魚雷聲學基陣隔振降噪技術研究

徐楓

摘 要：魚雷隔振降噪性能直接影響到魚雷命中率。本文分析了魚雷噪聲的主要來源，闡述了隔振降噪結構原理、隔振系統固有頻率、傳振系數、隔振系統剛度、隔振系統阻尼層等參數的計算原則，通過搭建專用測試設備對三種不同結構形式的隔振降噪結構進行激勵與響應頻率的收集，利用Matlab數據分析軟件，仿真計算了隔振效果，為后續隔振降噪結構設計奠定了基礎。

關鍵詞：基陣；隔振；降噪；技術

中圖分類號：TJ630 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）14-0031-02

1 魚雷隔振降噪技術發展現狀

魚雷輻射噪聲水平直接影響命中率。資料顯示，噪聲水平每升高5dB，命中率就降低25%；反之，噪聲水平降低5dB，命中率就將增加25%，隔振降噪技術成為影響魚雷發展的重要原因之一。

美軍現役的MK48魚雷在隔振降噪方面采取了很多措施：采用低噪聲聲納基陣設計；將動力裝置安裝在隔振座上，減小振動向殼體傳遞；動力裝置與螺旋槳之間采用彈性軸連接，減小振動耦合；在殼體內表面敷設阻尼材料，降低殼體聲輻射效率；采用泵噴推進技術，降低螺旋槳噪聲。俄羅斯擁有系統的魚雷聲學設計指南、水下噪聲計算方法和魚雷隱身設計經驗，在魚雷結構設計、隔振裝置設計和材料運用等方面有著獨特的風格，如采用薄殼加肋結構，使結構噪聲避開殼體共振頻率等。國內魚雷隔振降噪技術研究起步較晚，在低噪聲設計技術基礎上，利用軟件對設計進行仿真，利用水池試驗和實航試驗驗證設計效果是主要的技術途徑。

2 魚雷噪聲源

魚雷的噪聲源主要包括流體動力噪聲、推進噪聲和機械噪聲。在不同的測量頻段和航行條件下，三種噪聲源的貢獻會有相應的變化。魚雷在淺水航行時，由于推進器葉片的空化，推進噪聲是魚雷的主要噪聲源；隨著魚雷下潛深度增加，動力機械噪聲將成為主要噪聲源；流體動力噪聲隨著魚雷航速的增加而迅速上升，并且雷頭在蛇形航行時，對聲換能器有著較大影響，此時流體動力噪聲對魚雷聲學性能的影響最大。魚雷自導裝置聲學基陣通常布局在魚雷頭段，離主要振動噪聲源魚雷動力裝置較遠，但魚雷整體外形結構較小，動力裝置產生的能量，足以產生很大的振動，振動通過殼體傳向聲學基陣，降低魚雷聲學性能。因此，需要設計隔振降噪結構，將聲學裝置與魚雷殼體隔離。

3 隔振降噪原理功能

聲學結構隔振降噪的基本原理是在魚雷殼體和換能器安裝骨架之間增加隔振結構，依靠高阻尼彈性材料，形成柔性連接，利用阻尼材料的彈性變形，起到緩沖和消能作用，減小振動源對聲學裝置的振動能量傳遞。隔振系統一般具有6種獨立的振動形式，即通常所說的垂向、橫向、軸向、縱搖、橫搖與平搖等振型。由于各個方向上的剛度不盡相同，勢必造成固有頻率的分散性，給結構聲學設計帶來復雜因素。因此，在魚雷殼體與聲學基陣之間采用硫化橡膠的工藝，確保內外結構一致，盡可能的避免上述情況的發生。

4 隔振降噪方案設計

（1）隔振類型。考慮到魚雷隔振指標要求較高，且單級系統通常隔振效率在20dB以下，因此魚雷聲學基陣通常選用兩級隔振方式。根據以往設計經驗，預先給定兩級隔振系統的質量比，反求最優阻尼比和最優的兩級固有頻率比，最終通過二維參數優化得出最優結構參數。

