艦船總體水聲兼容性設計綜述

劉序旻 趙齊民 楊穎 陶益

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011）

艦船總體水聲兼容性設計綜述

劉序旻 趙齊民 楊穎 陶益

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011）

隨著越來越多的水聲設備上艦，艦船水聲兼容性問題日益突出。在解決水聲兼容性問題時，艦船總體設計單位扮演著重要的角色。文章從艦船總體的角度，針對艦船總體水聲兼容性設計所涉及的水聲兼容性問題和解決措施進行論述。

艦船總體；水聲兼容性設計；水聲設備

0 引言

在爭奪海洋的戰爭中，一方面，水聲學和電子技術取得的成就為水聲設備的飛速發展奠定了基礎；另一方面，水下目標急劇增多，特別是潛艇和水下聲制導武器的出現，使反潛斗爭形勢日益嚴峻。如今，水聲設備不僅應用于水下導航，在海戰中也扮演著舉足輕重的角色。越來越多功能各異的水聲設備裝備于水面艦艇，由此而來的艦船總體水聲兼容性問題也日益突出。

在艦船設計初期就應著手考慮全船的水聲兼容性問題，而在解決水聲兼容性問題時，艦船總體設計單位扮演著重要角色。艦船總體水聲兼容性設計涉及的設備多、技術復雜，是一門綜合性的學科。本文將針對艦船總體水聲兼容性設計所涉及到的有關問題和解決措施進行探討。

1 水聲設備的基本工作原理

水聲設備按探測方式分為主動式和被動式。主動式水聲設備［1］能產生并發射聲能，然后接收、處理目標的回波，獲得目標信息。主動式水聲設備通過發射機產生足夠功率的電信號，通過電聲轉換系統（通常稱為換能器或換能器組成的基陣），將電信號轉換成聲信號向水中輻射。聲波在水中遇到目標時，被目標反射。其中一部分沿著聲納的方向返回，稱為回波。回波被接收換能器接收，將聲信號再轉換成電信號，由接收機進行放大、變換與處理，這就是主動式水聲設備的基本工作原理。被動式水聲設備本身不發射聲能，由接收和處理目標輻射的噪聲來獲得目標的有關信息。

2 聲波特性

水聲設備的工作原理與我們所熟悉的雷達十分相似，因此水聲設備常被稱為“水下雷達”。然而聲波與電磁波在物理性質上的差別，使得水聲設備與雷達在具體實施上有明顯不同。

首先，聲波的傳播速度低。聲波在水中的傳播速度約為1 500m/s，而電磁波在空氣中傳播速度約為300 000 km/s，兩者相差20萬倍。當水聲設備和雷達搜索的目標大小相近、所使用的波長也大致相同時，水聲設備所使用的頻率卻遠低于雷達電磁波頻率。由于聲速低，目標速度較聲速明顯，因此多普勒效應［2］顯著。接收機帶寬遠大于信號帶寬。若發射信號的頻率為f，聲納與目標之間徑向相對速度為v，c為聲速，則接收信號的頻率會因多普勒效應而產生偏移。偏移的大小為

所

以，水聲設備接收機帶寬遠大于信號帶寬，這為聲信號干擾帶來隱患。

其次，聲波在傳播過程中，除幾何衰減外，還要考慮吸收損耗。頻率越高，損耗越大。聲波在水中的吸收損耗比電磁波在大氣中的吸收損耗大得多。如10 cm波長的水中聲波吸收損耗約為2 dB/km，大氣中電磁波損耗約為0.01 dB/km。因此，聲波在水中的傳播距離相對于大氣中的電磁波會小很多。所以，對于雷達而言，噪聲背景主要是天線與接收機內部的熱噪聲，而水聲設備則是更嚴重的外部環境噪聲對其的影響。

