王京齊 楊衛(wèi)東 朱春景 施生達(dá)

（海軍工程大學(xué)船舶與動力學(xué)院1） 武漢 430033） （海軍92337部隊2） 大連 116023）（海軍駐南京地區(qū)航天機電系統(tǒng)代表室3） 南京 210003）

1 潛艇噪聲組成及特性

潛艇噪聲包括在空氣介質(zhì)中產(chǎn)生的空氣噪聲，在水介質(zhì)中產(chǎn)生的水噪聲.潛艇水噪聲又分為潛艇的輻射噪聲和自噪聲.

潛艇自噪聲是安裝在潛艇某部位上的全向水聽器接收到的、由于本艇自身動力裝置、設(shè)備等的工作和潛艇運動所引起的水中噪聲.自噪聲是由潛艇自身因素決定的參數(shù)，是潛艇上安裝的聲吶及水聲設(shè)備的干擾源之一，是艇載主、被動聲吶背景噪聲的一部分，它嚴(yán)重限制聲吶對目標(biāo)的探測能力.

潛艇的噪聲通常由機械噪聲、螺旋槳噪聲和水動力噪聲3部分迭加而成.

1.1 機械噪聲

機械噪聲是由潛艇上的各種機械設(shè)備、管路系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲.潛艇上機械設(shè)備繁多，包括用于使?jié)撏Ш叫械闹鳈C（如柴油機、主電機、汽輪機、經(jīng)航電機等）及其配套的推進(jìn)裝置（如軸系等）以及各種輔助機械.這些機械在運動過程中產(chǎn)生振動，通過底座或支架傳遞到船體，激勵船體振動并向水中輻射噪聲聲波.此外，艙室空氣噪聲激勵艇體振動產(chǎn)生水下噪聲，通海管路中的流體脈動也向水中輻射噪聲.機械設(shè)備產(chǎn)生的噪聲，往往含有系統(tǒng)轉(zhuǎn)動頻率及其諧波分量的窄帶信號.

機械設(shè)備產(chǎn)生的噪聲是潛艇低速巡航時最主要的噪聲源.控制和減小潛艇機械噪聲是潛艇實現(xiàn)安靜化的重要環(huán)節(jié).

1.2 螺旋槳噪聲

螺旋槳噪聲是槳在非均勻流場中旋轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生的噪聲，包括螺旋槳空化噪聲、螺旋槳旋轉(zhuǎn)和槳葉振動等所產(chǎn)生的噪聲.理論研究與試驗研究結(jié)果表明，螺旋槳的空泡現(xiàn)象是螺旋槳噪聲的主要原因，因此，要降低螺旋槳噪聲應(yīng)盡力預(yù)防或減輕螺旋槳的空化現(xiàn)象發(fā)生.而螺旋槳的激振力引起船體振動，在于螺旋槳工作在不均勻的三向伴流場.因此減小螺旋槳誘導(dǎo)激振力根本方法是改善伴流分布，使之盡可能均勻.實踐表明，這一措施最有效，因為伴流場的不均勻性乃是螺旋槳槳葉上不定常流現(xiàn)象的根源.

1.3 水動力噪聲

水動力噪聲是由不規(guī)則起伏的海水作用于航行潛艇所產(chǎn)生的噪聲.該噪聲包括流噪聲，水流作用于潛艇空腔、板和附體、突出體而引起的振動產(chǎn)生的噪聲，以及艇體與附體的空化噪聲等.

研究表明，機械噪聲和螺旋槳噪聲構(gòu)成主要的輻射噪聲，而水動力噪聲對自噪聲影響較大.

使螺旋槳開始空化的航速，稱為臨界航速.當(dāng)航速達(dá)到臨界航速后，螺旋槳空泡噪聲將成為主要噪聲源，特別是高頻段噪聲是以螺旋槳的噪聲為主.低頻噪聲（在低速航行時）是以機械噪聲為主要噪聲源.

1.4 平穩(wěn)噪聲與非平穩(wěn)噪聲

當(dāng)潛艇作等速直線定深航行時，潛艇的噪聲基本上是平穩(wěn)的，其特性不隨時間變化；當(dāng)潛艇減速、加速、轉(zhuǎn)向、變深及改變運動狀態(tài)時，潛艇的噪聲是非平穩(wěn)的.這種瞬態(tài)噪聲是在短促時間內(nèi)出現(xiàn)的輻射噪聲，對潛艇而言是由：（1）潛艇內(nèi)部的艙室、耐壓及非耐壓殼體上附著物的碰撞；（2）魚雷發(fā)射管蓋板的啟閉；（3）機械設(shè)備（舵機、各種泵、空壓機等）的突然啟動或運轉(zhuǎn)狀態(tài)的改變；（4）艇內(nèi)人員走動、喊話等變動工況引起的.

