魚雷自導噪聲分析及其解決途徑

田豐華， 宋 哲， 張 奎， 王 濤， 周曉波

（中國船舶重工集團公司 第705研究所， 陜西 西安， 710077）

魚雷自導噪聲分析及其解決途徑

田豐華， 宋 哲， 張 奎， 王 濤， 周曉波

（中國船舶重工集團公司 第705研究所， 陜西 西安， 710077）

為提高復雜環(huán)境下低頻寬帶自導系統(tǒng)的整體性能， 針對魚雷自導系統(tǒng)的自噪聲特性， 建立了魚雷自導系統(tǒng)自噪聲技術(shù)體系， 分別對電子裝置電噪聲、聲學裝置磁輻射噪聲、熱噪聲、流噪聲和結(jié)構(gòu)振動噪聲進行了研究。開展了高阻尼基陣殼體和聲學基陣的隔振材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計研究， 分析了流噪聲對自導系統(tǒng)接收性能的影響。最后， 針對魚雷自導系統(tǒng)減振降噪方面存在的問題給出了解決途徑。文中的研究可為低噪聲魚雷自導系統(tǒng)設(shè)計提供參考。

魚雷自導系統(tǒng)； 自噪聲； 隔振材料； 減振降噪

0 引言

魚雷作為唯一能夠在水下開展精確制導和自動尋的的水下武器， 其實施精確打擊主要依靠裝載在自導系統(tǒng)上的特種小型聲吶。通用型魚雷自導系統(tǒng)既能反潛又能反艦， 其工作原理如圖 1所示。

為了提高作戰(zhàn)性能， 適應(yīng)復雜環(huán)境， 現(xiàn)代魚雷多采用低頻寬帶自導系統(tǒng)（如圖2）， 其優(yōu)勢主要有以下幾方面:

1） 主動探測能力強， 自導系統(tǒng)工作頻帶寬，并向低頻段延伸， 提高了自導系統(tǒng)的遠程探測能力， 可以彌補安靜型潛艇由于目標強度降低而造成作用距離的減少；

2） 主被動可同時工作， 寬頻帶自導系統(tǒng)由于工作帶寬大， 可主被動同時工作， 對抗難度大，并可提高自導系統(tǒng)的反對抗能力；

3） 環(huán)境適應(yīng)能力強， 在淺海復雜環(huán)境條件下， 海面、海底反射形成的混響是影響自導性能的重要因素， 寬帶信號可提高魚雷混響背景中的檢測能力。

盡管如此， 魚雷自導系統(tǒng)的發(fā)展受到較多因素的制約， 其中如何解決自導系統(tǒng)噪聲［1］已成為自導系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸。

圖1 通用型收發(fā)共用聲自導系統(tǒng)原理框圖Fig. 1 Principle block diagram of common receive/transmit homing system

圖2 魚雷自導系統(tǒng)示意圖Fig. 2 Schematic of torpedo homing system

為更好地解決各類噪聲對自導系統(tǒng)整體性能的影響， 有關(guān)學者已進行多項研究， 主要涉及結(jié)構(gòu)振動抑制［2-3］、聲學基陣及電子裝置熱噪抑制［4］、電子裝置電噪聲抑制［5-7］、匹配網(wǎng)絡(luò)電磁屏蔽抑制［8］、流噪聲產(chǎn)生機理［9-10］、流噪聲在魚雷自導系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的傳播特性及流噪聲在魚雷自導系統(tǒng)背景噪聲中的貢獻量等領(lǐng)域。通過對各噪聲間相關(guān)性的分析比較， 可知相關(guān)性越強， 信號相似程度越高。試驗研究發(fā)現(xiàn)， 自導系統(tǒng)目標信號強相關(guān)、流噪聲不相關(guān)、振動噪聲部分相關(guān)（具有方向性）、電噪聲視電路耦合關(guān)系由弱到強。文中對魚雷自導系統(tǒng)的電噪聲、磁泄露噪聲、結(jié)構(gòu)振動噪聲、聲學材料、流噪聲及熱噪聲等進行了綜合分析， 并就典型噪聲抑制過程中存在的問題， 結(jié)合多年工程經(jīng)驗，給出了解決途徑。文中的研究可為后續(xù)低噪聲寬帶聲自導系統(tǒng)設(shè)計提供參考。

