淺析水下武器發射噪聲的生成及控制

張振山, 程廣濤

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淺析水下武器發射噪聲的生成及控制

張振山1, 程廣濤2

(1. 海軍工程大學 兵器工程系, 湖北 武漢, 430033; 2.中國人民解放軍 92373部隊, 遼寧 大連, 116001)

水下武器發射過程會產生較強的沖擊振動噪聲, 影響發射平臺的隱身性能, 從而降低作戰效能。本文對水下武器發射噪聲的產生及其傳播過程進行了分析, 探討了水下發射噪聲的生成機理以及降噪工作的主要研究方向。特別對武器發射管口附近噴流噪聲的產生進行了研究, 提出了控制發射噪聲源的一些思路, 可為進一步研究發射噪聲提供參考。

水下武器; 發射裝置; 噪聲控制

0 引言

機械噪聲、螺旋槳噪聲以及流噪聲是潛艇航行時的主要噪聲源, 被認為是破壞潛艇隱蔽性的最大殺手, 受到了各國海軍的高度重視, 其噪聲生成機理研究、噪聲預報、振動噪聲控制的研究都已取得了相當不錯的成果。隨著各種噪聲控制成果的應用, 潛艇的輻射噪聲級正逐年下降, 而發射噪聲的影響正日益突出, 成為降低潛艇生命力與戰斗力的頑疾。發射噪聲持續時間非常短, 但其源級較大, 會為敵方提供捕捉發射艇的機會, 為敵方規避及對抗我方攻擊武器提供時間, 故降低發射噪聲是發射裝置設計研究必須考慮和解決的主要問題之一[1]。掌握其噪聲的產生機理并控制輻射噪聲能級是潛艇結構及發射裝置設計的核心問題。武器發射噪聲源特性以及噪聲譜相關知識是進行噪聲控制的基礎。要想對振動及噪聲控制進行數學上的解釋, 必須要了解發射過程中輻射噪聲產生的原理, 通過對影響發射過程輻射噪聲的各種因素的分析, 揭示武器發射噪聲的形成機理。

1 水下噪聲的產生與傳播

由連續性方程、動力學方程以及物態方程3個方程可以推導獲得3D波動方程[2]

通過聯立連續性方程與運動方程可獲得具有體源、力源和切變應力源聲發生的普遍方程, 即廣義希爾方程[3]

式(2)前2項為非平穩質量流, 其作用與一個單極子相當。第3項為施加在某些界面上的非平穩力的散度, 具有偶極子的性質。第4項代表流體本身的湍流應力, 具有四極子性質。希爾方程描繪了聲的產生問題, 從發聲機理的角度給出了聲音產生過程的數學解釋。根據波動方程與希爾方程就可以從生成機理上進一步研究水下噪聲源的問題。聲波的傳播是彈性介質(氣體、液體和固體)中傳播的壓力、應力、質點運動等的一種或多種變化。在流體介質中, 引起非平穩壓力場的任何過程都會產生聲波。而引起非平穩壓力場的物理過程包括界面的振動或脈動、作用在流體的非平穩力、流體的湍流運動以及振蕩的溫度。每種噪聲源在微觀上都可以歸結為某1階多極子聲源, 至少在數學上可以如此簡化。艦艇、潛艇和魚雷輻射噪聲以及水下武器發射噪聲的許多重要聲源是流體動力性質的, 與通過航行器或穿過管道的流體運動有關。流體動力源可按主要發聲機理來分類: 表征為單極子的體積變化,表征為偶極子的振蕩力和小物體的振動運動, 以及表征為四極子的自由湍流。

2 武器發射噪聲的產生與傳遞

由于水下武器發射過程持續時間較短, 一般在數秒內就完成了發射, 因此發射噪聲屬于瞬態噪聲的范疇。其突出特點就是成分復雜、持續時間非常短, 而噪聲能量較大, 大大影響了潛艇的隱蔽性。