瞬態(tài)輻射噪聲中蘊含著許多瞬態(tài)特征，給水下目標(biāo)的遠(yuǎn)程探測識別提供了信息.因此，對操艇過程中的潛艇噪聲控制來說，控制潛艇噪聲的瞬態(tài)特性是十分重要的.

潛艇平穩(wěn)噪聲中含有周期和非周期的確定性信號成份及隨機信號成份［1］.對于確定性信號，可用離散的正弦函數(shù)來表示，對隨機信號用概率密度函數(shù)來取值.當(dāng)潛艇等速直線定深航行時，潛艇噪聲可看成為各態(tài)歷經(jīng)的平穩(wěn)隨機過程，整個平穩(wěn)隨機過程的統(tǒng)計特性，與每個樣本的統(tǒng)計特性相同，“時間平均”等于“系統(tǒng)平均”，一個樣本函數(shù)就能反映整個隨機過程的特性.

2 潛艇操艇控制系統(tǒng)的噪聲特性

2.1 操舵產(chǎn)生噪聲的原因

舵裝置主要由舵和液壓裝置組成.操舵產(chǎn)生噪聲的原因可分成直接原因和間接原因兩方面，并具有如下特點.

2.1.1 直接來源——液壓裝置 舵裝置的操舵工況屬于脈沖作用.操舵時，液壓系統(tǒng)管道中流通的液體，由于使用方式的變化，如閥門的啟閉會產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象及液壓沖擊，引起液壓裝置的振動和噪聲.

1）氣穴現(xiàn)象 液壓油液中總是以混入或溶解形式含有一定量的空氣.氣穴產(chǎn)生后，油液的流動特性變壞，特別是當(dāng)帶有氣泡的液壓油液被帶到下游高壓區(qū)域時，氣穴的體積將急劇縮小或潰滅，產(chǎn)生局部真空，其周圍的液體將以高速流向原來氣穴占有的空間，這一過程是在瞬間完成的，從而產(chǎn)生局部液壓沖擊，使局部壓力和溫度迅速升高，引起強烈的振動和噪聲.

液壓系統(tǒng)中產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象，根本原因在于液壓系統(tǒng)中的壓力過度降低，使壓力低于空氣分離壓力.因此，在液壓系統(tǒng)使用中必須正確使用液壓泵和油箱，保持一定的油壓，保證全艇液壓系統(tǒng)經(jīng)常充滿油，防止空氣進(jìn)入系統(tǒng)，改善液壓系統(tǒng)的工作性能.

2）液壓沖擊 液壓系統(tǒng)中，當(dāng)管道中的閥門突然關(guān)閉或開啟時，如操舵換向時，液壓管內(nèi)液體壓力發(fā)生急劇交替升降的波動過程稱為液壓沖擊.當(dāng)液壓系統(tǒng)產(chǎn)生液壓沖擊時，瞬時的壓力峰值有時比正常壓力要大好幾倍，可能造成管道和液壓元件的損壞，并導(dǎo)致系統(tǒng)的振動和沖擊噪音.液壓沖擊可發(fā)生在下列兩類典型工況：（1）液體流速突變引起的直接和間接液壓沖擊；（2）運動部件制動產(chǎn)生的液壓沖擊此外，液壓系統(tǒng)中某些元件的動作不夠靈敏，例如當(dāng)系統(tǒng)壓力突然升高，但溢流閥響應(yīng)慢，沒有迅速打開，產(chǎn)生壓力超調(diào)，也引起液壓沖擊.

因此，在液壓系統(tǒng)的設(shè)計中應(yīng)考慮到緩沖液壓的沖擊，減小液壓沖擊的壓力峰值，如限制管道中液體的流速、縮短管道的長度、采用彈性連接管、設(shè)置液壓蓄能器，減少液壓沖擊的影響.從管理使用來看，在潛艇低噪聲航行狀態(tài)時，主要采取下列兩類措施［2－5］：（1）酌情延長執(zhí)行元件的換向時間，并要緩慢關(guān)閉、開啟閥門，以降低閥門的啟閉速度；（2）減少閥門啟閉的頻率，不可頻繁、快速、突然開關(guān)閥門.

