國(guó)外消聲瓦的研究與應(yīng)用進(jìn)展*

張文毓

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所 洛陽(yáng) 471039)

國(guó)外消聲瓦的研究與應(yīng)用進(jìn)展*

張文毓

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所 洛陽(yáng) 471039)

潛艇;潛艇聲隱身;消聲瓦;進(jìn)展

消聲瓦技術(shù)在潛艇隱身方面所起的重要作用已為世界各國(guó)認(rèn)同,因此各國(guó)均投入大量的人力、物力進(jìn)行消聲瓦技術(shù)的機(jī)理研究和工程應(yīng)用工作。本文對(duì)各國(guó)消聲瓦技術(shù)的研究和應(yīng)用情況作了較為系統(tǒng)的介紹,并對(duì)消聲瓦技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了初步探討。

0 引 言

現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)上的主要矛盾已經(jīng)從“打擊”和“抗打擊”逐步向“發(fā)現(xiàn)”和“抗發(fā)現(xiàn)”轉(zhuǎn)化。消聲瓦技術(shù)是提高潛艇隱身性能,提高其戰(zhàn)斗力和生存能力的最有效措施之一。高性能的消聲瓦不僅具有優(yōu)良的吸聲性能,而且具備優(yōu)良的隔聲性能和抑振性能,也就是說(shuō),使用消聲瓦不僅能吸收敵方聲納的探測(cè)聲波,也能最大限度地隔離本艇的輻射聲波。高性能的消聲瓦還可用于聲納艙的非窗口艙壁,作為吸聲障板,消除回波干擾和艇的輻射噪聲干擾,提高聲納的探測(cè)性能。因此對(duì)于新型消聲瓦的研究,開(kāi)發(fā)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、性能優(yōu)越的消聲瓦是提高我軍潛艇戰(zhàn)斗力和生存能力的關(guān)鍵。

1 消聲瓦技術(shù)的研究和應(yīng)用情況

1.1 美國(guó)消聲瓦技術(shù)的研究和應(yīng)用情況

潛艇的聲學(xué)特征控制技術(shù)是一門(mén)綜合應(yīng)用技術(shù)。聲隱身涂層具有阻尼作用、隔聲作用、消聲作用,聲隱身涂層材料有隔聲材料、消聲材料、聚氨酯聲隱身涂層。消聲瓦利用空腔將聲轉(zhuǎn)化為熱能而被消耗,是一種較為成熟的防聲納探測(cè)涂料;但同時(shí)其施工方法、厚度、重量等缺陷,大大限制了它的應(yīng)用范圍,其發(fā)展趨勢(shì)是采用施工簡(jiǎn)單、涂膜較薄的吸聲涂料來(lái)解決。如英、美采用30 mm～40 mm聚氨酯發(fā)泡材料加多孔材料制作吸聲涂料,吸聲率可達(dá)70%～90%。

美國(guó)潛艇的噪聲水平一直比較低,30多年來(lái),噪聲下降了40 dB左右。如“洛杉磯”級(jí)核潛艇的噪聲已降到128 dB,“俄亥俄”級(jí)核潛艇和“海狼”級(jí)攻擊核潛艇的噪聲則降到了120 dB以下。

美、英、法、日等國(guó)在潛艇消聲瓦技術(shù)上也處于世界前列。美國(guó)在新建的“洛杉磯”級(jí)攻擊型核潛艇、SSN-21海浪級(jí)攻擊型核潛艇以及俄亥俄級(jí)彈道導(dǎo)彈核潛艇上全部安裝了消聲瓦,所用材料為丁基橡膠類(lèi)。1988年美國(guó)在“洛杉磯”級(jí)攻擊型核潛艇“圣胡安”號(hào)首次敷設(shè)了消聲瓦。這種消聲瓦是由聚氨脂和玻璃纖維組成的雙層鋁板固定式吸聲結(jié)構(gòu),單層消聲瓦能降低自噪聲25 dB,雙層消聲瓦可降低40 dB左右。其消聲瓦敷設(shè)借鑒了航天飛機(jī)隔熱瓦的敷設(shè)工藝。美國(guó)還在積極開(kāi)展自控系統(tǒng)邊界層控制方面的研究,類(lèi)似于前蘇聯(lián)的“蒙皮技術(shù)”,據(jù)說(shuō)采用的還是聚氨脂材料,以降低本艇水動(dòng)力噪聲和減小水下航行阻力。該項(xiàng)技術(shù)不久將在實(shí)艇進(jìn)行應(yīng)用,并會(huì)領(lǐng)先于俄羅斯。