1 魚雷自導噪聲分析

魚雷自導系統(tǒng)由流噪聲、振動噪聲、電噪聲和熱噪聲等組成。圖3為目前已開展的魚雷自導系統(tǒng)各類噪聲抑制研究， 圖 4為自導低噪聲二次電源設(shè)計。

圖3 自導系統(tǒng)減振降噪框圖Fig. 3 Block diagram of vibration and noise reduction for torpedo homing system

圖4 自導系統(tǒng)低噪聲二次電源設(shè)計Fig. 4 Design block diagram of low-noise secondary power supply for torpedo homing system

同時在熱噪聲抑制方面， 對自導系統(tǒng)的 3大熱源即發(fā)射機、數(shù)字機及匹配網(wǎng)絡(luò)散熱方面也進行了較深入的研究； 在聲學裝置結(jié)構(gòu)減振方面，對聲學裝置減振器、新型減振聲學材料等方面進行了探索， 經(jīng)過多次靜態(tài)試驗和動態(tài)試驗驗證，也已取得初步成效。

1.1 電噪聲

電噪聲是魚雷自導系統(tǒng)自噪聲的主要組成部分， 當魚雷低速航行時， 一般要求自導系統(tǒng)電噪聲折合到輸入端要低于航行噪聲10 dB左右， 才不會對自導系統(tǒng)檢測性能造成影響。

自導系統(tǒng)電噪聲主要由全雷供電系統(tǒng)電噪聲和自導組件電噪聲經(jīng)過一定的傳遞路徑， 耦合到接收信號中， 形成電噪聲干擾。

針對全雷供電系統(tǒng)電噪聲， 需要在電源輸入端增加電磁干擾（electromagnetic interference，EMI）電源濾波器和在系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)計高噪聲抑制比的二次電源等兩方面開展相應(yīng)研究， 以減小電源噪聲對自導系統(tǒng)的干擾； 針對窄帶自導系統(tǒng)，由于接收頻率和發(fā)射頻率存在一定頻移， 需要在發(fā)射端增加限波器來抑制自導系統(tǒng)電噪聲； 針對寬帶自導系統(tǒng)， 主要在系統(tǒng)接收和發(fā)射狀態(tài)下的電路拓撲結(jié)構(gòu)方式上進行研究， 以減小系統(tǒng)電噪聲。上述研究均已通過實驗室驗證， 取得效果較為理想。

1.2 磁泄露噪聲

在魚雷自導系統(tǒng)匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時， 由于自導系統(tǒng)被動方式接收信號的幅度較小， 極易受到匹配網(wǎng)絡(luò)所用磁芯的磁泄露噪聲干擾。在匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時， 采取的措施主要有以下幾個方面。

1） 磁屏蔽: 變壓器在電磁轉(zhuǎn)換過程中，其周圍會產(chǎn)生一定的磁場， 從而影響到其他器件。對此， 在變壓器上設(shè)計了屏蔽盒進行磁屏蔽， 從而被動減少磁泄露以及磁輻射噪聲對其他器件的影響。

2） 用屏蔽板將匹配器與數(shù)字機、模擬信號處理機、發(fā)射機之間進行隔離； 匹配器內(nèi)部走線進行大小信號線分離， 使大信號的發(fā)射導線盡可能遠離接收導線； 發(fā)射線雙絞處理， 接收線采用雙芯屏蔽導線。

3） 變壓器設(shè)計: 變壓器為互感變壓器， 初次級之間無物理連接， 由于不發(fā)射時， 發(fā)射機的輸出短路， 則變壓器電噪聲耦合通道被斷開， 使由發(fā)射機傳來的電噪聲無法通過匹配器傳輸?shù)侥M信號處理機。

