鱼雷自导噪声分析及其解决途径

田丰华， 宋 哲， 张 奎， 王 涛， 周晓波

（中国船舶重工集团公司 第705研究所， 陕西 西安， 710077）

鱼雷自导噪声分析及其解决途径

田丰华， 宋 哲， 张 奎， 王 涛， 周晓波

（中国船舶重工集团公司 第705研究所， 陕西 西安， 710077）

为提高复杂环境下低频宽带自导系统的整体性能， 针对鱼雷自导系统的自噪声特性， 建立了鱼雷自导系统自噪声技术体系， 分别对电子装置电噪声、声学装置磁辐射噪声、热噪声、流噪声和结构振动噪声进行了研究。开展了高阻尼基阵壳体和声学基阵的隔振材料及结构设计研究， 分析了流噪声对自导系统接收性能的影响。最后， 针对鱼雷自导系统减振降噪方面存在的问题给出了解决途径。文中的研究可为低噪声鱼雷自导系统设计提供参考。

鱼雷自导系统； 自噪声； 隔振材料； 减振降噪

0 引言

鱼雷作为唯一能够在水下开展精确制导和自动寻的的水下武器， 其实施精确打击主要依靠装载在自导系统上的特种小型声呐。通用型鱼雷自导系统既能反潜又能反舰， 其工作原理如图 1所示。

为了提高作战性能， 适应复杂环境， 现代鱼雷多采用低频宽带自导系统（如图2）， 其优势主要有以下几方面:

1） 主动探测能力强， 自导系统工作频带宽，并向低频段延伸， 提高了自导系统的远程探测能力， 可以弥补安静型潜艇由于目标强度降低而造成作用距离的减少；

2） 主被动可同时工作， 宽频带自导系统由于工作带宽大， 可主被动同时工作， 对抗难度大，并可提高自导系统的反对抗能力；

3） 环境适应能力强， 在浅海复杂环境条件下， 海面、海底反射形成的混响是影响自导性能的重要因素， 宽带信号可提高鱼雷混响背景中的检测能力。

尽管如此， 鱼雷自导系统的发展受到较多因素的制约， 其中如何解决自导系统噪声［1］已成为自导系统发展的瓶颈。

图1 通用型收发共用声自导系统原理框图Fig. 1 Principle block diagram of common receive/transmit homing system

图2 鱼雷自导系统示意图Fig. 2 Schematic of torpedo homing system

为更好地解决各类噪声对自导系统整体性能的影响， 有关学者已进行多项研究， 主要涉及结构振动抑制［2-3］、声学基阵及电子装置热噪抑制［4］、电子装置电噪声抑制［5-7］、匹配网络电磁屏蔽抑制［8］、流噪声产生机理［9-10］、流噪声在鱼雷自导系统结构中的传播特性及流噪声在鱼雷自导系统背景噪声中的贡献量等领域。通过对各噪声间相关性的分析比较， 可知相关性越强， 信号相似程度越高。试验研究发现， 自导系统目标信号强相关、流噪声不相关、振动噪声部分相关（具有方向性）、电噪声视电路耦合关系由弱到强。文中对鱼雷自导系统的电噪声、磁泄露噪声、结构振动噪声、声学材料、流噪声及热噪声等进行了综合分析， 并就典型噪声抑制过程中存在的问题， 结合多年工程经验，给出了解决途径。文中的研究可为后续低噪声宽带声自导系统设计提供参考。

1 鱼雷自导噪声分析

鱼雷自导系统由流噪声、振动噪声、电噪声和热噪声等组成。图3为目前已开展的鱼雷自导系统各类噪声抑制研究， 图 4为自导低噪声二次电源设计。

图3 自导系统减振降噪框图Fig. 3 Block diagram of vibration and noise reduction for torpedo homing system

图4 自导系统低噪声二次电源设计Fig. 4 Design block diagram of low-noise secondary power supply for torpedo homing system

同时在热噪声抑制方面， 对自导系统的 3大热源即发射机、数字机及匹配网络散热方面也进行了较深入的研究； 在声学装置结构减振方面，对声学装置减振器、新型减振声学材料等方面进行了探索， 经过多次静态试验和动态试验验证，也已取得初步成效。

1.1 电噪声

电噪声是鱼雷自导系统自噪声的主要组成部分， 当鱼雷低速航行时， 一般要求自导系统电噪声折合到输入端要低于航行噪声10 dB左右， 才不会对自导系统检测性能造成影响。