從結(jié)構(gòu)而言,美國(guó)海軍使用的玻璃纖維制雙層薄板消聲瓦,被認(rèn)為是消聲瓦未來(lái)發(fā)展的一種趨勢(shì)。試驗(yàn)結(jié)果表明,采用網(wǎng)絡(luò)狀橡膠和薄銅板單層吸聲結(jié)構(gòu),可以把通過(guò)它的3 000 Hz的聲強(qiáng)級(jí)降低25 dB,用同樣材料的雙層吸聲結(jié)構(gòu)可以降低40 dB聲強(qiáng)級(jí),其優(yōu)良的隔聲性能受到各國(guó)海軍的注目。

美國(guó)在20世紀(jì)80年代研制的消聲瓦系統(tǒng)細(xì)分為:去耦瓦、透射損失瓦、無(wú)回聲瓦和阻尼瓦四種類(lèi)型,目前西方各國(guó)海軍多裝備這樣四種消聲瓦[1]。

1.1.1 去耦瓦

主要用于機(jī)械艙室和其他低頻噪聲源周?chē)?。它是一種含方形空氣腔的磚形結(jié)構(gòu),典型的外形尺寸為12″×12″×0.375″(304.8 mm×304.8 mm×9.525 mm),單元空腔尺寸為0.5″×0.5″×0.25″(12.5 mm×12.5mm×6.35 mm)。

1.1.2 透射損失瓦

主要用于潛艇外殼的非水密部位,如導(dǎo)流罩內(nèi)的基陣周?chē)?。要求透射盡可能小,吸聲、反射均可。

1.1.3 無(wú)回聲瓦

也稱(chēng)吸聲瓦,主要用于艇體兩側(cè)、指揮室圍殼、舵等區(qū)域。要求無(wú)聲波反射,全吸收最好,防止主動(dòng)聲納的探測(cè)。

1.1.4 阻尼瓦

主要用于機(jī)械艙室周?chē)膬?nèi)面和外面,是一種邊緣為尖劈形的磚狀結(jié)構(gòu),典型的外型尺寸為11.375″×11.375″×0.75″(0.63″)[301.6 mm×301.6 mm×19mm(16mm)]。

1.2 俄羅斯消聲瓦技術(shù)的研究和應(yīng)用情況

俄羅斯的潛艇安靜性技術(shù)發(fā)展也較快,從20世紀(jì)60年代H、E和N級(jí)核潛艇噪聲160 dB降低到1975年Ⅵ、Ⅶ級(jí)核潛艇的150 dB;1985年S、M級(jí)攻擊核潛艇降為125 dB～130 dB;新建的“阿庫(kù)拉”級(jí)噪聲降到115 dB～120 dB。

