艦船水下輻射噪聲的控制分析

王曉俠 劉見華

（1.海軍駐上海江南造船（集團）有限責任公司軍事代表室 上海201913；2.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011）

0 引 言

水面艦船作為海軍的重要力量，一直是各海軍強國優先發展的重要裝備之一。但隨著現代戰爭技術，特別是精確制導、電磁（雷達）偵察、紅外探測、水聲探測等現代戰爭綜合探測技術的不斷發展，使得水面艦船的設計發生了巨大改變。水面艦船的綜合隱身能力已成為水面艦船生命力與作戰能力的重要組成部分。在現代戰爭中，艦船被敵人發現即意味著死亡。有關研究表明，艦船水下輻射噪聲增加6 dB，可使敵被動聲納的探測、攻擊距離提高1倍，并使本艦被動聲納探測距離降低50%，從而大幅增加本艦被敵發現的概率，使艦船生命力大幅降低，艦船的作戰性能大打折扣［1］。可見，低輻射噪聲水平是水面艦船聲隱身設計的追尋目標。

聲隱身性是指控制艦船水下輻射噪聲水平，降低聲源強度、使自身難以被發現、跟蹤、識別和攻擊，同時提升自身發現、跟蹤和識別敵方的能力，進而提高艦船的生命力和戰斗力，是艦船的一項重要戰技指標。

1 艦船水下輻射噪聲起因

水面艦船是一個復雜的噪聲源分布體，產生水下輻射噪聲的原因主要有以下三個方面：

（1）螺旋槳噪聲

螺旋槳旋轉運動引起周圍流場變化和壓力波動，產生多種不同機理的噪聲，包括葉片共振時輻射的噪聲、渦流噪聲、唱音和空泡噪聲。空泡噪聲是寬頻且無指向性，噪聲級與艦艇速度的5～6次方成正比。空泡噪聲會使艦船的中高頻輻射噪聲突然增大20 dB以上，成為全船總輻射噪聲中最主要的成分［2］。螺旋槳除本身直接輻射噪聲外，其產生的脈動壓力會激勵船體艉部結構振動并輻射噪聲，嚴重時也占總輻射噪聲的很大成分。另外，螺旋槳推力經軸系中的支撐軸承和推力軸承作用于艇體的交變力，使船體產生強迫振動，并向水中輻射噪聲。當艇體產生共振時，其輻射噪聲級會比螺旋槳噪聲級大許多。

（2）機械噪聲

機械設備和管系通過基座與非支撐件激勵船體振動并向水中輻射噪聲，其大小與機械振動狀況、底座特性、隔振裝置效率等多種因素有關，其噪聲性質以線譜最明顯為特征，處于低頻段，傳播得較遠，是艦艇的主要目標特征信號。此外由機械空氣噪聲激勵而引起的艙室空氣噪聲向水中透射引起的噪聲，其聲級的大小與結構的慣性、剛性和阻尼、以及空氣噪聲級等有關。

（3）水動力噪聲

起伏的水流流過運動著的艦船表面所產生的噪聲。它包括湍流表面層產生的流動噪聲、艇上部分孔穴或附體處的空化、漩渦產生的噪聲，航行艦艇的艇艏、艇艉的拍浪碎波噪聲等。水動力噪聲一般被機械噪聲和螺旋槳噪聲所掩蓋。但如果附體結構或孔穴被激勵而產生諧振，會輻射較強的窄帶線譜噪聲，且相應聲級較高。隨航速增加，水動力噪聲增長很快。

艦船水下輻射噪聲控制的措施基本上是兩條，即振源控制和傳遞途徑控制［3］，具體的艦船聲隱身設計時如何實施，要進行聲平衡設計。

振源控制主要是根據各種噪聲的發生機理，最有效的方法是從源頭上消除產生噪聲的條件和環境，但牽涉面較廣，故需進行艦船的聲隱身頂層設計。傳遞途徑控制主要是針對機械噪聲，在振源的傳遞途徑中增加各種隔振和降噪措施，改變振源的傳遞特性，減小船體振動的幅值，以減小水下輻射噪聲。

2 國外艦船水下輻射噪聲控制情況

國外海軍強國在艦船水下輻射噪聲控制領域起步較早，研究發展至今已經形成了較完善的規范和標準。美國自20世紀60年代末就針對水面艦船的聲隱身工作編制了一套減振降噪的設計施工規范文件，在此基礎上不斷完善并逐步提高減振降噪要求。近代的“阿利·伯克”級驅逐艦是美國水面艦船聲隱身技術發展的較好代表。德國也很早就重視艦艇聲隱身技術，1974年版 《艦艇建造規范》中有獨立的“噪聲控制”部分，1990年版中有“沖擊安全性”、“振動安全性”及“噪聲控制”三大部分，對艦船的聲學性能、戰術技術要求、減振降噪設計原則及施工工藝原則、減振降噪驗收測量方法作了明確的規定，德國F-124級護衛艦和未來型護衛艦FDZ2020均嚴格按照規范設計制造；近年引進的俄羅斯潛艇和水面艦艇可以證實其艦艇的聲隱身技術處于世界先進水平；法國的“拉菲特”級護衛艦、瑞典的“維斯比”隱身護衛艦，西班牙的F-100級護衛艦都采用了先進的減振降噪措施，聲隱身水平很高。