（2）結構組成。聲學結構的隔振降噪裝置本質上是一種懸浮結構。根據兩級隔振力學模型，隔振結構總體應為對稱分布，具體有外層、中層、內層，其通過高阻尼硫化橡膠進行連接，外層與魚雷殼體通過螺釘、銷釘進行剛性連接，內層與聲學基陣剛性連接，第一層阻尼層為軸向阻尼，第二層為徑向阻尼，根據隔振理論，此時完全解耦，各自由度計算分析時可獨立考慮。

（3）隔振體系固有頻率和傳振系數確定。根據減振理論及現有產品隔振結構形式的技術要求，選取，為激振源頻率；橡膠為阻尼材料，阻尼比；則固有頻率和傳振系數可簡化計算為：

（4）剛度的確定。魚雷產品隔振結構，應具有較好的綜合機械性能，首先應滿足不易生銹，其次最好有較大的密度，再次最好不易磁化以減少對電子裝置的影響，加之考慮質量限制和加工性能，最終選用鋁合金，牌號2A12。

（5）橡膠阻尼層的確定。在工況受到嚴格控制的環境中，天然橡膠是優質的隔振材料，其阻尼性能比金屬隔振器約大10倍，合成橡膠對工況惡劣的環境效果更佳，加之考慮使用壽命和硬度，最終選取使用橡膠類粘性高聚物材料。

5 分析對比

通過搭建專用測試設備，按1/3倍頻程進行測試，將加速度計傳感器測試數據通過數據采集卡收集至計算機，結合Matlab數據分析軟件進行編程，對采集數據進行仿真、回放分析計算。

Matlab程序計算公式：插入損耗（dB）=

減振器一：總體結構采用兩級減振，減振墊由內外兩層鋁合金圓柱通過橡膠硫化而成，形成第一隔振層；減振器由外圈、內圈通過大螺紋、硫化橡膠而成，形成第二隔振層，兩者通過標準件安裝連接。從殼體傳入的振動能量需經過兩層隔振才能傳遞至聲學裝置安裝平臺。結構示意圖，如圖1所示。

減振器二：總結結構單級隔振減振器由外圈、內圈通過大螺紋、硫化橡膠而成。結構示意圖，如圖2所示。

減振器三：總體結構采用兩級減振，軸向、徑向分別采用橡膠硫化進行裝配。結構示意圖，如圖3所示。

（1）測試設備。試驗設備主要包括數據采集記錄儀、8路加速度傳感器、大功率激振器、標準信號源、標準功率放大器、計算機、數據回放處理軟件等。

（2）測試方法。采用懸吊法進行測試，將測試產品通過彈力橡膠繩吊掛在支撐架下方，將傳感器、激振器與被測產品連接，若測試軸向，則傳感器、激振器均沿測試產品軸向布放；若測試徑向，則傳感器、激振器均沿測試產品徑向布放。開啟功率放大器、信號源，在所需測試頻帶內，按照1/3倍頻程設定信號源的頻率測試點，將功率放大器調節至放大倍數，待數據穩定后進行記錄，每次記錄時間不小于15s。

（3）測試結論。利用Matlab數據分析軟件，對三種減振器測試數據進行仿真分析，得到三種減振器在四個頻段內的減振量如表1所示。

可以得出以下幾點：

（1）兩層隔振系統隔振降噪性能優于單層隔振系統；（2）兩層隔振系統，應分別對軸向、徑向進行振動隔離；（3）軸向、徑向隔振阻尼層厚度、面積與隔振效果成比例。

6 結語

魚雷隔振降噪是一項復雜的系統工程，提升魚雷整體隔振降噪效果，有利于增大魚雷聲自導系統的作用距離， 又可以降低被發現的概率。本文針對魚雷隔振降噪結構設計方法進行分析和討論，合理有效的對三種隔振降噪結構進行驗證分析，總結出隔振降噪結構優化的方向，為后續隔振系統設計奠定了基礎。

參考文獻

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