艦船總體水聲兼容性設(shè)計(jì)綜述

劉序旻 趙齊民 楊穎 陶益

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

艦船總體水聲兼容性設(shè)計(jì)綜述

劉序旻 趙齊民 楊穎 陶益

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

隨著越來越多的水聲設(shè)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(shí)，艦船總體設(shè)計(jì)單位扮演著重要的角色。文章從艦船總體的角度，針對(duì)艦船總體水聲兼容性設(shè)計(jì)所涉及的水聲兼容性問題和解決措施進(jìn)行論述。

艦船總體；水聲兼容性設(shè)計(jì)；水聲設(shè)備

0 引言

在爭奪海洋的戰(zhàn)爭中，一方面，水聲學(xué)和電子技術(shù)取得的成就為水聲設(shè)備的飛速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)；另一方面，水下目標(biāo)急劇增多，特別是潛艇和水下聲制導(dǎo)武器的出現(xiàn)，使反潛斗爭形勢日益嚴(yán)峻。如今，水聲設(shè)備不僅應(yīng)用于水下導(dǎo)航，在海戰(zhàn)中也扮演著舉足輕重的角色。越來越多功能各異的水聲設(shè)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(shè)計(jì)初期就應(yīng)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(shí)，艦船總體設(shè)計(jì)單位扮演著重要角色。艦船總體水聲兼容性設(shè)計(jì)涉及的設(shè)備多、技術(shù)復(fù)雜，是一門綜合性的學(xué)科。本文將針對(duì)艦船總體水聲兼容性設(shè)計(jì)所涉及到的有關(guān)問題和解決措施進(jìn)行探討。

1 水聲設(shè)備的基本工作原理

水聲設(shè)備按探測方式分為主動(dòng)式和被動(dòng)式。主動(dòng)式水聲設(shè)備［1］能產(chǎn)生并發(fā)射聲能，然后接收、處理目標(biāo)的回波，獲得目標(biāo)信息。主動(dòng)式水聲設(shè)備通過發(fā)射機(jī)產(chǎn)生足夠功率的電信號(hào)，通過電聲轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（通常稱為換能器或換能器組成的基陣），將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)向水中輻射。聲波在水中遇到目標(biāo)時(shí)，被目標(biāo)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(hào)再轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由接收機(jī)進(jìn)行放大、變換與處理，這就是主動(dòng)式水聲設(shè)備的基本工作原理。被動(dòng)式水聲設(shè)備本身不發(fā)射聲能，由接收和處理目標(biāo)輻射的噪聲來獲得目標(biāo)的有關(guān)信息。

2 聲波特性

水聲設(shè)備的工作原理與我們所熟悉的雷達(dá)十分相似，因此水聲設(shè)備常被稱為“水下雷達(dá)”。然而聲波與電磁波在物理性質(zhì)上的差別，使得水聲設(shè)備與雷達(dá)在具體實(shí)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(dāng)水聲設(shè)備和雷達(dá)搜索的目標(biāo)大小相近、所使用的波長也大致相同時(shí)，水聲設(shè)備所使用的頻率卻遠(yuǎn)低于雷達(dá)電磁波頻率。由于聲速低，目標(biāo)速度較聲速明顯，因此多普勒效應(yīng)［2］顯著。接收機(jī)帶寬遠(yuǎn)大于信號(hào)帶寬。若發(fā)射信號(hào)的頻率為f，聲納與目標(biāo)之間徑向相對(duì)速度為v，c為聲速，則接收信號(hào)的頻率會(huì)因多普勒效應(yīng)而產(chǎn)生偏移。偏移的大小為

所

以，水聲設(shè)備接收機(jī)帶寬遠(yuǎn)大于信號(hào)帶寬，這為聲信號(hào)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(duì)于大氣中的電磁波會(huì)小很多。所以，對(duì)于雷達(dá)而言，噪聲背景主要是天線與接收機(jī)內(nèi)部的熱噪聲，而水聲設(shè)備則是更嚴(yán)重的外部環(huán)境噪聲對(duì)其的影響。

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

3 艦船總體水聲兼容性問題

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

（1）環(huán)境噪聲對(duì)水聲設(shè)備的干擾問題；

（2）水聲設(shè)備間的干擾問題。

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

艦船自身的輻射噪聲屬于外部環(huán)境噪聲，也會(huì)對(duì)艦船水聲系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。有關(guān)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(dòng)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(shè)備的性能水平。

由于平臺(tái)空間所限，當(dāng)艦船上安裝的多部水聲設(shè)備同時(shí)工作時(shí)，主動(dòng)式水聲設(shè)備發(fā)出的聲信號(hào)會(huì)對(duì)其他水聲設(shè)備的接收端產(chǎn)生干擾。這些干擾包括同頻干擾和帶外干擾，主要表現(xiàn)為：

（1）干擾信號(hào)過大，造成水聲設(shè)備接收機(jī)前放阻塞；

（2）干擾信號(hào)過大，造成水聲設(shè)備A/D變換飽和；

（3）干擾信號(hào)在接收機(jī)頻帶內(nèi)超過噪聲信號(hào)，使聲納的性能下降。

4 艦船總體水聲兼容性設(shè)計(jì)

4.1 內(nèi)容與范圍

艦船總體水聲兼容性設(shè)計(jì)的內(nèi)容與范圍是：

（1）降低艦船輻射噪聲；

（2）優(yōu)化全船水聲設(shè)備的總體布置；

（3）水聲設(shè)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(shí)引起的水下輻射噪聲，主要由機(jī)械設(shè)備振動(dòng)引起的水下輻射噪聲和推進(jìn)器噪聲組成。

