拖曳線列陣流噪聲抑制結(jié)構(gòu)設(shè)計參考

張偉寧，劉慶文，吳 琳

(大連測控技術(shù)研究所，遼寧 大連 116013)

拖曳線列陣流噪聲抑制結(jié)構(gòu)設(shè)計參考

張偉寧，劉慶文，吳 琳

(大連測控技術(shù)研究所，遼寧 大連 116013)

總結(jié)了拖曳線列陣流噪聲產(chǎn)生的原因以及傳播特點。分別考慮充液線列陣和固體線列陣，較為全面地概括了從包括護(hù)套、材料、結(jié)構(gòu)、水聽器特性、水聽器位置以及一些附加措施等方面抑制拖曳流噪聲的方法。從抑制拖曳流噪聲的角度，為拖曳線列陣的結(jié)構(gòu)設(shè)計與制作提供了實用的參考依據(jù)。

結(jié)構(gòu)設(shè)計；流噪聲；拖曳線列陣；固體線列陣

0 引 言

海軍艦艇和地球物理勘探船經(jīng)常使用拖曳線列陣來探測分析水下目標(biāo)和海底地層構(gòu)造。傳統(tǒng)的拖曳線列陣大多是在護(hù)套內(nèi)充油的液體線列陣，進(jìn)入21世紀(jì)后又出現(xiàn)填充凝膠的線列陣。近年來，固體線列陣作為新興產(chǎn)品，因其環(huán)保與低噪聲等優(yōu)勢，在國際上甚受重視，有逐漸取代傳統(tǒng)充液線列陣的趨勢。無論何種線列陣，只要用于拖曳式測量，就必將受到拖曳流噪聲的影響，拖曳的速度越高，接收信號中的流噪聲成分越強。特別是對艦載拖曳線列陣聲納，隨著拖曳速度的提高，其工作性能將大大下降，直至不可用。

因此，在拖曳線列陣的設(shè)計與制作過程中，應(yīng)充分考慮抑制流噪聲的措施和辦法。本文將對此進(jìn)行概括性闡述。

1 拖曳線列陣流噪聲的特點

關(guān)于拖曳線列陣的流噪聲，國內(nèi)外很多文獻(xiàn)都進(jìn)行了理論上的分析和試驗測試。普遍認(rèn)為，流噪聲來源于拖曳陣表面擴(kuò)展的湍流邊界層(TBL)壓力脈動、渦流激發(fā)的線列陣體振動、拖船導(dǎo)致的拖纜振動和不穩(wěn)定尾流引起的尾纜振動[1]，在水聽器部位形成了小尺度的直接噪聲和大尺度的流致振動引起的間接噪聲。

小尺度的直接噪聲屬于寬帶噪聲，覆蓋全頻帶范圍，其時空相關(guān)性與湍流尺度和關(guān)注頻率有關(guān)。由于湍流邊界層壓力起伏的遷移峰出現(xiàn)在高波數(shù)區(qū)域，因此一般對此類流噪聲，主要關(guān)注其高波數(shù)區(qū)域，對于該區(qū)域，其空間相關(guān)距離很短，具有很強的本地特征，這一點是拖曳線列陣高波數(shù)流噪聲抑制的基礎(chǔ)。

大尺度的流致振動引起的間接噪聲，主要能量集中在低頻區(qū)域，即0～500Hz范圍內(nèi)。其頻率范圍與幅度受到拖曳線列陣包括材料、結(jié)構(gòu)、外形等各方面的影響，以膨脹波(也稱為呼吸波)、彈性波和壓縮波等形式在線列陣內(nèi)傳播直達(dá)水聽器，構(gòu)成低頻流噪聲的主要成分，是嚴(yán)重影響低頻拖曳線列陣工作品質(zhì)的因素。

對于拖纜振動和尾纜振動，一般在拖纜與線列陣之間、尾纜與線列陣之間插入多個振動隔離模塊(VIM)進(jìn)行阻隔和衰減，衰減程度受到模塊內(nèi)部流體、拉力、護(hù)套材料特性等影響[2]。另外，加大線列陣前后的拖纜長度，對振動傳播有一定抑制作用[3]。但這兩種方法并非總是有效，即便有效，渦流激發(fā)的振動仍然存在，其低頻能量仍然足夠影響水聽器信號。

一般認(rèn)為，流噪聲頻譜有圖1所示特征[4]。

圖1 流噪聲頻譜一般性曲線Fig.1 Universal flow noise spectrum

2 充液線列陣設(shè)計中的流噪聲抑制

2.1直接流噪聲抑制

目前我國絕大多數(shù)關(guān)于拖曳流噪聲的研究都是基于充液線列陣進(jìn)行的。綜合來看，對于直接流噪聲的抑制，充液線列陣在結(jié)構(gòu)設(shè)計上應(yīng)考慮以下幾個方面。

