓦的粘贴和脱落问题一直困 绕着英国海军, 正如/ 天才0号( Talent )照片(见 图 3)所显示的。所以, 在/特拉法加尔0级核潜 艇和/支持者0级( Upholder)常规潜艇上敷设消 声瓦时则采用了缠绕技术, 但似乎效果也并不 理想( /支持者0级潜艇也存在大面积的脱落现 象)。目前英国海军已放弃先预制消声瓦再通 过粘合剂在实艇敷设的工艺, 而直接采用实艇 现场浇注成型技术。其消声瓦的基材是聚氨脂 材料。目前还尚不清楚他们是如何解决聚氨脂 材料耐水性、贝类等海洋生物吞噬、防污等问题 的。但有消息说英国海军已将该项技术投入工 程应用。 图 3 /天才0号(T alent)攻击型常规潜艇 美国的消声瓦技术研究起步很晚,是在前 苏联将消声瓦、浮筏等一系列声隐身和减振降 噪技术在潜艇上的成功应用, 特别是/东芝事 )9)5舰船科学技术62001. 4 件0后, 前苏联有效地解决螺旋桨加工制造技 术, 使其潜艇的噪声水平接近美国潜艇之后开 展起来的。美国凭借其先进的科研技术和雄厚 的工业及经济基础, 且获得了英国的消声瓦相 关技术,迅速地发展起来。美国海军艇体结构 与前苏联潜艇不同, 采用单壳体结构,潜艇自噪 声情况与前苏联潜艇也不相同。因此, 消声瓦 设计并不完全相同。美国消声瓦有 5 个功能: 1)降低本艇的目标强度; 2)降低本艇的声辐射 水平; 3)减小本艇航行阻力; 4)防污; 5)有效提 高本艇声纳工作效能。前三点设计思路与前苏 联相同。1988年美国在/洛杉矶0级( Los Ange- les)攻击型核潜艇/圣胡安0号( San Juan)首次敷 设了消声瓦(见图4)。这种消声瓦是由聚氨脂 和玻璃纤维组成的双层铝板固定式吸声结构。 单层消声瓦能降低自噪声 25dB, 双层消声瓦可 降低 40dB左右。其消声瓦敷设借鉴了航天飞 机隔热瓦的敷设工艺。美国还在积极研究自控 系统边界层控制方面的研究(类似于前苏联的 /蒙皮技术0,据说采用的还是聚氨脂材料) , 以 降低本艇水动力噪声和减小水下航行阻力。该 项技术不久将在实艇进行应用, 并会领先于俄 罗斯。 图 4 / 圣胡安0号( San Juan)攻击型核潜艇 法国海军也一直独自从事消声瓦技术的 研究。该国海军最早研究的消声瓦是采用混凝 土外面包覆橡胶的方式, 现在用的消声瓦基材 为聚硫橡胶。消声瓦结构和敷设方法尚未公 开。 澳大利亚的消声瓦技术是根据本国海洋特 点和海军的实际情况独立发展起来的。该国研 制的消声瓦非常适应澳洲特殊的海洋条件,并 且本身还具有防污功能。澳大利亚还开发出消 声瓦的计算机设计软件。 日本也投入了大量的人力物力进行消声瓦 的研究工作,并且进行了实艇敷设。但它的消 声瓦技术还处于起步阶段。最新下水的潜艇水 线部分消声瓦依然保留加压工装,这表明日本 目前还没有很好解决消声瓦的粘贴问题。但 是,笔者对这部分设备的确切功用带有疑虑,如 果确为工装,那么,工装与艇体的连接部分将是 一个很好的漏声通道,工装也是一个良好的回 波反射面, 消声瓦的敷设也失去了实际意义。 因此, 对于日本的消声瓦技术还需要进一步的 关注。 瑞典、德国等具备潜艇设计制造能力的国 家目前均开始或已进行了消声瓦研究工作,并 陆续装备潜艇。这些国家的消声瓦水平与日本 相似,还处于起步阶段。 4 消声瓦技术发展展望 由上文可以看出, 在世界各国海军中,前苏 联海军的消声瓦技术处于领先地位, 消声瓦种 类最多,装备消声瓦的潜艇数量也居多;英国海 军正处在更新换代的时期; 美、法两国海军刚开 始装备部队;日本和德国海军对消声瓦的研究 刚刚起步。从总的发展趋势看, 就材料而言,消 声瓦在合成材料与粘贴技术上将有新的发展。 象英国海军目前使用的聚氨脂材料、法国海军 的聚硫橡胶、广泛用于声学材料的丁基橡胶等, 都是发展消声瓦技术的很有前途的合成材料。 从结构而言,美国海军使用的玻璃纤维制双层 薄板消声瓦,则被认为 (下转第 14页) )10) 5舰船科学技术62001. 4 3 许辑平等编.5潜艇强度6. 