2.1.2 間接來源——舵的偏轉(zhuǎn)引起流場的擾動，產(chǎn)生水動力噪聲 操舵使?jié)撏C動時，影響潛艇尾流的決定性因素是舵角、艇的水平漂角或垂向的攻角及轉(zhuǎn)舵速率和頻率.它們使艇體尾部及操縱面上產(chǎn)生渦流，導(dǎo)致槳盤處速度波動［6－7］.

由于舵的操縱能力與航速U2成正比，低速時舵的操縱能力弱，而且逼近尾升降舵的逆速點（2～3kn），為保持定深直航運動或定向變深運動需操縱較大的舵角，才能保持規(guī)定的運動狀態(tài).同時，在低速區(qū)，螺旋槳和其他聲源的水噪聲影響遠(yuǎn)不夠顯著，操舵引起的機械噪聲和水動力噪聲是潛艇水下噪聲的主要成份.隨著航速增大，螺旋槳噪聲、機械噪聲及其他水動力噪聲成為主要噪聲源.隨著航速增大，舵的操縱能力迅速增強，為保障操艇安全，只允許使用較小的舵角.因此，要求隱蔽航行時，必須保證以盡量小的舵角、盡量少的轉(zhuǎn)舵次數(shù)、盡量慢的變化頻率來控制潛艇的運動狀態(tài).

2.2 均衡產(chǎn)生噪聲的原因

均衡系統(tǒng)由浮力調(diào)整系統(tǒng)和縱傾平衡系統(tǒng)組成.均衡系統(tǒng)主要由水艙、疏水泵、電液球閥及水、氣管路組成.

潛艇的均衡操縱，用主疏水泵和艙底泵進(jìn)行浮力調(diào)整水艙的排水，調(diào)整水艙注水為自流形式.首、尾縱傾平衡水艙間的移水采用氣壓方式.因此，均衡操縱主要涉及管路系統(tǒng)的振動噪聲控制.

管路系統(tǒng)的振動噪聲的主要激勵源是泵和閥.泵是振動、流噪聲與空氣噪聲的激勵源，其振動能量流的傳播途徑為：第一通道是泵的支承結(jié)構(gòu)；第二通道是與泵相連的管路系統(tǒng)；第三通道是泵周圍的空氣介質(zhì).管路系統(tǒng)的振動能量流沿管壁與管內(nèi)流體介質(zhì)傳遞，通過管路彈性吊掛件傳遞到船體，或由通海口輻射.經(jīng)3個通道的傳遞導(dǎo)致水下噪聲.

閥的快速開關(guān)、泵的啟動與停止，使管道內(nèi)的定常流動突然變化，引起所謂“水錘”現(xiàn)象，引起沖擊振動，與液壓系統(tǒng)類似.

因此，均衡操縱過程產(chǎn)生的噪聲問題，與轉(zhuǎn)舵操縱過程液壓系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲問題在實質(zhì)上是一致的.

3 潛艇低噪聲操艇技術(shù)

3.1 低噪聲操艇的主要操縱控制規(guī)律

從實際操縱來看，低噪聲操舵與常規(guī)操舵、自動操舵與手動人工操縱，都具有相同的基本操縱規(guī)則、相同的基本控制參數(shù)，主要區(qū)別在于操縱控制參數(shù)的取值以及轉(zhuǎn)換控制點的取值及其實現(xiàn)的時間特性.對低噪聲操艇來說，其特別要求是盡量減少對螺旋槳上游尾流場的擾動.

1）尾升降舵角、方向舵角應(yīng)采用小舵角 本限制要求變深機動時的指令縱傾角θd及回轉(zhuǎn)角速度限制為某個小的量值，以有利于減小對尾部流場的擾動.

2）定深直航運動的保持及變深機動時，多用圍殼舵或中舵，少用尾升降舵 本限制也是著眼于圍殼舵相對尾升降舵對潛艇尾流場的擾動較小.

3）轉(zhuǎn)舵速率要小 文獻(xiàn)［7］要求轉(zhuǎn)舵速率小于2～4（°）／s.該限制減少了在操舵開始及結(jié)束時的轉(zhuǎn)舵效應(yīng)（液壓的啟閉影響），減小液壓系統(tǒng)中液體流動強度.轉(zhuǎn)舵速率的提高將導(dǎo)致潛艇機動過程輻射噪聲的增大.

4）為了使穩(wěn)態(tài)運動（定常運動）時的渦流幅度較小，潛艇的尾舵角及潛艇的漂角或攻角應(yīng)加以限制.

5）以盡量少的轉(zhuǎn)舵次數(shù)，盡量慢的轉(zhuǎn)舵變化率來控制潛艇的運動，以便減少擾動、減小擾動的強度 理論研究表明，頻繁操舵將引起液壓沖擊和舵裝置的振動噪聲，通過艇體向外輻射，嚴(yán)重時可超過主機低速工作時所造成的輻射噪聲.

