對水下突體和聲吶導流罩的降噪研究

鄧玉聰

摘 要：在水聽器的發(fā)展過程中，聲吶導流罩具有重要的意義。人們根據海豹耳的構造，仿造出了聲吶導流罩，從而極大改進了水聽器的性能。通過流線型的設計，減低了由渦流所產生的水流噪聲，從而準確接受目標音波。然而，自聲吶導流罩誕生以來，存在的許多問題依然長期困擾著人們：許多構件需要采用人工研磨，極費工時；裝配工藝復雜，額外調整使精度降低。不過最核心的問題依然是降噪效果有待進一步提高。

關鍵詞：聲吶；導流罩；降噪；水動力分析

1.水動力噪聲分析

從已有的研究成果來看，造成聲吶導流罩工作性能下降主要是因為噪聲，而噪聲主要來自于兩個方面：一是在設計制造的過程中，導流罩的線形、材料及工藝水平；二是在船體行進過程中，所有設備工作時的振動與對噪聲的調控。

1.1噪聲來源

導流罩具有良好聲透性的材質與聲學特性線型。但作為一種常見的水下突體，會在其周圍形成一個湍流附面層。在這個層面內，由于其中的各個質點的平均速率極不一致，擁有較大的脈動起伏。另外，由于相互間不平衡的壓力，將造成很明顯的噪聲。

1.1.1聲吶導流罩內部產生的自噪音

當具有粘性的流體經過聲吶導流罩時，產生的附面層中存在湍流。這個湍流層的具體參數主要取決于表面以及流體的性質。但最終總會因為起伏壓力的作用產生噪聲輻射。聲吶導流罩的噪音主要來源于此。

1.1.2其它部件噪音

除內部產生的自噪音之外，由于設計、工藝等原因，艦體其它部分，尤其是導流罩周圍機構產生的噪音同樣會對水聽器的工作產生明顯影響。如流線型體端面流引起的噪聲，開口腔的流體噪聲等。

1.2現代水動力噪聲分析方法

針對水動力噪聲的分析，現代已進入了交叉學科的研究方式。

1.2.1數值模擬

通過建立數學模型，將噪聲數據化，將定性分析變?yōu)槎坑嬎恪Ａ炕嬎愀鞑糠衷肼暤膫鞑?、干涉、消散等。有大渦模擬方法（LES）數值計算、Lighthill聲比擬理論研究、LES/FwH混合法等常用模擬分析方式。這些都是代測量手段中最直觀且最準確的方法。但是，直接的數值模擬工作量大，計算繁瑣，且由于參數較多，難以建立準確的模型。

1.2.2現代信號分析法

通過示波器測量后，通過聲線譜對水下噪聲進行分析。對時域及頻域的處理，可以采用相干性分析、功率譜、動態(tài)譜及頻譜細化等。信號分析較為直觀。但由于目標噪聲往往是多聲源，這種分析模式不足以處理所有的信息。此外，由于各噪聲之間存在著相互影響，即使對每個聲源得到了極為準確的數據信息，也需要再進行綜合分析。因此，此方法只適用于優(yōu)化階段對單一目標的測控。

1.2.3能量分析法及向量場法

聲強是向量，也可以通過能量場來分析。國內外聲強測量技術都已得到廣泛應用。雖然現階段受到測量儀器的限制，但今后必定會成為水動力噪聲分析的重要方法。

2. 降噪技術

水聽器工作是為了探測目標艦體的水下噪聲，卻經常被自身艦體的噪聲，尤其是導流罩自噪聲所干擾。所以既要分清自身噪聲的特性而不與目標噪聲混淆，又要對自身導流罩噪聲進行調控。

2.1導流罩線形優(yōu)化降噪

從導流罩的研制過程來看，人們正是利用了仿生學的線形設計而制造出了導流罩，其自身線形的設計直接影響了最終性能。

線形優(yōu)化建立在對噪聲的數值分析上。盡管采用的方法不同，但最終都是要建立起噪聲大小與各線形參數間的目標函數，明確各參數對最終噪聲的影響。盡管噪聲無法消除，但可以找到具體的參數值，使其輻射最小化。因此，依靠數學建模的方式將實際的問題轉化，需要每一步都做得仿真，才能保證結果的精確。

2.2高分子涂層降噪

同線形設計一樣，高分子涂層降噪技術也是利用仿生學的原理而提出。具體的方法是尋找到合適的水溶性線型高分子材料進行涂層，降低噪聲的原始產生。 因為水溶性線型分子能夠抑制各質點間初始作用力，尤其是剪切應力。最終能夠在湍流層中有效降低各質點的平均速率，通過使其動能下降來降低噪聲。

隨著高分子材料科學的興起，其前景極為廣闊。但現有的研究依然處于較為粗糙的層次上。此外，實驗環(huán)境的數據往往與艦艇行進過程中的具體參數很難保持一致，降噪效果存在偏差。

2.3消聲瓦材料降噪

聲波擁有波的最基本特，因此可以采用吸收噪聲產生聲波的方式來降低噪聲，這同隱形飛機吸收電波而不使其反射出去類似?？梢圆捎锰囟ǖ牟牧蠈a生噪聲聲波的部位甚至是整個艦體包裹起來。因此，消聲瓦材料的研究成為了降噪技術的另一個熱點。上世紀70年代后，歐美與我國都先后開始了消聲瓦技術的研究工作，在理論估算的基礎上，經過測試，制造出了多種能夠消聲瓦的材料，其具體設計的結構也得到不斷的優(yōu)化，具體的裝配覆蓋工藝也日趨完善。

但是，由于艦體產生的噪聲頻率差異較大，甚至超過多個數量級。這個現實給研制材料的工作帶來了極大不便：要想使用單種材料，則該材料吸聲頻率范圍要與噪聲的差異相對應，很難實現；使用多種材料，則可能存在重復覆蓋，其厚度超標又影響到其它功能的實現。

2.4自適應噪聲相抵降噪

聲吶導流罩內的噪聲，是多聲源相疊加形成的。噪聲的產生無法避免，但根據聲波的基本特性，可以利用其干涉特性減弱噪聲。

對各聲源進行相干性分析后，可估算出各聲源噪聲在艦體不同運行狀態(tài)下的特性。最終可用其它機構的噪聲，通過聲波的干涉作用相互減弱至抵銷，從而達到減弱聲吶導流罩內噪聲的目的。但是，在相同航速條件下的噪聲源，不同的艦體是不一樣的。因此，此方法只適用于艦體完工，聲吶設備裝配完畢之后，人工進行調控。

3.結語

總體來說，水下突體尤其是聲吶導流罩內部噪聲產生的機制極為復雜。相比在空氣中的聲場，水中的耦合作用更強，且受到流體湍流機制及機構參數的影響較大。控制單一變量的研究方法并不精確，只能綜合分析。對降噪工藝來說，除了聲吶導流罩的線形優(yōu)化之外和聲波人工調控之外，都嚴重依賴于材料等學科的發(fā)展，故對水下突體噪聲的水動力分析和導流罩線形的優(yōu)化成為研究的重點。

參考文獻：

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