前蘇聯(lián)從1958年開(kāi)始在G級(jí)SSN型潛艇上敷設(shè)消聲瓦,該消聲瓦是由低頻吸收層、高頻吸收層和防污層組成的多層結(jié)構(gòu)。1967年起,前蘇聯(lián)除在SSG、SSB、SS、SSBN型潛艇上使用50 mm～100 mm厚的橡膠型消聲瓦外,還在艇的艏部和聲納區(qū)采用了粗糙的、具有某種結(jié)構(gòu)的固體涂料。據(jù)資料報(bào)道,前蘇聯(lián)在“臺(tái)風(fēng)級(jí)”、M級(jí)、“奧斯卡”等潛艇上安裝了由橡膠型消聲瓦和固體涂料組成的組合防護(hù)層后,使北約國(guó)家的潛艇聲納探測(cè)距離縮短75%、美國(guó)MK46魚(yú)雷主動(dòng)聲納的探測(cè)距離縮短50%。我國(guó)從前蘇聯(lián)引進(jìn)的636、K877艇用橡膠型消聲瓦材質(zhì)分析,為阻尼性能很低的丁苯橡膠,外形尺寸為1 000mm×500 mm,厚度50mm。

預(yù)計(jì)到20世紀(jì)末,俄羅斯消聲瓦的頻率將擴(kuò)寬到100 kHz,發(fā)射聲的衰減達(dá)15 dB～20 dB。目前所有現(xiàn)役潛艇均敷設(shè)有消聲瓦。其消聲瓦的基材主要是丁苯橡膠、聚丁二烯橡膠和橡膠陶瓷。如現(xiàn)役的主戰(zhàn)攻擊型核潛艇“阿庫(kù)拉”Akula級(jí),其舯部與艉部殼體均敷設(shè)了50mm～150 mm厚的消聲瓦,艏部殼體使用的則是一種蒙皮?！芭_(tái)風(fēng)”級(jí)這種世界最大的戰(zhàn)略型核潛艇整艇均敷設(shè)了100 mm～200 mm的厚型消聲瓦,未發(fā)現(xiàn)采用蒙皮。

前蘇聯(lián)潛艇均采用雙殼體,其消聲瓦設(shè)計(jì)人員充分利用潛艇的這一結(jié)構(gòu),在潛艇的內(nèi)外殼體上均敷設(shè)了消聲瓦。外殼體敷設(shè)的消聲瓦主要是減小反射信號(hào),內(nèi)殼體的消聲瓦主要是降低本艇自噪聲。內(nèi)殼體的消聲瓦主要敷設(shè)在噪聲較大的艙室外壁,有針對(duì)性地敷設(shè)解耦瓦、阻尼瓦或消聲器。

為了達(dá)到“塞拉”級(jí)潛艇的最佳隱蔽目的,蘇聯(lián)海軍在艇型設(shè)計(jì)上采用了拉長(zhǎng)水滴形,艇體表面被設(shè)計(jì)得非常光滑流暢,表面突出物幾乎完全被取消,指揮臺(tái)圍殼與艇體交接處采取弧形圓滑過(guò)渡,艇體表面流水孔被減至最少。除上述舉措外,該級(jí)艇的一項(xiàng)極為有用的隱蔽措施就是在艇體表面敷設(shè)一層厚薄相間的消聲瓦。這層消聲瓦的厚度在80mm～150mm之間,長(zhǎng)寬比為90～85,由合成橡膠制成。據(jù)稱(chēng),俄羅斯?jié)撏Х笤O(shè)這種消聲瓦后,已使對(duì)方的探測(cè)能力下降了50%～70%,本艇的自噪聲下降20 dB。除“塞拉”之外,俄羅斯海軍還對(duì)20世紀(jì)70年代建造的V-Ⅲ級(jí)核動(dòng)力攻擊型潛艇、80年代建造的“阿庫(kù)拉”級(jí)核潛艇等貼敷了消聲瓦[2]。