艦船水下輻射噪聲數據歷來都被各國視為核心機密，因此無法準確知道國外艦船水下輻射噪聲的真實情況，只能通過一些資料報道了解到一些情況。

根據有關資料報道，在20世紀70年代，由于美國突破了振動源設備的浮筏隔振技術、大傾斜低噪聲五葉螺旋槳制造技術以及艦艇氣幕降噪技術，并在DD963艦上成功應用，使該艦水下輻射噪聲顯著減小，較同類艦降低25%。當時的國外驅逐護衛艦在18 kn航速時，水下輻射噪聲水平一般控制在170 dB左右；而到90年代，18 kn航速時的水下輻射噪聲總聲級已降至162 dB左右。

此外，我們也了解到國外一些海洋調查船與科學考察船的水下輻射噪聲情況。如北約反潛戰研究中心的“Alliance”號海洋調查研究船，該船排水量約3 100 t，對水下輻射噪聲有嚴格要求，進行聲學設計時采用了大量的減振降噪措施。該船在8 kn航速時，水下輻射噪聲總聲級低于135 dB；12 kn航速時，水下輻射噪聲總聲級低于145 dB。愛爾蘭漁業調查船“Celtic Explore”號用于漁業、地質、海洋環境調查及環境采樣。該船11 kn航速時，水下輻射噪聲總聲級低于145 dB。智利科學考察船在11 kn航速時，水下輻射噪聲總聲級低于138 dB。

國外水面艦船控制水下輻射噪聲一般采取以下幾項主要技術措施：

（1）對于螺旋槳噪聲控制：主要是采用大直徑、低轉速、大傾斜低噪聲可調螺距螺旋槳，且應用螺旋槳氣幕降噪技術；

（2）對于機械噪聲控制：主要是采用單層隔振、雙層隔振、浮筏隔振、阻尼處理等，此外還重視軸系減振和管路隔振，如：與彈性設備連接的管路都需通過撓性接管連接，管路的固定采用彈性吊架等；

（3）對于水動力噪聲的控制：主要是優化船體線型，使船體流線光順，并避免有大的開孔和突出物，以降低流噪聲。

3 我國艦船水下輻射噪聲控制情況

自20世紀80年代，國內已經對艦船的機械振動與輻射噪聲開展了一些理論和試驗研究，并在振動與聲輻射機理研究、艦艇結構振動及其傳遞控制、輻射噪聲控制等方面取得了一定進展。我國在80年代仿照美國軍用標準編制了一些艦船噪聲限值標準和測量標準；從國外引進了采用雙級隔振帶箱裝體的推進柴油機和電站柴油機，單級隔振的燃氣輪機，采用大傾斜調距槳結合艉軸通氣系統等艦船聲學控制措施；并進行艙室空氣噪聲的控制技術研究；對全艦空氣噪聲、結構噪聲和水下輻射噪聲進行了測量，這是我國對水面艦船首次進行聲隱身設計的嘗試，積累了初步的設計經驗。

不過，限于我國的工業水平、經濟實力、控制的力度以及各部門的重視程度，與歐、美、俄等海軍強國相比仍存在較大差距，主要體現在機械工業落后、機電設備振動噪聲大、控制力度不足、各部門對振動噪聲的認知欠缺等方面。20世紀90年代開始，我國陸續對在建的水面艦船提出了明確的噪聲指標要求，各種減振降噪措施也陸續上艦應用。

目前我國水面艦船的聲隱身工作已取得了較大的成效，一些先進的減振降噪技術措施在我國水面艦船也逐漸得到應用。但也應該看到，我國現役水面艦船的噪聲水平整體上與國外還存在差距，值得深思。具體原因可能是多方面的，包括聲學設計的頂層設計還比較欠缺、裝艦設備及系統的振動噪聲大、減振降噪技術措施的應用缺乏系統考慮、實測數據偏少，特別是實測時往往偏重于測試總聲級而忽視對艦上設備振動的測試等。

4 我國水面艦船水下輻射噪聲控制的發展建議

艦船的水下輻射噪聲水平是一個國家整體制造工業綜合實力的體現。如裝艦機械設備的安靜性設計，就受到國家工業基礎和設計水平以及材料、加工工藝的制約，沒有形成安靜性機械設備的設計加工體系，難以滿足艦船聲學控制發展的需要。目前我國艦船的聲隱身能力雖然受工業制造水平的影響非常大，但仍可通過改進設計、綜合采用新的聲隱身技術來降低艦船的水平輻射噪聲。