(1) 拖曳陣內(nèi)的水聽器在滿足工作穩(wěn)定性、可靠性和高接收靈敏度的前提下，應(yīng)選擇盡可能低的加速度靈敏度值。

(2) 拖曳陣內(nèi)的水聽器形狀應(yīng)選擇細(xì)長型，在能夠滿足靈敏度要求的情況下半徑應(yīng)盡量小，水聽器應(yīng)放置在圓管護(hù)套的中軸線上，盡量減小與中軸線之間的偏離，盡量增大護(hù)套與水聽器之間的距離[5]。

(4) 增大護(hù)套外徑和護(hù)套厚度對流噪聲的抑制有一定作用，護(hù)套在滿足強度要求的條件下應(yīng)采用柔軟的黏彈性材料，材料切變波衰減因子應(yīng)盡量大[7]。

(5)在護(hù)套外側(cè)涂刷低表面能涂層，或者包覆帶有溝槽的薄膜，通過溝槽表面對湍流邊界層的作用,在400Hz以上頻段有很好的降噪效果[8]。

(6) 在護(hù)套壁內(nèi)嵌入徑向?qū)ΨQ的兩個壓力傳感器，這兩個壓力傳感器在時間平均情況下，理論上其相干與相關(guān)性均為0，解算其輸出信號互譜，即可得到一段時間內(nèi)的湍流脈動壓力值，通過計算去除信號中的流噪聲成分[9]。圖2為壓力傳感器安裝示意圖。

圖2 壓力傳感器安裝示意圖Fig.2 Sketch map of pressure sensor setting

(7) 將兩個水聽器沿陣體長度方向布置，形成一個模塊，如圖3所示，兩個水聽器的幾何中心距離L小于流噪聲空間相干長度，一般選擇工藝可實現(xiàn)的最短距離。兩個水聽器A和B輸出的流噪聲之間存在這樣一個關(guān)系，VB=RVA，其中系數(shù)R由下式給出[10]：

R=[-1+exp(-i2πfNL/0.8VK)],

(1)

式中：fN為流噪聲的頻率；VK為拖曳速度，0.8VK為湍流脈動壓力的典型遷移速度。利用這兩個水聽器輸出流噪聲的關(guān)系，為兩個水聽器分別適配相應(yīng)的幅值和相移電路，即可將水聽器的高波數(shù)直接流噪聲完全消除掉。還可以通過增加模塊內(nèi)的水聽器數(shù)量來增強對流噪聲的抑制效果。

圖3 水聽器模塊安裝示意圖Fig.3 Sketch map of hydrophone module setting

2.2流致低頻振動抑制

對于充液拖曳線列陣，因其長管護(hù)套、填充液體與拉力構(gòu)件等固有特征，其流致振動一般以膨脹波(也稱為呼吸波)和彈性波的形式傳播到水聽器，其傳播速度c為30～40m/s。針對這種特點，綜合分析國內(nèi)外文獻(xiàn)[6,11-16]，一般有以下幾種處理方法。

(1) 根據(jù)波速和頻率分布，在拖曳線列陣護(hù)套內(nèi)部適當(dāng)位置添加海綿或其他阻尼結(jié)構(gòu)件等來降低呼吸波能量的傳輸[11]，增加其能量的衰減，減小由呼吸波產(chǎn)生的壓力起伏，從而減小影響水聽器工作性能的流噪聲。

(2) 水聽器成組化是抑制流致振動的有效手段，例如圖4所示的四個水聽器一組，組成一個模塊形成一個通道輸出，通道長度為LH，則有

f=c/LH.

(2)

此處的頻率f是水聽器成組化后形成的低通濾波器截止頻率，大于該頻率的振動均受到衰減。為增加抑制效果，可增加水聽器數(shù)量[6]。

圖4 水聽器成組示意圖Fig.4 Sketch map of hydrophone grouping

(3) 在靠近端部連接器的位置，由于振動與噪聲較高，不適宜放置水聽器，因此近端部一組水聽器中的單水聽器位置應(yīng)進(jìn)行移動，在不影響聲中心與電路匹配的情況下，應(yīng)遠(yuǎn)離端部連接器，如圖5所示。

圖5 陣體端部水聽器布置示意圖Fig.5 Sketch map of array-end hydrophone location setting

(4) 護(hù)套的選擇應(yīng)滿足泊松比盡量接近0.5[12]，同時增加聚氨酯(PU)彈性模量損耗峰的高度和寬度,合理平衡PU單一體系中軟硬段相界面之間的黏合力,或者采用互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)(IPN)，能獲得高損耗峰和寬損耗溫域。除此之外,還必須能夠耐水解,且具有較低的彈性模量(一般應(yīng)小于2×107Pa)[13]。

