魚(yú)雷聲學(xué)基陣隔振降噪技術(shù)研究

徐楓

摘 要：魚(yú)雷隔振降噪性能直接影響到魚(yú)雷命中率。本文分析了魚(yú)雷噪聲的主要來(lái)源，闡述了隔振降噪結(jié)構(gòu)原理、隔振系統(tǒng)固有頻率、傳振系數(shù)、隔振系統(tǒng)剛度、隔振系統(tǒng)阻尼層等參數(shù)的計(jì)算原則，通過(guò)搭建專(zhuān)用測(cè)試設(shè)備對(duì)三種不同結(jié)構(gòu)形式的隔振降噪結(jié)構(gòu)進(jìn)行激勵(lì)與響應(yīng)頻率的收集，利用Matlab數(shù)據(jù)分析軟件，仿真計(jì)算了隔振效果，為后續(xù)隔振降噪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：基陣；隔振；降噪；技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TJ630 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）14-0031-02

1 魚(yú)雷隔振降噪技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

魚(yú)雷輻射噪聲水平直接影響命中率。資料顯示，噪聲水平每升高5dB，命中率就降低25%；反之，噪聲水平降低5dB，命中率就將增加25%，隔振降噪技術(shù)成為影響?hù)~(yú)雷發(fā)展的重要原因之一。

美軍現(xiàn)役的MK48魚(yú)雷在隔振降噪方面采取了很多措施：采用低噪聲聲納基陣設(shè)計(jì)；將動(dòng)力裝置安裝在隔振座上，減小振動(dòng)向殼體傳遞；動(dòng)力裝置與螺旋槳之間采用彈性軸連接，減小振動(dòng)耦合；在殼體內(nèi)表面敷設(shè)阻尼材料，降低殼體聲輻射效率；采用泵噴推進(jìn)技術(shù)，降低螺旋槳噪聲。俄羅斯擁有系統(tǒng)的魚(yú)雷聲學(xué)設(shè)計(jì)指南、水下噪聲計(jì)算方法和魚(yú)雷隱身設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在魚(yú)雷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、隔振裝置設(shè)計(jì)和材料運(yùn)用等方面有著獨(dú)特的風(fēng)格，如采用薄殼加肋結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)噪聲避開(kāi)殼體共振頻率等。國(guó)內(nèi)魚(yú)雷隔振降噪技術(shù)研究起步較晚，在低噪聲設(shè)計(jì)技術(shù)基礎(chǔ)上，利用軟件對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真，利用水池試驗(yàn)和實(shí)航試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)效果是主要的技術(shù)途徑。

2 魚(yú)雷噪聲源

魚(yú)雷的噪聲源主要包括流體動(dòng)力噪聲、推進(jìn)噪聲和機(jī)械噪聲。在不同的測(cè)量頻段和航行條件下，三種噪聲源的貢獻(xiàn)會(huì)有相應(yīng)的變化。魚(yú)雷在淺水航行時(shí)，由于推進(jìn)器葉片的空化，推進(jìn)噪聲是魚(yú)雷的主要噪聲源；隨著魚(yú)雷下潛深度增加，動(dòng)力機(jī)械噪聲將成為主要噪聲源；流體動(dòng)力噪聲隨著魚(yú)雷航速的增加而迅速上升，并且雷頭在蛇形航行時(shí)，對(duì)聲換能器有著較大影響，此時(shí)流體動(dòng)力噪聲對(duì)魚(yú)雷聲學(xué)性能的影響最大。魚(yú)雷自導(dǎo)裝置聲學(xué)基陣通常布局在魚(yú)雷頭段，離主要振動(dòng)噪聲源魚(yú)雷動(dòng)力裝置較遠(yuǎn)，但魚(yú)雷整體外形結(jié)構(gòu)較小，動(dòng)力裝置產(chǎn)生的能量，足以產(chǎn)生很大的振動(dòng)，振動(dòng)通過(guò)殼體傳向聲學(xué)基陣，降低魚(yú)雷聲學(xué)性能。因此，需要設(shè)計(jì)隔振降噪結(jié)構(gòu)，將聲學(xué)裝置與魚(yú)雷殼體隔離。

3 隔振降噪原理功能

聲學(xué)結(jié)構(gòu)隔振降噪的基本原理是在魚(yú)雷殼體和換能器安裝骨架之間增加隔振結(jié)構(gòu)，依靠高阻尼彈性材料，形成柔性連接，利用阻尼材料的彈性變形，起到緩沖和消能作用，減小振動(dòng)源對(duì)聲學(xué)裝置的振動(dòng)能量傳遞。隔振系統(tǒng)一般具有6種獨(dú)立的振動(dòng)形式，即通常所說(shuō)的垂向、橫向、軸向、縱搖、橫搖與平搖等振型。由于各個(gè)方向上的剛度不盡相同，勢(shì)必造成固有頻率的分散性，給結(jié)構(gòu)聲學(xué)設(shè)計(jì)帶來(lái)復(fù)雜因素。因此，在魚(yú)雷殼體與聲學(xué)基陣之間采用硫化橡膠的工藝，確保內(nèi)外結(jié)構(gòu)一致，盡可能的避免上述情況的發(fā)生。

4 隔振降噪方案設(shè)計(jì)

（1）隔振類(lèi)型?？紤]到魚(yú)雷隔振指標(biāo)要求較高，且單級(jí)系統(tǒng)通常隔振效率在20dB以下，因此魚(yú)雷聲學(xué)基陣通常選用兩級(jí)隔振方式。根據(jù)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，預(yù)先給定兩級(jí)隔振系統(tǒng)的質(zhì)量比，反求最優(yōu)阻尼比和最優(yōu)的兩級(jí)固有頻率比，最終通過(guò)二維參數(shù)優(yōu)化得出最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

