水面艦船聲隱身性能影響作戰效能的因素初探

張林根 張大海 魏 強

1海軍裝備部駐武漢地區軍事代表局，湖北武漢 430064

2中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064

水面艦船聲隱身性能影響作戰效能的因素初探

張林根1張大海2魏 強2

1海軍裝備部駐武漢地區軍事代表局，湖北武漢 430064

2中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064

為了明確水面艦船聲隱身性能對作戰效能的影響因素，分析了水面艦船面臨的水聲威脅和聲隱身設計特點，給出了水面艦船水聲對抗效能初步估算方法，明確了水面艦船聲隱身設計的工作方向，并為聲隱身作戰效能評估體系的構建奠定了基礎。

水面艦船；聲隱身；作戰效能

1 引言

聲隱身設計的目的在于降低己艦聲學信號的量級和特征信號［1］，以減小被敵方艦艇和武器探測、識別、跟蹤、攻擊的概率，同時改善己艦聲學設備工作環境，并增大對敵探測、攻擊距離和概率。隨著現代天基探測系統和空中預警技術的不斷發展，水面艦船的對空、對海攻防能力大幅提升，使得水聲信息對抗，尤其是聲隱身設計水平已成為影響水面艦船作戰效能的重要因素之一。

水面艦船的作戰效能是衡量其裝備性能優劣的綜合性、整體性指標。其體現了裝備需求部門、作戰使用部門對艦船及其裝備的最終要求，也體現了設計部門研制水面艦船及其裝備的技術水平［2］。因此，建立水面艦船聲隱身設計與作戰效能之間的關系，明確聲隱身設計對提升水面艦船作戰效能的主要貢獻，不僅是水面艦船聲隱身設計效果量化評估的前提和水面艦船作戰效能評估的重要組成部分，同時還有助于輔助指揮員進行科學預測，從而選擇最佳水聲對抗方案。

2 聲隱身設計特點及其水聲威脅

2.1 聲隱身設計特點

與潛艇的設計思路一樣，水面艦船聲隱身設計的工作重點是結合水面艦船總體設計方案，采取有針對性的聲學控制措施，實現對構成全艦水下輻射噪聲和本艦自噪聲的機械噪聲、螺旋槳噪聲和流噪聲進行控制，從而降低水面艦船水聲輻射特征和艦載聲學設備工作區域噪聲干擾級。具體設計工作如下：

1）針對機械噪聲

聲隱身設計的具體措施是通過改進聲源設備性能、降低設備振動噪聲源級、優化設備布局、合理設計隔振裝置、優化設備安裝結構、增大由設備到船體結構的振動傳遞，施加結構噪聲控制措施，加大振動噪聲結構傳遞過程中的能量耗散等，從而減小設備振動引起的船體結構聲輻射，并降低本艦水下輻射噪聲和典型部位的自噪聲干擾級。不難看出，針對機電設備振動所采取的聲隱身設計措施能夠涵蓋水面艦船輻射噪聲全頻段。

2）針對螺旋槳噪聲

主要通過降低螺旋槳轉速，優化螺旋槳線型，從而提高空化起始航速，改善螺旋槳聲學性能，以實現螺旋槳輻射噪聲控制。針對螺旋槳引起的典型部位自噪聲干擾，主要在螺旋槳噪聲的不同傳播途徑上設置隔離措施，以實現螺旋槳引起自噪聲干擾級。

3）針對流噪聲

具體聲隱身措施是優化船體線型、減小艦船外附體局部空化，從而降低航行引起流噪聲。

但是，水面艦船在結構形式、推進裝置、聲源設備、船外附體等方面與潛艇有較大區別，同時還存在水面反射和折射等影響。并且，在具體設計方法上，其與潛艇也有明顯不同。

水面艦船的聲隱身性能需要與艦船作戰效能建立互動關系，才能有利于總體設計中的決策，并在有限聲學投入的基礎上實現更好的作戰效能。

2.2 水聲威脅

未來海戰中，水面艦船面臨的水聲威脅主要來自潛艇聲吶、岸基聲吶警戒設備、水聲制導魚雷和聲引信水雷等。其中，典型潛艇聲吶包括：美國AN／BQQ-5艇首綜合聲吶、TB-16拖曳線列陣聲吶、TB-29拖曳線列陣聲吶；日本ZQQ-5B型艇首綜合聲吶、ZQR-1拖曳線列陣聲吶；臺灣地區SIASS-Z艇首綜合聲吶。水下警戒裝備主要是以美國為主的固定式水聲監視系統（SOSUS）、水面拖曳陣系統（SURTASS）、固定分布式系統（FDS）、先進可布放系統 （ADS）。魚雷武器則有美國的M k-50、德國的 DM2-A4、意大利的A系列、俄羅斯的ET-80、英國的M k系列等［3］。水雷有美國的M k62～65、俄羅斯的 Cluster Guff等［3］。

