對水下突體和聲吶導(dǎo)流罩的降噪研究

鄧玉聰

摘 要：在水聽器的發(fā)展過程中，聲吶導(dǎo)流罩具有重要的意義。人們根據(jù)海豹耳的構(gòu)造，仿造出了聲吶導(dǎo)流罩，從而極大改進了水聽器的性能。通過流線型的設(shè)計，減低了由渦流所產(chǎn)生的水流噪聲，從而準確接受目標音波。然而，自聲吶導(dǎo)流罩誕生以來，存在的許多問題依然長期困擾著人們：許多構(gòu)件需要采用人工研磨，極費工時；裝配工藝復(fù)雜，額外調(diào)整使精度降低。不過最核心的問題依然是降噪效果有待進一步提高。

關(guān)鍵詞：聲吶；導(dǎo)流罩；降噪；水動力分析

1.水動力噪聲分析

從已有的研究成果來看，造成聲吶導(dǎo)流罩工作性能下降主要是因為噪聲，而噪聲主要來自于兩個方面：一是在設(shè)計制造的過程中，導(dǎo)流罩的線形、材料及工藝水平；二是在船體行進過程中，所有設(shè)備工作時的振動與對噪聲的調(diào)控。

1.1噪聲來源

導(dǎo)流罩具有良好聲透性的材質(zhì)與聲學(xué)特性線型。但作為一種常見的水下突體，會在其周圍形成一個湍流附面層。在這個層面內(nèi)，由于其中的各個質(zhì)點的平均速率極不一致，擁有較大的脈動起伏。另外，由于相互間不平衡的壓力，將造成很明顯的噪聲。

1.1.1聲吶導(dǎo)流罩內(nèi)部產(chǎn)生的自噪音

當具有粘性的流體經(jīng)過聲吶導(dǎo)流罩時，產(chǎn)生的附面層中存在湍流。這個湍流層的具體參數(shù)主要取決于表面以及流體的性質(zhì)。但最終總會因為起伏壓力的作用產(chǎn)生噪聲輻射。聲吶導(dǎo)流罩的噪音主要來源于此。

1.1.2其它部件噪音

除內(nèi)部產(chǎn)生的自噪音之外，由于設(shè)計、工藝等原因，艦體其它部分，尤其是導(dǎo)流罩周圍機構(gòu)產(chǎn)生的噪音同樣會對水聽器的工作產(chǎn)生明顯影響。如流線型體端面流引起的噪聲，開口腔的流體噪聲等。

1.2現(xiàn)代水動力噪聲分析方法

針對水動力噪聲的分析，現(xiàn)代已進入了交叉學(xué)科的研究方式。

1.2.1數(shù)值模擬

通過建立數(shù)學(xué)模型，將噪聲數(shù)據(jù)化，將定性分析變?yōu)槎坑嬎恪Ａ炕嬎愀鞑糠衷肼暤膫鞑ァ⒏缮妗⑾⒌取Ｓ写鬁u模擬方法（LES）數(shù)值計算、Lighthill聲比擬理論研究、LES/FwH混合法等常用模擬分析方式。這些都是代測量手段中最直觀且最準確的方法。但是，直接的數(shù)值模擬工作量大，計算繁瑣，且由于參數(shù)較多，難以建立準確的模型。

1.2.2現(xiàn)代信號分析法

通過示波器測量后，通過聲線譜對水下噪聲進行分析。對時域及頻域的處理，可以采用相干性分析、功率譜、動態(tài)譜及頻譜細化等。信號分析較為直觀。但由于目標噪聲往往是多聲源，這種分析模式不足以處理所有的信息。此外，由于各噪聲之間存在著相互影響，即使對每個聲源得到了極為準確的數(shù)據(jù)信息，也需要再進行綜合分析。因此，此方法只適用于優(yōu)化階段對單一目標的測控。

1.2.3能量分析法及向量場法

聲強是向量，也可以通過能量場來分析。國內(nèi)外聲強測量技術(shù)都已得到廣泛應(yīng)用。雖然現(xiàn)階段受到測量儀器的限制，但今后必定會成為水動力噪聲分析的重要方法。

2. 降噪技術(shù)

水聽器工作是為了探測目標艦體的水下噪聲，卻經(jīng)常被自身艦體的噪聲，尤其是導(dǎo)流罩自噪聲所干擾。所以既要分清自身噪聲的特性而不與目標噪聲混淆，又要對自身導(dǎo)流罩噪聲進行調(diào)控。