1.3 結(jié)構(gòu)振動噪聲

針對魚雷自導系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)振動噪聲抑制，深入研究了減振器、減振墊圈及高阻尼基陣殼體的設(shè)計方案， 以實現(xiàn)聲學換能器及基陣的懸浮，盡可能減少不同介質(zhì)之間的結(jié)構(gòu)振動耦合， 并取得了較好效果。

針對魚雷自導系統(tǒng)減隔振結(jié)構(gòu)設(shè)計， 在理論設(shè)計、材料研究、結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝實現(xiàn)以及試驗等方面形成了一套較為完整的體系， 以適應(yīng)不同項目的應(yīng)用需求； 針對高阻尼基陣殼體設(shè)計，借助聲學分析軟件及相關(guān)理論， 結(jié)合阻尼材料處理工藝、振動測試方法等具體的問題， 對不同阻尼處理條件下的基陣殼體振動進行了測試研究， 其結(jié)果如圖5所示。

圖5 無阻尼處理（左）和自由阻尼處理（右）基陣殼體Fig. 5 Array shell body without damping processing （left） and with free damping processing（right）

同時， 對不同基體厚度及阻尼材料的特性展開研究， 分析了阻尼特性對魚雷基陣殼體振動噪聲的抑制效果， 結(jié)果見圖6和圖7。

圖6 不同基體厚度減振效果曲線圖Fig. 6 Curves of vibration reduction effect with different substrate thickness

圖7 不同阻尼材料阻尼衰減效果曲線圖Fig. 7 Curves of damping attenuation effect with different damping materials

1.4 聲學材料

針對魚雷自導頭段結(jié)構(gòu)復雜、空間狹小， 多種結(jié)構(gòu)相互耦合嚴重的特點， 所用聲學材料對魚雷自導系統(tǒng)自噪聲抑制起到了至關(guān)重要的作用［11-12］。聲學材料主要包括去耦材料（抑制聲學換能器之間的互輻射）、吸聲材料、高阻尼減振材料、承壓材料及支撐材料等（如圖 8所示）， 其中所用的去耦材料主要有蔥皮紙、軟木橡膠、酚醛樹脂板及海綿等， 相關(guān)技術(shù)參數(shù)見表1。

在設(shè)定工作頻率的條件下， 針對一定厚度的去耦材料， 聲學換能器間的插入損失再加上衰減，可估算在18 dB左右； 聲學換能器與殼體間的插入損失可估算在 16 dB左右。當換能器工作時，換能器間直接耦合（不含繞射）的聲能損失約為18 dB， 殼體振動傳到換能器上的能量損失約為16 dB。

承壓材料主要用到新型鋁基碳復合材料、硬質(zhì)鋁等， 不但具有較好的承壓效果， 在振動衰減方面也具有很好的效果； 減振墊圈材料， 主要用到彈簧墊圈及碳纖維復合材料等， 重點關(guān)注承壓材料、殼體材料及減振墊圈三者之間的阻抗失配效果； 聲學基陣支撐材料主要采用聚氨酯泡沫塑料、FX511工程塑料和玻璃纖維等， 重點考慮在外部環(huán)境變化時， 支撐材料的聲學性能的變化情況。另外， 在聲學材料的結(jié)構(gòu)、工藝實現(xiàn)和工程化應(yīng)用等方面也進行了較為深入研究。

圖8 聲學裝置用聲學材料研究框圖Fig. 8 Block diagram for analyzing acoustic materials for acoustic device

表1 去耦材料技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of decoupled materials

1.5 流噪聲

流噪聲作為自導系統(tǒng)背景噪聲的重要組成部分， 它主要與流體線形、雷速和頻率有關(guān)， 隨著雷速的增加， 流噪聲急劇增加， 同時在自導系統(tǒng)背景噪聲中所占的比重也就大大增加； 隨著頻率的降低而升高， 約每倍頻程升高9 dB左右。