1.3 英國(guó)消聲瓦技術(shù)的研究和應(yīng)用情況

英國(guó)的“敏捷”級(jí)核潛艇、“阿拉法特”級(jí)核潛艇、“北極星”核潛艇也包覆了消聲瓦,所用材料為聚氨酯橡膠。據(jù)資料報(bào)道,英國(guó)“阿拉法特”級(jí)核潛艇上采用的是纏繞的消聲涂料;而90年代英、法等西歐國(guó)家研制了復(fù)合型多功能消聲瓦及聚氨酯噴涂技術(shù)。由于技術(shù)先進(jìn),噴涂的消聲瓦不易脫落且厚度任意控制,并具有良好的吸聲、抑振和隔聲作用,以噴涂施工形式替代了原先需要在工廠(chǎng)硫化成型,然后用粘貼法施工的橡膠型消聲瓦。目前英國(guó)海軍已放棄先預(yù)制消聲瓦再通過(guò)粘合劑在實(shí)艇敷設(shè)的工藝,而直接采用實(shí)艇現(xiàn)場(chǎng)澆注成型技術(shù)。其消聲瓦的基材是聚氨脂材料。目前還尚不清楚他們是如何解決聚氨脂材料耐水性、貝類(lèi)等海洋生物吞噬、防污等問(wèn)題的。但有消息說(shuō)英國(guó)海軍已將該項(xiàng)技術(shù)投入工程應(yīng)用。

1.4 法國(guó)消聲瓦技術(shù)的研究和應(yīng)用情況

法國(guó)的Agosta-80、CA級(jí)常規(guī)潛艇的噪聲水平達(dá)到了120 dB左右。瑞典的T96型潛艇要求以7 kn速度航行的噪聲低于三級(jí)海洋環(huán)境噪聲[3]。

法國(guó)對(duì)消聲瓦和消聲涂層的研究也很重視,法國(guó)研制的消聲涂層是由許多并列布置的流體消聲器構(gòu)成的,該消聲器是由有若干間隙的剛性材料棒嵌接的微型管和填充的不可壓縮的流體組成。微型管由基本上與水有相同聲阻抗的聲阻抗板支承,而剛性材料棒則由剛性材料板支承;整個(gè)消聲涂層是不可壓縮的,故不受外壓影響。這種消聲涂層能夠吸收涂層接觸介質(zhì)中沒(méi)有反射的發(fā)射聲波。特別是在水面艦艇船體和潛艇船體上敷貼這樣的涂層,就可以減少被聲納探測(cè)的危險(xiǎn)。該類(lèi)型涂層基本上是由微型管并列布置組合而成,不依賴(lài)于與水這樣的環(huán)境介質(zhì)差不多相同聲阻抗的薄膜密封邊界層。法國(guó)早期所研消聲瓦的材料為聚硫橡膠,90年代還開(kāi)展了聚氨酯涂料型具有復(fù)合功能的消聲瓦研制。

1.5 日本消聲瓦技術(shù)的研究和應(yīng)用情況

日本也正加緊消聲瓦的研究。據(jù)悉,其已研制出A、B、N、P四種類(lèi)型的消聲瓦,并做了縮比模型試驗(yàn),所用材料為氯丁橡膠。日本“春潮”級(jí)、“夕潮”級(jí)也都安裝了橡膠材料制作的消聲瓦。

1.6 德國(guó)消聲瓦技術(shù)的研究和應(yīng)用情況

德國(guó)亦是最早研制消聲瓦和吸聲材料的國(guó)家。二次大戰(zhàn)期間,德國(guó)海軍工程師就試驗(yàn)了4 mm厚的橡膠涂料,前蘇聯(lián)就曾于1954年從德國(guó)獲取過(guò)Alberich吸收聲納波涂料樣品。

2 消聲瓦主要功用及關(guān)鍵技術(shù)

各國(guó)海軍之所以越來(lái)越青睞在潛艇上安裝消聲瓦,就在于消聲瓦有著非比尋常的降噪和消聲本領(lǐng)。目前經(jīng)初步證實(shí),消聲瓦的功用至少有3個(gè):