自导系统电噪声主要由全雷供电系统电噪声和自导组件电噪声经过一定的传递路径， 耦合到接收信号中， 形成电噪声干扰。

针对全雷供电系统电噪声， 需要在电源输入端增加电磁干扰（electromagnetic interference，EMI）电源滤波器和在系统内部设计高噪声抑制比的二次电源等两方面开展相应研究， 以减小电源噪声对自导系统的干扰； 针对窄带自导系统，由于接收频率和发射频率存在一定频移， 需要在发射端增加限波器来抑制自导系统电噪声； 针对宽带自导系统， 主要在系统接收和发射状态下的电路拓扑结构方式上进行研究， 以减小系统电噪声。上述研究均已通过实验室验证， 取得效果较为理想。

1.2 磁泄露噪声

在鱼雷自导系统匹配网络设计时， 由于自导系统被动方式接收信号的幅度较小， 极易受到匹配网络所用磁芯的磁泄露噪声干扰。在匹配网络设计时， 采取的措施主要有以下几个方面。

1） 磁屏蔽: 变压器在电磁转换过程中，其周围会产生一定的磁场， 从而影响到其他器件。对此， 在变压器上设计了屏蔽盒进行磁屏蔽， 从而被动减少磁泄露以及磁辐射噪声对其他器件的影响。

2） 用屏蔽板将匹配器与数字机、模拟信号处理机、发射机之间进行隔离； 匹配器内部走线进行大小信号线分离， 使大信号的发射导线尽可能远离接收导线； 发射线双绞处理， 接收线采用双芯屏蔽导线。

3） 变压器设计: 变压器为互感变压器， 初次级之间无物理连接， 由于不发射时， 发射机的输出短路， 则变压器电噪声耦合通道被断开， 使由发射机传来的电噪声无法通过匹配器传输到模拟信号处理机。

1.3 结构振动噪声

针对鱼雷自导系统的结构振动噪声抑制，深入研究了减振器、减振垫圈及高阻尼基阵壳体的设计方案， 以实现声学换能器及基阵的悬浮，尽可能减少不同介质之间的结构振动耦合， 并取得了较好效果。

针对鱼雷自导系统减隔振结构设计， 在理论设计、材料研究、结构设计、工艺实现以及试验等方面形成了一套较为完整的体系， 以适应不同项目的应用需求； 针对高阻尼基阵壳体设计，借助声学分析软件及相关理论， 结合阻尼材料处理工艺、振动测试方法等具体的问题， 对不同阻尼处理条件下的基阵壳体振动进行了测试研究， 其结果如图5所示。

图5 无阻尼处理（左）和自由阻尼处理（右）基阵壳体Fig. 5 Array shell body without damping processing （left） and with free damping processing（right）

同时， 对不同基体厚度及阻尼材料的特性展开研究， 分析了阻尼特性对鱼雷基阵壳体振动噪声的抑制效果， 结果见图6和图7。

图6 不同基体厚度减振效果曲线图Fig. 6 Curves of vibration reduction effect with different substrate thickness

图7 不同阻尼材料阻尼衰减效果曲线图Fig. 7 Curves of damping attenuation effect with different damping materials

1.4 声学材料

针对鱼雷自导头段结构复杂、空间狭小， 多种结构相互耦合严重的特点， 所用声学材料对鱼雷自导系统自噪声抑制起到了至关重要的作用［11-12］。声学材料主要包括去耦材料（抑制声学换能器之间的互辐射）、吸声材料、高阻尼减振材料、承压材料及支撑材料等（如图 8所示）， 其中所用的去耦材料主要有葱皮纸、软木橡胶、酚醛树脂板及海绵等， 相关技术参数见表1。

在设定工作频率的条件下， 针对一定厚度的去耦材料， 声学换能器间的插入损失再加上衰减，可估算在18 dB左右； 声学换能器与壳体间的插入损失可估算在 16 dB左右。当换能器工作时，换能器间直接耦合（不含绕射）的声能损失约为18 dB， 壳体振动传到换能器上的能量损失约为16 dB。

承压材料主要用到新型铝基碳复合材料、硬质铝等， 不但具有较好的承压效果， 在振动衰减方面也具有很好的效果； 减振垫圈材料， 主要用到弹簧垫圈及碳纤维复合材料等， 重点关注承压材料、壳体材料及减振垫圈三者之间的阻抗失配效果； 声学基阵支撑材料主要采用聚氨酯泡沫塑料、FX511工程塑料和玻璃纤维等， 重点考虑在外部环境变化时， 支撑材料的声学性能的变化情况。另外， 在声学材料的结构、工艺实现和工程化应用等方面也进行了较为深入研究。

图8 声学装置用声学材料研究框图Fig. 8 Block diagram for analyzing acoustic materials for acoustic device

表1 去耦材料技术参数Table 1 Technical parameters of decoupled materials

1.5 流噪声

流噪声作为自导系统背景噪声的重要组成部分， 它主要与流体线形、雷速和频率有关， 随着雷速的增加， 流噪声急剧增加， 同时在自导系统背景噪声中所占的比重也就大大增加； 随着频率的降低而升高， 约每倍频程升高9 dB左右。

