水面舰船球鼻艏减振降噪研究

2011-10-30浦红燕朱新进

船舶与海洋工程 2011年3期

浦红燕，朱新进，陆雷

（701研究所，上海 201108）

0 引言

舰壳声纳是水面舰艇探测潜艇等水下物体的基本工具，而球鼻艏为声纳基阵提供的工作环境的好坏则在一定程度上决定了声纳性能的发挥。球鼻艏减振降噪工程的目的是为声纳创造一个良好的工作环境，降低噪声、振动等不利因素对声纳工作的影响。多年以来，球鼻艏减振降噪工程在被广泛应用的同时，也在不断地优化、进步。到目前为止，水面舰船球鼻艏减振降噪工程从技术方案到具体实施都颇有成效。

1 水面舰船的噪声和振动

影响声纳工作性能的不利因素除球鼻艏内的噪音和振动外，外界环境的影响也很重要。主要分为以下几类[1]：

1) 环境噪声[2]：海洋环境噪声包含风浪噪声、海流噪声、海洋生物噪声以及其他船舶航行噪声组成。这些干扰不仅覆盖了整个声波频段，而且从脉冲波到连续波都有，其分布是无规律的；

2) 本舰噪声：本舰航行时产生的螺旋桨噪声、水动力噪声和机械动力噪声等。本舰噪声主要与航速有关，航速越大自噪声越大，对声纳的影响也就越大；

3) 主动方式工作状态下的混响[3]：混响是海洋中随机非均匀分布散射体的散射波在声纳接收输入端的响应。一般的海水体混响都与海况、水质等因素有关。

减振降噪工程的目标就是给声纳基阵一个更“安静”的工作环境，针对上述情况，对自噪声采取以下一些措施，可达到减振降噪的效果。

1) 对于舰上强噪声设施，可以设进气消音器和排气消音器；主辅机设置隔音罩壳；主辅机采用浮筏隔振降噪；对柴油发电机组、减速齿轮箱、空气压缩机、通风机等振动较大的设备采用双层弹性隔振降噪；选择或研制低噪声的设备基座；管道与管路的弹性支撑采用隔振器；一些重要舱室进行吸声设计；

2) 设计优良的线型和附体，减少阻力和附面湍流的产生，使环绕船体的湍流噪声最小；优化艉部线型、附体、轴系与螺旋桨的匹配，使螺旋桨噪声降到最小；

3) 为降低球鼻艏的内部噪声，其顶部和背部相连的舱室（艏尖舱和锚链舱）也要采取相应的减振降噪手段。（球鼻艏内阻尼材料敷设见图1）。

图1 球鼻艏内的阻尼材料敷设

2 减振降噪材料

减振降噪材料一般以黏弹性材料为基底，其中加入声学结构的吸声阻尼层。所谓阻尼[4]，就是物体在运动过程中受各种阻力的影响，能量逐渐衰减而运动减弱的现象。一般多采用改性后的橡胶和聚胺酯作为基底材料，并在阻尼层中形成各种形状和尺寸的空腔，见图 2，常用的有锯齿型和圆锥型空腔。其吸声主要依靠基底材料对声学能量高损耗性和内部空腔的共振吸收，二者相辅相成，不可或缺。

图2 阻尼效果

减振降噪材料一般敷设在目标钢板的一侧或者两侧。至于敷设的厚度，以图3为例，横轴表示温度，纵轴表示振动能量的吸收系数。其中，实线表示敷设的阻尼材料厚度4倍于钢板厚度时的吸收系数，虚线则表示2倍于钢板厚度时的吸收系数。从理论上来说，相同条件下，自然是敷的越厚效果越好。

图3 不同厚度下的阻尼效果

但是，减振降噪材料厚度受到材料重量、粘贴性能、构架方向等条件的限制。一般两侧共敷设3～4倍于钢板厚度的阻尼材料，可以吸收大约40%的振动能量。材料太薄，阻尼效果下降很大，成效较低。材料过厚，会增加材料脱落风险、构架承受的能力和工人施工的难度。球鼻艏平台的钢板厚度一般都大于10mm，4倍厚度就接近50mm。如果再加厚，将会带来两个影响：第一，用粘合剂固定无法承受材料本身的重量，必须用螺钉加固，这将带来复杂的施工工艺和巨大的工作量；第二，球鼻艏内结构复杂，有很多不规则的小块区域，太厚的材料无论切割、弯折、敷贴都很困难，给施工带来难度。

同样需要注意的是，在达到相同的减振降噪效果时，高频段使用阻尼材料的效果要好于低频，可以用较薄的材料达到相同的效果。而低频时则需要更厚的材料。所以，在舰上其他部位敷设阻尼材料的厚度需要在总体设计时全面考虑。

3 阻尼材料的敷设

阻尼材料的敷设原则是所有的钢结构都被完全覆盖，不能露出一块未经敷设的钢结构。球鼻艏内的构架形式复杂，可分为垂直面和水平面两种敷设形式。如图4。垂直方向的钢结构（球鼻艏背部），敷设比较方便，可在两侧平均敷贴阻尼材料。如果是水平方向的钢结构（球鼻艏顶部构架），可在钢板上表面多敷一点，下表面少敷一点，防止掉落，这样可降低承重和施工难度，可以达到基本相同的效果。

图4 敷设阻尼材料的两种形式

敷设前，先根据球鼻艏内的基本情况制定敷设方案，各处敷设厚度、敷设方法、边角的处理、是否需要螺钉连接、钢结构上底漆的处理、施工温度、乃至整个敷设时间的安排都需要详细考虑。有些结构敷设困难，需要在球鼻艏结构设计之初由总体设计师综合考虑，避免复杂的结构面朝向声纳基阵，增加施工难度。

敷设时，一般将阻尼材料制成相应厚度的胶板，进行拼接和粘贴，见图5。若两块拼接，则需要先将两侧切出斜面，并拢后中缝用胶水抹平。若遇到小块或不规则区域，要预先切割成相应大小，四周切斜边，用胶水粘合后四周与相接面抹平。不能出现中空和浮贴的情况，以免造成日后材料脱落。

图5 阻尼胶板的敷设

特别需要注意的是球鼻艏内的后壁，它的背面是舱室，正面直接面对声纳基阵，基阵朝向舰尾方向发射的声波经过钢结构反射，就变成了噪声，因频率与声纳的工作频率相同，在后期的信号处理中，会造成很大困扰。所以，需要在两面敷设足够厚度的阻尼材料，将影响降至最低。

在敷设与球鼻艏相连的舱室时，一般在球鼻艏后壁以后（锚链舱）和上壁（艏尖舱）以上 0.5m范围内的舱壁都均匀敷设大约3倍于钢板厚度的阻尼材料（30mm左右）。而在球鼻艏平台上，可采用图4中的水平敷设方法，为防止掉落，下表面敷设一薄层，上表面可以尽量厚的敷设（有时可以达到50mm）。这样，可以将从结构上传过来的噪声和振动在到达球鼻艏之前降到最低。

针对球鼻艏内可活动零件跟随舰体运动所产生的振动，则要在设备和管系安装时，采用橡胶包覆或涂抹阻尼材料。