淺析水下武器發(fā)射噪聲的生成及控制

張振山, 程廣濤

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淺析水下武器發(fā)射噪聲的生成及控制

張振山1, 程廣濤2

(1. 海軍工程大學(xué) 兵器工程系, 湖北 武漢, 430033; 2.中國(guó)人民解放軍 92373部隊(duì), 遼寧 大連, 116001)

水下武器發(fā)射過(guò)程會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的沖擊振動(dòng)噪聲, 影響發(fā)射平臺(tái)的隱身性能, 從而降低作戰(zhàn)效能。本文對(duì)水下武器發(fā)射噪聲的產(chǎn)生及其傳播過(guò)程進(jìn)行了分析, 探討了水下發(fā)射噪聲的生成機(jī)理以及降噪工作的主要研究方向。特別對(duì)武器發(fā)射管口附近噴流噪聲的產(chǎn)生進(jìn)行了研究, 提出了控制發(fā)射噪聲源的一些思路, 可為進(jìn)一步研究發(fā)射噪聲提供參考。

水下武器; 發(fā)射裝置; 噪聲控制

0 引言

機(jī)械噪聲、螺旋槳噪聲以及流噪聲是潛艇航行時(shí)的主要噪聲源, 被認(rèn)為是破壞潛艇隱蔽性的最大殺手, 受到了各國(guó)海軍的高度重視, 其噪聲生成機(jī)理研究、噪聲預(yù)報(bào)、振動(dòng)噪聲控制的研究都已取得了相當(dāng)不錯(cuò)的成果。隨著各種噪聲控制成果的應(yīng)用, 潛艇的輻射噪聲級(jí)正逐年下降, 而發(fā)射噪聲的影響正日益突出, 成為降低潛艇生命力與戰(zhàn)斗力的頑疾。發(fā)射噪聲持續(xù)時(shí)間非常短, 但其源級(jí)較大, 會(huì)為敵方提供捕捉發(fā)射艇的機(jī)會(huì), 為敵方規(guī)避及對(duì)抗我方攻擊武器提供時(shí)間, 故降低發(fā)射噪聲是發(fā)射裝置設(shè)計(jì)研究必須考慮和解決的主要問(wèn)題之一[1]。掌握其噪聲的產(chǎn)生機(jī)理并控制輻射噪聲能級(jí)是潛艇結(jié)構(gòu)及發(fā)射裝置設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題。武器發(fā)射噪聲源特性以及噪聲譜相關(guān)知識(shí)是進(jìn)行噪聲控制的基礎(chǔ)。要想對(duì)振動(dòng)及噪聲控制進(jìn)行數(shù)學(xué)上的解釋, 必須要了解發(fā)射過(guò)程中輻射噪聲產(chǎn)生的原理, 通過(guò)對(duì)影響發(fā)射過(guò)程輻射噪聲的各種因素的分析, 揭示武器發(fā)射噪聲的形成機(jī)理。

1 水下噪聲的產(chǎn)生與傳播

由連續(xù)性方程、動(dòng)力學(xué)方程以及物態(tài)方程3個(gè)方程可以推導(dǎo)獲得3D波動(dòng)方程[2]

通過(guò)聯(lián)立連續(xù)性方程與運(yùn)動(dòng)方程可獲得具有體源、力源和切變應(yīng)力源聲發(fā)生的普遍方程, 即廣義希爾方程[3]

式(2)前2項(xiàng)為非平穩(wěn)質(zhì)量流, 其作用與一個(gè)單極子相當(dāng)。第3項(xiàng)為施加在某些界面上的非平穩(wěn)力的散度, 具有偶極子的性質(zhì)。第4項(xiàng)代表流體本身的湍流應(yīng)力, 具有四極子性質(zhì)。希爾方程描繪了聲的產(chǎn)生問(wèn)題, 從發(fā)聲機(jī)理的角度給出了聲音產(chǎn)生過(guò)程的數(shù)學(xué)解釋。根據(jù)波動(dòng)方程與希爾方程就可以從生成機(jī)理上進(jìn)一步研究水下噪聲源的問(wèn)題。聲波的傳播是彈性介質(zhì)(氣體、液體和固體)中傳播的壓力、應(yīng)力、質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)等的一種或多種變化。在流體介質(zhì)中, 引起非平穩(wěn)壓力場(chǎng)的任何過(guò)程都會(huì)產(chǎn)生聲波。而引起非平穩(wěn)壓力場(chǎng)的物理過(guò)程包括界面的振動(dòng)或脈動(dòng)、作用在流體的非平穩(wěn)力、流體的湍流運(yùn)動(dòng)以及振蕩的溫度。每種噪聲源在微觀上都可以歸結(jié)為某1階多極子聲源, 至少在數(shù)學(xué)上可以如此簡(jiǎn)化。艦艇、潛艇和魚(yú)雷輻射噪聲以及水下武器發(fā)射噪聲的許多重要聲源是流體動(dòng)力性質(zhì)的, 與通過(guò)航行器或穿過(guò)管道的流體運(yùn)動(dòng)有關(guān)。流體動(dòng)力源可按主要發(fā)聲機(jī)理來(lái)分類(lèi): 表征為單極子的體積變化,表征為偶極子的振蕩力和小物體的振動(dòng)運(yùn)動(dòng), 以及表征為四極子的自由湍流。