6）改變本艇噪聲脈沖的周期性時間特性考慮到在給定的航向、深度和縱傾下，潛艇噪聲脈沖的周期性時間特性是確定的，可能有利于敵人發(fā)現(xiàn)潛艇及分類.為糾正航向及深度的偏差，可作必要的不規(guī)則操舵，來改變潛艇噪聲脈沖的周期性.

3.2 典型機動的低噪聲操艇技術(shù)簡述

1）等速定深直航前進(jìn)運動的保持 等速定深直航機動時，操縱的目的是保持定深并保持航向，尤其是保持航行深度.為了實現(xiàn)安靜隱蔽航行的目的，根據(jù)上述低噪聲控制規(guī)律，相應(yīng)的操艇策略可以是：（1）主要用圍殼舵或中舵或平行舵的小舵角保持深度；（2）在戰(zhàn)術(shù)機動允許的條件下，適當(dāng)放寬航行深度的精度要求.

2）等速定深轉(zhuǎn)向運動的操縱 水下隱蔽航行時，若必須進(jìn)行轉(zhuǎn)向機動，相應(yīng)的操艇策略可以是：（1）選擇在安全深度以下水層轉(zhuǎn)向，并選用較低的轉(zhuǎn)向航速；（2）采用較小的方向舵角；（3）少用2對升降舵，盡量使用圍殼舵.

3）定向變深機動的操縱 水下隱蔽航行時，若必須進(jìn)行定向變深機動，相應(yīng)的操艇策略可以是：（1）變深機動應(yīng)是緩慢的；（2）應(yīng)選用較低的變深機動航速；（3）采用較小的指令縱傾角，緩慢地進(jìn)行平行潛??；（4）采用較小的升降舵角.

3.3 用自動均衡代替人工均衡方式，并采用低噪

聲均衡控制技術(shù)

1）盡量減少均衡操作，消除或減少產(chǎn)生不均衡量的因素 在隱蔽航行時，減少在一段時間內(nèi)的艇上變動載荷的消耗與代換，控制艙底水的排放.根據(jù)海區(qū)水文特點，少變深或不變深，少變速或不變速（尤其在低速區(qū)減速），少變向或不變向.

2）適當(dāng)擴大不均衡的容許值，降低不均衡量的啟動靈敏度 不均衡量的容許值，由不均衡量的啟動值決定.啟動值小，靈敏度高，補充均衡頻繁，不利于降噪.

在工作深度，低速區(qū)航行時，應(yīng)適當(dāng)修正均衡啟動值，確定不同工況下采用不同的均衡控制策略.擴大不均衡的容許值，增大啟動值，適當(dāng)放寬航行深度與縱傾的穩(wěn)定精度要求.

3.4 采用“單個運動”操縱規(guī)律

“單個運動”駕駛規(guī)律是指僅用單個舵、較小舵角時不頻繁操舵的緩慢操縱運動.不包括首、尾升降舵聯(lián)合使用方式，尤其不包括采用相對舵的潛浮運動，也不包括同時使用方向舵、升降舵的復(fù)雜機動.“單個運動”駕駛規(guī)律也不包括操舵與補充均衡的“舵、水”聯(lián)合操縱控制方式.

在“單個運動”操縱規(guī)律下，減少操舵系統(tǒng)的機械噪聲，限制了在穩(wěn)定航速下的漂角、攻角和尾舵角，從而減少對螺旋槳來流的擾動，將使?jié)撏幱谳^安靜的隱蔽航行狀態(tài).

4 結(jié) 論

1）潛艇低噪聲操縱控制技術(shù)主要涉及轉(zhuǎn)舵與均衡的操縱，以及潛艇航行工況轉(zhuǎn)變（由低速增速，由懸停開車航行等）時引起的液壓沖擊、氣穴，擾動螺旋槳盤面處及艇首聲吶平臺區(qū)的流場，導(dǎo)致機械振動噪聲與水動力噪聲的重要改變.

2）潛艇隱蔽航行時的低噪聲操艇工況通常是指低速、等速定深運動（主要是直航）狀態(tài).

3）潛艇低噪聲操縱控制的基本規(guī)則是減少聲源和控制聲的傳播.

4）潛艇的低噪聲操縱控制，將降低潛艇的機動性能，延長機動的過渡過程，降低運動狀態(tài)的穩(wěn)定精度.在安靜性高于機動性要求的當(dāng)代，上述付出的代價是必須的，也應(yīng)該是可以接受的.

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