4.1 加強艦船水下輻射噪聲指標的論證

關于水面艦船水下輻射噪聲指標的確定，既取決于該艦的作戰使命任務，同時也受到減振降噪技術水平的制約，是作戰需求和現實條件的綜合平衡問題。但是目前也存在水下輻射噪聲控制要求與具體艦船的作戰使命任務結合不緊的問題。提高或者降低水下輻射噪聲指標對完成作戰使命任務的影響不能夠完全說清楚，水下輻射噪聲水平降到多少合適、是否是使命任務的需要、其他隱身指標的關系以及減振降噪措施的投入產出關系等還無法合理評定，國內水下輻射噪聲指標的評價體系還不完善。水下輻射噪聲指標要求的考核工況及航速要求與作戰使命任務結合不緊密，如國外反潛水面艦船更關注低航速（安靜航態）下的噪聲控制，充分發揮該航速下艦船水下輻射噪聲水平低的優勢，以滿足戰術對抗的需求。建議今后在論證艦船的水下輻射指標時，應加大這方面的論證工作，盡可能將指標要求和本艦使命任務聯系起來，建立科學、合理、有效的指標評估體系。

4.2 水下輻射噪聲的控制應注重頂層設計

艦船聲隱身設計是一項系統工程，必須強調頂層設計的重要性。水下輻射噪聲指標應該作為艦船的一項重要指標，在設計之初就納入全艦總體設計中，與艦船的其他性能指標一起綜合統籌考慮，然后才是對水下輻射噪聲總指標進行合理的分配、預報、綜合治理等環節。實踐表明，若結束艦船總體設計之后再采取各種減振降噪措施，則大部分情況下只能局部地解決面臨的問題，而且需要的費用也較多。

水下輻射噪聲指標和其他性能指標是密切相關的，因此需要在艦船設計的早期階段就考慮到聲學要求，從源頭、總體、系統的角度進行綜合權衡，如船型的選擇。美國最新的水聲監聽船“無瑕”號采用了小水線面雙體船型，可將大的機電設備布置在甲板上方，以減少機械振動的傳遞；如推進方式的選擇，可以考慮選擇采用電力推進和噴水推進來滿足低噪聲的要求。此外，在艦船設計之初就必須考慮采用減振降噪技術措施所需的排水量、空間及重心的儲備；在艦船總布置上應考慮將振動大的設備集中布置、以便于采用浮筏隔振甚至是艙筏隔振，應考慮將對聲學環境要求高的換能器艙盡可能布置在遠離振動大的區域；優化設計船體線型，艉部線型的優化可改善艉部流場的非均勻性，減輕螺旋槳葉片的工作負荷，實現推進性能和噪聲性能的良好統一，附體線型和水下大開口形式的優化，可減少水動力噪聲；考慮艦船結構聲學設計，避免造成各種振源激勵的共振和放大，船體基座結構進行聲學設計，增大基座輸入機械阻抗，減小振動傳遞。

在總體設計初期就進行上述考慮之后，再應用相關的減振降噪技術措施，可達到事半功倍的效果，有助于水下輻射噪聲指標的實現。

此外，在考慮單層隔振、雙層隔振及浮筏隔振等技術措施時，還必須兼顧考慮艦船的抗沖擊性能。

4.3 加強施工建造過程的控制

聲隱身性能是艦船的一項重要戰技指標。水下輻射噪聲的控制必須貫穿于論證、方案設計、技術設計、施工設計、施工建造、試驗試航、服役使用、維護修理、信息反饋等全壽命過程。

這里著重強調一下在建造階段需要重點加強控制，以保障所采用的減振降噪技術措施能夠按照設計師的意圖順利實施，達到預期的良好效果。在建造階段，制造技術、安裝技術、工藝控制等方面對艦船的聲學特征有著直接的影響，有些減振降噪技術措施對施工方法的要求特別高，在設計圖紙上可能無法準確表達。如隔振器的螺栓緊固力矩的不一致，就可能使設備的安裝不平衡，導致振動加大的情況發生。

4.4 加強振動噪聲測試工作

在進行艦船聲隱身設計的頂層設計時，需要良好的分析和預測能力，而最直接有效和可靠的方法是基于母型船的類比修正方法，而做好該項工作的基礎是需要對母型船的聲學特征有充分的了解，這就需要掌握母型船的實船噪聲測試數據。

由于受多方面因素的限制，目前我國水面艦船的水下輻射噪聲實測數據還比較少，特別是實測時往往偏重于測試總聲級而忽視對裝艦設備的振動測試，導致即使獲得了實測數據，也很難以深入分析各振源的貢獻度，更談不上全面把握艦船的噪聲特性分布規律等。因此，加強實艦的噪聲測量和裝艦設備振動傳遞特性測試將有助于艦船聲隱身技術工作取得更大的實效。

［1］繆旭弘，王振全.艦艇水下噪聲控制技術現狀及發展對策［C］.第十屆船舶水下噪聲學術討論會論文集.2005.

［2］朱英富，張國良.艦船隱身技術［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2003.

［3］侯振寧.艦艇隱身技術的發展現狀［J］.艦船電子對抗，2000，（2）：19-24.