2.1 水下發射武器噪聲源

潛艇在水下發射武器時噪聲源比較多, 傳統上可以分為三大類: 機械噪聲, 流體噪聲以及空化噪聲[4]。機械噪聲包括機械沖擊噪聲、振動噪聲與摩擦噪聲。沖擊噪聲是由于運動部件之間因加速或減速時相互沖擊而產生的噪聲, 以及由于工質做功對固定部件(發射管及其氣水缸)反作用力產生的噪聲; 機械振動噪聲是發射過程中, 其他噪聲源傳遞到發射管管體、潛艇艇殼等部件的振動引起的; 摩擦噪聲是發射過程中機械零件之間互相高速運動, 彼此摩擦而產生的。以氣動液壓平衡式發射裝置為例, 主要機械噪聲源包括魚雷離艇時與發射管之間擠碰引起的噪聲, 發射過程中氣、液缸活塞與各自缸體相互作用引起的噪聲, 汽缸活塞在行程末端與黃銅緩沖片的撞擊聲, 由于發射沖擊力的作用引起的結構噪聲, 發射水流引起的管口附近殼體的結構振動噪聲, 以及各種運動組件與接觸面之間的摩擦噪聲等。

流體噪聲包括氣動噪聲及海水流動噪聲。發射過程中一個非常重要的噪聲源是高壓空氣注入氣缸或發射管內產生的較強噴注噪聲。以高壓氣作為發射工質的發射裝置, 發射完畢后氣缸內氣體排到艙室內, 由于流體中氣體與固體邊界之間相互作用會發出較強輻射噪聲; 海水流動噪聲是由于在發射過程中水流的突然加速或減速造成的水流之間、水流與周圍固體邊界之間產生的水擊噪聲; 發射過程中高壓空氣與海水運動都會產生紊流噪聲, 它是流體在紊流流動中由于介質振動而引發的噪聲。空化噪聲是由于在發射過程中, 因發射水流在流道口下游的局部區域形成負壓, 當負壓低于當地空泡壓力時會產生空泡現象, 從而生成空泡噪聲。

2.2 氣動型武器噴注噪聲及沖擊噪聲

就某型武器發射裝置而言, 其工作時的主要噪聲源包括發射過程噴注噪聲、發射過程沖擊激勵引起的結構噪聲以及管口噴流噪聲。高壓氣體進入氣缸時的噴注噪聲是武器發射過程中重要的噪聲源之一, 高壓氣進入氣缸中壓力急劇升高, 這種壓力迅速變化生成的噪聲即噴注噪聲[5]。作用于氣缸頭和活塞頂部引起捶擊作用, 激勵了沖 擊結構噪聲。噴射氣流會激起氣缸壁與活塞的結構振動, 同時加壓海水也會激起液缸壁的結構振動, 這些結構振動傳遞會產生較大的噪聲。對這類噪聲的控制應該關注氣瓶與氣缸之間的管路及控制閥件的改進。

更為重要的是, 發射過程中活塞組件受力的同時, 通過氣缸及液缸在艇體上的固定支撐, 會對艇體產生沖擊力, 激起隔板的結構振動, 傳遞到殼體引發較大的輻射噪聲。這類沖擊噪聲生成的機理是沖擊引發結構振動, 結構振動傳遞到外殼體產生輻射噪聲。利用沖擊激勵下的機械振動響應理論可以解決這類問題。傳統的武器發射裝置都是剛性固聯到艇體上, 沒有考慮振動沖擊的影響, 而國外先進潛艇設計理念中, 出于潛艇安靜性角度考慮, 已經嚴格禁止這類剛性聯結。對這類沖擊問題可以通過斷開能量傳遞路徑的方法進行思考。采用阻尼沖擊隔離器可以消耗主要的可傳遞沖擊能量。

發射結束到回程階段, 要重點考慮活塞組件的減速緩沖問題以及氣缸內氣體排入艙室的消音問題。活塞組件在發射末端水缸活塞以一定速度慣性前行, 依靠水缸特形孔的設計利用流體進行一定的緩沖, 配合紫銅墊片完成緩沖。可以考慮進一步優化緩沖設計思路, 增加緩沖的效果, 減少剛性接觸。由于采用的動力方式為高壓氣做功, 且作用時間短, 排氣噪聲的產生是不可避免的。但進一步優化高壓氣體排入艙室時的消音設計, 可以降低排氣噪聲, 除了取得對外輻射降噪效果外還可以實現對艇員工作環境的改善。