(5) 在同等拖曳速度條件下，增加拖曳線列陣的張力能夠大幅度降低小于20Hz范圍內(nèi)的低頻噪聲[14]，增加張力可以通過在拖曳陣尾部續(xù)接無傳感器纜段或者拖曳一個大尺度流兜等辦法來實現(xiàn)。

對此，我們采用一條8元充油拖曳線陣進(jìn)行了湖試。拖曳陣由無動力小艇拖曳，小艇由浮碼頭卷揚機(jī)拖動，在陣尾加流兜和不加流兜的情況下，以10kn的速度進(jìn)行拖曳對比試驗。在該速度下，小艇噪聲可忽略不計，陣元接收到的噪聲為流噪聲。測試對比同一陣元接收的流噪聲數(shù)據(jù)，其中加流兜的陣體張力大約是未加流兜的陣體張力的18倍。圖6是第4個陣元的流噪聲對比圖，從圖中數(shù)據(jù)可以看出，在低于50Hz的頻段，陣體流噪聲隨著張力的增加而大幅度下降，在小于20Hz范圍下降近15dB。

圖6 拖曳速度10 kn陣體流噪聲對比圖Fig.6 Comparison of flow noise spectrum with 10 kn towing

3 固體線列陣設(shè)計中的流噪聲抑制

3.1直接流噪聲抑制

固體線列陣在直接流噪聲抑制方面，與充液線列陣有許多相似的地方，在不影響固體線列陣制作工藝的前提下，充液線列陣在直接流噪聲抑制方面的結(jié)構(gòu)都可以直接應(yīng)用于固體線列陣。除此之外，還應(yīng)注意水聽器不能直接布置于固體填充材料中，而應(yīng)布置在細(xì)長的腔體內(nèi)部，腔內(nèi)填充無聲衰減的液體，腔體兩端連接一個或多個加長的隔膜，用以對流噪聲進(jìn)行湍流平均。

3.2流致低頻振動抑制

固體線列陣與充液線列陣對于低頻振動有著不同的傳播方式。固體線列陣中的振動以速度較高的壓縮波在填充材料中傳播，一般速度在300～1800m/s范圍內(nèi)，材料內(nèi)部的應(yīng)力一般大于10Pa。除此之外，受涌浪等海洋活動影響，固體線列陣中還將出現(xiàn)橫向波，其傳播速度受陣體張力與陣體重量的影響[7]，一般為20～40m/s。針對這樣的特點，固體線列陣的結(jié)構(gòu)制作應(yīng)考慮以下幾個方面。

(1) 為避免受到陣體填充材料的應(yīng)力影響，水聽器不應(yīng)直接埋嵌于填充材料之中，而應(yīng)布置在專門設(shè)計的腔體之中，做應(yīng)變隔離處理，腔體外殼的剛度應(yīng)盡可能大于陣體填充材料的剛度，以最大限度地衰減振動。

(2) 水聽器與腔體之間應(yīng)采用阻尼彈性元件隔離，腔體與張力部件之間應(yīng)有最小的接觸面積。

(3) 水聽器腔體模塊應(yīng)進(jìn)行陣列成組，N個水聽器腔體模塊按照一定的間距分布，作為一個通道輸出，相鄰水聽器的距離由橫向波的傳播速度與關(guān)注頻段決定。這點與充液線列陣類似。

4 結(jié) 語

本文依據(jù)拖曳線列陣流噪聲的成因與特點，分別針對充液線列陣和固體線列陣，從陣體護(hù)套、陣體張力、水聽器選型、水聽器布置、填充材料以及一些附加措施等多個方面給出了抑制流噪聲的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。拖曳線列陣的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)充分考慮流噪聲的抑制，方能保證拖曳線列陣的工作品質(zhì)。

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DesignReferenceofTowedLinearArrayStructureforFlowNoiseSuppression

ZHANG Wei-ning, LIU Qing-wen, WU Lin

(DalianScientificTest&ControlTechnologyInstitute,Dalian,Liaoning116013,China)

The generating mechanism and propagating characteristics of towed linear array flow noise are summarized. For liquid filled and solid filled linear arrays, the influence factors concerning flow noise suppression such as hose, material, array structure, hydrophone characteristic, hydrophone location, and assistant measures, are depicted comprehensively. In the aspect of suppressing flow noise, the applicable reference rule of designing towed linear array structure is provided.

structure design; flow noise; towed linear array; solid linear array

TB565

A

2095-7297(2015)04-0280-04

2015-06-30

國家863計劃(2012AA09A211)

張偉寧(1982—)，男，碩士研究生，主要從事水下傳感器與固體線列陣技術(shù)方面的研究。