水面艦船球鼻艏減振降噪研究

浦紅燕，朱新進(jìn)，陸 雷

（701研究所，上海 201108）

0 引 言

艦殼聲納是水面艦艇探測潛艇等水下物體的基本工具，而球鼻艏為聲納基陣提供的工作環(huán)境的好壞則在一定程度上決定了聲納性能的發(fā)揮。球鼻艏減振降噪工程的目的是為聲納創(chuàng)造一個良好的工作環(huán)境，降低噪聲、振動等不利因素對聲納工作的影響。多年以來，球鼻艏減振降噪工程在被廣泛應(yīng)用的同時(shí)，也在不斷地優(yōu)化、進(jìn)步。到目前為止，水面艦船球鼻艏減振降噪工程從技術(shù)方案到具體實(shí)施都頗有成效。

1 水面艦船的噪聲和振動

影響聲納工作性能的不利因素除球鼻艏內(nèi)的噪音和振動外，外界環(huán)境的影響也很重要。主要分為以下幾類[1]：

1) 環(huán)境噪聲[2]：海洋環(huán)境噪聲包含風(fēng)浪噪聲、海流噪聲、海洋生物噪聲以及其他船舶航行噪聲組成。這些干擾不僅覆蓋了整個聲波頻段，而且從脈沖波到連續(xù)波都有，其分布是無規(guī)律的；

2) 本艦噪聲：本艦航行時(shí)產(chǎn)生的螺旋槳噪聲、水動力噪聲和機(jī)械動力噪聲等。本艦噪聲主要與航速有關(guān)，航速越大自噪聲越大，對聲納的影響也就越大；

3) 主動方式工作狀態(tài)下的混響[3]：混響是海洋中隨機(jī)非均勻分布散射體的散射波在聲納接收輸入端的響應(yīng)。一般的海水體混響都與海況、水質(zhì)等因素有關(guān)。

減振降噪工程的目標(biāo)就是給聲納基陣一個更“安靜”的工作環(huán)境，針對上述情況，對自噪聲采取以下一些措施，可達(dá)到減振降噪的效果。

1) 對于艦上強(qiáng)噪聲設(shè)施，可以設(shè)進(jìn)氣消音器和排氣消音器；主輔機(jī)設(shè)置隔音罩殼；主輔機(jī)采用浮筏隔振降噪；對柴油發(fā)電機(jī)組、減速齒輪箱、空氣壓縮機(jī)、通風(fēng)機(jī)等振動較大的設(shè)備采用雙層彈性隔振降噪；選擇或研制低噪聲的設(shè)備基座；管道與管路的彈性支撐采用隔振器；一些重要艙室進(jìn)行吸聲設(shè)計(jì)；

2) 設(shè)計(jì)優(yōu)良的線型和附體，減少阻力和附面湍流的產(chǎn)生，使環(huán)繞船體的湍流噪聲最小；優(yōu)化艉部線型、附體、軸系與螺旋槳的匹配，使螺旋槳噪聲降到最??；

3) 為降低球鼻艏的內(nèi)部噪聲，其頂部和背部相連的艙室（艏尖艙和錨鏈艙）也要采取相應(yīng)的減振降噪手段。（球鼻艏內(nèi)阻尼材料敷設(shè)見圖1）。

圖1 球鼻艏內(nèi)的阻尼材料敷設(shè)

2 減振降噪材料

減振降噪材料一般以黏彈性材料為基底，其中加入聲學(xué)結(jié)構(gòu)的吸聲阻尼層。所謂阻尼[4]，就是物體在運(yùn)動過程中受各種阻力的影響，能量逐漸衰減而運(yùn)動減弱的現(xiàn)象。一般多采用改性后的橡膠和聚胺酯作為基底材料，并在阻尼層中形成各種形狀和尺寸的空腔，見圖 2，常用的有鋸齒型和圓錐型空腔。其吸聲主要依靠基底材料對聲學(xué)能量高損耗性和內(nèi)部空腔的共振吸收，二者相輔相成，不可或缺。

圖2 阻尼效果

減振降噪材料一般敷設(shè)在目標(biāo)鋼板的一側(cè)或者兩側(cè)。至于敷設(shè)的厚度，以圖3為例，橫軸表示溫度，縱軸表示振動能量的吸收系數(shù)。其中，實(shí)線表示敷設(shè)的阻尼材料厚度4倍于鋼板厚度時(shí)的吸收系數(shù)，虛線則表示2倍于鋼板厚度時(shí)的吸收系數(shù)。從理論上來說，相同條件下，自然是敷的越厚效果越好。