·首先,其能夠吸收對(duì)方主動(dòng)雷達(dá)發(fā)出的聲納波,即利用消聲瓦材料的阻尼作用和瓦內(nèi)空腔或填充物的作用,使對(duì)方發(fā)射出的聲波波形發(fā)生變化,將聲能轉(zhuǎn)換為熱能消耗掉,從而使折射回去的聲波能量大為降低,達(dá)到急劇減少主動(dòng)聲納探測(cè)的目的。據(jù)報(bào)道,俄羅斯?jié)M載排水量26 500 t的“臺(tái)風(fēng)”級(jí)潛艇由于敷設(shè)了150 mm厚的消聲瓦,因而使美國(guó)MK-48和MK-46型魚(yú)雷的主動(dòng)聲納探測(cè)距離減少到原來(lái)的1/3,由此可見(jiàn)它的戰(zhàn)術(shù)效能非同一般;

·其次,能夠隔離潛艇內(nèi)部噪聲向艇外輻射。噪聲是潛艇水下行動(dòng)的一個(gè)大忌,尤其核潛艇的噸位大、噪聲大,更是容易被對(duì)方在極遠(yuǎn)的距離上探測(cè)發(fā)現(xiàn)。消聲瓦能部分緩解這方面的矛盾,給潛艇包上一層層的消聲瓦,就相當(dāng)于用一件棉襖包裹一臺(tái)收音機(jī)一樣,聲音明顯減弱。在這種情況下,艇內(nèi)的噪聲向外輻射自然受到很大的抑制。不過(guò),實(shí)踐也證明:一種消聲瓦難以同時(shí)具備良好的吸聲和隔聲性能,而且低頻吸、隔聲性能難以滿(mǎn)足實(shí)踐使用的需要;

·再次,能夠抑制艇體的振動(dòng)。潛艇在活動(dòng)和作戰(zhàn)使用時(shí),其動(dòng)力裝置和機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生的振動(dòng)是不可避免的,也是始終存在的。因此,如何最大限度地減少振動(dòng),便成了潛艇設(shè)計(jì)師矢志不渝追求的目標(biāo)和時(shí)刻夢(mèng)想攻克的難關(guān)。目前很多潛艇都將艇上的動(dòng)力裝置及其機(jī)械設(shè)備安裝在筏形基座上,而且該基座與潛艇體保持柔性連接。這些措施采取后,仍有相當(dāng)大的振動(dòng)波要傳到潛艇的內(nèi)壁,而緊貼艇體的消聲瓦自然起到了吸收振動(dòng)的作用,使振動(dòng)得到最大限度的減弱和緩解。當(dāng)然,有一些專(zhuān)家還在研究消聲瓦水面狀態(tài)的變化隱形保護(hù)色等問(wèn)題。

盡管消聲瓦的技術(shù)現(xiàn)在已日漸成熟,應(yīng)用也日趨普遍,但它仍有一些關(guān)鍵技術(shù)需要改進(jìn)和提高,如粘貼術(shù)以及消聲瓦的厚薄與潛艇總體匹配技術(shù)等等[4]。這些,各國(guó)均在加緊攻關(guān)克服。看來(lái),消聲瓦的風(fēng)靡安裝與使用將是大勢(shì)所趨,未來(lái)的潛艇肯定是一些采用消聲瓦等技術(shù)在內(nèi)的、更加安靜的“海狼”。