2.3 發射管內及其管口噪聲

武器發射裝置發射管內噪聲的控制。加壓海水做功將武器發射出管的過程中, 通過發射管管體會對潛艇形成較大的沖擊力,形成較大的結構振動, 激發耐壓殼體的振動, 產生較大的輻射噪聲。降低這類噪聲的解決辦法可考慮對管體與艇體之間進行非剛性連接以及阻尼隔振措施,對內外殼體在發射管區域增加加強筋。一個比較好的方法是利用阻尼沖擊隔離器消耗沖擊能量, 減少向外傳遞的振動能量, 從而有效地控制輻射噪聲的產生。

管口射流沖擊噪聲的生成方式。發射過程中,不僅管內海水會產生流動噪聲,當武器出管后,隨武器運動的海水會對非耐壓殼體形成沖擊射流,激發出較大的噪聲, 而傳統的發射裝置對這種射流沖擊未進行處理, 如圖1所示。射流沖擊激勵內外殼體成為雷彈發射噪聲的重要噪聲源之一。圖2給出了某型發射裝置發射管前蓋與減阻板的連接關系圖, 由圖可知, 前蓋至減阻板之間有一定的長度空間, 射流對這一區域空間及其附屬部件影響還是比較大的。通過研究發射裝置管口的射流物理狀態, 分析噪聲形成的機理。形成振動激勵力。通過射流的速度分布及其應力變化情況可以研究相應的噪聲產生狀況, 并可以在此基礎上對管體機構進行優化, 如可以研究射流的導流機構及其在殼體上加肋以減小發射時內外殼體受到的沖擊及由此引發的噪聲。

圖1 發射管前端示意圖

圖2 發射裝置1#發射管與減阻板聯結關系圖

如圖3所示為發射裝置管口流場速度場分布云圖(仿真是對理想單管狀態進行的, 實際發射裝置有6根發射管)。研究表明, 沖擊射流噪聲成為發射噪聲的重要組成部分, 是由于射流出管時對非耐壓殼體的沖擊, 由管口出發的運動海水與靜介質接觸, 不斷產生旋渦并向靜止流體中推進, 因而射流不斷變寬, 射流邊緣在外殼板上反射形成壓力場, 當噴射旋渦到達外殼板時就成為反饋信號, 使射流中的擾動增加, 噴射旋渦隨射流通過外管口再發生反射, 循環不斷, 因而產生較大噪聲。當射流運動到非耐壓殼體附近時, 已經發展出向兩側擴展的漩渦, 其作用于非耐壓殼體形成振動激勵力。當這種激勵形成一種正反饋的過程后, 影響力會大大加強。通過射流的速度分布及其應力變化情況可以研究相應的噪聲產生狀況, 并可在此基礎上對管體機構進行某些優化, 如可以研究射流的導流機構及其在殼體上加肋以減小發射時內外殼體受到的沖擊及由此引發的噪聲。

圖3 發射管水放管口流場仿真效果圖

3 結束語

發射噪聲是影響武器發射時平臺聲隱身性能的重要因素, 對武器攻擊效果及平臺生存能力產生重大影響。總體來講, 發射噪聲源包括三類:機械噪聲, 流體噪聲以及空化噪聲。控制武器發射噪聲是提高裝備戰斗力的重要途徑之一, 因而研究發射噪聲的生成機理意義重大。本文初步分析了水下武器發射噪聲的產生及傳播, 對武器發射時管口區域產生的噪聲進行了初步探討, 但還有待進一步深入研究。

[1] 劉家銓. 魚雷發射裝置概論[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學出版社, 2003:131-146.

[2] 李克孚, 喬汝椿. 國外潛艇魚雷發射裝置的發展[J]. 魚雷技術, 1998, 6(3): 1-9.

[3] 羅斯. 水下噪聲原理[M]. 北京: 海洋出版社, 1983.

[4] 程廣濤, 張振山. 對潛用武器發射裝置發射噪聲控制研究的思考[J]. 魚雷技術, 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] 程廣濤, 張振山. 氣動液壓平衡式水下武器發射系統噴注噪聲研究[J]. 船舶力學, 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.

張振山(1959-), 男, 教授, 博士生導師, 主要研究方向為魚雷熱動力及魚雷發射裝置.

(責任編輯: 許 妍)