浅析水下武器发射噪声的生成及控制

张振山, 程广涛



浅析水下武器发射噪声的生成及控制

张振山1, 程广涛2

(1. 海军工程大学 兵器工程系, 湖北 武汉, 430033; 2.中国人民解放军 92373部队, 辽宁 大连, 116001)

水下武器发射过程会产生较强的冲击振动噪声, 影响发射平台的隐身性能, 从而降低作战效能。本文对水下武器发射噪声的产生及其传播过程进行了分析, 探讨了水下发射噪声的生成机理以及降噪工作的主要研究方向。特别对武器发射管口附近喷流噪声的产生进行了研究, 提出了控制发射噪声源的一些思路, 可为进一步研究发射噪声提供参考。

水下武器; 发射装置; 噪声控制

0 引言

机械噪声、螺旋桨噪声以及流噪声是潜艇航行时的主要噪声源, 被认为是破坏潜艇隐蔽性的最大杀手, 受到了各国海军的高度重视, 其噪声生成机理研究、噪声预报、振动噪声控制的研究都已取得了相当不错的成果。随着各种噪声控制成果的应用, 潜艇的辐射噪声级正逐年下降, 而发射噪声的影响正日益突出, 成为降低潜艇生命力与战斗力的顽疾。发射噪声持续时间非常短, 但其源级较大, 会为敌方提供捕捉发射艇的机会, 为敌方规避及对抗我方攻击武器提供时间, 故降低发射噪声是发射装置设计研究必须考虑和解决的主要问题之一[1]。掌握其噪声的产生机理并控制辐射噪声能级是潜艇结构及发射装置设计的核心问题。武器发射噪声源特性以及噪声谱相关知识是进行噪声控制的基础。要想对振动及噪声控制进行数学上的解释, 必须要了解发射过程中辐射噪声产生的原理, 通过对影响发射过程辐射噪声的各种因素的分析, 揭示武器发射噪声的形成机理。

1 水下噪声的产生与传播

由连续性方程、动力学方程以及物态方程3个方程可以推导获得3D波动方程[2]

通过联立连续性方程与运动方程可获得具有体源、力源和切变应力源声发生的普遍方程, 即广义希尔方程[3]

式(2)前2项为非平稳质量流, 其作用与一个单极子相当。第3项为施加在某些界面上的非平稳力的散度, 具有偶极子的性质。第4项代表流体本身的湍流应力, 具有四极子性质。希尔方程描绘了声的产生问题, 从发声机理的角度给出了声音产生过程的数学解释。根据波动方程与希尔方程就可以从生成机理上进一步研究水下噪声源的问题。声波的传播是弹性介质(气体、液体和固体)中传播的压力、应力、质点运动等的一种或多种变化。在流体介质中, 引起非平稳压力场的任何过程都会产生声波。而引起非平稳压力场的物理过程包括界面的振动或脉动、作用在流体的非平稳力、流体的湍流运动以及振荡的温度。每种噪声源在微观上都可以归结为某1阶多极子声源, 至少在数学上可以如此简化。舰艇、潜艇和鱼雷辐射噪声以及水下武器发射噪声的许多重要声源是流体动力性质的, 与通过航行器或穿过管道的流体运动有关。流体动力源可按主要发声机理来分类: 表征为单极子的体积变化,表征为偶极子的振荡力和小物体的振动运动, 以及表征为四极子的自由湍流。

2 武器发射噪声的产生与传递

由于水下武器发射过程持续时间较短, 一般在数秒内就完成了发射, 因此发射噪声属于瞬态噪声的范畴。其突出特点就是成分复杂、持续时间非常短, 而噪声能量较大, 大大影响了潜艇的隐蔽性。

2.1 水下发射武器噪声源

潜艇在水下发射武器时噪声源比较多, 传统上可以分为三大类: 机械噪声, 流体噪声以及空化噪声[4]。机械噪声包括机械冲击噪声、振动噪声与摩擦噪声。冲击噪声是由于运动部件之间因加速或减速时相互冲击而产生的噪声, 以及由于工质做功对固定部件(发射管及其气水缸)反作用力产生的噪声; 机械振动噪声是发射过程中, 其他噪声源传递到发射管管体、潜艇艇壳等部件的振动引起的; 摩擦噪声是发射过程中机械零件之间互相高速运动, 彼此摩擦而产生的。以气动液压平衡式发射装置为例, 主要机械噪声源包括鱼雷离艇时与发射管之间挤碰引起的噪声, 发射过程中气、液缸活塞与各自缸体相互作用引起的噪声, 汽缸活塞在行程末端与黄铜缓冲片的撞击声, 由于发射冲击力的作用引起的结构噪声, 发射水流引起的管口附近壳体的结构振动噪声, 以及各种运动组件与接触面之间的摩擦噪声等。