圖3 不同厚度下的阻尼效果

但是，減振降噪材料厚度受到材料重量、粘貼性能、構(gòu)架方向等條件的限制。一般兩側(cè)共敷設(shè)3～4倍于鋼板厚度的阻尼材料，可以吸收大約40%的振動能量。材料太薄，阻尼效果下降很大，成效較低。材料過厚，會增加材料脫落風(fēng)險(xiǎn)、構(gòu)架承受的能力和工人施工的難度。球鼻艏平臺的鋼板厚度一般都大于10mm，4倍厚度就接近50mm。如果再加厚，將會帶來兩個影響：第一，用粘合劑固定無法承受材料本身的重量，必須用螺釘加固，這將帶來復(fù)雜的施工工藝和巨大的工作量；第二，球鼻艏內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有很多不規(guī)則的小塊區(qū)域，太厚的材料無論切割、彎折、敷貼都很困難，給施工帶來難度。

同樣需要注意的是，在達(dá)到相同的減振降噪效果時(shí)，高頻段使用阻尼材料的效果要好于低頻，可以用較薄的材料達(dá)到相同的效果。而低頻時(shí)則需要更厚的材料。所以，在艦上其他部位敷設(shè)阻尼材料的厚度需要在總體設(shè)計(jì)時(shí)全面考慮。

3 阻尼材料的敷設(shè)

阻尼材料的敷設(shè)原則是所有的鋼結(jié)構(gòu)都被完全覆蓋，不能露出一塊未經(jīng)敷設(shè)的鋼結(jié)構(gòu)。球鼻艏內(nèi)的構(gòu)架形式復(fù)雜，可分為垂直面和水平面兩種敷設(shè)形式。如圖4。垂直方向的鋼結(jié)構(gòu)（球鼻艏背部），敷設(shè)比較方便，可在兩側(cè)平均敷貼阻尼材料。如果是水平方向的鋼結(jié)構(gòu)（球鼻艏頂部構(gòu)架），可在鋼板上表面多敷一點(diǎn)，下表面少敷一點(diǎn)，防止掉落，這樣可降低承重和施工難度，可以達(dá)到基本相同的效果。

圖4 敷設(shè)阻尼材料的兩種形式

敷設(shè)前，先根據(jù)球鼻艏內(nèi)的基本情況制定敷設(shè)方案，各處敷設(shè)厚度、敷設(shè)方法、邊角的處理、是否需要螺釘連接、鋼結(jié)構(gòu)上底漆的處理、施工溫度、乃至整個敷設(shè)時(shí)間的安排都需要詳細(xì)考慮。有些結(jié)構(gòu)敷設(shè)困難，需要在球鼻艏結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之初由總體設(shè)計(jì)師綜合考慮，避免復(fù)雜的結(jié)構(gòu)面朝向聲納基陣，增加施工難度。

敷設(shè)時(shí)，一般將阻尼材料制成相應(yīng)厚度的膠板，進(jìn)行拼接和粘貼，見圖5。若兩塊拼接，則需要先將兩側(cè)切出斜面，并攏后中縫用膠水抹平。若遇到小塊或不規(guī)則區(qū)域，要預(yù)先切割成相應(yīng)大小，四周切斜邊，用膠水粘合后四周與相接面抹平。不能出現(xiàn)中空和浮貼的情況，以免造成日后材料脫落。

圖5 阻尼膠板的敷設(shè)

特別需要注意的是球鼻艏內(nèi)的后壁，它的背面是艙室，正面直接面對聲納基陣，基陣朝向艦尾方向發(fā)射的聲波經(jīng)過鋼結(jié)構(gòu)反射，就變成了噪聲，因頻率與聲納的工作頻率相同，在后期的信號處理中，會造成很大困擾。所以，需要在兩面敷設(shè)足夠厚度的阻尼材料，將影響降至最低。

在敷設(shè)與球鼻艏相連的艙室時(shí)，一般在球鼻艏后壁以后（錨鏈艙）和上壁（艏尖艙）以上 0.5m范圍內(nèi)的艙壁都均勻敷設(shè)大約3倍于鋼板厚度的阻尼材料（30mm左右）。而在球鼻艏平臺上，可采用圖4中的水平敷設(shè)方法，為防止掉落，下表面敷設(shè)一薄層，上表面可以盡量厚的敷設(shè)（有時(shí)可以達(dá)到50mm）。這樣，可以將從結(jié)構(gòu)上傳過來的噪聲和振動在到達(dá)球鼻艏之前降到最低。

針對球鼻艏內(nèi)可活動零件跟隨艦體運(yùn)動所產(chǎn)生的振動，則要在設(shè)備和管系安裝時(shí)，采用橡膠包覆或涂抹阻尼材料。

4 結(jié) 語

隨著對新材料的不斷研發(fā)，球鼻艏內(nèi)吸聲材料也必會不斷更新，敷設(shè)方式也會不斷創(chuàng)新，為聲納基陣提供更良好的工作環(huán)境。

[1] A.D.Waite. 實(shí)用聲納工程（第三版）[M]. 王德石. 北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[2] 邵開文，馬運(yùn)義. 艦船技術(shù)與設(shè)計(jì)概論[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2005.

[3] 田 坦，劉國枝，孫大軍. 聲納技術(shù)[M]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2000.

[4] 閻福旺，劉載芳，榮新光等. 現(xiàn)代聲納技術(shù)[M]. 北京：海洋出版社，2004.