淺析聲吶橡膠透聲窗導流罩材料的選用

鄭華

摘 ? ?要：本文通過分析國外橡膠透聲罩結構及應用特點，根據透聲窗采用橡膠材料的優點，說明主動聲吶采用橡膠透聲窗導流罩是提高聲吶探潛能力的重要措施，具有重要的意義。

關鍵詞：聲吶;導流罩;橡膠透聲窗

中圖分類號：TB564 ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：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

自本世紀初以來，我海軍在較短時間內形成了一支具有更高技術水平和戰斗能力的海軍力量，為下一階段履行更艱巨、更復雜的使命任務奠定了堅實的基礎。但是主動聲吶探潛距離偏近，探潛能力還沒有得到實質性提高，在反潛作戰特別是探潛方面還存在較為明顯的不足，已引起各級部門的高度重視。

透聲窗是一種用于保護水下換能器及水聽器的重要部件，通常設計成流線型的結構以降低流體噪聲[1]對系統的影響，它能夠保護聲吶基陣不受外來流體的影響，改善船體首部的流體運動特性。設計透聲窗時除了要考慮結構強度、線型和耐用性外，最關鍵的因素是聲學特性，尤其是高頻條件下的透聲特性，這是影響高頻聲學系統性能的關鍵因素。

透聲窗的聲學特性[2]主要表現為插入損失，現在諸多學者對于透聲材料的插入損失進行了深入的研究[3]。在低頻條件下，由于波長遠大于透聲材料的厚度，所以傳播損失較小;然而在高頻條件下，傳播損失不可忽略。研究高頻條件下如何選取透聲窗材料及厚度，使得透聲窗具有最佳透聲特性是一個重要的問題。

探測潛艇和水面船體最常用的方法，是通過檢測其在運動區域產生的噪聲，稱之為被動聲吶;或其經過外殼反射后的聲波脈沖，稱之為主動聲吶。被動聲吶和主動聲吶好比潛艇的耳目，用來搜索其它潛艇和水面船只。

提高主動聲吶探潛能力是一個十分復雜的系統工程，受多方面因素制約：從技術層面上分析，降低聲吶導流罩透聲損失是提高聲吶探測距離的有效方法。聲吶導流罩是保護聲吶、降低流阻的重要裝備，但自從主動聲吶問世以來，長期難以解決的問題是導流罩的強度和透聲性難以兼容。目前對聲吶導流罩橡膠透聲窗材料的研究工作在國內尚未很好開展，該研究具有創新性和緊迫性，深入開展該項研究工作是十分必要的。

本文從橡膠透聲罩的結構、安裝、應用特點、聲吶導流罩線型選取四個方面概述透聲窗采用橡膠材料的優點，說明了主動聲吶采用橡膠透聲窗導流罩是提高聲吶探潛能力的重要舉措。

2 ? ? 國外聲吶橡膠透聲罩結構及應用特點分析

在實際應用中，可以用作透聲材料的品種很多：橡膠、塑料、木材、陶瓷和粘滯液體等。其中，使用橡膠作為透聲材料有著許多優點，國內外水聲工作者多年來對它做了大量的研究工作。包括天然橡膠（NR）、氯丁橡膠（CR）、丁基橡膠（HR）和聚氨酯橡膠（PU）等諸多種類的橡膠材質，通過合理的配方設計能夠將其制成性能良好的透聲材料，完成透射聲波的功能，與此同時，橡膠還兼具有密封防水的性能。

早期的聲吶透聲罩一般采用不銹鋼材料，此后普遍改用玻璃鋼材料，它具有易于成型、價格便宜、維修方便、透聲性好等優點。雖然玻璃鋼比不銹鋼的阻尼因子約大一個數量級，但它仍是一種受激振動響應較大的材料，在表面湍流脈動激勵下會產生較大的自噪聲。

由于橡膠的聲阻抗和海水接近，滿足聲學性能要求，且橡膠具有良好的密封、防水等性能，適合用作透聲材料[4]。如表1所列，在適合作為聲吶導流罩的不銹鋼、玻璃鋼、鈦合金和增強橡膠四類透聲材料中，橡膠材料的透聲性最好，玻璃鋼次之、鈦合金較次、不銹鋼最差。

由表1可知：由于橡膠材料可人為做到與海水特性阻抗十分接近，聲波幾乎可以無損耗地全部透過，所以本項目以橡膠材料為對象開展其透聲及力學等性能研究。

最早的橡膠類透聲材料是1927年美國古德異奇橡膠公司研制的牌號為RHO-C的水聲透水橡膠。該材料采用天然橡膠為基材，利用適當尺寸的玻璃空心微珠以特定填充密度與橡膠混合，形成一種新型復合材料。這種復合材料的密度和聲阻抗與海水相近，而且具有很高的硬度，滿足了大型深水自導魚雷換能器和大型潛艇聲吶導流系統發展的需要[9]，隨后被美國海軍所采用。

美國球鼻首聲吶導流罩的發展，經歷了不銹鋼、玻璃鋼和橡膠透聲窗導流罩三個階段。盡管橡膠的透聲性好，但因其強度低并不能解決強度和透聲性相兼容的問題。上個世紀六十年代末，美國巧妙地將金屬導流罩結構的高強度與橡膠材料的高透聲性相結合，研制出強度與透聲性俱佳的橡膠透聲窗導流罩，并應用到其后來建造的所有驅逐艦上，保證了主動聲吶探測能力的正常發揮，見圖1。