流体噪声包括气动噪声及海水流动噪声。发射过程中一个非常重要的噪声源是高压空气注入气缸或发射管内产生的较强喷注噪声。以高压气作为发射工质的发射装置, 发射完毕后气缸内气体排到舱室内, 由于流体中气体与固体边界之间相互作用会发出较强辐射噪声; 海水流动噪声是由于在发射过程中水流的突然加速或减速造成的水流之间、水流与周围固体边界之间产生的水击噪声; 发射过程中高压空气与海水运动都会产生紊流噪声, 它是流体在紊流流动中由于介质振动而引发的噪声。空化噪声是由于在发射过程中, 因发射水流在流道口下游的局部区域形成负压, 当负压低于当地空泡压力时会产生空泡现象, 从而生成空泡噪声。

2.2 气动型武器喷注噪声及冲击噪声

就某型武器发射装置而言, 其工作时的主要噪声源包括发射过程喷注噪声、发射过程冲击激励引起的结构噪声以及管口喷流噪声。高压气体进入气缸时的喷注噪声是武器发射过程中重要的噪声源之一, 高压气进入气缸中压力急剧升高, 这种压力迅速变化生成的噪声即喷注噪声[5]。作用于气缸头和活塞顶部引起捶击作用, 激励了冲 击结构噪声。喷射气流会激起气缸壁与活塞的结构振动, 同时加压海水也会激起液缸壁的结构振动, 这些结构振动传递会产生较大的噪声。对这类噪声的控制应该关注气瓶与气缸之间的管路及控制阀件的改进。

更为重要的是, 发射过程中活塞组件受力的同时, 通过气缸及液缸在艇体上的固定支撑, 会对艇体产生冲击力, 激起隔板的结构振动, 传递到壳体引发较大的辐射噪声。这类冲击噪声生成的机理是冲击引发结构振动, 结构振动传递到外壳体产生辐射噪声。利用冲击激励下的机械振动响应理论可以解决这类问题。传统的武器发射装置都是刚性固联到艇体上, 没有考虑振动冲击的影响, 而国外先进潜艇设计理念中, 出于潜艇安静性角度考虑, 已经严格禁止这类刚性联结。对这类冲击问题可以通过断开能量传递路径的方法进行思考。采用阻尼冲击隔离器可以消耗主要的可传递冲击能量。

发射结束到回程阶段, 要重点考虑活塞组件的减速缓冲问题以及气缸内气体排入舱室的消音问题。活塞组件在发射末端水缸活塞以一定速度惯性前行, 依靠水缸特形孔的设计利用流体进行一定的缓冲, 配合紫铜垫片完成缓冲。可以考虑进一步优化缓冲设计思路, 增加缓冲的效果, 减少刚性接触。由于采用的动力方式为高压气做功, 且作用时间短, 排气噪声的产生是不可避免的。但进一步优化高压气体排入舱室时的消音设计, 可以降低排气噪声, 除了取得对外辐射降噪效果外还可以实现对艇员工作环境的改善。

2.3 发射管内及其管口噪声

武器发射装置发射管内噪声的控制。加压海水做功将武器发射出管的过程中, 通过发射管管体会对潜艇形成较大的冲击力,形成较大的结构振动, 激发耐压壳体的振动, 产生较大的辐射噪声。降低这类噪声的解决办法可考虑对管体与艇体之间进行非刚性连接以及阻尼隔振措施,对内外壳体在发射管区域增加加强筋。一个比较好的方法是利用阻尼冲击隔离器消耗冲击能量, 减少向外传递的振动能量, 从而有效地控制辐射噪声的产生。

