国外消声瓦的研究与应用进展

[研究与设计 ] 国外消声瓦的研究与应用进展* 张文毓 (中国船舶重工集团公司第七二五研究所 � 洛阳 471039) � � [关键词 ]潜艇; 潜艇声隐身;消声瓦; 进展 [摘 � 要 ]消声瓦技术在潜艇隐身方面所起的重要作用已为世界各国认同, 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。 [中图分类号 ] U667. 7� � [文献标识码 ] A� � [文章编号 ] 1001- 9855( 2010) 06- 0001- 04 Overseas Research and Application of the Silence Tile ZhangW enyu Keywords: submarine; submarine sound stealth; silence tile; deve lopment Abstract: S ince the importance o f the silence tile in submarine sound stea lth has been identified by most countries in thewo rld, m anym anpow er andmateria l resources are devoted into the research on them echanism s o f the silence tile and its eng ineering app lications. Th is paper systematically introduces the research and application o f the silence tile in various countries and d iscusses its developmen.t 0� 引 � 言 现代战场上的主要矛盾已经从 �打击 �和 �抗打 击 �逐步向 �发现 �和 �抗发现 �转化。消声瓦技术是 提高潜艇隐身性能, 提高其战斗力和生存能力的最 有效措施之一。高性能的消声瓦不仅具有优良的吸 声性能,而且具备优良的隔声性能和抑振性能,也就 是说, 使用消声瓦不仅能吸收敌方声纳的探测声波, 也能最大限度地隔离本艇的辐射声波。高性能的消 声瓦还可用于声纳舱的非窗口舱壁, 作为吸声障板, 消除回波干扰和艇的辐射噪声干扰, 提高声纳的探 测性能。因此对于新型消声瓦的研究, 开发拥有自 主知识产权、性能优越的消声瓦是提高我军潜艇战 斗力和生存能力的关键。 1� 消声瓦技术的研究和应用情况 1. 1� 美国消声瓦技术的研究和应用情况 潜艇的声学特征控制技术是一门综合应用技 术。声隐身涂层具有阻尼作用、隔声作用、消声作 用,声隐身涂层有隔声材料、消声材料、聚氨酯 声隐身涂层。消声瓦利用空腔将声转化为热能而被 消耗,是一种较为成熟的防声纳探测涂料;但同时其 施工方法、厚度、重量等缺陷, 大大限制了它的应用 范围,其发展趋势是采用施工简单、涂膜较薄的吸声 涂料来解决。如英、美采用 30 mm~ 40 mm聚氨酯 发泡材料加多孔材料制作吸声涂料, 吸声率可达 1 2010年 12月 第 6期 船 � � 舶 SH IP & BOAT D ecem ber, 2010 NO. 6 * [收稿日期 ] 2010- 06- 03 [作者简介 ]张文毓 ( 1968. 02- ) ,女,汉族,高级工程师,主要从事情报研究工作。 70% ~ 90%。 美国潜艇的噪声水平一直比较低, 30多年来, 噪声下降了 40 dB左右。如 �洛杉矶 �级核潜艇的 噪声已降到 128 dB, �俄亥俄�级核潜艇和 �海狼�级 攻击核潜艇的噪声则降到了 120 dB以下。 美、英、法、日等国在潜艇消声瓦技术上也处于 世界前列。美国在新建的 �洛杉矶 �级攻击型核潜 艇、SSN�21海浪级攻击型核潜艇以及俄亥俄级弹道 导弹核潜艇上全部安装了消声瓦, 所用材料为丁基 橡胶类。