從威脅頻率來看，潛艇首部聲吶威脅頻率主要分布在幾千赫茲范圍；拖曳聲吶威脅頻率在幾百到幾千赫茲；岸基聲吶設備不受安裝尺度空間限制，其威脅頻率覆蓋幾赫茲到幾百千赫茲，可以實現對近距離目標成像和超遠距離目標探測、跟蹤等功能；魚雷和水雷威脅頻率主要為萬赫茲量級［4］。

3 聲隱身設計與作戰效能關系

3.1 聲隱身設計對威脅源的性能抑制

根據2.2節分析，水面艦船面臨的水聲威脅遍布其輻射噪聲的全頻帶。受篇幅所限，這里僅從幾種典型威脅角度進行分析。

其一，對潛艇、岸基聲吶探測性能的抑制。理想情況下，水面艦船聲隱身設計對敵方聲吶探測性能的抑制可以使用被動聲吶方程［5-6］來評估：

被動聲吶方程：

式中，DT為潛艇或艦用聲吶設備的檢測門限；SL為與潛艇探測設備工作頻率相對應的水面艦船輻射噪聲聲源級；以水聲沿面波傳播的傳播損失計算公式TL=10n lg R＋αR（α為水介質對聲波的吸收系數，n與聲波傳播模型假設有關，n=1為柱面波假設，n=2為球面波假設）；NL為潛艇探測設備附近噪聲干擾級；DI為潛艇或岸基聲吶設備指向性指數，主要反映敵方聲學設備性能，假設DT＋（NL－DI）＝A。

當不考慮介質對聲波吸收，即α＝0時，式（1）可以變換為：

可以看出，水面艦船的暴露距離R由水面艦船的水下輻射噪聲級SL決定。通過式（2）計算可知，在水聲傳播滿足球面波假設時，水下輻射噪聲級可降低6 dB，水面艦船暴露距離會減小一半；當水聲傳播滿足球面波假設時，水下輻射噪聲級可降低3 dB，水面艦船暴露距離也將減小一半。

考慮到TL與水介質聲波吸收系數α的關系時［7］，在溫度 4℃附近，頻率小于 5 kHz 時，根據Thorp低頻段吸收系數α與頻率關系的經驗公式為：

式中，f為聲波頻率，kHz?？梢钥闯?，聲波吸收系數α與f的平方近似成正比，這說明低頻聲信號的傳播損失遠小于高頻信號。通過式（3）計算可知，對于頻率為375 Hz水聲信號，海水聲吸收系數為 0.014 dB／km，對于 400～800 Hz水聲信號海水聲吸收系數約為 0.03 dB／km，對于 2.5～3.5 kHz水聲信號，海水聲吸收系數約為0.2 dB／km。這說明，通過開展聲隱身設計，可以有效控制低頻線譜特征信號和低頻寬帶噪聲，從而抑制敵方低頻遠程水聲探測距離和概率。通常首先，采取的措施包括：優化螺旋槳設計；抑制螺旋槳低頻線譜特征；針對機電設備振動特性，設計低頻振動控制效果好的隔振裝置等。

其二，對敵跟蹤、定位效能抑制。由于水聲信息對抗中，潛艇和岸基聲吶設備跟蹤定位通常采取的手段是，應用LOFAR和BTR技術來獲取水面艦船頻率—時間和方位—時間歷程圖。同時，結合其他信息處理技術，以獲取目標艦船的方位、航速和距離信息。

對于當前LOFAR和BTR跟蹤技術而言，其保證工作性能的前提是艦船輻射噪聲的線譜與寬帶譜能量相比海洋環境噪聲有足夠的信噪比。因此，通過聲隱身設計，針對性地改變或降低艦船某一工作頻帶內線譜特征和寬帶譜源級，可以有效抑制敵方線譜跟蹤能力和定位概率。通常采取措施包括：對設備安裝結構優化，采取低頻隔振裝置、主動消振技術等。

其三，對敵攻擊效能抑制。由于聲制導魚雷進入主動制導攻擊距離內時，水面艦船的目標強度將成為決定其跟蹤制導成功與否的關鍵，根據主動聲吶方程：

式中，DT為聲制導魚雷的檢測門限；SL為與魚雷發射聲源級；TL=20n lg R＋αR為傳播損失；TS為水面艦船的目標強度；NL為魚雷探測設備附近噪聲干擾級；DI為魚雷聲吶設備指向性指數。

聲吶方程中，SL－DT－（NL－DI）為主要魚雷聲學設備性能。假設其為常數A，不考慮介質對聲波吸收，即α＝0時，式（4）可以變換為：

可以看出，水面艦船聲目標強度是影響水面艦船對抗主動探測攻擊的主要因素。因此，降低己艦目標強度，可以減少來襲魚雷的跟蹤和攻擊概率。在水面艦船聲隱身設計中，采取一定的聲目標強度降低措施，可有效抑制敵方攻擊威脅。通常采取的的措施包括：優化水下部分船體線型；貼敷聲學材料，以改變艦船目標特性。

3.2 聲隱身設計對水面艦船自身作戰效能的影響

水面艦船自身水聲對抗效能的提升主要體現在艦載聲學設備，如艦殼聲吶、拖曳聲吶、反潛直升機工作性能的提高。因此，開展聲隱身設計對艦船自身作戰效能影響可以從以下幾方面進行描述。