2.1導(dǎo)流罩線形優(yōu)化降噪

從導(dǎo)流罩的研制過程來看，人們正是利用了仿生學(xué)的線形設(shè)計而制造出了導(dǎo)流罩，其自身線形的設(shè)計直接影響了最終性能。

線形優(yōu)化建立在對噪聲的數(shù)值分析上。盡管采用的方法不同，但最終都是要建立起噪聲大小與各線形參數(shù)間的目標函數(shù)，明確各參數(shù)對最終噪聲的影響。盡管噪聲無法消除，但可以找到具體的參數(shù)值，使其輻射最小化。因此，依靠數(shù)學(xué)建模的方式將實際的問題轉(zhuǎn)化，需要每一步都做得仿真，才能保證結(jié)果的精確。

2.2高分子涂層降噪

同線形設(shè)計一樣，高分子涂層降噪技術(shù)也是利用仿生學(xué)的原理而提出。具體的方法是尋找到合適的水溶性線型高分子材料進行涂層，降低噪聲的原始產(chǎn)生。 因為水溶性線型分子能夠抑制各質(zhì)點間初始作用力，尤其是剪切應(yīng)力。最終能夠在湍流層中有效降低各質(zhì)點的平均速率，通過使其動能下降來降低噪聲。

隨著高分子材料科學(xué)的興起，其前景極為廣闊。但現(xiàn)有的研究依然處于較為粗糙的層次上。此外，實驗環(huán)境的數(shù)據(jù)往往與艦艇行進過程中的具體參數(shù)很難保持一致，降噪效果存在偏差。

2.3消聲瓦材料降噪

聲波擁有波的最基本特，因此可以采用吸收噪聲產(chǎn)生聲波的方式來降低噪聲，這同隱形飛機吸收電波而不使其反射出去類似。可以采用特定的材料將產(chǎn)生噪聲聲波的部位甚至是整個艦體包裹起來。因此，消聲瓦材料的研究成為了降噪技術(shù)的另一個熱點。上世紀70年代后，歐美與我國都先后開始了消聲瓦技術(shù)的研究工作，在理論估算的基礎(chǔ)上，經(jīng)過測試，制造出了多種能夠消聲瓦的材料，其具體設(shè)計的結(jié)構(gòu)也得到不斷的優(yōu)化，具體的裝配覆蓋工藝也日趨完善。

但是，由于艦體產(chǎn)生的噪聲頻率差異較大，甚至超過多個數(shù)量級。這個現(xiàn)實給研制材料的工作帶來了極大不便：要想使用單種材料，則該材料吸聲頻率范圍要與噪聲的差異相對應(yīng)，很難實現(xiàn)；使用多種材料，則可能存在重復(fù)覆蓋，其厚度超標又影響到其它功能的實現(xiàn)。

2.4自適應(yīng)噪聲相抵降噪

聲吶導(dǎo)流罩內(nèi)的噪聲，是多聲源相疊加形成的。噪聲的產(chǎn)生無法避免，但根據(jù)聲波的基本特性，可以利用其干涉特性減弱噪聲。

對各聲源進行相干性分析后，可估算出各聲源噪聲在艦體不同運行狀態(tài)下的特性。最終可用其它機構(gòu)的噪聲，通過聲波的干涉作用相互減弱至抵銷，從而達到減弱聲吶導(dǎo)流罩內(nèi)噪聲的目的。但是，在相同航速條件下的噪聲源，不同的艦體是不一樣的。因此，此方法只適用于艦體完工，聲吶設(shè)備裝配完畢之后，人工進行調(diào)控。

3.結(jié)語

總體來說，水下突體尤其是聲吶導(dǎo)流罩內(nèi)部噪聲產(chǎn)生的機制極為復(fù)雜。相比在空氣中的聲場，水中的耦合作用更強，且受到流體湍流機制及機構(gòu)參數(shù)的影響較大。控制單一變量的研究方法并不精確，只能綜合分析。對降噪工藝來說，除了聲吶導(dǎo)流罩的線形優(yōu)化之外和聲波人工調(diào)控之外，都嚴重依賴于材料等學(xué)科的發(fā)展，故對水下突體噪聲的水動力分析和導(dǎo)流罩線形的優(yōu)化成為研究的重點。

參考文獻：

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