此外，海水為不均勻介質，聲波在傳播中發生折射和散射，傳播路徑受海底、海面的限制而產生多次反射。不同路徑的聲波同時到達接收基陣，從而發生干涉。

3 艦船總體水聲兼容性問題

新型艦船總體作戰平臺上往往裝備有兩部或多部水聲設備，加之聲波的特殊物理特性及水聲設備的工作環境，艦船總體水聲兼容性問題主要有以下兩類：

（1）環境噪聲對水聲設備的干擾問題；

（2）水聲設備間的干擾問題。

環境噪聲的產生一方面由于艦船航行在不同海區、不同航態，水聲設備工作時，聲波傳播路徑受海底、海面的限制而發生多次反射，不同路徑的聲波同時到達接收基陣，從而產生干涉；另一方面由于周圍環境的水聲擾動，其中包括海洋交通噪聲、冰層移動、冰川破裂產生的噪聲、生物噪聲、地殼運動噪聲、熱噪聲等。

艦船自身的輻射噪聲屬于外部環境噪聲，也會對艦船水聲系統產生干擾。有關研究表明，艦船水下輻射噪聲只要增加6 dB，即可使該艦被動聲納探測距離大幅降低。由此可見，艦船自身輻射噪聲水平在很大程度上影響著艦船上所裝水聲設備的性能水平。

由于平臺空間所限，當艦船上安裝的多部水聲設備同時工作時，主動式水聲設備發出的聲信號會對其他水聲設備的接收端產生干擾。這些干擾包括同頻干擾和帶外干擾，主要表現為：

（1）干擾信號過大，造成水聲設備接收機前放阻塞；

（2）干擾信號過大，造成水聲設備A/D變換飽和；

（3）干擾信號在接收機頻帶內超過噪聲信號，使聲納的性能下降。

4 艦船總體水聲兼容性設計

4.1 內容與范圍

艦船總體水聲兼容性設計的內容與范圍是：

（1）降低艦船輻射噪聲；

（2）優化全船水聲設備的總體布置；

（3）水聲設備頻域控制；

（4）水聲兼容性使用管理控制。

4.2 降低艦船輻射噪聲

艦船海上航行時引起的水下輻射噪聲，主要由機械設備振動引起的水下輻射噪聲和推進器噪聲組成。

對于機械設備引起的水下輻射噪聲應建立機械噪聲預報模型，加載主要機械設備噪聲源振動激勵，得出未進行降噪處理前的機械設備輻射噪聲貢獻。并根據主要機械設備噪聲源振動排序，采取以下相應的減振降噪措施：

（1）軸系等結構的減振降噪處理；（2）發電機組可采取箱裝體及雙層隔振措施；（3）設備優化布置，將發電機組上移至主甲板結構；

（4）推進電機、推力軸承、冷水泵、海水泵、消防泵、推進電機海水冷卻泵、變頻器、變壓器海水冷卻泵、電站海水冷卻泵等主要噪聲源設備可采用彈性安裝技術，基座采用高傳遞損失基座形式進行設計，對于推進電機、推力軸承等振動較大的設備還需采取相應的吸振措施；

（5）全船結構要進行結構聲學優化設計，使之在不顯著增加船體重量的情況下，獲得較佳水下聲學性能；

（6）聲學防護處理，即針對動力艙段與換能器艙進行阻尼材料、吸聲材料及隔聲材料的敷設。

若采用螺旋槳推進方案，可以通過尾部結構聲學優化設計，優化尾部線型和尾軸架設計，減小推進器引起的尾部振動。

4.3 優化全船水聲設備的總體布置

優化全船水聲設備的總體布置，即從空間上保證水聲設備的正常工作，按照各水聲設備的使命任務和工作方式，合理地將各水聲設備進行分區布置。

現代艦船裝備的水聲設備按功能主要分為警戒探測用的艦殼聲納、拖曳聲納、獵雷聲納以及水聲對抗用的偵察聲納與聲誘餌等。

拖曳式水聲設備一般布置在艦船艉部，并且要將探測用水聲設備和聲誘餌等拖曳式水聲對抗干擾設備左右舷隔開。如有多種拖曳水聲設備可以考慮共用濕端。艦殼式主動聲納的布置應遠離艦船艉部的主要輻射噪聲源，一般考慮布置在艦艏球鼻艏內；導航用的測深儀、計程儀等指向性較好的水聲設備則布置在船舯部。

