浅析声呐橡胶透声窗导流罩材料的选用

郑华

摘    要：本文通过分析国外橡胶透声罩结构及应用特点，根据透声窗采用橡胶材料的优点，说明主动声呐采用橡胶透声窗导流罩是提高声呐探潜能力的重要措施，具有重要的意义。

关键词：声呐;导流罩;橡胶透声窗

中图分类号：TB564                              文献标识码：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

自本世纪初以来，我海军在较短时间内形成了一支具有更高技术水平和战斗能力的海军力量，为下一阶段履行更艰巨、更复杂的使命任务奠定了坚实的基础。但是主动声呐探潜距离偏近，探潜能力还没有得到实质性提高，在反潜作战特别是探潜方面还存在较为明显的不足，已引起各级部门的高度重视。

透声窗是一种用于保护水下换能器及水听器的重要部件，通常设计成流线型的结构以降低流体噪声[1]对系统的影响，它能够保护声呐基阵不受外来流体的影响，改善船体首部的流体运动特性。设计透声窗时除了要考虑结构强度、线型和耐用性外，最关键的因素是声学特性，尤其是高频条件下的透声特性，这是影响高频声学系统性能的关键因素。

透声窗的声学特性[2]主要表现为插入损失，现在诸多学者对于透声材料的插入损失进行了深入的研究[3]。在低频条件下，由于波长远大于透声材料的厚度，所以传播损失较小;然而在高频条件下，传播损失不可忽略。研究高频条件下如何选取透声窗材料及厚度，使得透声窗具有最佳透声特性是一个重要的问题。

探测潜艇和水面船体最常用的方法，是通过检测其在运动区域产生的噪声，称之为被动声呐;或其经过外壳反射后的声波脉冲，称之为主动声呐。被动声呐和主动声呐好比潜艇的耳目，用来搜索其它潜艇和水面船只。

提高主动声呐探潜能力是一个十分复杂的系统工程，受多方面因素制約：从技术层面上分析，降低声呐导流罩透声损失是提高声呐探测距离的有效方法。声呐导流罩是保护声呐、降低流阻的重要装备，但自从主动声呐问世以来，长期难以解决的问题是导流罩的强度和透声性难以兼容。目前对声呐导流罩橡胶透声窗材料的研究工作在国内尚未很好开展，该研究具有创新性和紧迫性，深入开展该项研究工作是十分必要的。

本文从橡胶透声罩的结构、安装、应用特点、声呐导流罩线型选取四个方面概述透声窗采用橡胶材料的优点，说明了主动声呐采用橡胶透声窗导流罩是提高声呐探潜能力的重要举措。

2     国外声呐橡胶透声罩结构及应用特点分析

在实际应用中，可以用作透声材料的品种很多：橡胶、塑料、木材、陶瓷和粘滞液体等。其中，使用橡胶作为透声材料有着许多优点，国内外水声工作者多年来对它做了大量的研究工作。包括天然橡胶（NR）、氯丁橡胶（CR）、丁基橡胶（HR）和聚氨酯橡胶（PU）等诸多种类的橡胶材质，通过合理的配方设计能够将其制成性能良好的透声材料，完成透射声波的功能，与此同时，橡胶还兼具有密封防水的性能。

早期的声呐透声罩一般采用不锈钢材料，此后普遍改用玻璃钢材料，它具有易于成型、价格便宜、维修方便、透声性好等优点。虽然玻璃钢比不锈钢的阻尼因子约大一个数量级，但它仍是一种受激振动响应较大的材料，在表面湍流脉动激励下会产生较大的自噪声。

由于橡胶的声阻抗和海水接近，满足声学性能要求，且橡胶具有良好的密封、防水等性能，适合用作透声材料[4]。如表1所列，在适合作为声呐导流罩的不锈钢、玻璃钢、钛合金和增强橡胶四类透声材料中，橡胶材料的透声性最好，玻璃钢次之、钛合金较次、不锈钢最差。

由表1可知：由于橡胶材料可人为做到与海水特性阻抗十分接近，声波几乎可以无损耗地全部透过，所以本项目以橡胶材料为对象开展其透声及力学等性能研究。

最早的橡胶类透声材料是1927年美国古德异奇橡胶公司研制的牌号为RHO-C的水声透水橡胶。该材料采用天然橡胶为基材，利用适当尺寸的玻璃空心微珠以特定填充密度与橡胶混合，形成一种新型复合材料。这种复合材料的密度和声阻抗与海水相近，而且具有很高的硬度，满足了大型深水自导鱼雷换能器和大型潜艇声呐导流系统发展的需要[9]，随后被美国海军所采用。

美国球鼻首声呐导流罩的发展，经历了不锈钢、玻璃钢和橡胶透声窗导流罩三个阶段。尽管橡胶的透声性好，但因其强度低并不能解决强度和透声性相兼容的问题。上个世纪六十年代末，美国巧妙地将金属导流罩结构的高强度与橡胶材料的高透声性相结合，研制出强度与透声性俱佳的橡胶透声窗导流罩，并应用到其后来建造的所有驱逐舰上，保证了主动声呐探测能力的正常发挥，见图1。

通过探潜试验结果对比，橡胶透声窗的优势得到了充分体现：

（1）装有橡胶透声窗的DE-1052船，汇聚区探测宽度比安装不锈钢透声窗的DE-1087船大4倍;

