美国大西洋水下测试评估中心测量设施分析

王大海,刘兴章

(海军驻大连地区军事代表室,辽宁 大连 116021)

0 引 言

声波是目前在海洋中惟一能远距离传播的最有效的能量形式,所以舰船水噪声对舰船的生存和武器装备性能有重大影响,是舰船隐蔽性的重要指标,对潜艇而言,水下辐射噪声破坏了它的安静性,这种危害几乎是致命的。因此,利用水声试验场对潜艇的水下辐射噪声进行测量分析,并采取相应的减振降噪措施,是各国普遍采用的工作方式。

大西洋水下测试评估中心(Atlantic Undersea Test and Evaluation Center,AUTEC,以下简称评估中心)是美国东海岸最重要的潜艇水声检测机构及试验设施。承担着潜艇噪声测量及水中兵器试验任务,还承担着反潜战研究等诸多科研任务。本文对其主要设施进行介绍,特别是潜艇水下辐射噪声测量设施及其最新改进作出分析,并对我国水声试验场的建设提出建议。

1 大西洋水下测试评估中心组成及所处地理环境

评估中心主要包括2大试验区:一处位于美国弗罗里达州东部的西棕榈滩,主要提供测试组织,后勤保障,行政管理;另一处则位于巴哈马群岛的安德鲁斯岛上,岛上的试验区占地约2.25 km2,海上试验场位于“海洋之舌”(TOTO)海域。

“海洋之舌”是位于安德鲁斯岛以东的一处深水海底盆地,西部是安德鲁斯岛,东部和南部是大面积无法航行的浅水区,北部是普罗汪斯海峡,长约200 km,宽约37 km,水深1280～2012 m。该海域海底平坦,深度变化较缓,被周边岛屿所围绕,是1种类似“死胡同”的特殊地形,没有大的海上航线穿过,水上航船非常稀少,船舶噪声干扰极低。此外,由于周边海岛的屏蔽,大洋海洋背景噪声也得到抑制。特殊的地理环境,优越的水声测试环境,使该海域具备非常良好的潜艇辐射噪声测量条件。

图1 该中心的位置示意图及卫星图片Fig.1 Map of AUTEC

2 主要辐射噪声测量设施分析

2.1 原有的移动式辐射噪声测试系统

对潜艇及水面舰艇的辐射噪声测量是该中心承担的重要任务之一。早在二战期间,为了对抗德军新研制成功的音响制导鱼水雷,英美等国就对各型数百艘舰艇进行了上千次的辐射噪声测量,获得许多重要资料,对当时的海战胜利起到了重要作用。随着潜艇降噪技术的发展,潜艇安静性不断提高,潜艇辐射噪声测量变得更加重要。按美军的潜艇使用条例,潜艇执行远航任务之前,均需进行辐射噪声测试,以保证艇的安静性。位于金斯湾的美潜艇基地,是美国战略核潜艇在大西洋沿岸的重要驻泊地。该基地的潜艇执行远航之前,一般均进入该评估中心进行辐射噪声测量。

该评估中心原有辐射噪声测量任务,是由“海耶斯”号测量船(The USNS HAYES)进行。该船配备有移动式辐射噪声测试系统。该系统有1套可布放高增益垂直线阵,采用体积阵形式。类似于圆周安装的门帘形式,由多条垂直线列阵组成,采用体积阵的形式,能提高装置的指向性,以保证测试精度。其他系统包括1套由水听器、电缆、频谱分析设备组成的移动式测量系统,由电池或测量船供电。校准宽带声浮标(AN/SQQ-58)用于远距离收集背景噪声和水生物噪声等。

当执行测试任务时,测量船前往位于TOTO湾南部的高尔夫球头位置。测量船与被测舰艇会合,布放测量水听阵,进行定位通信及海洋背景噪声测定及装置标校后,被测舰艇按约定航线及航路,通过移动式测量系统附近,测量船记录并对测量数据进行初步分析。一般潜艇测量深度约100 m左右,以最大限度地降低海面风浪对测量结果的影响。

图2 评估中心早期的潜艇噪声测量装置Fig.2 Early acoustic measurement facility of AUTEC

移动式辐射噪声测试系统具有使用灵活,成本较低的优点,但也存在着牵涉人员过多、作业效率低、劳动强度大、受自然环境影响较大的不足。随着潜艇辐射噪声水平的不断降低,对辐射测量的要求也不断提高,该移动式辐射噪声测试系统,已难以满足更高的要求。实际上,尽管TOTO湾海域相对辽阔,但也不是所有的海域都具备良好的辐射噪声测量条件,移动式的辐射噪声测试也通常只布放在特定的海域。为了提高水下辐射噪声的测试效率和精度,美国开始固定式的水下辐射噪声测试系统的建设,并将原有“海耶斯”号测量船退役。

2.2 新型固定式辐射噪声测试系统

为了维持该试验场对潜艇的水下测试能力,提高水声测试能力,2005年,美国开始在大西洋水下测试及评估中心建设新的固定式水下辐射噪声测量系统。2008年4月到8月,由美国海军水面战研究中心主持,美国海军水下战研究中心等单位协助,在TOTO湾南部建成了新型半永久式水声测量系统(STAFAC)。

