淺析聲吶橡膠透聲窗導(dǎo)流罩材料的選用

鄭華

摘 ? ?要：本文通過(guò)分析國(guó)外橡膠透聲罩結(jié)構(gòu)及應(yīng)用特點(diǎn)，根據(jù)透聲窗采用橡膠材料的優(yōu)點(diǎn)，說(shuō)明主動(dòng)聲吶采用橡膠透聲窗導(dǎo)流罩是提高聲吶探潛能力的重要措施，具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：聲吶;導(dǎo)流罩;橡膠透聲窗

中圖分類號(hào)：TB564 ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： By analyzing the structure and application characteristics of the rubber sonar dome in foreign countries， this paper explains the advantages of the rubber material used in the acoustic window， and shows that the adoption of the rubber acoustic window fairing in the active sonar of the naval ship is an important measure to improve the detection ability of the sonar.

Key words： Sonar; Fairing; Rubber acoustic window

1 ? ? 前言

自本世紀(jì)初以來(lái)，我海軍在較短時(shí)間內(nèi)形成了一支具有更高技術(shù)水平和戰(zhàn)斗能力的海軍力量，為下一階段履行更艱巨、更復(fù)雜的使命任務(wù)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。但是主動(dòng)聲吶探潛距離偏近，探潛能力還沒(méi)有得到實(shí)質(zhì)性提高，在反潛作戰(zhàn)特別是探潛方面還存在較為明顯的不足，已引起各級(jí)部門的高度重視。

透聲窗是一種用于保護(hù)水下?lián)Q能器及水聽(tīng)器的重要部件，通常設(shè)計(jì)成流線型的結(jié)構(gòu)以降低流體噪聲[1]對(duì)系統(tǒng)的影響，它能夠保護(hù)聲吶基陣不受外來(lái)流體的影響，改善船體首部的流體運(yùn)動(dòng)特性。設(shè)計(jì)透聲窗時(shí)除了要考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、線型和耐用性外，最關(guān)鍵的因素是聲學(xué)特性，尤其是高頻條件下的透聲特性，這是影響高頻聲學(xué)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。

透聲窗的聲學(xué)特性[2]主要表現(xiàn)為插入損失，現(xiàn)在諸多學(xué)者對(duì)于透聲材料的插入損失進(jìn)行了深入的研究[3]。在低頻條件下，由于波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于透聲材料的厚度，所以傳播損失較小;然而在高頻條件下，傳播損失不可忽略。研究高頻條件下如何選取透聲窗材料及厚度，使得透聲窗具有最佳透聲特性是一個(gè)重要的問(wèn)題。

探測(cè)潛艇和水面船體最常用的方法，是通過(guò)檢測(cè)其在運(yùn)動(dòng)區(qū)域產(chǎn)生的噪聲，稱之為被動(dòng)聲吶;或其經(jīng)過(guò)外殼反射后的聲波脈沖，稱之為主動(dòng)聲吶。被動(dòng)聲吶和主動(dòng)聲吶好比潛艇的耳目，用來(lái)搜索其它潛艇和水面船只。

提高主動(dòng)聲吶探潛能力是一個(gè)十分復(fù)雜的系統(tǒng)工程，受多方面因素制約：從技術(shù)層面上分析，降低聲吶導(dǎo)流罩透聲損失是提高聲吶探測(cè)距離的有效方法。聲吶導(dǎo)流罩是保護(hù)聲吶、降低流阻的重要裝備，但自從主動(dòng)聲吶問(wèn)世以來(lái)，長(zhǎng)期難以解決的問(wèn)題是導(dǎo)流罩的強(qiáng)度和透聲性難以兼容。目前對(duì)聲吶導(dǎo)流罩橡膠透聲窗材料的研究工作在國(guó)內(nèi)尚未很好開(kāi)展，該研究具有創(chuàng)新性和緊迫性，深入開(kāi)展該項(xiàng)研究工作是十分必要的。

本文從橡膠透聲罩的結(jié)構(gòu)、安裝、應(yīng)用特點(diǎn)、聲吶導(dǎo)流罩線型選取四個(gè)方面概述透聲窗采用橡膠材料的優(yōu)點(diǎn)，說(shuō)明了主動(dòng)聲吶采用橡膠透聲窗導(dǎo)流罩是提高聲吶探潛能力的重要舉措。

2 ? ? 國(guó)外聲吶橡膠透聲罩結(jié)構(gòu)及應(yīng)用特點(diǎn)分析

在實(shí)際應(yīng)用中，可以用作透聲材料的品種很多：橡膠、塑料、木材、陶瓷和粘滯液體等。其中，使用橡膠作為透聲材料有著許多優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外水聲工作者多年來(lái)對(duì)它做了大量的研究工作。包括天然橡膠（NR）、氯丁橡膠（CR）、丁基橡膠（HR）和聚氨酯橡膠（PU）等諸多種類的橡膠材質(zhì)，通過(guò)合理的配方設(shè)計(jì)能夠?qū)⑵渲瞥尚阅芰己玫耐嘎暡牧希瓿赏干渎暡ǖ墓δ?，與此同時(shí)，橡膠還兼具有密封防水的性能。