目前， 針對自導系統(tǒng)流噪聲的研究和測試還處于起步階段。在理論研究方面， 主要在流噪聲產(chǎn)生機理、湍流區(qū)噪聲特性、流噪聲在魚雷自導系統(tǒng)多層介質(zhì)間的傳播特性等方面進行了初步研究； 在試驗研究方面， 主要在循環(huán)水槽中進行，但由于循環(huán)水槽背景噪聲過高， 始終未獲得有效的流噪聲數(shù)據(jù)。

1.6 熱噪聲

在大功率發(fā)射條件下， 魚雷自導系統(tǒng)熱噪聲源主要包括發(fā)射機熱噪聲和聲學基陣的熱噪聲。其中， 針對發(fā)射機熱噪聲抑制的研究， 主要包括熱噪聲測試、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和散熱3方面； 針對聲學基陣的熱噪聲抑制的研究， 主要從熱噪聲測試、原理分析和散熱等多個方面展開。在沒有評判標準的條件下， 應(yīng)當重點關(guān)注熱噪聲對聲學基陣的聲學性能以及對整個自導系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性的影響等方面。

2 魚雷自導系統(tǒng)減振降噪

2.1 存在的問題

目前， 雖然針對魚雷自導系統(tǒng)的減振降噪研究已取得一定的成果， 但對自導系統(tǒng)的噪聲源識別與評估工作并沒有系統(tǒng)的展開。在自導系統(tǒng)背景噪聲中， 尚不能確定哪個因素起主導作用， 主要存在以下問題。

2.1.1 電噪聲

針對電噪聲的研究主要存在以下問題:

1） 對電源輸入噪聲的抑制能力差， 使用不同的電源系統(tǒng)， 電噪聲量級差別較大；

2） 對空間輻射比較敏感， 易受周圍其他組件電磁輻射的干擾；

3） 產(chǎn)品設(shè)計過程中， 缺少電噪聲的分配指標和設(shè)計手段；

4） 實驗室測試結(jié)果和實航試驗結(jié)果差別較大， 在實驗室測試方法上急需改進。

2.1.2 流噪聲

流噪聲隨著雷速急劇增加， 只要推進器空化噪聲不明顯， 魚雷在高速運動中， 流噪聲在自導系統(tǒng)背景噪聲中所占的比重就會增加， 因此， 需要對流噪聲的測試、分離、模擬等內(nèi)容進行深入研究。由于流體線形對流噪聲的大小起著決定性作用， 需要對流體線形進行深入研究， 以尋找抑制流噪聲的有效途徑。

2.1.3 減振器及結(jié)構(gòu)設(shè)計

減振器的減振效果與使用環(huán)境和頻段有關(guān)，魚雷自導用頻段在逐漸向低頻段移動， 工作深度及殼體強度也在增加， 要實現(xiàn)的功能越來越多，但結(jié)構(gòu)空間不但沒有變大， 反而在減小。原有的減振措施已不能很好的滿足低頻段聲學設(shè)計要求，需要對低頻段魚雷自導系統(tǒng)聲學裝置的減振結(jié)構(gòu)做深入研究。

2.1.4 聲學材料

聲學材料與魚雷的航深、環(huán)境溫度和壓力等條件有關(guān)， 如去耦材料蔥皮紙和軟木橡膠， 當魚雷工作在一定深度范圍時， 去耦效果較好， 超過了該航深范圍， 去耦效果很差； 聚氨酯泡沫塑料（聲學基陣骨架材料）， 當環(huán)境溫度達到 100°以上時， 就會變軟， 無法起到支撐作用， 屈服力和減振效果都會大大降低。在靜壓力超過4 MPa時，聚氨酯泡沫塑料的應(yīng)變就會變大， 其軸向變形量就超過了魚雷聲學基陣所能承受的范圍， 導致聲學基陣后退， 導流罩脫落等。