目前， 针对自导系统流噪声的研究和测试还处于起步阶段。在理论研究方面， 主要在流噪声产生机理、湍流区噪声特性、流噪声在鱼雷自导系统多层介质间的传播特性等方面进行了初步研究； 在试验研究方面， 主要在循环水槽中进行，但由于循环水槽背景噪声过高， 始终未获得有效的流噪声数据。

1.6 热噪声

在大功率发射条件下， 鱼雷自导系统热噪声源主要包括发射机热噪声和声学基阵的热噪声。其中， 针对发射机热噪声抑制的研究， 主要包括热噪声测试、结构优化和散热3方面； 针对声学基阵的热噪声抑制的研究， 主要从热噪声测试、原理分析和散热等多个方面展开。在没有评判标准的条件下， 应当重点关注热噪声对声学基阵的声学性能以及对整个自导系统稳定性、可靠性的影响等方面。

2 鱼雷自导系统减振降噪

2.1 存在的问题

目前， 虽然针对鱼雷自导系统的减振降噪研究已取得一定的成果， 但对自导系统的噪声源识别与评估工作并没有系统的展开。在自导系统背景噪声中， 尚不能确定哪个因素起主导作用， 主要存在以下问题。

2.1.1 电噪声

针对电噪声的研究主要存在以下问题:

1） 对电源输入噪声的抑制能力差， 使用不同的电源系统， 电噪声量级差别较大；

2） 对空间辐射比较敏感， 易受周围其他组件电磁辐射的干扰；

3） 产品设计过程中， 缺少电噪声的分配指标和设计手段；

4） 实验室测试结果和实航试验结果差别较大， 在实验室测试方法上急需改进。

2.1.2 流噪声

流噪声随着雷速急剧增加， 只要推进器空化噪声不明显， 鱼雷在高速运动中， 流噪声在自导系统背景噪声中所占的比重就会增加， 因此， 需要对流噪声的测试、分离、模拟等内容进行深入研究。由于流体线形对流噪声的大小起着决定性作用， 需要对流体线形进行深入研究， 以寻找抑制流噪声的有效途径。

2.1.3 减振器及结构设计

减振器的减振效果与使用环境和频段有关，鱼雷自导用频段在逐渐向低频段移动， 工作深度及壳体强度也在增加， 要实现的功能越来越多，但结构空间不但没有变大， 反而在减小。原有的减振措施已不能很好的满足低频段声学设计要求，需要对低频段鱼雷自导系统声学装置的减振结构做深入研究。

2.1.4 声学材料

声学材料与鱼雷的航深、环境温度和压力等条件有关， 如去耦材料葱皮纸和软木橡胶， 当鱼雷工作在一定深度范围时， 去耦效果较好， 超过了该航深范围， 去耦效果很差； 聚氨酯泡沫塑料（声学基阵骨架材料）， 当环境温度达到 100°以上时， 就会变软， 无法起到支撑作用， 屈服力和减振效果都会大大降低。在静压力超过4 MPa时，聚氨酯泡沫塑料的应变就会变大， 其轴向变形量就超过了鱼雷声学基阵所能承受的范围， 导致声学基阵后退， 导流罩脱落等。

当环境条件恶劣时， 声学材料的性能也会变差， 从而影响自导系统的整体性能及稳定性。为了满足后续产品需求， 需要在去耦材料、承压材料和阻尼材料等方面做更为深入的研究。

2.1.5 漏磁

在鱼雷自导头段空间内， 匹配网络的漏磁对自导系统接收性能的影响越来越明显， 主要原因在于磁芯的气隙越大时， 导磁率会越小， 系统就越稳定，但漏磁会非常严重， 电磁干扰也就越大。虽然在鱼雷产品中也做了大量的补救工作， 但效果并不理想，还需对匹配网络的电磁噪声作深入分析。

2.2 解决途径

针对鱼雷自导系统结构复杂、空间狭小、介质耦合程度高等特点， 要解决鱼雷自导系统的噪声， 需对自导系统的噪声源识别与评估进行深入研究。

2.2.1 建立完善的自导系统减振降噪技术体系

要实现鱼雷自导系统噪声控制， 应改变当前噪声性能被动治理模式（各组件同时开展工作），深入开展对自导系统噪声源识别与评估研究， 建立完整的自导系统减振降噪技术体系， 形成树状结构， 明确各噪声源在鱼雷自导系统背景噪声中所占的比重， 并首先解决重点问题。所有的自导系统组件噪声都应归类到自导系统减振降噪树状结构中， 了解其产生机理、传播途径及大致的治理方向。如自导系统电噪声， 应该深入了解新型低噪声发射机技术、预处理技术、新型收发隔离技术及电磁屏蔽技术， 降低自导系统模拟电路噪声， 从而提高自导系统对电源干扰和空间辐射干扰的抑制能力。