首先，對反潛直升機工作造成影響。由于反潛直升機的工作區域距本艦較遠，水面艦船水下輻射噪聲作為吊放聲吶的點干擾源，根據聲吶基陣波束形成原理和弱信號探測原理可知［8］，其主要影響其某一方位角的探測性能和與該方位相鄰扇區內多威脅源分辨率。由此可見，降低與直升機吊放聲吶工作頻段相對應的水面艦船水下輻射噪聲譜源級，可以有效降低本艦輻射噪聲對吊放聲吶探測的干擾，提升其工作性能。通常采取的措施是：在聲隱身設計過程中，選用中低頻減振降噪效果良好隔振裝置來實現。

其次，對拖曳聲吶造成影響。由于拖曳聲吶通常布放在艦后方幾百米處，研究表明，本艦水下輻射噪聲不僅會影響拖曳聲吶對正前方60°扇區內威脅源的探測，而且還會影響前向范圍內的多目標分辨性能［9］。因此，降低本艦低頻段水下輻射噪聲，有助于提高拖曳聲吶的前向探測能力和多目標分辨率?？刹捎玫姆椒òǎ和ㄟ^螺旋槳聲學優化和機械噪聲控制等聲隱身措施，對水下輻射噪聲的方向性進行控制，從而減小水面艦船尾向輻射噪聲級。

另外，對艦殼聲吶造成影響。艦殼聲吶屬于裝艦設備，導流罩內部自噪聲干擾直接影響到其探測與跟蹤性能，自噪聲主要由艦載設備振動經船體傳遞至導流罩形成干擾。己艦螺旋槳噪聲經海水介質、海底反射傳遞至導流罩形成干擾，以及己艦水下輻射噪聲經海底反射至導流罩形成干擾等。通過聲隱身設計，采取有針對性的噪聲控制措施，降低本艦振動噪聲對艦殼聲吶工作干擾，可以有效改善艦殼聲吶的主/被動工作性能，量化效果可以由式（1）～式（5）聯合計算獲得。可采用的措施包括：通過優化機電設備布置，減小機械設備振動到艏部傳遞；減小機械設備振動引起自噪聲；采取隔離措施，減小螺旋槳噪聲在艏部形成自噪聲；通過導流罩內部貼敷聲學材料，降低聲吶基陣工作引起混響等。

最后，對本艦水聲防御武器造成影響。以聲誘餌為例［10］，其主要功能是模擬相比水面艦船輻射噪聲水平更高的水下輻射噪聲特性，誘導聲制導武器攻擊，從而減小對水面艦船自身的威脅。聲隱身設計對聲誘餌的影響可以用信號對比度進行說明，假設水面艦船水下輻射噪聲降低3 dB，應用同樣的聲誘餌可以在水下輻射聲能量對比度上提高1倍，從而提升聲制導武器攻擊聲誘餌概率，并確保己艦安全?？刹扇〉拇胧夯竞w聲隱身設計的全部內容。

4 結束語

本文主要從水面艦船聲隱身設計特點、所面臨的水聲威脅、聲隱身設計對水面艦船攻防兩端的貢獻等方面，來分析水面艦船聲隱身性能影響作戰效能的主要因素。另外，從提升攻防兩端作戰效能角度，提出了對水面艦船聲隱身設計的針對性需求，初步給出了水面艦船聲隱身性能對水下輻射噪聲不同控制效果引起作戰效能提升的簡化計算公式。為進一步輔助指揮員進行科學預測，選擇了最佳水聲對抗方案，這為聲隱身作戰效能評估體系奠定了基礎。

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ZHANGW Q，SONG X D，ZHOU X P.A technology of acoustic decoy to antagonize broad－band homing torpedo［J］.Ship Scienceand T echnology，2008，30（5）：158－160.

Influencing Factors on the Com bat Effectiveness of Acoustic Stealth Performance for Surface Ship

Zhang Lin－gen1 Zhang Da－hai2 WeiQiang2
1Military RepresentativeWuhan Office，Naval Armament Departmentof PLAN，Wuhan 430064，China
2 China Ship Developmentand Design Center， Wuhan 430064， China

In order to better understand the influenc ing factors on the combat effectiveness of acoustic stealth performance for surface ship，reviewing the acoustic threats that surface ship faced with and analyzing the acoustic stealth features of ship design.Preliminary estimation method was provided to investigate the effectiveness of underwater warfare.Based on this study， the direction of acoustic stealth design efforts for the surface ship is clarified，which found a basis for building combat effectiveness estimation system of acoustic stealth ship.

ship； acoustic stealth； combateffectiveness

U661.43

A

1673－3185（2011）06－98－04

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.06.020

2011-07-01

張林根（1965－），男，工程師。研究方向：艦船設計與監造。E-mail：zhanglingen＠163.com

張大海（1979－），男，博士，工程師。研究方向：水面艦船綜合隱身。E-mail：wind＿rain＠hotmail.com