潜艇振动噪声的控制研究_孔建益

文章编号:1006-1355(2006)05-0001-04

潜艇振动噪声的控制研究

孔建益,李公法,侯 宇,杨金堂,蒋国璋,熊禾根

(武汉科技大学机械自动化学院,武汉430081)

摘 要:系统介绍了潜艇振动噪声的主要来源:机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声,并从这三个方面详细论述了具体的控制方法。指出螺旋桨噪声、水动力噪声和设备机座机械噪声被有效抑制后,管道系统便成为/安静型0潜艇的主要噪声源。从管道的被动控制和主动控制两个方面论述了管道振动控制的研究现状,并对潜艇振动噪声控制的研究进行了展望。

关键词:振动与波;噪声;被动控制;主动控制;潜艇中图分类号:U 674.76;U 661.44 文献标识码:A

Research on Vibration and Noise Controll of Submarine

K ON G J ian -yi,L I Gong -f a,H O U Yu ,YAN G Jin -tang ,JIAN G Guo -z hang,XI ON G H e -gen

(College of Machinery and Automation,Wuhan University of

Science and T echnolog y,Wuhan 430081,China) Abstract:M achinery no ise,propeller noise and hydrody namic noise,the main vibration and noise resources of submarine are introduced systemically,and concrete control methods are discussed from the above three aspects.T hen the pipe system becomes the main noise resource of quite subm arine,w hen propeller noise,hydrodynamic noise and m achinery noise of facility base are controlled effective -ly.The current status of vibration control is discussed from the tw o aspects of passive control and ac -tive control of pipe.At last the future trends and advances of vibration and noise control of submarine are discussed.

Key words:v ibration and w ave;noise;passive control;active control;submarine 收稿日期:2005-11-27

基金项目:湖北省机械传动与制造工程重点实验室开放基金;湖北省教育厅科研资助项目

作者简介:孔建益(1961-),江西上饶人,教授博导。研究方向:智能机器及受控机构、机械设备在线监测与故障诊断、振动隔离与控制、机械设备的疲劳分析、CAD/CAM /CAE/CAPP 。

众所周知,潜艇巨大的威力来自于它极好的隐蔽性能。然而,随着反潜技术的飞速发展,已经形成了卫星、空中、水面、水下的反潜综合侦察系统,潜艇的隐蔽性受到极大的挑战。潜艇的声隐身技术是使敌方的声纳探测不到本潜艇位置或使敌方声纳的探测距离缩短的各种技术措施。这些措施包括降低水下辐射噪声和水声对抗两方面,其中降低潜艇水下辐射噪声是主要措施。潜艇辐射噪声的控制水平不仅关系到对敌舰艇的探测和攻击,也关系到本潜艇的安全问题。潜艇的噪声来源主要有三个方面:机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声[1]。潜艇低速航行时,一般以机械噪声为主,随着航速的提高,螺旋桨噪声和水动力噪声逐渐增加,开始超过机械噪声。降低潜艇的噪声也应从这三个方面着手。

1 机械噪声

潜艇的机械设备是引起辐射噪声的重要原因,

也是侧面基阵自噪声的重要组成部分。机械噪声系指由主辅机及其系统工作产生的水下噪声。可以分为:不平衡噪声、电磁力脉动噪声、齿轮噪声、轴承噪声、管系通过基座与非支撑件激励艇体振动产生的噪声。

降低潜艇机械设备等噪声一般有两个途径:减振降噪和采取消声措施[2]。减振降噪是将机械设备安装在浮筏隔振系统上,通过机械绝缘和减振的方法来减小机械振动,从而降低潜艇的辐射噪声[3][15-16]。近年来,对潜艇动力装置的隔振已进行了大量研究工作,浮筏技术得到了应用,并取得了很好的减振降噪的效果[4-7]。

潜艇的管路系统是机械噪声的另一个重要来源。一方面,管路振动会传递给其它结构,并激励其产生噪声;另一方面,管路内的噪声会通过管壁向水中辐射噪声。降低管路噪声的措施是在系统管路中应尽可能采用多的弹性连接管与艇体相接,对流体强烈作用的管路采用降低流速、局部管路采用阻尼

软管和加消声器的办法,减少流体冲击,隔绝此种振动传到艇体上。在管路噪声控制方面,应主要开展

管路系统振动、流体脉动和噪声的传播机理、管系振动与空气噪声和水下辐射噪声相关特性、通海管路

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潜艇振动噪声的控制研究

消声技术、管系减振降噪实用设计方法研究,及新型管系弹性连接和安装器件研制等[15-16]。这部分噪声控制还没有得到有效解决,特别是管路系统固液耦合振动噪声,研究工作还有待进一步开展。