（2）DE-1052船的声呐发射声脉冲与回声之比达到80%，而DE-1087船不到50%。自1972年以后，美国海军先后研制的“斯普鲁恩斯”级驱逐舰、“提康德罗加”级巡洋舰、“佩斯”级护卫舰、“阿利·伯克”级驱逐舰全部采用了橡胶透声窗，使低频大孔径声呐的性能得到充分发挥，美国海军主动声呐的探潜能力一直处在世界最强的地位。

美国现役巡洋舰、驱逐舰采用的声呐导流罩优良外形、橡胶透声窗和声呐平台自噪声控制这三种措施均集中在球鼻首声呐部位，对声呐探测距离最为直接和有效。在上述三种降低声呐平台自噪声的措施中，声呐导流罩采用橡胶透声窗是最重要的技术，首先橡胶透声窗的透声损失很小，可直接提高声呐的探测距离;其次，橡胶透声窗无内部肋骨，可有效减少和抑制近场声干扰，提高声呐的目标识别能力;另外，橡胶透声窗为弹性材料，可有效抑制透声窗的受激声辐射。

3    声呐导流罩线型选取及橡胶透声窗安装

现代护卫舰在船体舷底部一般会装配有声呐基阵，并使用导流罩对声呐基阵加以保护。为了提高声呐的信噪比，并以此提高艇舷声呐基阵的探测能力，对声呐导流罩的要求包括：

（1）制作材质应具有良好声透性;

（2）外形设计应具有良好声学特性线型。

声呐导流罩一般设计为球鼻首型，并突出于船体。在航行时，这种突出船体的设计附近会形成噪声辐射，这种直接作用于声呐导流罩的噪声即为流噪声。流噪声虽然只占总辐射噪声的很小一部分，但它会增加艇舷声呐基阵所收到的背景噪声，严重影响声呐的信噪比。实验表明：在一定的航速下，声呐导流罩附近所产生的流噪声的大小完全取决于导流罩的尺度与线型;同时，通过改进优化导流罩的尺度与线型，也能对减小流体阻力有着直接的影响。

橡胶透声窗主要用于提高声呐的探测距离。本文将声呐导流罩作为原型，通过理论与船模试验研究，对声呐导流罩尺寸及线型进行优化改进，使之能够在流体阻力、流噪声保持不变情况下，大幅度增大声呐导流罩的外形尺寸，为未来安装低频大孔径声呐基阵创造必要条件;并考虑用橡胶透声窗取代原型导流罩的钛合金透声窗，借助改进型声纳导流罩线型优化研究结果，基于数值仿真计算理论与CFD技术，对原型导流罩与改进型导流罩的外形尺寸进行分析，并根据声纳基阵的大致尺寸在声纳导流罩上嵌入橡胶透声窗，对改进型声纳导流罩橡胶透声窗的力学性能进行仿真计算，以指导各种橡胶透声窗材料样品及结构设计的合理性，在原有设计的基础上提高声呐的探测距离，减少和抑制近场声干扰，提高声呐的目标识别能力，抑制透声窗的受激声辐射。

本文借助改进型声呐导流罩线型优化设计研究结果，并根据声呐基阵的大致尺寸在声呐导流罩上嵌入橡胶透声窗，对改进型声呐导流罩橡胶透声窗的力學性能进行仿真计算，以指导、评价和确定本研究中各种橡胶透声窗材料样品及结构设计的合理性。

图3、图4为原型声纳导流罩与线型优化后的导流罩的线型图;图5、图6为原型与线型优化后的声纳导流罩船模。由图3、图4可见：经线型优化后的声呐导流罩的宽度与高度较原型有了明显的增大，为安装大孔径低频声呐基阵创造了必要条件。

图7为橡胶透声窗在声呐导流罩上的安装区域及尺寸，主要考虑了低频大孔径声呐基阵（初步考虑基阵直径3 m）的尺寸及基阵的探测扇面角（初步考虑探测扇面从首向的0°向左右各150°，后部的±30°作为声呐探测盲区）。橡胶透声窗的平面尺寸大致为单边长7 m、高度1.8 m。

4    结语

综上所述，橡胶透声窗具有最低的透声损失，并且透声窗结构的内表面光顺、无肋骨，对消除近场杂乱声反射和提高声呐探测能力十分有利，具有提高声呐的探测距离、减少和抑制近场声干扰、提高声呐的目标识别能力和抑制透声窗的受激声辐射等优点;主动声呐采用橡胶透声窗，通过对声呐导流罩尺寸及线型进行优化改进设计，大幅度增大声呐导流罩的外形尺寸，为未来安装低频大孔径声呐基阵创造必要条件，是提高声呐探潜能力的重要举措，具有重要的意义。

参考文献

[1]俞孟萨，李东升.声呐罩夹芯式透声窗的声学设计[J].声学学报，      2005;30（5）：427-434.

[2] Lee S J ， Yoon S W . Acoustic characteristics of composite materials as acoustic       window at oblique incidence of sound waves[J]. Current Applied Physics，       2010， 10（2）：381-385.

[3] Lee J H ， Kim B N ， Shin K K ， et al. Insertion loss of sound waves through      composite acoustic window materials[J]. current applied physics， 2010， 10    （1）：138-144.

[4]王东生.橡胶在水声系统中的应用[J].橡胶工业，1996（08）：494-497.