水面舰船声隐身性能影响作战效能的因素初探

张林根 张大海 魏 强

1海军装备部驻武汉地区军事代表局，湖北武汉 430064

2中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064

水面舰船声隐身性能影响作战效能的因素初探

张林根1张大海2魏 强2

1海军装备部驻武汉地区军事代表局，湖北武汉 430064

2中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064

为了明确水面舰船声隐身性能对作战效能的影响因素，分析了水面舰船面临的水声威胁和声隐身设计特点，给出了水面舰船水声对抗效能初步估算方法，明确了水面舰船声隐身设计的工作方向，并为声隐身作战效能评估体系的构建奠定了基础。

水面舰船；声隐身；作战效能

1 引言

声隐身设计的目的在于降低己舰声学信号的量级和特征信号［1］，以减小被敌方舰艇和武器探测、识别、跟踪、攻击的概率，同时改善己舰声学设备工作环境，并增大对敌探测、攻击距离和概率。随着现代天基探测系统和空中预警技术的不断发展，水面舰船的对空、对海攻防能力大幅提升，使得水声信息对抗，尤其是声隐身设计水平已成为影响水面舰船作战效能的重要因素之一。

水面舰船的作战效能是衡量其装备性能优劣的综合性、整体性指标。其体现了装备需求部门、作战使用部门对舰船及其装备的最终要求，也体现了设计部门研制水面舰船及其装备的技术水平［2］。因此，建立水面舰船声隐身设计与作战效能之间的关系，明确声隐身设计对提升水面舰船作战效能的主要贡献，不仅是水面舰船声隐身设计效果量化评估的前提和水面舰船作战效能评估的重要组成部分，同时还有助于辅助指挥员进行科学预测，从而选择最佳水声对抗方案。

2 声隐身设计特点及其水声威胁

2.1 声隐身设计特点

与潜艇的设计思路一样，水面舰船声隐身设计的工作重点是结合水面舰船总体设计方案，采取有针对性的声学控制措施，实现对构成全舰水下辐射噪声和本舰自噪声的机械噪声、螺旋桨噪声和流噪声进行控制，从而降低水面舰船水声辐射特征和舰载声学设备工作区域噪声干扰级。具体设计工作如下：

1）针对机械噪声

声隐身设计的具体措施是通过改进声源设备性能、降低设备振动噪声源级、优化设备布局、合理设计隔振装置、优化设备安装结构、增大由设备到船体结构的振动传递，施加结构噪声控制措施，加大振动噪声结构传递过程中的能量耗散等，从而减小设备振动引起的船体结构声辐射，并降低本舰水下辐射噪声和典型部位的自噪声干扰级。不难看出，针对机电设备振动所采取的声隐身设计措施能够涵盖水面舰船辐射噪声全频段。

2）针对螺旋桨噪声

主要通过降低螺旋桨转速，优化螺旋桨线型，从而提高空化起始航速，改善螺旋桨声学性能，以实现螺旋桨辐射噪声控制。针对螺旋桨引起的典型部位自噪声干扰，主要在螺旋桨噪声的不同传播途径上设置隔离措施，以实现螺旋桨引起自噪声干扰级。

3）针对流噪声

具体声隐身措施是优化船体线型、减小舰船外附体局部空化，从而降低航行引起流噪声。

但是，水面舰船在结构形式、推进装置、声源设备、船外附体等方面与潜艇有较大区别，同时还存在水面反射和折射等影响。并且，在具体设计方法上，其与潜艇也有明显不同。

水面舰船的声隐身性能需要与舰船作战效能建立互动关系，才能有利于总体设计中的决策，并在有限声学投入的基础上实现更好的作战效能。

2.2 水声威胁

未来海战中，水面舰船面临的水声威胁主要来自潜艇声呐、岸基声呐警戒设备、水声制导鱼雷和声引信水雷等。其中，典型潜艇声呐包括：美国AN／BQQ-5艇首综合声呐、TB-16拖曳线列阵声呐、TB-29拖曳线列阵声呐；日本ZQQ-5B型艇首综合声呐、ZQR-1拖曳线列阵声呐；台湾地区SIASS-Z艇首综合声呐。水下警戒装备主要是以美国为主的固定式水声监视系统（SOSUS）、水面拖曳阵系统（SURTASS）、固定分布式系统（FDS）、先进可布放系统 （ADS）。鱼雷武器则有美国的M k-50、德国的 DM2-A4、意大利的A系列、俄罗斯的ET-80、英国的M k系列等［3］。水雷有美国的M k62～65、俄罗斯的 Cluster Guff等［3］。