2.2.2 完善试验手段

在开展鱼雷自导系统减振降噪工作的同时，对产品研制具有重要影响的关键技术所需的试验手段也应同步推进， 将有利于技术研究与产品研制的有机结合， 对鱼雷的研制及关键问题突破具有至关重要的作用。

1） 流噪声测试

目前， 针对鱼雷自导头段流噪声的试验研究还停留在循环水槽中进行， 还不能完全模拟鱼雷实航状态下的流噪声。如果采用鱼雷上浮试验以及鱼雷实航状态下通过布置测流噪PVDF薄膜线列阵等手段来进行试验验证， 将对分析研究鱼雷自导系统的背景噪声具有重要意义， 可为自导系统噪声治理奠定基础。

2） 壳体振动噪声测试

壳体是鱼雷自导系统振动噪声重要的传播路径， 自导系统噪声也是通过壳体辐射出去的。由于鱼雷自导系统壳体振动比较复杂， 与自导系统的边界条件、重量、内部结构和测点有很大关系， 就需要对壳体振动噪声测试手段进行研究，从而为鱼雷自导系统壳体振动噪声抑制提供依据，这对开展阻尼壳体、减振结构设计等新技术的研究具有重要意义。

3） 电噪声测试

依据自导系统电噪声特征， 陆上试验就可实现对各组件电噪声的深入分析。因此， 急需完善陆上自导系统电噪声测试手段， 加大实验室建设，深入研究自导系统电噪声测量方法、电干扰注入方法等试验方法研究， 提高实验室测试的有效性。为自导系统电噪声抑制奠定坚实基础。

3 结束语

文中通过对鱼雷自导系统各组件噪声所产生机理的深入分析， 在鱼雷自导系统减振结构设计、电磁噪声控制、自导头段导流罩设计、热噪干扰抑制以及声学材料应用等方面， 已取得技术突破， 完成了自导系统噪声源识别与评估， 建立了自导系统减振降噪树状体系。

目前， 针对鱼雷自导噪声的研究还处于单组件级，未从噪声分配体系、理论分析、试验验证、以及评价考核标准等形成系统的自导噪声研究，因此， 急需开展以下自导噪声的系统研究。

1） 声学装置的低噪声设计与评价。在鱼雷产品设计之初即可根据任务要求对整个声学装置进行综合优化控制， 对声学减振器、声学换能器、匹配网络等各组件的声学结构进行设计和评判，对声学材料的应用进行评估， 从而大大缩短产品的研制周期， 降低研制成本。

2） 自导系统电噪声测试、分析与评判。以鱼雷产品为研究背景， 测试多种产品自导系统电噪声，明确各主要噪声源的信号特征和所占比重， 能够对自导电噪声进行评判， 理清鱼雷自导系统自噪声的控制重点， 为后续产品自导系统电噪声治理指明方向， 并逐步提高自导系统的整体性能。

3） 分析自导系统流体线形对自导系统背景噪声贡献量。通过深入研究自导头段流噪声产生机理，可以掌握水下流体压力脉动噪声的计算及预报方法， 打破自导系统噪声综合治理的被动局面， 为不同类型的鱼雷自导头段流体线形提供参考。

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（责任编辑: 杨力军）

Noise Analysis on Torpedo Homing System with Countermeasures
TIAN Feng-hua， SONG Zhe， ZHANG Kui， WANG Tao， ZHOU Xiao-bo

（The 705 Research Institute， China Shipbuilding Industry Corporation， Xi′an 710077， china）

To improve the overall performance of low-frequency broadband homing system in complex environment， a self-noise technology system of torpedo homing system is established considering the self-noise characteristic of torpedo homing system. The electronic equipment noise， acoustic device magnetic radiation noise， thermal noise， flow noise and structure vibration noise are investigated. The vibration isolation materials and structure designs of high-damping array shell and acoustic array are studied. The influence of flow noise on homing reception performance of torpedo homing system is analyzed. In addition， countermeasures against the vibration and noise reduction of torpedo homing system are offered. This research may provide a reference for design of torpedo homing system with low noise level.

torpedo homing system； self-noise； vibration isolation material； vibration and noise reduction

TJ630.34； TB535

A

1673-1948（2016）04-0260-07

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.04.004

2016-04-21；

2016-05-19.

田丰华（1981-）， 男， 硕士， 高级工程师， 研究方向为鱼雷自导、水声信号及信息处理技术.