當環(huán)境條件惡劣時， 聲學材料的性能也會變差， 從而影響自導系統(tǒng)的整體性能及穩(wěn)定性。為了滿足后續(xù)產(chǎn)品需求， 需要在去耦材料、承壓材料和阻尼材料等方面做更為深入的研究。

2.1.5 漏磁

在魚雷自導頭段空間內(nèi)， 匹配網(wǎng)絡(luò)的漏磁對自導系統(tǒng)接收性能的影響越來越明顯， 主要原因在于磁芯的氣隙越大時， 導磁率會越小， 系統(tǒng)就越穩(wěn)定，但漏磁會非常嚴重， 電磁干擾也就越大。雖然在魚雷產(chǎn)品中也做了大量的補救工作， 但效果并不理想，還需對匹配網(wǎng)絡(luò)的電磁噪聲作深入分析。

2.2 解決途徑

針對魚雷自導系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜、空間狹小、介質(zhì)耦合程度高等特點， 要解決魚雷自導系統(tǒng)的噪聲， 需對自導系統(tǒng)的噪聲源識別與評估進行深入研究。

2.2.1 建立完善的自導系統(tǒng)減振降噪技術(shù)體系

要實現(xiàn)魚雷自導系統(tǒng)噪聲控制， 應(yīng)改變當前噪聲性能被動治理模式（各組件同時開展工作），深入開展對自導系統(tǒng)噪聲源識別與評估研究， 建立完整的自導系統(tǒng)減振降噪技術(shù)體系， 形成樹狀結(jié)構(gòu)， 明確各噪聲源在魚雷自導系統(tǒng)背景噪聲中所占的比重， 并首先解決重點問題。所有的自導系統(tǒng)組件噪聲都應(yīng)歸類到自導系統(tǒng)減振降噪樹狀結(jié)構(gòu)中， 了解其產(chǎn)生機理、傳播途徑及大致的治理方向。如自導系統(tǒng)電噪聲， 應(yīng)該深入了解新型低噪聲發(fā)射機技術(shù)、預(yù)處理技術(shù)、新型收發(fā)隔離技術(shù)及電磁屏蔽技術(shù)， 降低自導系統(tǒng)模擬電路噪聲， 從而提高自導系統(tǒng)對電源干擾和空間輻射干擾的抑制能力。

2.2.2 完善試驗手段

在開展魚雷自導系統(tǒng)減振降噪工作的同時，對產(chǎn)品研制具有重要影響的關(guān)鍵技術(shù)所需的試驗手段也應(yīng)同步推進， 將有利于技術(shù)研究與產(chǎn)品研制的有機結(jié)合， 對魚雷的研制及關(guān)鍵問題突破具有至關(guān)重要的作用。

1） 流噪聲測試

目前， 針對魚雷自導頭段流噪聲的試驗研究還停留在循環(huán)水槽中進行， 還不能完全模擬魚雷實航狀態(tài)下的流噪聲。如果采用魚雷上浮試驗以及魚雷實航狀態(tài)下通過布置測流噪PVDF薄膜線列陣等手段來進行試驗驗證， 將對分析研究魚雷自導系統(tǒng)的背景噪聲具有重要意義， 可為自導系統(tǒng)噪聲治理奠定基礎(chǔ)。

2） 殼體振動噪聲測試

殼體是魚雷自導系統(tǒng)振動噪聲重要的傳播路徑， 自導系統(tǒng)噪聲也是通過殼體輻射出去的。由于魚雷自導系統(tǒng)殼體振動比較復雜， 與自導系統(tǒng)的邊界條件、重量、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和測點有很大關(guān)系， 就需要對殼體振動噪聲測試手段進行研究，從而為魚雷自導系統(tǒng)殼體振動噪聲抑制提供依據(jù)，這對開展阻尼殼體、減振結(jié)構(gòu)設(shè)計等新技術(shù)的研究具有重要意義。