北京国防工业出版社, 1980. 12. 作者简介:张伟, 男, 1966 年 10月生。1998 年 11月上海交通大学船舶与海洋工程结构物设计与制造专业博士后流 动站出站,博士学位, 高级工程师。目前主要从事船舶结构强度、可靠性、稳定性、疲劳等方面的科研工作。已撰写 有 50余篇的科技文章(包括内部科技报告) , 2000 年有 6篇文章公开发表在不同的科技刊物上。 (上接第 5页) 4 L. Silhonette& G. Chatel. / Underwatev noise Control Stategy for Submarine equipments0, VDT 1992 Con- ference, 59- 62. 5 / Theretical Acoustics and Its Application to Snbmarine Radiated Noise0.UDT- 90, P609~ 614. 6 吴崇健. /浮筏隔振系统的设计方法0. 5舰船工程研究6. 1996. 3. 7 张均平. /消声瓦在潜艇声隐身设计中的应用0. 5舰船工程研究6. 1995. 3. 8 马运义、胡家雄. /我国舰艇(船)噪声控制技术研究的最新进展0.5武汉造船6会议文件. 1995. 5. 作者简介: 胡家雄 男, 1945 年生,高级工作师。1968 年毕业于武汉水运工程学院船舶设计与制造专业。现从事噪 声与振动控制研究工作。曾获船舶总公司科学技术进步一、二、三等奖, 七院一、三等奖。发表论文 20 余篇。 (上接第 10页) 是消声瓦未来发展的一种趋势。其他形式的复合材料与复合声学结构相结合的消声瓦(以前苏联 的系列消声瓦为代表) ,由于具有优良的吸声和减振效果,也必然是未来消声瓦设计的重点。在消 声瓦结构设计多样化的同时, 消声瓦的使用日趋专用化,适于特定艇体的区域或特定频段的专用型 消声瓦逐渐得到广泛应用(前苏联对不同活动区域的潜艇敷设不同材料的消声瓦)。要求消声瓦既 保持吸声效果, 还要使其具有减振的作用,将来还会出现并广泛应用的以降低本艇自噪声为主要目 的的/特种消声瓦0。消声瓦技术已不再是一种完全独立的领域,而是潜艇声隐身和减振降噪技术、 艇体水动力噪声治理、艇体防污等多项技术工程综合应用的领域。 通过世界各国消声瓦的研究与应用实例可以看出,消声瓦的研究必须系统化、系列化, 要建立 并遵从一个设计原则。同时要把消声瓦的研究与艇内机械噪声的减振降噪等多学科的研究相结 合。因为仅一种消声瓦并不能适用于潜艇的所有部位,单凭消声瓦也不能解决潜艇声隐身的全部 问题。另外,在积极借鉴外国先进经验的同时,还必须立足于本国的实际特点与情况,决不能对外 国的技术进行简单的生搬硬套。只研制某一种消声瓦,不考虑其使用背景, 不建立一个系统观念, 没有一个符合国情的消声瓦设计原则,只是一味地进行简单模仿, 其结果往往是只知其然, 却不知 其所以然,消声瓦技术的研究将会十分被动, 也很难发生质的突破。 参 考 文 献 1 何曼君.5高分子物理6. 复旦大学出版社. 2 何祚镛.5声学理论基础6 . 国防工业出版社. 3 5现代军事6 . 1990. No. 162. 4 5世界N舰船6. 1988. No. 404. 5 5—} ° Ï } 6 . 1991.No. 2. 6 5 Jane. s Fighting Ships6 . 1992~ 1993. 7 5 Jane. s Defense Weekly6 . 1989. 8 5 Jane. s Fighting Ships6 . 2000~ 2001. 作者简介:张宏军, 高级工程师,男, 1968年 11 月生, 1991 年毕业于哈尔滨船舶工程学院船舶与海洋工程专业, 现为 哈尔滨工程大学在职硕士研究生。曾获船舶总公司科技进步二等奖一项, 先后发表科技论文和报告十余篇。 )14) 5舰船科学技术62001. 4
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