从威胁频率来看，潜艇首部声呐威胁频率主要分布在几千赫兹范围；拖曳声呐威胁频率在几百到几千赫兹；岸基声呐设备不受安装尺度空间限制，其威胁频率覆盖几赫兹到几百千赫兹，可以实现对近距离目标成像和超远距离目标探测、跟踪等功能；鱼雷和水雷威胁频率主要为万赫兹量级［4］。

3 声隐身设计与作战效能关系

3.1 声隐身设计对威胁源的性能抑制

根据2.2节分析，水面舰船面临的水声威胁遍布其辐射噪声的全频带。受篇幅所限，这里仅从几种典型威胁角度进行分析。

其一，对潜艇、岸基声呐探测性能的抑制。理想情况下，水面舰船声隐身设计对敌方声呐探测性能的抑制可以使用被动声呐方程［5-6］来评估：

被动声呐方程：

式中，DT为潜艇或舰用声呐设备的检测门限；SL为与潜艇探测设备工作频率相对应的水面舰船辐射噪声声源级；以水声沿面波传播的传播损失计算公式TL=10n lg R＋αR（α为水介质对声波的吸收系数，n与声波传播模型假设有关，n=1为柱面波假设，n=2为球面波假设）；NL为潜艇探测设备附近噪声干扰级；DI为潜艇或岸基声呐设备指向性指数，主要反映敌方声学设备性能，假设DT＋（NL－DI）＝A。

当不考虑介质对声波吸收，即α＝0时，式（1）可以变换为：

可以看出，水面舰船的暴露距离R由水面舰船的水下辐射噪声级SL决定。通过式（2）计算可知，在水声传播满足球面波假设时，水下辐射噪声级可降低6 dB，水面舰船暴露距离会减小一半；当水声传播满足球面波假设时，水下辐射噪声级可降低3 dB，水面舰船暴露距离也将减小一半。

考虑到TL与水介质声波吸收系数α的关系时［7］，在温度 4℃附近，频率小于 5 kHz 时，根据Thorp低频段吸收系数α与频率关系的经验公式为：

式中，f为声波频率，kHz。可以看出，声波吸收系数α与f的平方近似成正比，这说明低频声信号的传播损失远小于高频信号。通过式（3）计算可知，对于频率为375 Hz水声信号，海水声吸收系数为 0.014 dB／km，对于 400～800 Hz水声信号海水声吸收系数约为 0.03 dB／km，对于 2.5～3.5 kHz水声信号，海水声吸收系数约为0.2 dB／km。这说明，通过开展声隐身设计，可以有效控制低频线谱特征信号和低频宽带噪声，从而抑制敌方低频远程水声探测距离和概率。通常首先，采取的措施包括：优化螺旋桨设计；抑制螺旋桨低频线谱特征；针对机电设备振动特性，设计低频振动控制效果好的隔振装置等。

其二，对敌跟踪、定位效能抑制。由于水声信息对抗中，潜艇和岸基声呐设备跟踪定位通常采取的手段是，应用LOFAR和BTR技术来获取水面舰船频率—时间和方位—时间历程图。同时，结合其他信息处理技术，以获取目标舰船的方位、航速和距离信息。

对于当前LOFAR和BTR跟踪技术而言，其保证工作性能的前提是舰船辐射噪声的线谱与宽带谱能量相比海洋环境噪声有足够的信噪比。因此，通过声隐身设计，针对性地改变或降低舰船某一工作频带内线谱特征和宽带谱源级，可以有效抑制敌方线谱跟踪能力和定位概率。通常采取措施包括：对设备安装结构优化，采取低频隔振装置、主动消振技术等。

其三，对敌攻击效能抑制。由于声制导鱼雷进入主动制导攻击距离内时，水面舰船的目标强度将成为决定其跟踪制导成功与否的关键，根据主动声呐方程：

式中，DT为声制导鱼雷的检测门限；SL为与鱼雷发射声源级；TL=20n lg R＋αR为传播损失；TS为水面舰船的目标强度；NL为鱼雷探测设备附近噪声干扰级；DI为鱼雷声呐设备指向性指数。

声呐方程中，SL－DT－（NL－DI）为主要鱼雷声学设备性能。假设其为常数A，不考虑介质对声波吸收，即α＝0时，式（4）可以变换为：

可以看出，水面舰船声目标强度是影响水面舰船对抗主动探测攻击的主要因素。因此，降低己舰目标强度，可以减少来袭鱼雷的跟踪和攻击概率。在水面舰船声隐身设计中，采取一定的声目标强度降低措施，可有效抑制敌方攻击威胁。通常采取的的措施包括：优化水下部分船体线型；贴敷声学材料，以改变舰船目标特性。

3.2 声隐身设计对水面舰船自身作战效能的影响

水面舰船自身水声对抗效能的提升主要体现在舰载声学设备，如舰壳声呐、拖曳声呐、反潜直升机工作性能的提高。因此，开展声隐身设计对舰船自身作战效能影响可以从以下几方面进行描述。