1988年美国在 �洛杉矶 �级攻击型核潜艇 �圣胡安 �号首次敷设了消声瓦。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 25 dB,双层消声瓦可 降低 40 dB左右。其消声瓦敷设借鉴了航天飞机隔 热瓦的敷设工艺。美国还在积极开展自控系统边界 层控制方面的研究, 类似于前苏联的 �蒙皮技术 �, 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。 从结构而言,美国海军使用的玻璃纤维制双层 薄板消声瓦,被认为是消声瓦未来发展的一种趋势。 试验结果表明,采用网络状橡胶和薄铜板单层吸声 结构, 可以把通过它的 3 000 H z的声强级降低 25 dB,用同样材料的双层吸声结构可以降低 40 dB 声强级,其优良的隔声性能受到各国海军的注目。 美国在 20世纪 80年代研制的消声瓦系统细分 为:去耦瓦、透射损失瓦、无回声瓦和阻尼瓦四种类 型,目前西方各国海军多装备这样四种消声瓦 [ 1]。 1. 1. 1� 去耦瓦 主要用于机械舱室和其他低频噪声源周围。它 是一种含方形空气腔的砖形结构, 典型的外形尺寸 为 12� � 12� � 0. 375�( 304. 8 mm � 304. 8 mm � 9. 525mm), 单元空腔尺寸为 0. 5� � 0. 5� � 0. 25� ( 12. 5 mm � 12. 5mm � 6. 35 mm )。 1. 1. 2� 透射损失瓦 主要用于潜艇外壳的非水密部位, 如导流罩内 的基阵周围。要求透射尽可能小,吸声、反射均可。 1. 1. 3� 无回声瓦 也称吸声瓦,主要用于艇体两侧、指挥室围壳、 舵等区域。要求无声波反射, 全吸收最好,防止主动 声纳的探测。 1. 1. 4� 阻尼瓦 主要用于机械舱室周围的内面和外面, 是一种 边缘为尖劈形的砖状结构, 典型的外型尺寸为 11. 375�� 11. 375� � 0. 75�( 0. 63�) [ 301. 6 mm � 301. 6 mm � 19mm( 16mm) ]。 1. 2� 俄罗斯消声瓦技术的研究和应用情况 俄罗斯的潜艇安静性技术发展也较快,从 20世 纪 60年代 H、E和 N级核潜艇噪声 160 dB降低到 1975年� 、� 级核潜艇的 150 dB; 1985年 S、M级攻 击核潜艇降为 125 dB~ 130 dB; 新建的 �阿库拉�级 噪声降到 115 dB~ 120 dB。 前苏联从 1958年开始在 G级 SSN型潜艇上敷 设消声瓦,该消声瓦是由低频吸收层、高频吸收层和 防污层组成的多层结构。 1967年起, 前苏联除在 SSG、SSB、SS、SSBN型潜艇上使用 50 mm ~ 100 mm 厚的橡胶型消声瓦外, 还在艇的艏部和声纳区采用 了粗糙的、具有某种结构的固体涂料。据报道, 前苏联在 �台风级 �、M级、�奥斯卡 �等潜艇上安装 了由橡胶型消声瓦和固体涂料组成的组合防护层 后,使北约国家的潜艇声纳探测距离缩短 75%、美 国 MK46鱼雷主动声纳的探测距离缩短 50%。我 国从前苏联引进的 636、K877艇用橡胶型消声瓦材 质分析,为阻尼性能很低的丁苯橡胶, 外形尺寸为 1 000mm � 500 mm,厚度 50mm。 预计到 20世纪末,俄罗斯消声瓦的频率将扩宽 到 100 kH z, 发射声的衰减达 15 dB~ 20 dB。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、聚丁二烯橡胶和橡胶陶瓷。如现役的 主战攻击型核潜艇 �阿库拉 �Akula级, 其舯部与艉 部壳体均敷设了50 mm ~ 150 mm厚的消声瓦, 艏部 壳体使用的则是一种蒙皮。 �台风�级这种世界最 大的战略型核潜艇整艇均敷设了 100 mm ~ 200 mm 的厚型消声瓦,未发现采用蒙皮。 