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潜艇的噪声主要来自于三个方面:机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声。降低潜艇的噪声也应从这三个方面着手。

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。Haselton[161]叙述了潜艇推进与控制新概念的演变发展过程,着重指出了与安静性有关的问题。当今的反潜技术已经可以具体识别出某一潜艇的某一艘。降低螺旋桨噪声主要有如下措施[1]:

(1)改进螺旋桨结构

采用大侧斜、变距、多叶螺旋桨,可以改善桨叶处的水流和压力状态,减少空泡,降低螺旋桨噪声。现在国外已经研制出了双反转螺旋桨、7叶大直径螺旋桨、香蕉型桨叶大侧斜螺旋桨等。如俄罗斯K级636潜艇采用的就是7叶大侧斜桨,可以更好地适应艇尾伴流场,推迟空泡产生,提高临界转速,减少由于螺旋桨引起的脉动压力[162]。美“海狼”级潜艇上安装的闭式螺旋桨桨叶呈后掠型,可在很大程序上减少空泡。

(2)采用高阻尼材料

制造螺旋桨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

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

所谓“泵喷射推进器”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[2]。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。文献[163]对英,美,法国在安静潜艇上使用的泵喷射推进器进行了揭秘。在俄罗斯的/Armur0级潜艇上也曾作过采用泵喷射推进器的探讨[164]。大体上讲,在低频范围内,主要影响辐射噪声的是由于推进器和水流的作用。为此,法国海军研究室利用其未来潜艇的模型在Castillon湖上进行了噪声测量,目的是建立预测潜艇辐射噪声的方法[165]。

(5)采用磁流体推进器

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。俄罗斯的Ak级、“台风”级潜艇,均采用这种技术[2]。

(6)采用电力推进系统

电力推进系统的优点之一是它们固有的低噪声特征,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。为了发展海军高质量电力推进系统,以加拿大国防部的名义进行了一些研究和船舶初步设计。对LARSEN的推进装置进行大量研究和调查,以获得深刻认识影响推进轴振动的机理。对LARSEN的电力推进装置最近正进行细致的数学分析,并扩展噪声分类以便足够详细地确定它的噪声特征来核实理论结果。文献[166]提出了建立数学模型的分析方法。

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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。文献[167]采用数值和试验研究相结合的方法讨论了流场感应噪声的主要特性;艇首、水平舵和附体与流场感应噪声特性之间的关系以及提出了潜艇外形设计的建议。提供了正确评价流场感应噪声的先进数值和试验工具,以及设计潜艇外形时,需要考虑的声学现象的典型结果。减少水动力噪声的主要方法是改进外部设计。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。文献[168]论述了对潜艇周围涡流的总的认识,探讨了附体形状以及有关装置对降低声学的和非声学的信号强度方面的能力。文献[169]提出了一种同时减小高速水下运载器阻力和噪声的途径和方法。水流是通过运载器首部的一进水口进入,一种聚合物粉末和气体的混合物被喷入注入口的水流内,水、聚合物和气体被混合在有一注入口的混合舱里并通过一个设置在最小压力点的环形喷射器喷出。

总结:

即将到来的21世纪将是海洋的世纪,海洋地位的提高使得海军的作用更加重要。现代海军作战的两大主力战舰是水面舰艇和潜艇。与水面舰艇相比,潜艇的最大优点是隐蔽性好,机动灵活,自给力和续航力较大,突袭力较强,因此,它仍然是各国海军优先发展的重点。

一、对21世纪潜艇提出的新的作战要求主要有四个方面:

1、航速更快、艇体更长,希望能达到50~60节左右;

2、潜航更深、更安静;

3、远距离对舰攻击能力的增加;

4、潜艇在浅海行动能力的扩展。

为了达到这些作战要求,在潜艇设计中必须引进新技术。最受重视的新技术有:1、水动力学技术;

2、新型推进技术;

3、大深度技术;

4、隐身技术;

5、模块化设计和建造技术;

6、操纵控制自动化技术;

7、计算机和人工智能应用技术;

8、新型动力技术等。

二、潜艇水动力学研究的几个重点是:

1、建立能可靠地预报潜艇六自由度运动的理论方法,从而研究潜艇各种运动状态的稳定性;

2、进一步改进CFD的方法和程序能较精确地计算潜艇周围的流场;

3、改进潜艇的操纵性,特别是近水面和贴近海底航行时的操纵性,提高潜艇的机动性和作战能力;

4、新的试验测试技术。

三、潜艇强度研究的几个重点是:

1、复杂薄壁壳体的稳定性;

2、潜艇壳体极限承载能力的非线性有限元分析,同时考虑潜艇不圆度、次要结构和残余应力对耐压壳体破坏载荷的影响;

3、潜艇结构的可靠性分析和设计;

4、潜艇结构在水下爆炸载荷作用下的动响应计算。

另外,潜艇结构的疲劳强度也在逐渐引起重视。

四、在潜艇的减振降噪方面,针对机械噪声,浮筏与消声瓦是两个重要的措施;针对螺旋桨噪声,采用泵喷射推进器取代常规的螺旋桨;针对水动力噪声,主要途径是改进外部设计,研究的重点是建立合理可靠的理论预报和试验手段。

本文内容于 2014/1/12 15:52:11 被黃雲東编辑

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