首先，对反潜直升机工作造成影响。由于反潜直升机的工作区域距本舰较远，水面舰船水下辐射噪声作为吊放声呐的点干扰源，根据声呐基阵波束形成原理和弱信号探测原理可知［8］，其主要影响其某一方位角的探测性能和与该方位相邻扇区内多威胁源分辨率。由此可见，降低与直升机吊放声呐工作频段相对应的水面舰船水下辐射噪声谱源级，可以有效降低本舰辐射噪声对吊放声呐探测的干扰，提升其工作性能。通常采取的措施是：在声隐身设计过程中，选用中低频减振降噪效果良好隔振装置来实现。

其次，对拖曳声呐造成影响。由于拖曳声呐通常布放在舰后方几百米处，研究表明，本舰水下辐射噪声不仅会影响拖曳声呐对正前方60°扇区内威胁源的探测，而且还会影响前向范围内的多目标分辨性能［9］。因此，降低本舰低频段水下辐射噪声，有助于提高拖曳声呐的前向探测能力和多目标分辨率。可采用的方法包括：通过螺旋桨声学优化和机械噪声控制等声隐身措施，对水下辐射噪声的方向性进行控制，从而减小水面舰船尾向辐射噪声级。

另外，对舰壳声呐造成影响。舰壳声呐属于装舰设备，导流罩内部自噪声干扰直接影响到其探测与跟踪性能，自噪声主要由舰载设备振动经船体传递至导流罩形成干扰。己舰螺旋桨噪声经海水介质、海底反射传递至导流罩形成干扰，以及己舰水下辐射噪声经海底反射至导流罩形成干扰等。通过声隐身设计，采取有针对性的噪声控制措施，降低本舰振动噪声对舰壳声呐工作干扰，可以有效改善舰壳声呐的主/被动工作性能，量化效果可以由式（1）～式（5）联合计算获得。可采用的措施包括：通过优化机电设备布置，减小机械设备振动到艏部传递；减小机械设备振动引起自噪声；采取隔离措施，减小螺旋桨噪声在艏部形成自噪声；通过导流罩内部贴敷声学材料，降低声呐基阵工作引起混响等。

最后，对本舰水声防御武器造成影响。以声诱饵为例［10］，其主要功能是模拟相比水面舰船辐射噪声水平更高的水下辐射噪声特性，诱导声制导武器攻击，从而减小对水面舰船自身的威胁。声隐身设计对声诱饵的影响可以用信号对比度进行说明，假设水面舰船水下辐射噪声降低3 dB，应用同样的声诱饵可以在水下辐射声能量对比度上提高1倍，从而提升声制导武器攻击声诱饵概率，并确保己舰安全。可采取的措施：基本涵盖声隐身设计的全部内容。

4 结束语

本文主要从水面舰船声隐身设计特点、所面临的水声威胁、声隐身设计对水面舰船攻防两端的贡献等方面，来分析水面舰船声隐身性能影响作战效能的主要因素。另外，从提升攻防两端作战效能角度，提出了对水面舰船声隐身设计的针对性需求，初步给出了水面舰船声隐身性能对水下辐射噪声不同控制效果引起作战效能提升的简化计算公式。为进一步辅助指挥员进行科学预测，选择了最佳水声对抗方案，这为声隐身作战效能评估体系奠定了基础。

［1］ 朱英富，张国良.舰船隐身技术［M］.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2003.

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ZHANGW Q，SONG X D，ZHOU X P.A technology of acoustic decoy to antagonize broad－band homing torpedo［J］.Ship Scienceand T echnology，2008，30（5）：158－160.

Influencing Factors on the Com bat Effectiveness of Acoustic Stealth Performance for Surface Ship

Zhang Lin－gen1 Zhang Da－hai2 WeiQiang2
1Military RepresentativeWuhan Office，Naval Armament Departmentof PLAN，Wuhan 430064，China
2 China Ship Developmentand Design Center， Wuhan 430064， China

In order to better understand the influenc ing factors on the combat effectiveness of acoustic stealth performance for surface ship，reviewing the acoustic threats that surface ship faced with and analyzing the acoustic stealth features of ship design.Preliminary estimation method was provided to investigate the effectiveness of underwater warfare.Based on this study， the direction of acoustic stealth design efforts for the surface ship is clarified，which found a basis for building combat effectiveness estimation system of acoustic stealth ship.

ship； acoustic stealth； combateffectiveness

U661.43

A

1673－3185（2011）06－98－04

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.06.020

2011-07-01

张林根（1965－），男，工程师。研究方向：舰船设计与监造。E-mail：zhanglingen＠163.com

张大海（1979－），男，博士，工程师。研究方向：水面舰船综合隐身。E-mail：wind＿rain＠hotmail.com