（2）結(jié)構(gòu)組成。聲學(xué)結(jié)構(gòu)的隔振降噪裝置本質(zhì)上是一種懸浮結(jié)構(gòu)。根據(jù)兩級(jí)隔振力學(xué)模型，隔振結(jié)構(gòu)總體應(yīng)為對(duì)稱(chēng)分布，具體有外層、中層、內(nèi)層，其通過(guò)高阻尼硫化橡膠進(jìn)行連接，外層與魚(yú)雷殼體通過(guò)螺釘、銷(xiāo)釘進(jìn)行剛性連接，內(nèi)層與聲學(xué)基陣剛性連接，第一層阻尼層為軸向阻尼，第二層為徑向阻尼，根據(jù)隔振理論，此時(shí)完全解耦，各自由度計(jì)算分析時(shí)可獨(dú)立考慮。

（3）隔振體系固有頻率和傳振系數(shù)確定。根據(jù)減振理論及現(xiàn)有產(chǎn)品隔振結(jié)構(gòu)形式的技術(shù)要求，選取，為激振源頻率；橡膠為阻尼材料，阻尼比；則固有頻率和傳振系數(shù)可簡(jiǎn)化計(jì)算為：

（4）剛度的確定。魚(yú)雷產(chǎn)品隔振結(jié)構(gòu)，應(yīng)具有較好的綜合機(jī)械性能，首先應(yīng)滿(mǎn)足不易生銹，其次最好有較大的密度，再次最好不易磁化以減少對(duì)電子裝置的影響，加之考慮質(zhì)量限制和加工性能，最終選用鋁合金，牌號(hào)2A12。

（5）橡膠阻尼層的確定。在工況受到嚴(yán)格控制的環(huán)境中，天然橡膠是優(yōu)質(zhì)的隔振材料，其阻尼性能比金屬隔振器約大10倍，合成橡膠對(duì)工況惡劣的環(huán)境效果更佳，加之考慮使用壽命和硬度，最終選取使用橡膠類(lèi)粘性高聚物材料。

5 分析對(duì)比

通過(guò)搭建專(zhuān)用測(cè)試設(shè)備，按1/3倍頻程進(jìn)行測(cè)試，將加速度計(jì)傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡收集至計(jì)算機(jī)，結(jié)合Matlab數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行編程，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真、回放分析計(jì)算。

Matlab程序計(jì)算公式：插入損耗（dB）=

減振器一：總體結(jié)構(gòu)采用兩級(jí)減振，減振墊由內(nèi)外兩層鋁合金圓柱通過(guò)橡膠硫化而成，形成第一隔振層；減振器由外圈、內(nèi)圈通過(guò)大螺紋、硫化橡膠而成，形成第二隔振層，兩者通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)件安裝連接。從殼體傳入的振動(dòng)能量需經(jīng)過(guò)兩層隔振才能傳遞至聲學(xué)裝置安裝平臺(tái)。結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。

減振器二：總結(jié)結(jié)構(gòu)單級(jí)隔振減振器由外圈、內(nèi)圈通過(guò)大螺紋、硫化橡膠而成。結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示。

減振器三：總體結(jié)構(gòu)采用兩級(jí)減振，軸向、徑向分別采用橡膠硫化進(jìn)行裝配。結(jié)構(gòu)示意圖，如圖3所示。

（1）測(cè)試設(shè)備。試驗(yàn)設(shè)備主要包括數(shù)據(jù)采集記錄儀、8路加速度傳感器、大功率激振器、標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源、標(biāo)準(zhǔn)功率放大器、計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)回放處理軟件等。

（2）測(cè)試方法。采用懸吊法進(jìn)行測(cè)試，將測(cè)試產(chǎn)品通過(guò)彈力橡膠繩吊掛在支撐架下方，將傳感器、激振器與被測(cè)產(chǎn)品連接，若測(cè)試軸向，則傳感器、激振器均沿測(cè)試產(chǎn)品軸向布放；若測(cè)試徑向，則傳感器、激振器均沿測(cè)試產(chǎn)品徑向布放。開(kāi)啟功率放大器、信號(hào)源，在所需測(cè)試頻帶內(nèi)，按照1/3倍頻程設(shè)定信號(hào)源的頻率測(cè)試點(diǎn)，將功率放大器調(diào)節(jié)至放大倍數(shù)，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后進(jìn)行記錄，每次記錄時(shí)間不小于15s。

（3）測(cè)試結(jié)論。利用Matlab數(shù)據(jù)分析軟件，對(duì)三種減振器測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析，得到三種減振器在四個(gè)頻段內(nèi)的減振量如表1所示。

可以得出以下幾點(diǎn)：

（1）兩層隔振系統(tǒng)隔振降噪性能優(yōu)于單層隔振系統(tǒng)；（2）兩層隔振系統(tǒng)，應(yīng)分別對(duì)軸向、徑向進(jìn)行振動(dòng)隔離；（3）軸向、徑向隔振阻尼層厚度、面積與隔振效果成比例。

6 結(jié)語(yǔ)

魚(yú)雷隔振降噪是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，提升魚(yú)雷整體隔振降噪效果，有利于增大魚(yú)雷聲自導(dǎo)系統(tǒng)的作用距離， 又可以降低被發(fā)現(xiàn)的概率。本文針對(duì)魚(yú)雷隔振降噪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分析和討論，合理有效的對(duì)三種隔振降噪結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證分析，總結(jié)出隔振降噪結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方向，為后續(xù)隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

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