3） 電噪聲測試

依據(jù)自導系統(tǒng)電噪聲特征， 陸上試驗就可實現(xiàn)對各組件電噪聲的深入分析。因此， 急需完善陸上自導系統(tǒng)電噪聲測試手段， 加大實驗室建設(shè)，深入研究自導系統(tǒng)電噪聲測量方法、電干擾注入方法等試驗方法研究， 提高實驗室測試的有效性。為自導系統(tǒng)電噪聲抑制奠定堅實基礎(chǔ)。

3 結(jié)束語

文中通過對魚雷自導系統(tǒng)各組件噪聲所產(chǎn)生機理的深入分析， 在魚雷自導系統(tǒng)減振結(jié)構(gòu)設(shè)計、電磁噪聲控制、自導頭段導流罩設(shè)計、熱噪干擾抑制以及聲學材料應(yīng)用等方面， 已取得技術(shù)突破， 完成了自導系統(tǒng)噪聲源識別與評估， 建立了自導系統(tǒng)減振降噪樹狀體系。

目前， 針對魚雷自導噪聲的研究還處于單組件級，未從噪聲分配體系、理論分析、試驗驗證、以及評價考核標準等形成系統(tǒng)的自導噪聲研究，因此， 急需開展以下自導噪聲的系統(tǒng)研究。

1） 聲學裝置的低噪聲設(shè)計與評價。在魚雷產(chǎn)品設(shè)計之初即可根據(jù)任務(wù)要求對整個聲學裝置進行綜合優(yōu)化控制， 對聲學減振器、聲學換能器、匹配網(wǎng)絡(luò)等各組件的聲學結(jié)構(gòu)進行設(shè)計和評判，對聲學材料的應(yīng)用進行評估， 從而大大縮短產(chǎn)品的研制周期， 降低研制成本。

2） 自導系統(tǒng)電噪聲測試、分析與評判。以魚雷產(chǎn)品為研究背景， 測試多種產(chǎn)品自導系統(tǒng)電噪聲，明確各主要噪聲源的信號特征和所占比重， 能夠?qū)ψ詫щ娫肼曔M行評判， 理清魚雷自導系統(tǒng)自噪聲的控制重點， 為后續(xù)產(chǎn)品自導系統(tǒng)電噪聲治理指明方向， 并逐步提高自導系統(tǒng)的整體性能。

3） 分析自導系統(tǒng)流體線形對自導系統(tǒng)背景噪聲貢獻量。通過深入研究自導頭段流噪聲產(chǎn)生機理，可以掌握水下流體壓力脈動噪聲的計算及預(yù)報方法， 打破自導系統(tǒng)噪聲綜合治理的被動局面， 為不同類型的魚雷自導頭段流體線形提供參考。

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（責任編輯: 楊力軍）

Noise Analysis on Torpedo Homing System with Countermeasures
TIAN Feng-hua， SONG Zhe， ZHANG Kui， WANG Tao， ZHOU Xiao-bo

（The 705 Research Institute， China Shipbuilding Industry Corporation， Xi′an 710077， china）

To improve the overall performance of low-frequency broadband homing system in complex environment， a self-noise technology system of torpedo homing system is established considering the self-noise characteristic of torpedo homing system. The electronic equipment noise， acoustic device magnetic radiation noise， thermal noise， flow noise and structure vibration noise are investigated. The vibration isolation materials and structure designs of high-damping array shell and acoustic array are studied. The influence of flow noise on homing reception performance of torpedo homing system is analyzed. In addition， countermeasures against the vibration and noise reduction of torpedo homing system are offered. This research may provide a reference for design of torpedo homing system with low noise level.

torpedo homing system； self-noise； vibration isolation material； vibration and noise reduction

TJ630.34； TB535

A

1673-1948（2016）04-0260-07

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.04.004

2016-04-21；

2016-05-19.

田豐華（1981-）， 男， 碩士， 高級工程師， 研究方向為魚雷自導、水聲信號及信息處理技術(shù).