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。 2 2010年 12月 第 6期 船 � � 舶 SH IP & BOAT D ecem ber, 2010 NO. 6 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。 为了达到 �塞拉�级潜艇的最佳隐蔽目的, 苏联 海军在艇型设计上采用了拉长水滴形, 艇体表面被 设计得非常光滑流畅,表面突出物几乎完全被取消, 指挥台围壳与艇体交接处采取弧形圆滑过渡,艇体 表面流水孔被减至最少。除上述举措外, 该级艇的 一项极为有用的隐蔽措施就是在艇体表面敷设一层 厚薄相间的消声瓦。这层消声瓦的厚度在 80mm~ 150mm之间, 长宽比为 90 ~ 85, 由合成橡胶制成。 据称, 俄罗斯潜艇敷设这种消声瓦后,已使对方的探 测能力下降了 50% ~ 70%, 本艇的自噪声下降 20 dB。除 �塞拉 �之外,俄罗斯海军还对 20世纪 70 年代建造的 V - �级核动力攻击型潜艇、80年代建 造的 �阿库拉 �级核潜艇等贴敷了消声瓦 [ 2 ]。 1. 3� 英国消声瓦技术的研究和应用情况 英国的 �敏捷 �级核潜艇、�阿拉法特 �级核潜 艇、�北极星 �核潜艇也包覆了消声瓦, 所用材料为 聚氨酯橡胶。据资料报道,英国 �阿拉法特 �级核潜 艇上采用的是缠绕的消声涂料;而 90年代英、法等 西欧国家研制了复合型多功能消声瓦及聚氨酯喷涂 技术。由于技术先进, 喷涂的消声瓦不易脱落且厚 度任意控制,并具有良好的吸声、抑振和隔声作用, 以喷涂施工形式替代了原先需要在工厂硫化成型, 然后用粘贴法施工的橡胶型消声瓦。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。 1. 4� 法国消声瓦技术的研究和应用情况 法国的 Agosta�80、CA级常规潜艇的噪声水平 达到了 120 dB左右。瑞典的 T96型潜艇要求以 7 kn速度航行的噪声低于三级海洋环境噪声 [ 3]。 法国对消声瓦和消声涂层的研究也很重视,法 国研制的消声涂层是由许多并列布置的流体消声器 构成的,该消声器是由有若干间隙的刚性材料棒嵌 接的微型管和填充的不可压缩的流体组成。微型管 由基本上与水有相同声阻抗的声阻抗板支承, 而刚 性材料棒则由刚性材料板支承; 整个消声涂层是不 可压缩的,故不受外压影响。这种消声涂层能够吸 收涂层接触介质中没有反射的发射声波。特别是在 水面舰艇船体和潜艇船体上敷贴这样的涂层, 就可 以减少被声纳探测的危险。该类型涂层基本上是由 微型管并列布置组合而成, 不依赖于与水这样的环 境介质差不多相同声阻抗的薄膜密封边界层。法国 早期所研消声瓦的材料为聚硫橡胶, 90年代还开展 了聚氨酯涂料型具有复合功能的消声瓦研制。 1. 5� 日本消声瓦技术的研究和应用情况 日本也正加紧消声瓦的研究。据悉, 其已研制 出 A、B、N、P四种类型的消声瓦,并做了缩比模型试 验,所用材料为氯丁橡胶。日本 �春潮�级、�夕潮 � 级也都安装了橡胶材料制作的消声瓦。 1. 6� 德国消声瓦技术的研究和应用情况 德国亦是最早研制消声瓦和吸声材料的国家。 二次大战期间, 德国海军工程师就试验了 4 mm厚 的橡胶涂料, 前苏联就曾于 1954年从德国获取过 A lberich吸收声纳波涂料样品。 2� 消声瓦主要功用及关键技术 各国海军之所以越来越青睐在潜艇上安装消声 瓦,就在于消声瓦有着非比寻常的降噪和消声本领。 目前经初步证实,消声瓦的功用至少有 3个: �首先,其能够吸收对方主动雷达发出的声纳 波,即利用消声瓦材料的阻尼作用和瓦内空腔或填 充物的作用,使对方发射出的声波波形发生变化,将 声能转换为热能消耗掉, 从而使折射回去的声波能 量大为降低, 达到急剧减少主动声纳探测的目的。 