管口射流冲击噪声的生成方式。发射过程中,不仅管内海水会产生流动噪声,当武器出管后,随武器运动的海水会对非耐压壳体形成冲击射流,激发出较大的噪声, 而传统的发射装置对这种射流冲击未进行处理, 如图1所示。射流冲击激励内外壳体成为雷弹发射噪声的重要噪声源之一。图2给出了某型发射装置发射管前盖与减阻板的连接关系图, 由图可知, 前盖至减阻板之间有一定的长度空间, 射流对这一区域空间及其附属部件影响还是比较大的。通过研究发射装置管口的射流物理状态, 分析噪声形成的机理。形成振动激励力。通过射流的速度分布及其应力变化情况可以研究相应的噪声产生状况, 并可以在此基础上对管体机构进行优化, 如可以研究射流的导流机构及其在壳体上加肋以减小发射时内外壳体受到的冲击及由此引发的噪声。

图1 发射管前端示意图

图2 发射装置1#发射管与减阻板联结关系图

如图3所示为发射装置管口流场速度场分布云图(仿真是对理想单管状态进行的, 实际发射装置有6根发射管)。研究表明, 冲击射流噪声成为发射噪声的重要组成部分, 是由于射流出管时对非耐压壳体的冲击, 由管口出发的运动海水与静介质接触, 不断产生旋涡并向静止流体中推进, 因而射流不断变宽, 射流边缘在外壳板上反射形成压力场, 当喷射旋涡到达外壳板时就成为反馈信号, 使射流中的扰动增加, 喷射旋涡随射流通过外管口再发生反射, 循环不断, 因而产生较大噪声。当射流运动到非耐压壳体附近时, 已经发展出向两侧扩展的漩涡, 其作用于非耐压壳体形成振动激励力。当这种激励形成一种正反馈的过程后, 影响力会大大加强。通过射流的速度分布及其应力变化情况可以研究相应的噪声产生状况, 并可在此基础上对管体机构进行某些优化, 如可以研究射流的导流机构及其在壳体上加肋以减小发射时内外壳体受到的冲击及由此引发的噪声。

图3 发射管水放管口流场仿真效果图

3 结束语

发射噪声是影响武器发射时平台声隐身性能的重要因素, 对武器攻击效果及平台生存能力产生重大影响。总体来讲, 发射噪声源包括三类:机械噪声, 流体噪声以及空化噪声。控制武器发射噪声是提高装备战斗力的重要途径之一, 因而研究发射噪声的生成机理意义重大。本文初步分析了水下武器发射噪声的产生及传播, 对武器发射时管口区域产生的噪声进行了初步探讨, 但还有待进一步深入研究。

[1] 刘家铨. 鱼雷发射装置概论[M]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学出版社, 2003:131-146.

[2] 李克孚, 乔汝椿. 国外潜艇鱼雷发射装置的发展[J]. 鱼雷技术, 1998, 6(3): 1-9.

[3] 罗斯. 水下噪声原理[M]. 北京: 海洋出版社, 1983.

[4] 程广涛, 张振山. 对潜用武器发射装置发射噪声控制研究的思考[J]. 鱼雷技术, 2009, 17(4): 77-79. Cheng Guang-tao, Zhang Zhen-shan. Launching Noise Reduction for Underwater Weapon Launch Tube[J]. Torpedo Technology, 2009, 17(4): 77-79.

[5] 程广涛, 张振山. 气动液压平衡式水下武器发射系统喷注噪声研究[J]. 船舶力学, 2010, 14(7): 800-804. Cheng Guang-tao, Zhang Zhen-shan. Research on Injection Noise of Aerodynamic and Balanceable Underwater Weapon Launching System[J]. Journal of Ship Mechanics, 2010, 14(7): 800-804.

Preliminary Discussion on Generation and Control of Underwater Weapon Launching Noise

ZHANG Zhen-shang, CHENG Guang-tao

(1. Department of Weaponry Engineering, Navy University of Engineering, Wuhan 430033,China; 2. 92373thUnit, The People′s Liberation Army of China, Dalian 116001, China)

Launching underwater weapon will generate impact vibration noise to weaken underwater acoustic stealth performance of the launching platform and reduce its operational effectiveness. The generation and propagation of the launching noise are analyzed, and the generation mechanism of the underwater noise as well as the main research trend of noise reduction are discussed. The generation of jet noise near launch tube nozzle is intensively analyzed, and some suggestions to reduce launching noise are offered for low noise design of underwater weapon launchers.

underwater weapon; launch tube; noise control

TJ635

A

1673-1948(2012)04-0310-04

2012-03-14;

2012-03-27.

张振山(1959-), 男, 教授, 博士生导师, 主要研究方向为鱼雷热动力及鱼雷发射装置.

(责任编辑: 许 妍)