早期的聲吶透聲罩一般采用不銹鋼材料，此后普遍改用玻璃鋼材料，它具有易于成型、價(jià)格便宜、維修方便、透聲性好等優(yōu)點(diǎn)。雖然玻璃鋼比不銹鋼的阻尼因子約大一個(gè)數(shù)量級(jí)，但它仍是一種受激振動(dòng)響應(yīng)較大的材料，在表面湍流脈動(dòng)激勵(lì)下會(huì)產(chǎn)生較大的自噪聲。

由于橡膠的聲阻抗和海水接近，滿足聲學(xué)性能要求，且橡膠具有良好的密封、防水等性能，適合用作透聲材料[4]。如表1所列，在適合作為聲吶導(dǎo)流罩的不銹鋼、玻璃鋼、鈦合金和增強(qiáng)橡膠四類透聲材料中，橡膠材料的透聲性最好，玻璃鋼次之、鈦合金較次、不銹鋼最差。

由表1可知：由于橡膠材料可人為做到與海水特性阻抗十分接近，聲波幾乎可以無(wú)損耗地全部透過(guò)，所以本項(xiàng)目以橡膠材料為對(duì)象開(kāi)展其透聲及力學(xué)等性能研究。

最早的橡膠類透聲材料是1927年美國(guó)古德異奇橡膠公司研制的牌號(hào)為RHO-C的水聲透水橡膠。該材料采用天然橡膠為基材，利用適當(dāng)尺寸的玻璃空心微珠以特定填充密度與橡膠混合，形成一種新型復(fù)合材料。這種復(fù)合材料的密度和聲阻抗與海水相近，而且具有很高的硬度，滿足了大型深水自導(dǎo)魚(yú)雷換能器和大型潛艇聲吶導(dǎo)流系統(tǒng)發(fā)展的需要[9]，隨后被美國(guó)海軍所采用。

美國(guó)球鼻首聲吶導(dǎo)流罩的發(fā)展，經(jīng)歷了不銹鋼、玻璃鋼和橡膠透聲窗導(dǎo)流罩三個(gè)階段。盡管橡膠的透聲性好，但因其強(qiáng)度低并不能解決強(qiáng)度和透聲性相兼容的問(wèn)題。上個(gè)世紀(jì)六十年代末，美國(guó)巧妙地將金屬導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度與橡膠材料的高透聲性相結(jié)合，研制出強(qiáng)度與透聲性俱佳的橡膠透聲窗導(dǎo)流罩，并應(yīng)用到其后來(lái)建造的所有驅(qū)逐艦上，保證了主動(dòng)聲吶探測(cè)能力的正常發(fā)揮，見(jiàn)圖1。

通過(guò)探潛試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，橡膠透聲窗的優(yōu)勢(shì)得到了充分體現(xiàn)：

（1）裝有橡膠透聲窗的DE-1052船，匯聚區(qū)探測(cè)寬度比安裝不銹鋼透聲窗的DE-1087船大4倍;

（2）DE-1052船的聲吶發(fā)射聲脈沖與回聲之比達(dá)到80%，而DE-1087船不到50%。自1972年以后，美國(guó)海軍先后研制的“斯普魯恩斯”級(jí)驅(qū)逐艦、“提康德羅加”級(jí)巡洋艦、“佩斯”級(jí)護(hù)衛(wèi)艦、“阿利·伯克”級(jí)驅(qū)逐艦全部采用了橡膠透聲窗，使低頻大孔徑聲吶的性能得到充分發(fā)揮，美國(guó)海軍主動(dòng)聲吶的探潛能力一直處在世界最強(qiáng)的地位。

美國(guó)現(xiàn)役巡洋艦、驅(qū)逐艦采用的聲吶導(dǎo)流罩優(yōu)良外形、橡膠透聲窗和聲吶平臺(tái)自噪聲控制這三種措施均集中在球鼻首聲吶部位，對(duì)聲吶探測(cè)距離最為直接和有效。在上述三種降低聲吶平臺(tái)自噪聲的措施中，聲吶導(dǎo)流罩采用橡膠透聲窗是最重要的技術(shù)，首先橡膠透聲窗的透聲損失很小，可直接提高聲吶的探測(cè)距離;其次，橡膠透聲窗無(wú)內(nèi)部肋骨，可有效減少和抑制近場(chǎng)聲干擾，提高聲吶的目標(biāo)識(shí)別能力;另外，橡膠透聲窗為彈性材料，可有效抑制透聲窗的受激聲輻射。

3 ? ?聲吶導(dǎo)流罩線型選取及橡膠透聲窗安裝

現(xiàn)代護(hù)衛(wèi)艦在船體舷底部一般會(huì)裝配有聲吶基陣，并使用導(dǎo)流罩對(duì)聲吶基陣加以保護(hù)。為了提高聲吶的信噪比，并以此提高艇舷聲吶基陣的探測(cè)能力，對(duì)聲吶導(dǎo)流罩的要求包括：