据报道,俄罗斯满载排水量 26 500 t的 �台风�级潜 艇由于敷设了 150 mm 厚的消声瓦, 因而使美国 MK�48和 MK�46型鱼雷的主动声纳探测距离减少 到原来的 1 /3,由此可见它的战术效能非同一般; �其次, 能够隔离潜艇内部噪声向艇外辐射。 噪声是潜艇水下行动的一个大忌,尤其核潜艇的吨 位大、噪声大, 更是容易被对方在极远的距离上探测 发现。消声瓦能部分缓解这方面的矛盾, 给潜艇包 3 国外消声瓦的研究与应用进展 上一层层的消声瓦, 就相当于用一件棉袄包裹一台 收音机一样,声音明显减弱。在这种情况下,艇内的 噪声向外辐射自然受到很大的抑制。不过, 实践也 证明: 一种消声瓦难以同时具备良好的吸声和隔声 性能, 而且低频吸、隔声性能难以满足实践使用的需 要; �再次,能够抑制艇体的振动。潜艇在活动和 作战使用时,其动力装置和机械设备产生的振动是 不可避免的,也是始终存在的。因此,如何最大限度 地减少振动,便成了潜艇设计师矢志不渝追求的目 标和时刻梦想攻克的难关。目前很多潜艇都将艇上 的动力装置及其机械设备安装在筏形基座上,而且 该基座与潜艇体保持柔性连接。这些措施采取后, 仍有相当大的振动波要传到潜艇的内壁, 而紧贴艇 体的消声瓦自然起到了吸收振动的作用, 使振动得 到最大限度的减弱和缓解。当然, 有一些专家还在 研究消声瓦水面状态的变化隐形保护色等问题。 尽管消声瓦的技术现在已日渐成熟, 应用也日 趋普遍,但它仍有一些关键技术需要改进和提高,如 粘贴术以及消声瓦的厚薄与潜艇总体匹配技术等 等 [ 4]。这些, 各国均在加紧攻关克服。看来, 消声 瓦的风靡安装与使用将是大势所趋, 未来的潜艇肯 定是一些采用消声瓦等技术在内的、更加安静的 �海狼�。 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 声瓦的研究也刚刚起步。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。像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 �。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 [ 5]。主动消声瓦技术预计 2020年能够在潜艇隐 身中得到实际应用。 3� 结 � 语 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。要有一个符合国情的消声瓦设计原 则,使消声瓦技术的研究有突破性进展,提高潜艇的 声隐身性能。 [参考文献 ] [ 1] � 美国的四种消声瓦和五种阻尼材料 [ J] . 橡塑资源利 用. 2006, No. 6, ( 35). [ 2] � 无声的刺杀! 漫谈潜艇消声瓦. http: / /blog. sina. com. cn / lgsd. 2007- 8- 23. [ 3] � 张文毓.新型隐身材料研究进展 [ R ]. 第十二届中国国 际船艇展暨高性能船学术会. 2007. 04. [ 4] � ZHANG Q iong; ZHAO Fukuan; WANG Rongq ing, A new fo recasted m e thod of echo stea lth e ffect for underw ater tar� get w ith lay ing anecho ic tiles[ J]. The Journa l of the A� coustica l Soc ie ty o f Am er ica , 2003 , Vo lum e: 114, Num� be r: 4 , p. 2468. [ 5] � 张宏军, 邱伯华. 消声瓦技术的现状与发展趋势 [ J]. 舰船科学技术, 2001, No. 4, 6- 11. 4 2010年 12月 第 6期 船 � � 舶 SH IP & BOAT D ecem ber, 2010 NO. 6