该系统水听器阵与美海军东南阿拉斯加水声试验场的水听器阵类似,由水下辐射噪声测试系统、水下实时导航及通信系统、数据接线盒、水下传输电缆组成、锚泊装置等几部分组成。

2.2.1 水下辐射噪声测试系统

STATIC的水下辐射噪声测试系统包括2条长约300 m的大型水下直线阵,核心测量装置为2个大型双圆锥框架式水听器阵(HGMS),每个双圆锥框架式水听器阵包括12根直线阵,每个直线阵内封装有40个水听器,12根直线阵在圆框架内采用类似双圆锥的形式布置,单根直线阵可根据损坏情况进行更换,整个阵的使用寿命约3～5年。

采用这种双圆锥框架式水听器阵,能提高对艇体表面辐射噪声进行定位分析,有利于噪声源的查找及定位工作。此外,采用空间体积阵的形式,大大提高了装置的指向性,也降低了背景噪声对测量结果的影响,有利于对安静型潜艇的测量。

图3 正在更新安装的水听器阵Fig.3 TBCA and HFA installation from the a-frame of STATIC

2.2.2 水下实时导航及通信系统

潜艇的水下辐射噪声测试,要求精确测量辐射噪声测试系统与被测艇间的相对位置,以便对辐射噪声的量级进行换算。STATIC安装有6个水下通信及导航模块,以保证测试方与被测艇的水下实时通信和导航。6个模块由1根长26 km的海底电缆连接在一起,并连接到位于大型海底接线盒上。

2.2.3 辅助系统

STATIC测量装置布放处水深约1300 m,但为了保证噪声测量结果的准确性,测量系统离被测潜艇过远,因此不可能完全安装于海底,必须通过相应的锚装置固定。STATIC通过1套锚装置为测量系统提供了相对稳定的位于约水下200 m处的“虚拟海底”,保证了测量装置的稳定,并保证必要时可以将测量装置提升到水面进行维护和保养。实时处理的数据通过1套位于约40 m水深海底接线盒与主干电缆连接,并一起通过约250 km外的测量指挥中心。

图4 水下通信及导航模块Fig.4 TUC nodes staged for deployment on the INTREPID

3 对我国水声试验场建设的启示

3.1 辐射噪声测量系统正由移动式向固定式方向发展

目前,世界各国在大力发展安静型潜艇的同时,也非常重视潜艇辐射噪声测试技术的发展和测量系统的建设。

法国和意大利建设了基于近场声全息技术的大型垂直线阵测量系统;俄罗斯在远东和白海建成了固定式的大型水声试验场,研制了组合式矢量水听器测量系统;德国、荷兰、丹麦、挪威等国家,在位于挪威卑尔根附近赫德尔峡湾建成了海格纳斯潜艇水声试验场;美国在东南阿拉斯加的凯契根附近也建有大型固定式的水下辐射噪声测量系统。

固定式测量系统逐步取代移动式测量系统。以往潜艇辐射噪声测试系统多采用移动式测量系统,移动式测量系统具有结构简单、成本低、布放灵活的优点,但也存在劳动强度大、效率低、受外界环境影响大,特别是测量精度较差的不足。随着潜艇安静性的提高,对测量精度的要求也不断提高,同时也要提高测量效率,缩短测量时间。以美国为代表,各国纷纷开始固定式辐射噪声测量系统的建设。

如美国东南阿拉斯加水声试验、挪威海格纳斯水声试验场等,均选择水文条件较好的水域,建成了大型的综合式水声试验场,安装有固定式辐射噪声测量系统,大大提高了测量精度和效率。如美国东南阿拉斯加水声试验场,按美海军水面作战中心卡德洛克分部布雷默顿特遣队主任的说法:“以前,由于天气问题,测试1艘潜艇要持续3～4周时间,风雨所产生的水面噪声会干扰测量。而现在传感器主要针对潜艇,测试只需1天。”

3.2 固定式水声试验场的作用及组成

固定式水声试验场有3个作用:一是对经过维修、改装、安装新设备后的舰艇噪声进行测量,能发现舰船噪声是否有异常;二是新造舰艇噪声进行测量,能证实舰艇噪声特性满足设计指标的要求;三是检查同型舰艇声信号特征是否一致。

固定试验场一般应包括静态试验场、航行试验场和陆上试验站3个部分。一般的水声试验场的工作流程,通常是先在静态试验场对潜艇的机械噪声进行测量和评估,然后再转入航行试验场对水下航行的潜艇的整个航行条件下的噪声进行测量,通过对机械噪声结果与水下航行噪声进行对比,分离出水动力噪声。陆上试验站除对测试工作进行指挥和实际测量外,也可包括对测量装置及被测舰船的后勤保障能力。

3.3 水声试验场的选址非常关键

水声试验场建设最主要目的是对舰艇进行噪声测量和分析,因此,低的环境背景噪声是水声试验场选择的最主要目标。经过声学标定固定水地质试验场,应远离飞机和船舶航线,海域的海水平静,海流小,背景噪声低,有良好的水文条件。

挪威海格纳斯试验场位于峡湾水域,周围被大量的海岛所摭蔽,阻挡大洋环境背景噪声的影响。保证潜艇水下辐射噪声测量进行。但峡湾水域如果过于狭窄,除了不利于潜艇机动,也会对测量结果造成不利影响。

水域宽阔和水深能满足潜艇水下机动要求、气象条件适合、远离交通航线、距离潜艇母港尽可能近的要求。能完全满足以上条件的场地,全世界也并不多。但并非没有替代方案,采用矢量传感器,提高测量阵的指向性,能在较高环境背景噪声条件下进行精确测量,这能保证使潜艇的辐射噪声高于背景噪声,也可进行噪声测试工作。据最新报道,美国海军水面战研究中心也正在进行利用矢量传感器对辐射噪声源进行定位的工作,并取得较大进展。

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