[科普中國]-自噪聲

自噪聲是指裝在艦艇、聲吶浮標(biāo)和其他各種船只上的水聽器不可避免地會(huì)接收到由于這些裝載體以及聲吶設(shè)備本身所產(chǎn)生的噪聲。

簡介自噪聲是指裝在艦艇、聲吶浮標(biāo)和其他各種船只上的水聽器不可避免地會(huì)接收到由于這些裝載體以及聲吶設(shè)備本身所產(chǎn)生的噪聲。它與水聽器的指向性、安裝方式及其在船上的位置關(guān)系很大。它是艦用聲吶的一個(gè)重要干擾背景，降低自噪聲是提高聲吶作用距離的途徑之一。自噪聲可分為本艦噪聲和設(shè)備噪聲兩類。一般本艦噪聲比設(shè)備噪聲嚴(yán)重得多1。

聲吶聲吶是利用聲波在水中的傳播特性，探測(cè)海洋中目標(biāo)的方向、位置和特征的設(shè)備。在船舶航行狀態(tài)，為了避免水流對(duì)聲吶基陣的沖擊，減小湍流和抑制空化，不使基陣受到“偽聲”的直接干擾，通常在聲吶基陣外面配置具有良好水動(dòng)力性能的外罩，稱為聲吶罩。聲吶工作時(shí)所受到的聲干擾，是聲吶罩內(nèi)的自噪聲，降低自噪聲級(jí)，可以提高聲吶檢測(cè)信號(hào)的能力，增大聲吶的工作距離2。

自噪聲特征及其預(yù)報(bào)方法研究理論及試驗(yàn)研究表明：高航叇和高頻段，艏部聲吶自噪聲以水動(dòng)力噪聲分量為主，低航速和低顆段，自噪聲以機(jī)橫噪聲和螺旋槳噪聲分量為主，三種噪聲對(duì)自操聲影響的程度以及航速和叛率范圍，取決于船舶的類型、噸位、外形和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、設(shè)備布置以及聲吶罩位置等諸多因素。自噪聲的預(yù)報(bào)除了定量地佑算自噪聲的量毀大小以外，還有深一層的意義，就是通過預(yù)報(bào)掌不同噪聲源對(duì)自噪聲貢獻(xiàn)的大小，確定控制自噪聲的措施及其量化的技術(shù)指標(biāo)。

將聲吶部位自噪聲機(jī)械分量的預(yù)報(bào)定位方法定位在利用實(shí)艇單機(jī)自噪聲測(cè)量數(shù)據(jù)的分析處理之上，用潛艋釩械設(shè)備船體基座處1/30振動(dòng)加速度譜級(jí)和實(shí)艇單機(jī)自噪聲測(cè)量值，利用最小二乘法，導(dǎo)出機(jī)械振動(dòng)至聲吶部位自噪聲的傳遞函數(shù)，利用此傳遞函數(shù)進(jìn)行聲吶部位自噪聲機(jī)械分量的預(yù)報(bào)。從研究的可行性和工程實(shí)用性角度看，傳遞函數(shù)法是較為實(shí)用的方法。

預(yù)報(bào)旋槳直接產(chǎn)生的輻射噪聲及螺旋槳激艇體并通過軸系傳遞至艇體的振動(dòng)是十分困難的，而且難以測(cè)量和驗(yàn)證。實(shí)際上螺旋槳激勵(lì)艇體傳遞振動(dòng)的同時(shí)，艇體也會(huì)產(chǎn)生輻射噪聲，對(duì)聲吶平臺(tái)區(qū)自噪聲產(chǎn)生影響，這更增加了問題的復(fù)雜性。為了使聲吶部位自噪聲螺旋槳分量的預(yù)報(bào)變得可行，通過澘艇艉部墚旋槳自噪來推算聲吶部位自噪聲螺旋槳分量。