對(duì)于機(jī)械設(shè)備引起的水下輻射噪聲應(yīng)建立機(jī)械噪聲預(yù)報(bào)模型，加載主要機(jī)械設(shè)備噪聲源振動(dòng)激勵(lì)，得出未進(jìn)行降噪處理前的機(jī)械設(shè)備輻射噪聲貢獻(xiàn)。并根據(jù)主要機(jī)械設(shè)備噪聲源振動(dòng)排序，采取以下相應(yīng)的減振降噪措施：

（1）軸系等結(jié)構(gòu)的減振降噪處理；（2）發(fā)電機(jī)組可采取箱裝體及雙層隔振措施；（3）設(shè)備優(yōu)化布置，將發(fā)電機(jī)組上移至主甲板結(jié)構(gòu)；

（4）推進(jìn)電機(jī)、推力軸承、冷水泵、海水泵、消防泵、推進(jìn)電機(jī)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(shè)備可采用彈性安裝技術(shù)，基座采用高傳遞損失基座形式進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)于推進(jìn)電機(jī)、推力軸承等振動(dòng)較大的設(shè)備還需采取相應(yīng)的吸振措施；

（5）全船結(jié)構(gòu)要進(jìn)行結(jié)構(gòu)聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使之在不顯著增加船體重量的情況下，獲得較佳水下聲學(xué)性能；

（6）聲學(xué)防護(hù)處理，即針對(duì)動(dòng)力艙段與換能器艙進(jìn)行阻尼材料、吸聲材料及隔聲材料的敷設(shè)。

若采用螺旋槳推進(jìn)方案，可以通過尾部結(jié)構(gòu)聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化尾部線型和尾軸架設(shè)計(jì)，減小推進(jìn)器引起的尾部振動(dòng)。

4.3 優(yōu)化全船水聲設(shè)備的總體布置

優(yōu)化全船水聲設(shè)備的總體布置，即從空間上保證水聲設(shè)備的正常工作，按照各水聲設(shè)備的使命任務(wù)和工作方式，合理地將各水聲設(shè)備進(jìn)行分區(qū)布置。

現(xiàn)代艦船裝備的水聲設(shè)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(duì)抗用的偵察聲納與聲誘餌等。

拖曳式水聲設(shè)備一般布置在艦船艉部，并且要將探測用水聲設(shè)備和聲誘餌等拖曳式水聲對(duì)抗干擾設(shè)備左右舷隔開。如有多種拖曳水聲設(shè)備可以考慮共用濕端。艦殼式主動(dòng)聲納的布置應(yīng)遠(yuǎn)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(nèi)；導(dǎo)航用的測深儀、計(jì)程儀等指向性較好的水聲設(shè)備則布置在船舯部。

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

（1）發(fā)射單元對(duì)其他水聲設(shè)備接收端的指向性干擾；

（2）干擾信號(hào)對(duì)接收機(jī)前放阻塞；

（3）干擾信號(hào)造成A/D變換飽和；

（4）干擾信號(hào)在接收機(jī)頻帶內(nèi)超過噪聲信號(hào)，使性能下降。

同時(shí)，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(shè)計(jì)措施奠定了空間上的基礎(chǔ)。

4.4 水聲設(shè)備頻域控制

頻域控制主要是針對(duì)艦船主動(dòng)聲納與被動(dòng)聲納之間，主動(dòng)聲納之間，主被動(dòng)聲納與背景噪聲場之間的兼容性問題。干擾聲與信號(hào)聲之間的頻譜要有差異，差異越大、干擾越小。因此在艦船設(shè)計(jì)中，對(duì)所有水聲系統(tǒng)的工作頻率確定必須進(jìn)行充分論證。除需要滿足聲納本身指標(biāo)（作用距離、方向性等）要求外，還必須從兼容性出發(fā)，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(qū)或其處于不同航態(tài)時(shí)，其背景噪聲的頻譜也不同。因此調(diào)節(jié)聲納工作頻段開關(guān)（即控制聲納工作頻率），實(shí)現(xiàn)背景噪聲譜與聲納工作頻譜的差異性，從而達(dá)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(dāng)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(shí)，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(duì)水聲設(shè)備的工作方式和工作時(shí)機(jī)的控制管理。

對(duì)水聲設(shè)備工作方式的控制管理有許多模式，但都基于水聲設(shè)備的工作機(jī)理。比如對(duì)于指向性的干擾，可以在信號(hào)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(yīng)波束在特定方向上形成凹槽或零點(diǎn)等方法。

對(duì)水聲設(shè)備工作時(shí)機(jī)控制管理中，應(yīng)嚴(yán)格控制各聲納的工作時(shí)間，使原本相互干擾的水聲設(shè)備不同時(shí)工作?；蛘哌x擇合適的發(fā)射與接收時(shí)機(jī)，通過時(shí)域的方法規(guī)避干擾。

5 結(jié)論

艦船總體水聲兼容設(shè)計(jì)的目的是為了解決裝艦水聲設(shè)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(shè)計(jì)通過降低艦船自噪聲，優(yōu)化全船水聲設(shè)備的總體布置，水聲設(shè)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(gè)聲學(xué)設(shè)備的正常工作。

［1］閻福旺.現(xiàn)代聲納技術(shù)［M］．北京：海洋出版社，1998.

［2］（英）Waite A D.實(shí)用聲納工程［M］．王德石譯.3版.北京：電子工業(yè)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(shè)計(jì)。

趙齊民（1981-），男，漢族，工程師，研究方向：艦船總體設(shè)計(jì)。

楊穎（1981-），女，漢族，工程師，研究方向：艦船總體設(shè)計(jì)

陶益（1981-），男，漢族，碩士，工程師，研究方向：艦船總體設(shè)計(jì)