消声技术可分为艇内消声和艇外消声。降低潜艇内部噪声的主要措施,是在壳体内部和舱壁上敷设吸声材料,在噪声强的设备上加装隔声罩、消声器,设立独立隔声室。一些新型潜艇还采用了有源消声技术[16]。在空气噪声较大的空间,针对该处的空气噪声特性设计出一种反音响声源系统。该系统能发出与原空气噪声振幅相同,但相位相反的音响来抵消该处原来的空气噪声,从而达到消声的目的。国外研究及实艇使用表明:敷设消声瓦是一项能大幅度降低潜艇声目标强度,同时抑制本艇辐射噪声的有效技术措施。在声防护技术中,消声瓦在潜艇声隐身设计中得到广泛地应用。装备消声瓦是潜艇隐身、减少暴露的一种手段[8]。目前西方海军潜艇装备的消声瓦有去耦瓦、无回声瓦、透射损失瓦和阻尼瓦四种。在消声瓦设计中采用主动控制技术是提高消声瓦低频性能的一个重要技术途径。随着声纳探测频率向低频延伸,科研人员正研究开发主动声控制消声瓦,采用具有很好性能的压电材料制作的传感器和执行器将它置于消声瓦或连续性声学涂层中,根据潜艇不同航行工况所具有的不同辐射噪声和不同的主动声纳探测信号,采用主动式手段,自动调节消声瓦的隔声、吸声性能,使消声瓦工作在最佳状态。

2螺旋桨噪声

螺旋桨是潜艇航行时的主要噪声源。由于螺旋桨叶片周向载荷不均匀,旋转时会产生空泡、鸣音和振动,发出高强度的噪声。降低螺旋桨噪声主要有如下措施[9]:

(1)改进螺旋桨结构

(2)采用高阻尼材料制造螺旋桨,可以有效地抑制桨叶振动,降低辐射噪声。如英国研制的锰铜铸造合金,日本的铁铬铝合金等,减振效果明显。

(3)气幕降噪[10]

在螺旋桨工作区域内注入一定压力的气体,延缓空泡的产生,减少潜艇辐射。

(4)采用泵喷射推进器[11]

推进器是潜艇噪声源之一,也是潜艇噪声控制的重点与难点。各国通过多年的试验研究,已掌握推迟空化、避免唱音以及降低噪声的技术,使潜艇低噪声推进器的研制有了较大发展。泵喷射推进器就是其中的成果之一。

所谓/泵喷射推进器0就是在一个多叶片、大螺旋桨外面罩以导管,导管的前方有一圈固定的导向叶片作为定子,螺旋桨在导管内作为转子低速转动,推动潜艇运动。这种推进器既能改变螺旋桨叶片的压力,防止空泡产生,又能改善尾流性能,减少尾波的形成,使航迹模糊。导管还可以屏蔽螺旋桨噪声辐射,大幅度地降低螺旋桨噪声。现在已经有许多潜艇都采用了这种技术。

(5)采用磁流体推进器[12]

磁流体推进器的原理是把电能转换成脉动磁场,脉动磁场在管道内产生行波,海水在管道前面被吸入,由电磁感生的行波向后推斥海水,从而产生推力。这种推进器的主要优点是推力较大,无空泡,无机械噪声,水的紊流较小。

(6)无源磁浮推进器

钱坤喜[13]等人将无源磁浮技术应用到舰船推进器上,试验样机的噪声低于40分贝,大幅度降低了舰船推进器的振动及噪声。

(7)采用电力推进系统[14]

电力推进系统的优点之一是其固有的低噪声特征,大部分传统的电力系统采用直流电,按传统的方法由直流发电机或蓄电池组向推进电机提供电压平滑的直流电。由于技术上的变化,需要定量研究的是传统和静止式变流器型的推进装置之间的水下噪声特征的区别。

3水动力噪声

潜艇在潜水状态运行时辐射噪声的一部分由艇体和附体周围的流场生成,流场除了产生辐射噪声,也感应降低潜艇声纳声学性能的自噪声。凡是由流场产生的噪声统称为水动力噪声。水动力噪声是水分子的湍流噪声,主要发生在艇体表面的孔穴、突出体、指挥台围壳和艉部等部位。水动力噪声不是潜艇的主要噪声源,但也足以为敌声纳所发现。特别是在高速航行,这部分噪声更为重要。

减少水动力噪声的主要方法是改进外部设计[15-16]。如外形采用水滴型,尽量做到艇体表面光滑,减少突出体。艇上开孔数量应尽量减少,大的开孔能自动启闭,关闭后应看不到开孔。艇体结合处应采用弧形圆滑过渡,减少阻力和噪声。另外,还应对潜艇外流进行研究,改变壳体及其附体形状,优化推进器的位置,重新分配吸排水的压力场,以达到减小噪声、增加推进效率、提高机动性、降低水动力信号的目的。

4管道系统固液耦合振动噪声控制的研究

根据现有的研究成果可以发现,当螺旋桨噪声、

2006年10月噪声与振动控制第5期