通過探潛試驗結果對比，橡膠透聲窗的優勢得到了充分體現：

（1）裝有橡膠透聲窗的DE-1052船，匯聚區探測寬度比安裝不銹鋼透聲窗的DE-1087船大4倍;

（2）DE-1052船的聲吶發射聲脈沖與回聲之比達到80%，而DE-1087船不到50%。自1972年以后，美國海軍先后研制的“斯普魯恩斯”級驅逐艦、“提康德羅加”級巡洋艦、“佩斯”級護衛艦、“阿利·伯克”級驅逐艦全部采用了橡膠透聲窗，使低頻大孔徑聲吶的性能得到充分發揮，美國海軍主動聲吶的探潛能力一直處在世界最強的地位。

美國現役巡洋艦、驅逐艦采用的聲吶導流罩優良外形、橡膠透聲窗和聲吶平臺自噪聲控制這三種措施均集中在球鼻首聲吶部位，對聲吶探測距離最為直接和有效。在上述三種降低聲吶平臺自噪聲的措施中，聲吶導流罩采用橡膠透聲窗是最重要的技術，首先橡膠透聲窗的透聲損失很小，可直接提高聲吶的探測距離;其次，橡膠透聲窗無內部肋骨，可有效減少和抑制近場聲干擾，提高聲吶的目標識別能力;另外，橡膠透聲窗為彈性材料，可有效抑制透聲窗的受激聲輻射。

3 ? ?聲吶導流罩線型選取及橡膠透聲窗安裝

現代護衛艦在船體舷底部一般會裝配有聲吶基陣，并使用導流罩對聲吶基陣加以保護。為了提高聲吶的信噪比，并以此提高艇舷聲吶基陣的探測能力，對聲吶導流罩的要求包括：

（1）制作材質應具有良好聲透性;

（2）外形設計應具有良好聲學特性線型。

聲吶導流罩一般設計為球鼻首型，并突出于船體。在航行時，這種突出船體的設計附近會形成噪聲輻射，這種直接作用于聲吶導流罩的噪聲即為流噪聲。流噪聲雖然只占總輻射噪聲的很小一部分，但它會增加艇舷聲吶基陣所收到的背景噪聲，嚴重影響聲吶的信噪比。實驗表明：在一定的航速下，聲吶導流罩附近所產生的流噪聲的大小完全取決于導流罩的尺度與線型;同時，通過改進優化導流罩的尺度與線型，也能對減小流體阻力有著直接的影響。

橡膠透聲窗主要用于提高聲吶的探測距離。本文將聲吶導流罩作為原型，通過理論與船模試驗研究，對聲吶導流罩尺寸及線型進行優化改進，使之能夠在流體阻力、流噪聲保持不變情況下，大幅度增大聲吶導流罩的外形尺寸，為未來安裝低頻大孔徑聲吶基陣創造必要條件;并考慮用橡膠透聲窗取代原型導流罩的鈦合金透聲窗，借助改進型聲納導流罩線型優化研究結果，基于數值仿真計算理論與CFD技術，對原型導流罩與改進型導流罩的外形尺寸進行分析，并根據聲納基陣的大致尺寸在聲納導流罩上嵌入橡膠透聲窗，對改進型聲納導流罩橡膠透聲窗的力學性能進行仿真計算，以指導各種橡膠透聲窗材料樣品及結構設計的合理性，在原有設計的基礎上提高聲吶的探測距離，減少和抑制近場聲干擾，提高聲吶的目標識別能力，抑制透聲窗的受激聲輻射。

本文借助改進型聲吶導流罩線型優化設計研究結果，并根據聲吶基陣的大致尺寸在聲吶導流罩上嵌入橡膠透聲窗，對改進型聲吶導流罩橡膠透聲窗的力學性能進行仿真計算，以指導、評價和確定本研究中各種橡膠透聲窗材料樣品及結構設計的合理性。

圖3、圖4為原型聲納導流罩與線型優化后的導流罩的線型圖;圖5、圖6為原型與線型優化后的聲納導流罩船模。由圖3、圖4可見：經線型優化后的聲吶導流罩的寬度與高度較原型有了明顯的增大，為安裝大孔徑低頻聲吶基陣創造了必要條件。

圖7為橡膠透聲窗在聲吶導流罩上的安裝區域及尺寸，主要考慮了低頻大孔徑聲吶基陣（初步考慮基陣直徑3 m）的尺寸及基陣的探測扇面角（初步考慮探測扇面從首向的0°向左右各150°，后部的±30°作為聲吶探測盲區）。橡膠透聲窗的平面尺寸大致為單邊長7 m、高度1.8 m。

4 ? ?結語

綜上所述，橡膠透聲窗具有最低的透聲損失，并且透聲窗結構的內表面光順、無肋骨，對消除近場雜亂聲反射和提高聲吶探測能力十分有利，具有提高聲吶的探測距離、減少和抑制近場聲干擾、提高聲吶的目標識別能力和抑制透聲窗的受激聲輻射等優點;主動聲吶采用橡膠透聲窗，通過對聲吶導流罩尺寸及線型進行優化改進設計，大幅度增大聲吶導流罩的外形尺寸，為未來安裝低頻大孔徑聲吶基陣創造必要條件，是提高聲吶探潛能力的重要舉措，具有重要的意義。

參考文獻

[1]俞孟薩，李東升.聲吶罩夾芯式透聲窗的聲學設計[J].聲學學報，? ? ? 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]王東生.橡膠在水聲系統中的應用[J].橡膠工業，1996（08）：494-497.