2 武器發(fā)射噪聲的產(chǎn)生與傳遞

由于水下武器發(fā)射過(guò)程持續(xù)時(shí)間較短, 一般在數(shù)秒內(nèi)就完成了發(fā)射, 因此發(fā)射噪聲屬于瞬態(tài)噪聲的范疇。其突出特點(diǎn)就是成分復(fù)雜、持續(xù)時(shí)間非常短, 而噪聲能量較大, 大大影響了潛艇的隱蔽性。

2.1 水下發(fā)射武器噪聲源

潛艇在水下發(fā)射武器時(shí)噪聲源比較多, 傳統(tǒng)上可以分為三大類(lèi): 機(jī)械噪聲, 流體噪聲以及空化噪聲[4]。機(jī)械噪聲包括機(jī)械沖擊噪聲、振動(dòng)噪聲與摩擦噪聲。沖擊噪聲是由于運(yùn)動(dòng)部件之間因加速或減速時(shí)相互沖擊而產(chǎn)生的噪聲, 以及由于工質(zhì)做功對(duì)固定部件(發(fā)射管及其氣水缸)反作用力產(chǎn)生的噪聲; 機(jī)械振動(dòng)噪聲是發(fā)射過(guò)程中, 其他噪聲源傳遞到發(fā)射管管體、潛艇艇殼等部件的振動(dòng)引起的; 摩擦噪聲是發(fā)射過(guò)程中機(jī)械零件之間互相高速運(yùn)動(dòng), 彼此摩擦而產(chǎn)生的。以氣動(dòng)液壓平衡式發(fā)射裝置為例, 主要機(jī)械噪聲源包括魚(yú)雷離艇時(shí)與發(fā)射管之間擠碰引起的噪聲, 發(fā)射過(guò)程中氣、液缸活塞與各自缸體相互作用引起的噪聲, 汽缸活塞在行程末端與黃銅緩沖片的撞擊聲, 由于發(fā)射沖擊力的作用引起的結(jié)構(gòu)噪聲, 發(fā)射水流引起的管口附近殼體的結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲, 以及各種運(yùn)動(dòng)組件與接觸面之間的摩擦噪聲等。

流體噪聲包括氣動(dòng)噪聲及海水流動(dòng)噪聲。發(fā)射過(guò)程中一個(gè)非常重要的噪聲源是高壓空氣注入氣缸或發(fā)射管內(nèi)產(chǎn)生的較強(qiáng)噴注噪聲。以高壓氣作為發(fā)射工質(zhì)的發(fā)射裝置, 發(fā)射完畢后氣缸內(nèi)氣體排到艙室內(nèi), 由于流體中氣體與固體邊界之間相互作用會(huì)發(fā)出較強(qiáng)輻射噪聲; 海水流動(dòng)噪聲是由于在發(fā)射過(guò)程中水流的突然加速或減速造成的水流之間、水流與周?chē)腆w邊界之間產(chǎn)生的水擊噪聲; 發(fā)射過(guò)程中高壓空氣與海水運(yùn)動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生紊流噪聲, 它是流體在紊流流動(dòng)中由于介質(zhì)振動(dòng)而引發(fā)的噪聲。空化噪聲是由于在發(fā)射過(guò)程中, 因發(fā)射水流在流道口下游的局部區(qū)域形成負(fù)壓, 當(dāng)負(fù)壓低于當(dāng)?shù)乜张輭毫r(shí)會(huì)產(chǎn)生空泡現(xiàn)象, 從而生成空泡噪聲。