這樣的分區布置一方面能拉開水聲發射單元（干擾源）與其他接收聲信號的水聲設備距離，或使接收機錯開發射機發射主瓣的方向；另一方面也可降低艦船自身輻射噪聲對水聲設備的影響，最大限度從空域上避免以下影響：

（1）發射單元對其他水聲設備接收端的指向性干擾；

（2）干擾信號對接收機前放阻塞；

（3）干擾信號造成A/D變換飽和；

（4）干擾信號在接收機頻帶內超過噪聲信號，使性能下降。

同時，這樣布置也為頻域控制或采用水聲兼容性使用管理控制的水聲兼容性設計措施奠定了空間上的基礎。

4.4 水聲設備頻域控制

頻域控制主要是針對艦船主動聲納與被動聲納之間，主動聲納之間，主被動聲納與背景噪聲場之間的兼容性問題。干擾聲與信號聲之間的頻譜要有差異，差異越大、干擾越小。因此在艦船設計中，對所有水聲系統的工作頻率確定必須進行充分論證。除需要滿足聲納本身指標（作用距離、方向性等）要求外，還必須從兼容性出發，合理確定頻率，使之差異較大、干擾最小。

此外，艦船航行在不同海區或其處于不同航態時，其背景噪聲的頻譜也不同。因此調節聲納工作頻段開關（即控制聲納工作頻率），實現背景噪聲譜與聲納工作頻譜的差異性，從而達到最小干擾，也是水聲兼容性中的頻域控制方法之一。

4.5 水聲兼容性使用管理控制

當采用了空域和頻域的方法仍無法解決艦船的水聲兼容性問題時，則需采用“水聲兼容性使用管理控制”這一方法來解決水聲兼容的問題。水聲兼容性使用管理控制包括對水聲設備的工作方式和工作時機的控制管理。

對水聲設備工作方式的控制管理有許多模式，但都基于水聲設備的工作機理。比如對于指向性的干擾，可以在信號處理上采用干擾抑制方法減小指向性干擾。此外還有陣元域增益控制、自適應波束在特定方向上形成凹槽或零點等方法。

對水聲設備工作時機控制管理中，應嚴格控制各聲納的工作時間，使原本相互干擾的水聲設備不同時工作。或者選擇合適的發射與接收時機，通過時域的方法規避干擾。

5 結論

艦船總體水聲兼容設計的目的是為了解決裝艦水聲設備的水聲兼容性問題，保證艦船使命的完成。艦船總體水聲兼容性設計通過降低艦船自噪聲，優化全船水聲設備的總體布置，水聲設備頻域控制，水聲兼容性使用管理控制等措施保證艦船各個聲學設備的正常工作。

［1］閻福旺.現代聲納技術［M］．北京：海洋出版社，1998.

［2］（英）Waite A D.實用聲納工程［M］．王德石譯.3版.北京：電子工業出版社，2004．

Underwater acoustic compatibility problem in ship overall design

LIU Xu-min ZHAO Qi-min YANG Ying TAO Yi
（Marine Design&Research Institute of China，Shanghai200011，China）

With more and more underwater acoustic equipment installed on ship，underwater acoustic compatibility problems become increasingly noticeable.Overall designers play an important role when dealing with the underwater acoustic compatibility problems.This paper discusses the underwater acoustic compressibility problems and their solutions from the viewpoint for overall design.

ship overall；underwater acoustic compatibility design；underwater acoustic equipment

U666.7

A

1001-9855（2012）03-0031-03

2011-12-06；

2011-12-28

劉序旻（1983-），男，漢族，碩士，工程師，研究方向：艦船總體設計。

趙齊民（1981-），男，漢族，工程師，研究方向：艦船總體設計。

楊穎（1981-），女，漢族，工程師，研究方向：艦船總體設計

陶益（1981-），男，漢族，碩士，工程師，研究方向：艦船總體設計