聲吶罩內(nèi)水動(dòng)力噪聲的預(yù)報(bào)是一個(gè)流體、結(jié)構(gòu)和聲場(chǎng)相互作用的問題。流體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的端流脈動(dòng)壓力作用在彈性結(jié)構(gòu)上，彈性結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)，其作用就像一個(gè)轉(zhuǎn)換效率較高的換能裝置，將水動(dòng)力能量有效地轉(zhuǎn)換為聲能，在聲吶罩內(nèi)外形成聲場(chǎng)，聲場(chǎng)又反作用于結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)和聲場(chǎng)相互合。因?yàn)橥牧髅}動(dòng)壓力是隨機(jī)的物理參數(shù)，在它的作用下聲吶罩結(jié)構(gòu)振動(dòng)和輻射聲場(chǎng)都是隨機(jī)物理量，所以在建立聲吶自噪聲預(yù)報(bào)的數(shù)學(xué)模型時(shí)，需要采用統(tǒng)計(jì)分析方法。艏部聲吶和舷側(cè)陣聲吶自噪聲的預(yù)報(bào)方法包括彈性平板一矩形腔模型、半解析半試驗(yàn)方法、統(tǒng)計(jì)能量法和波數(shù)法。考慮到水中物體低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，邊界層湍流脈動(dòng)壓力的直接聲輻射也可以忽略不計(jì)。因此，聲吶自噪聲的預(yù)報(bào)，基本上以罩壁結(jié)構(gòu)受湍流脈動(dòng)壓力激勵(lì)產(chǎn)生的噪聲為主。實(shí)際上，通過聲吶自噪聲的水動(dòng)力分量的計(jì)算以及計(jì)算結(jié)果與實(shí)船測(cè)試數(shù)據(jù)的比較，也可以評(píng)估聲吶自噪聲中機(jī)械分量和螺旋漿分量的作用2。

自噪聲控制技術(shù)研究盧吶自噪聲具有多聲源特征，其控制應(yīng)該多個(gè)方面綜合考慮，才能實(shí)現(xiàn)最佳整體聲學(xué)效果。通過一些總體布置方面的措施，渚如聲吶基陣附近不布放或盡量少布放設(shè)備、選用振動(dòng)和空氣嗓聲小的設(shè)備、設(shè)備采用彈性安裝和壁隔聲安裝、罩內(nèi)設(shè)置隔聲和吸聲障板等，可以比較容易地控制機(jī)械噪聲對(duì)聲吶自噪聲的影響。聲吶自噪聲的控制技術(shù)，內(nèi)容包括艦部聲吶罩線形的低噪聲設(shè)計(jì)方法、聲吶罩結(jié)構(gòu)和材料的低噪聲設(shè)計(jì)技術(shù)、舷側(cè)陣柔性涂復(fù)層技術(shù)以及水下聲障板設(shè)計(jì)技術(shù)。

水面艦艇球鼻艏聲吶罩和潛艇艏部廬吶罩，其表面流動(dòng)處于層流向湍流變化的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，也是主要艦載聲吶的安裝部位，有可能也有必要進(jìn)行低噪聲線型設(shè)計(jì)。聲吶罩設(shè)計(jì)的基本要求就是首先保證其有足夠的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)強(qiáng)度，為了平衡聲吶罩的強(qiáng)度、透聲以及噪聲性能，聲吶罩較多地采用蔣殼加肋結(jié)構(gòu)形式。

選合適的聲吶罩結(jié)構(gòu)和材料的目的，是為了降低罩壁結(jié)構(gòu)在水動(dòng)力隨機(jī)力激勵(lì)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，減小水動(dòng)力能量通過殼壁振動(dòng)向聲能轉(zhuǎn)化的效率。而隔離機(jī)楲噪聲和螺旋槳噪聲通過水介質(zhì)傳遞到聲吶罩內(nèi)的隔聲技術(shù)，則是基于“阻抗失配”原理，在聲吶單非透聲界面或者噪聲的傳播途徑上設(shè)置，其聲阻抗與水的特征阻抗相差很大的，并且具有一定阻尼的隔聲或反聲障板聲吶降低噪聲設(shè)計(jì)，主要是針對(duì)水動(dòng)力噪聲的控制技術(shù)，要降低機(jī)械噪聲和螺旋槳噪聲的影響，則需要采取新的措施。這些措施可以概括為：聲吶罩內(nèi)部非透聲界面上布置吸聲材料或吸聲結(jié)構(gòu)、敷設(shè)阻尼材料、設(shè)置反聲或隔聲障板3。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

石季英 - 副教授 - 天津大學(xué)