2.2 氣動(dòng)型武器噴注噪聲及沖擊噪聲

就某型武器發(fā)射裝置而言, 其工作時(shí)的主要噪聲源包括發(fā)射過(guò)程噴注噪聲、發(fā)射過(guò)程沖擊激勵(lì)引起的結(jié)構(gòu)噪聲以及管口噴流噪聲。高壓氣體進(jìn)入氣缸時(shí)的噴注噪聲是武器發(fā)射過(guò)程中重要的噪聲源之一, 高壓氣進(jìn)入氣缸中壓力急劇升高, 這種壓力迅速變化生成的噪聲即噴注噪聲[5]。作用于氣缸頭和活塞頂部引起捶擊作用, 激勵(lì)了沖 擊結(jié)構(gòu)噪聲。噴射氣流會(huì)激起氣缸壁與活塞的結(jié)構(gòu)振動(dòng), 同時(shí)加壓海水也會(huì)激起液缸壁的結(jié)構(gòu)振動(dòng), 這些結(jié)構(gòu)振動(dòng)傳遞會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲。對(duì)這類(lèi)噪聲的控制應(yīng)該關(guān)注氣瓶與氣缸之間的管路及控制閥件的改進(jìn)。

更為重要的是, 發(fā)射過(guò)程中活塞組件受力的同時(shí), 通過(guò)氣缸及液缸在艇體上的固定支撐, 會(huì)對(duì)艇體產(chǎn)生沖擊力, 激起隔板的結(jié)構(gòu)振動(dòng), 傳遞到殼體引發(fā)較大的輻射噪聲。這類(lèi)沖擊噪聲生成的機(jī)理是沖擊引發(fā)結(jié)構(gòu)振動(dòng), 結(jié)構(gòu)振動(dòng)傳遞到外殼體產(chǎn)生輻射噪聲。利用沖擊激勵(lì)下的機(jī)械振動(dòng)響應(yīng)理論可以解決這類(lèi)問(wèn)題。傳統(tǒng)的武器發(fā)射裝置都是剛性固聯(lián)到艇體上, 沒(méi)有考慮振動(dòng)沖擊的影響, 而國(guó)外先進(jìn)潛艇設(shè)計(jì)理念中, 出于潛艇安靜性角度考慮, 已經(jīng)嚴(yán)格禁止這類(lèi)剛性聯(lián)結(jié)。對(duì)這類(lèi)沖擊問(wèn)題可以通過(guò)斷開(kāi)能量傳遞路徑的方法進(jìn)行思考。采用阻尼沖擊隔離器可以消耗主要的可傳遞沖擊能量。

發(fā)射結(jié)束到回程階段, 要重點(diǎn)考慮活塞組件的減速緩沖問(wèn)題以及氣缸內(nèi)氣體排入艙室的消音問(wèn)題。活塞組件在發(fā)射末端水缸活塞以一定速度慣性前行, 依靠水缸特形孔的設(shè)計(jì)利用流體進(jìn)行一定的緩沖, 配合紫銅墊片完成緩沖?？梢钥紤]進(jìn)一步優(yōu)化緩沖設(shè)計(jì)思路, 增加緩沖的效果, 減少剛性接觸。由于采用的動(dòng)力方式為高壓氣做功, 且作用時(shí)間短, 排氣噪聲的產(chǎn)生是不可避免的。但進(jìn)一步優(yōu)化高壓氣體排入艙室時(shí)的消音設(shè)計(jì), 可以降低排氣噪聲, 除了取得對(duì)外輻射降噪效果外還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)艇員工作環(huán)境的改善。

2.3 發(fā)射管內(nèi)及其管口噪聲

武器發(fā)射裝置發(fā)射管內(nèi)噪聲的控制。加壓海水做功將武器發(fā)射出管的過(guò)程中, 通過(guò)發(fā)射管管體會(huì)對(duì)潛艇形成較大的沖擊力,形成較大的結(jié)構(gòu)振動(dòng), 激發(fā)耐壓殼體的振動(dòng), 產(chǎn)生較大的輻射噪聲。降低這類(lèi)噪聲的解決辦法可考慮對(duì)管體與艇體之間進(jìn)行非剛性連接以及阻尼隔振措施,對(duì)內(nèi)外殼體在發(fā)射管區(qū)域增加加強(qiáng)筋。一個(gè)比較好的方法是利用阻尼沖擊隔離器消耗沖擊能量, 減少向外傳遞的振動(dòng)能量, 從而有效地控制輻射噪聲的產(chǎn)生。

管口射流沖擊噪聲的生成方式。發(fā)射過(guò)程中,不僅管內(nèi)海水會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)噪聲,當(dāng)武器出管后,隨武器運(yùn)動(dòng)的海水會(huì)對(duì)非耐壓殼體形成沖擊射流,激發(fā)出較大的噪聲, 而傳統(tǒng)的發(fā)射裝置對(duì)這種射流沖擊未進(jìn)行處理, 如圖1所示。射流沖擊激勵(lì)內(nèi)外殼體成為雷彈發(fā)射噪聲的重要噪聲源之一。圖2給出了某型發(fā)射裝置發(fā)射管前蓋與減阻板的連接關(guān)系圖, 由圖可知, 前蓋至減阻板之間有一定的長(zhǎng)度空間, 射流對(duì)這一區(qū)域空間及其附屬部件影響還是比較大的。通過(guò)研究發(fā)射裝置管口的射流物理狀態(tài), 分析噪聲形成的機(jī)理。形成振動(dòng)激勵(lì)力。通過(guò)射流的速度分布及其應(yīng)力變化情況可以研究相應(yīng)的噪聲產(chǎn)生狀況, 并可以在此基礎(chǔ)上對(duì)管體機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化, 如可以研究射流的導(dǎo)流機(jī)構(gòu)及其在殼體上加肋以減小發(fā)射時(shí)內(nèi)外殼體受到的沖擊及由此引發(fā)的噪聲。