在世界各國(guó)海軍中,前蘇聯(lián)海軍的消聲瓦技術(shù)處于領(lǐng)先地位,消聲瓦種類(lèi)最多,裝備消聲瓦的潛艇數(shù)量也居多;英國(guó)海軍正處在更新?lián)Q代的時(shí)期;美、法兩國(guó)海軍剛開(kāi)始裝備部隊(duì);日本和德國(guó)海軍對(duì)消聲瓦的研究也剛剛起步。從總的發(fā)展趨勢(shì)看,就材料而言,消聲瓦在合成材料與粘貼技術(shù)上將有新的發(fā)展。像英國(guó)海軍目前使用的聚氨脂材料、法國(guó)海軍的聚硫橡膠、廣泛用于聲學(xué)材料的丁基橡膠等,都是發(fā)展消聲瓦技術(shù)的很有前途的合成材料。從結(jié)構(gòu)而言,美國(guó)海軍使用的玻璃纖維制雙層薄板消聲瓦,則被認(rèn)為是消聲瓦未來(lái)發(fā)展的一種趨勢(shì)。其他形式的復(fù)合材料與復(fù)合聲學(xué)結(jié)構(gòu)相結(jié)合的消聲瓦,以前蘇聯(lián)的系列消聲瓦為代表,由于具有優(yōu)良的吸聲和減振效果,也必然是未來(lái)消聲瓦設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。在消聲瓦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多樣化的同時(shí),消聲瓦的使用日趨專(zhuān)用化,適于特定艇體的區(qū)域或特定頻段的專(zhuān)用型消聲瓦逐漸得到廣泛應(yīng)用。前蘇聯(lián)對(duì)不同活動(dòng)區(qū)域的潛艇敷設(shè)不同材料的消聲瓦,要求消聲瓦既保持吸聲效果,還要使其具有減振作用,將來(lái)還會(huì)出現(xiàn)并廣泛應(yīng)用的以降低本艇自噪聲為主要目的的“特種消聲瓦”。消聲瓦技術(shù)已不再是一種完全獨(dú)立的領(lǐng)域,而是潛艇聲隱身和減振降噪技術(shù)、艇體水動(dòng)力噪聲治理、艇體防污等多項(xiàng)技術(shù)工程綜合應(yīng)用的領(lǐng)域[5]。主動(dòng)消聲瓦技術(shù)預(yù)計(jì)2020年能夠在潛艇隱身中得到實(shí)際應(yīng)用。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)世界各國(guó)消聲瓦的研究與應(yīng)用實(shí)例可以看出,消聲瓦的研究必須系統(tǒng)化、系列化,要建立并遵從一個(gè)設(shè)計(jì)原則。同時(shí)要把消聲瓦的研究與艇內(nèi)機(jī)械噪聲的減振降噪等多學(xué)科的研究相結(jié)合。因?yàn)閮H一種消聲瓦并不能適用于潛艇的所有部位,單憑消聲瓦也不能解決潛艇聲隱身的全部問(wèn)題。另外,在積極借鑒外國(guó)先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的同時(shí),還必須立足于本國(guó)的實(shí)際特點(diǎn)與情況,決不能對(duì)外國(guó)的技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的生搬硬套。要有一個(gè)符合國(guó)情的消聲瓦設(shè)計(jì)原則,使消聲瓦技術(shù)的研究有突破性進(jìn)展,提高潛艇的聲隱身性能。

[1] 美國(guó)的四種消聲瓦和五種阻尼材料[J].橡塑資源利用.2006,No.6,(35).

[2] 無(wú)聲的刺殺!漫談潛艇消聲瓦.http://blog.sina.com.cn/lgsd.2007-8-23.

[3] 張文毓.新型隱身材料研究進(jìn)展[R].第十二屆中國(guó)國(guó)際船艇展暨高性能船學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì).2007.04.

[4] ZHANGQiong;ZHAO Fukuan;WANG Rongqing,A new for ecasted method of echo stealth effect for underwater target with laying anechoic tiles[J].The Journal of the A-coustical Society of America,2003,Volume:114,Number:4,p.2468.

[5] 張宏軍,邱伯華.消聲瓦技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].艦船科學(xué)技術(shù),2001,No.4,6-11.

Overseas Research and Application of the Silence Tile

ZhangWenyu

submarine;submarine sound stealth;silence tile;development

Since the importance of the silence tile in submarine sound stealth has been identified by most countries in the world,many manpower and material resources are devoted into the research on the mechanisms of the silence tile and its engineering applications.This paper systematically introduces the research and application of the silence tile in various countries and discusses its development.

U 667.7

A

1001-9855(2010)06-0001-04

2010-06-03

張文毓(1968.02-),女,漢族,高級(jí)工程師,主要從事情報(bào)研究分析工作。