（1）制作材質(zhì)應(yīng)具有良好聲透性;

（2）外形設(shè)計(jì)應(yīng)具有良好聲學(xué)特性線型。

聲吶導(dǎo)流罩一般設(shè)計(jì)為球鼻首型，并突出于船體。在航行時(shí)，這種突出船體的設(shè)計(jì)附近會(huì)形成噪聲輻射，這種直接作用于聲吶導(dǎo)流罩的噪聲即為流噪聲。流噪聲雖然只占總輻射噪聲的很小一部分，但它會(huì)增加艇舷聲吶基陣所收到的背景噪聲，嚴(yán)重影響聲吶的信噪比。實(shí)驗(yàn)表明：在一定的航速下，聲吶導(dǎo)流罩附近所產(chǎn)生的流噪聲的大小完全取決于導(dǎo)流罩的尺度與線型;同時(shí)，通過(guò)改進(jìn)優(yōu)化導(dǎo)流罩的尺度與線型，也能對(duì)減小流體阻力有著直接的影響。

橡膠透聲窗主要用于提高聲吶的探測(cè)距離。本文將聲吶導(dǎo)流罩作為原型，通過(guò)理論與船模試驗(yàn)研究，對(duì)聲吶導(dǎo)流罩尺寸及線型進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，使之能夠在流體阻力、流噪聲保持不變情況下，大幅度增大聲吶導(dǎo)流罩的外形尺寸，為未來(lái)安裝低頻大孔徑聲吶基陣創(chuàng)造必要條件;并考慮用橡膠透聲窗取代原型導(dǎo)流罩的鈦合金透聲窗，借助改進(jìn)型聲納導(dǎo)流罩線型優(yōu)化研究結(jié)果，基于數(shù)值仿真計(jì)算理論與CFD技術(shù)，對(duì)原型導(dǎo)流罩與改進(jìn)型導(dǎo)流罩的外形尺寸進(jìn)行分析，并根據(jù)聲納基陣的大致尺寸在聲納導(dǎo)流罩上嵌入橡膠透聲窗，對(duì)改進(jìn)型聲納導(dǎo)流罩橡膠透聲窗的力學(xué)性能進(jìn)行仿真計(jì)算，以指導(dǎo)各種橡膠透聲窗材料樣品及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，在原有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上提高聲吶的探測(cè)距離，減少和抑制近場(chǎng)聲干擾，提高聲吶的目標(biāo)識(shí)別能力，抑制透聲窗的受激聲輻射。

本文借助改進(jìn)型聲吶導(dǎo)流罩線型優(yōu)化設(shè)計(jì)研究結(jié)果，并根據(jù)聲吶基陣的大致尺寸在聲吶導(dǎo)流罩上嵌入橡膠透聲窗，對(duì)改進(jìn)型聲吶導(dǎo)流罩橡膠透聲窗的力學(xué)性能進(jìn)行仿真計(jì)算，以指導(dǎo)、評(píng)價(jià)和確定本研究中各種橡膠透聲窗材料樣品及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

圖3、圖4為原型聲納導(dǎo)流罩與線型優(yōu)化后的導(dǎo)流罩的線型圖;圖5、圖6為原型與線型優(yōu)化后的聲納導(dǎo)流罩船模。由圖3、圖4可見(jiàn)：經(jīng)線型優(yōu)化后的聲吶導(dǎo)流罩的寬度與高度較原型有了明顯的增大，為安裝大孔徑低頻聲吶基陣創(chuàng)造了必要條件。

圖7為橡膠透聲窗在聲吶導(dǎo)流罩上的安裝區(qū)域及尺寸，主要考慮了低頻大孔徑聲吶基陣（初步考慮基陣直徑3 m）的尺寸及基陣的探測(cè)扇面角（初步考慮探測(cè)扇面從首向的0°向左右各150°，后部的±30°作為聲吶探測(cè)盲區(qū)）。橡膠透聲窗的平面尺寸大致為單邊長(zhǎng)7 m、高度1.8 m。

4 ? ?結(jié)語(yǔ)

綜上所述，橡膠透聲窗具有最低的透聲損失，并且透聲窗結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面光順、無(wú)肋骨，對(duì)消除近場(chǎng)雜亂聲反射和提高聲吶探測(cè)能力十分有利，具有提高聲吶的探測(cè)距離、減少和抑制近場(chǎng)聲干擾、提高聲吶的目標(biāo)識(shí)別能力和抑制透聲窗的受激聲輻射等優(yōu)點(diǎn);主動(dòng)聲吶采用橡膠透聲窗，通過(guò)對(duì)聲吶導(dǎo)流罩尺寸及線型進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)，大幅度增大聲吶導(dǎo)流罩的外形尺寸，為未來(lái)安裝低頻大孔徑聲吶基陣創(chuàng)造必要條件，是提高聲吶探潛能力的重要舉措，具有重要的意義。

參考文獻(xiàn)

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