圖1 發(fā)射管前端示意圖

圖2 發(fā)射裝置1#發(fā)射管與減阻板聯(lián)結(jié)關(guān)系圖

如圖3所示為發(fā)射裝置管口流場(chǎng)速度場(chǎng)分布云圖(仿真是對(duì)理想單管狀態(tài)進(jìn)行的, 實(shí)際發(fā)射裝置有6根發(fā)射管)。研究表明, 沖擊射流噪聲成為發(fā)射噪聲的重要組成部分, 是由于射流出管時(shí)對(duì)非耐壓殼體的沖擊, 由管口出發(fā)的運(yùn)動(dòng)海水與靜介質(zhì)接觸, 不斷產(chǎn)生旋渦并向靜止流體中推進(jìn), 因而射流不斷變寬, 射流邊緣在外殼板上反射形成壓力場(chǎng), 當(dāng)噴射旋渦到達(dá)外殼板時(shí)就成為反饋信號(hào), 使射流中的擾動(dòng)增加, 噴射旋渦隨射流通過(guò)外管口再發(fā)生反射, 循環(huán)不斷, 因而產(chǎn)生較大噪聲。當(dāng)射流運(yùn)動(dòng)到非耐壓殼體附近時(shí), 已經(jīng)發(fā)展出向兩側(cè)擴(kuò)展的漩渦, 其作用于非耐壓殼體形成振動(dòng)激勵(lì)力。當(dāng)這種激勵(lì)形成一種正反饋的過(guò)程后, 影響力會(huì)大大加強(qiáng)。通過(guò)射流的速度分布及其應(yīng)力變化情況可以研究相應(yīng)的噪聲產(chǎn)生狀況, 并可在此基礎(chǔ)上對(duì)管體機(jī)構(gòu)進(jìn)行某些優(yōu)化, 如可以研究射流的導(dǎo)流機(jī)構(gòu)及其在殼體上加肋以減小發(fā)射時(shí)內(nèi)外殼體受到的沖擊及由此引發(fā)的噪聲。

圖3 發(fā)射管水放管口流場(chǎng)仿真效果圖

3 結(jié)束語(yǔ)

發(fā)射噪聲是影響武器發(fā)射時(shí)平臺(tái)聲隱身性能的重要因素, 對(duì)武器攻擊效果及平臺(tái)生存能力產(chǎn)生重大影響?？傮w來(lái)講, 發(fā)射噪聲源包括三類(lèi):機(jī)械噪聲, 流體噪聲以及空化噪聲?？刂莆淦靼l(fā)射噪聲是提高裝備戰(zhàn)斗力的重要途徑之一, 因而研究發(fā)射噪聲的生成機(jī)理意義重大。本文初步分析了水下武器發(fā)射噪聲的產(chǎn)生及傳播, 對(duì)武器發(fā)射時(shí)管口區(qū)域產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行了初步探討, 但還有待進(jìn)一步深入研究。

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Preliminary Discussion on Generation and Control of Underwater Weapon Launching Noise

ZHANG Zhen-shang, CHENG Guang-tao

(1. Department of Weaponry Engineering, Navy University of Engineering, Wuhan 430033,China; 2. 92373thUnit, The People′s Liberation Army of China, Dalian 116001, China)

Launching underwater weapon will generate impact vibration noise to weaken underwater acoustic stealth performance of the launching platform and reduce its operational effectiveness. The generation and propagation of the launching noise are analyzed, and the generation mechanism of the underwater noise as well as the main research trend of noise reduction are discussed. The generation of jet noise near launch tube nozzle is intensively analyzed, and some suggestions to reduce launching noise are offered for low noise design of underwater weapon launchers.

underwater weapon; launch tube; noise control

TJ635

A

1673-1948(2012)04-0310-04

2012-03-14;

2012-03-27.

張振山(1959-), 男, 教授, 博士生導(dǎo)師, 主要研究方向?yàn)轸~(yú)雷熱動(dòng)力及魚(yú)雷發(fā)射裝置.

(責(zé)任編輯: 許 妍)