对水下突体和声呐导流罩的降噪研究

邓玉聪

摘 要：在水听器的发展过程中，声呐导流罩具有重要的意义。人们根据海豹耳的构造，仿造出了声呐导流罩，从而极大改进了水听器的性能。通过流线型的设计，减低了由涡流所产生的水流噪声，从而准确接受目标音波。然而，自声呐导流罩诞生以来，存在的许多问题依然长期困扰着人们：许多构件需要采用人工研磨，极费工时；装配工艺复杂，额外调整使精度降低。不过最核心的问题依然是降噪效果有待进一步提高。

关键词：声呐；导流罩；降噪；水动力分析

1.水动力噪声分析

从已有的研究成果来看，造成声呐导流罩工作性能下降主要是因为噪声，而噪声主要来自于两个方面：一是在设计制造的过程中，导流罩的线形、材料及工艺水平；二是在船体行进过程中，所有设备工作时的振动与对噪声的调控。

1.1噪声来源

导流罩具有良好声透性的材质与声学特性线型。但作为一种常见的水下突体，会在其周围形成一个湍流附面层。在这个层面内，由于其中的各个质点的平均速率极不一致，拥有较大的脉动起伏。另外，由于相互间不平衡的压力，将造成很明显的噪声。

1.1.1声呐导流罩内部产生的自噪音

当具有粘性的流体经过声呐导流罩时，产生的附面层中存在湍流。这个湍流层的具体参数主要取决于表面以及流体的性质。但最终总会因为起伏压力的作用产生噪声辐射。声呐导流罩的噪音主要来源于此。

1.1.2其它部件噪音

除内部产生的自噪音之外，由于设计、工艺等原因，舰体其它部分，尤其是导流罩周围机构产生的噪音同样会对水听器的工作产生明显影响。如流线型体端面流引起的噪声，开口腔的流体噪声等。

1.2现代水动力噪声分析方法

针对水动力噪声的分析，现代已进入了交叉学科的研究方式。

1.2.1数值模拟

通过建立数学模型，将噪声数据化，将定性分析变为定量计算。量化计算各部分噪声的传播、干涉、消散等。有大涡模拟方法（LES）数值计算、Lighthill声比拟理论研究、LES/FwH混合法等常用模拟分析方式。这些都是代测量手段中最直观且最准确的方法。但是，直接的数值模拟工作量大，计算繁琐，且由于参数较多，难以建立准确的模型。

1.2.2现代信号分析法

通过示波器测量后，通过声线谱对水下噪声进行分析。对时域及频域的处理，可以采用相干性分析、功率谱、动态谱及频谱细化等。信号分析较为直观。但由于目标噪声往往是多声源，这种分析模式不足以处理所有的信息。此外，由于各噪声之间存在着相互影响，即使对每个声源得到了极为准确的数据信息，也需要再进行综合分析。因此，此方法只适用于优化阶段对单一目标的测控。

1.2.3能量分析法及向量场法

声强是向量，也可以通过能量场来分析。国内外声强测量技术都已得到广泛应用。虽然现阶段受到测量仪器的限制，但今后必定会成为水动力噪声分析的重要方法。

2. 降噪技术

水听器工作是为了探测目标舰体的水下噪声，却经常被自身舰体的噪声，尤其是导流罩自噪声所干扰。所以既要分清自身噪声的特性而不与目标噪声混淆，又要对自身导流罩噪声进行调控。

2.1导流罩线形优化降噪

从导流罩的研制过程来看，人们正是利用了仿生学的线形设计而制造出了导流罩，其自身线形的设计直接影响了最终性能。

线形优化建立在对噪声的数值分析上。尽管采用的方法不同，但最终都是要建立起噪声大小与各线形参数间的目标函数，明确各参数对最终噪声的影响。尽管噪声无法消除，但可以找到具体的参数值，使其辐射最小化。因此，依靠数学建模的方式将实际的问题转化，需要每一步都做得仿真，才能保证结果的精确。

2.2高分子涂层降噪

同线形设计一样，高分子涂层降噪技术也是利用仿生学的原理而提出。具体的方法是寻找到合适的水溶性线型高分子材料进行涂层，降低噪声的原始产生。 因为水溶性线型分子能够抑制各质点间初始作用力，尤其是剪切应力。最终能够在湍流层中有效降低各质点的平均速率，通过使其动能下降来降低噪声。

随着高分子材料科学的兴起，其前景极为广阔。但现有的研究依然处于较为粗糙的层次上。此外，实验环境的数据往往与舰艇行进过程中的具体参数很难保持一致，降噪效果存在偏差。

2.3消声瓦材料降噪

声波拥有波的最基本特，因此可以采用吸收噪声产生声波的方式来降低噪声，这同隐形飞机吸收电波而不使其反射出去类似。可以采用特定的材料将产生噪声声波的部位甚至是整个舰体包裹起来。因此，消声瓦材料的研究成为了降噪技术的另一个热点。上世纪70年代后，欧美与我国都先后开始了消声瓦技术的研究工作，在理论估算的基础上，经过测试，制造出了多种能够消声瓦的材料，其具体设计的结构也得到不断的优化，具体的装配覆盖工艺也日趋完善。

但是，由于舰体产生的噪声频率差异较大，甚至超过多个数量级。这个现实给研制材料的工作带来了极大不便：要想使用单种材料，则该材料吸声频率范围要与噪声的差异相对应，很难实现；使用多种材料，则可能存在重复覆盖，其厚度超标又影响到其它功能的实现。

2.4自适应噪声相抵降噪

声呐导流罩内的噪声，是多声源相叠加形成的。噪声的产生无法避免，但根据声波的基本特性，可以利用其干涉特性减弱噪声。

对各声源进行相干性分析后，可估算出各声源噪声在舰体不同运行状态下的特性。最终可用其它机构的噪声，通过声波的干涉作用相互减弱至抵销，从而达到减弱声呐导流罩内噪声的目的。但是，在相同航速条件下的噪聲源，不同的舰体是不一样的。因此，此方法只适用于舰体完工，声呐设备装配完毕之后，人工进行调控。

3.结语

总体来说，水下突体尤其是声呐导流罩内部噪声产生的机制极为复杂。相比在空气中的声场，水中的耦合作用更强，且受到流体湍流机制及机构参数的影响较大。控制单一变量的研究方法并不精确，只能综合分析。对降噪工艺来说，除了声呐导流罩的线形优化之外和声波人工调控之外，都严重依赖于材料等学科的发展，故对水下突体噪声的水动力分析和导流罩线形的优化成为研究的重点。

参考文献：

[1]应晓伟.水下突体和声呐导流罩的降噪设计研究[J].声学与电子工程，2014，03：19-22.

[2]何祚镛.水下噪声及其控制技术进展和展望[J].应用声学，2002，01：26-34.