舰船总体水声兼容性设计综述

刘序旻 赵齐民 杨颖 陶益

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011）

舰船总体水声兼容性设计综述

刘序旻 赵齐民 杨颖 陶益

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011）

随着越来越多的水声设备上舰，舰船水声兼容性问题日益突出。在解决水声兼容性问题时，舰船总体设计单位扮演着重要的角色。文章从舰船总体的角度，针对舰船总体水声兼容性设计所涉及的水声兼容性问题和解决措施进行论述。

舰船总体；水声兼容性设计；水声设备

0 引言

在争夺海洋的战争中，一方面，水声学和电子技术取得的成就为水声设备的飞速发展奠定了基础；另一方面，水下目标急剧增多，特别是潜艇和水下声制导武器的出现，使反潜斗争形势日益严峻。如今，水声设备不仅应用于水下导航，在海战中也扮演着举足轻重的角色。越来越多功能各异的水声设备装备于水面舰艇，由此而来的舰船总体水声兼容性问题也日益突出。

在舰船设计初期就应着手考虑全船的水声兼容性问题，而在解决水声兼容性问题时，舰船总体设计单位扮演着重要角色。舰船总体水声兼容性设计涉及的设备多、技术复杂，是一门综合性的学科。本文将针对舰船总体水声兼容性设计所涉及到的有关问题和解决措施进行探讨。

1 水声设备的基本工作原理

水声设备按探测方式分为主动式和被动式。主动式水声设备［1］能产生并发射声能，然后接收、处理目标的回波，获得目标信息。主动式水声设备通过发射机产生足够功率的电信号，通过电声转换系统（通常称为换能器或换能器组成的基阵），将电信号转换成声信号向水中辐射。声波在水中遇到目标时，被目标反射。其中一部分沿着声纳的方向返回，称为回波。回波被接收换能器接收，将声信号再转换成电信号，由接收机进行放大、变换与处理，这就是主动式水声设备的基本工作原理。被动式水声设备本身不发射声能，由接收和处理目标辐射的噪声来获得目标的有关信息。

2 声波特性

水声设备的工作原理与我们所熟悉的雷达十分相似，因此水声设备常被称为“水下雷达”。然而声波与电磁波在物理性质上的差别，使得水声设备与雷达在具体实施上有明显不同。

首先，声波的传播速度低。声波在水中的传播速度约为1 500m/s，而电磁波在空气中传播速度约为300 000 km/s，两者相差20万倍。当水声设备和雷达搜索的目标大小相近、所使用的波长也大致相同时，水声设备所使用的频率却远低于雷达电磁波频率。由于声速低，目标速度较声速明显，因此多普勒效应［2］显著。接收机带宽远大于信号带宽。若发射信号的频率为f，声纳与目标之间径向相对速度为v，c为声速，则接收信号的频率会因多普勒效应而产生偏移。偏移的大小为

所

以，水声设备接收机带宽远大于信号带宽，这为声信号干扰带来隐患。

其次，声波在传播过程中，除几何衰减外，还要考虑吸收损耗。频率越高，损耗越大。声波在水中的吸收损耗比电磁波在大气中的吸收损耗大得多。如10 cm波长的水中声波吸收损耗约为2 dB/km，大气中电磁波损耗约为0.01 dB/km。因此，声波在水中的传播距离相对于大气中的电磁波会小很多。所以，对于雷达而言，噪声背景主要是天线与接收机内部的热噪声，而水声设备则是更严重的外部环境噪声对其的影响。

此外，海水为不均匀介质，声波在传播中发生折射和散射，传播路径受海底、海面的限制而产生多次反射。不同路径的声波同时到达接收基阵，从而发生干涉。

3 舰船总体水声兼容性问题

新型舰船总体作战平台上往往装备有两部或多部水声设备，加之声波的特殊物理特性及水声设备的工作环境，舰船总体水声兼容性问题主要有以下两类：

（1）环境噪声对水声设备的干扰问题；

（2）水声设备间的干扰问题。

环境噪声的产生一方面由于舰船航行在不同海区、不同航态，水声设备工作时，声波传播路径受海底、海面的限制而发生多次反射，不同路径的声波同时到达接收基阵，从而产生干涉；另一方面由于周围环境的水声扰动，其中包括海洋交通噪声、冰层移动、冰川破裂产生的噪声、生物噪声、地壳运动噪声、热噪声等。

舰船自身的辐射噪声属于外部环境噪声，也会对舰船水声系统产生干扰。有关研究表明，舰船水下辐射噪声只要增加6 dB，即可使该舰被动声纳探测距离大幅降低。由此可见，舰船自身辐射噪声水平在很大程度上影响着舰船上所装水声设备的性能水平。

由于平台空间所限，当舰船上安装的多部水声设备同时工作时，主动式水声设备发出的声信号会对其他水声设备的接收端产生干扰。这些干扰包括同频干扰和带外干扰，主要表现为：

（1）干扰信号过大，造成水声设备接收机前放阻塞；

（2）干扰信号过大，造成水声设备A/D变换饱和；

（3）干扰信号在接收机频带内超过噪声信号，使声纳的性能下降。

4 舰船总体水声兼容性设计

4.1 内容与范围

舰船总体水声兼容性设计的内容与范围是：

（1）降低舰船辐射噪声；

（2）优化全船水声设备的总体布置；

（3）水声设备频域控制；

（4）水声兼容性使用管理控制。

4.2 降低舰船辐射噪声

舰船海上航行时引起的水下辐射噪声，主要由机械设备振动引起的水下辐射噪声和推进器噪声组成。

对于机械设备引起的水下辐射噪声应建立机械噪声预报模型，加载主要机械设备噪声源振动激励，得出未进行降噪处理前的机械设备辐射噪声贡献。并根据主要机械设备噪声源振动排序，采取以下相应的减振降噪措施：

（1）轴系等结构的减振降噪处理；（2）发电机组可采取箱装体及双层隔振措施；（3）设备优化布置，将发电机组上移至主甲板结构；

（4）推进电机、推力轴承、冷水泵、海水泵、消防泵、推进电机海水冷却泵、变频器、变压器海水冷却泵、电站海水冷却泵等主要噪声源设备可采用弹性安装技术，基座采用高传递损失基座形式进行设计，对于推进电机、推力轴承等振动较大的设备还需采取相应的吸振措施；

（5）全船结构要进行结构声学优化设计，使之在不显著增加船体重量的情况下，获得较佳水下声学性能；

（6）声学防护处理，即针对动力舱段与换能器舱进行阻尼材料、吸声材料及隔声材料的敷设。

若采用螺旋桨推进方案，可以通过尾部结构声学优化设计，优化尾部线型和尾轴架设计，减小推进器引起的尾部振动。

4.3 优化全船水声设备的总体布置

优化全船水声设备的总体布置，即从空间上保证水声设备的正常工作，按照各水声设备的使命任务和工作方式，合理地将各水声设备进行分区布置。

现代舰船装备的水声设备按功能主要分为警戒探测用的舰壳声纳、拖曳声纳、猎雷声纳以及水声对抗用的侦察声纳与声诱饵等。

拖曳式水声设备一般布置在舰船艉部，并且要将探测用水声设备和声诱饵等拖曳式水声对抗干扰设备左右舷隔开。如有多种拖曳水声设备可以考虑共用湿端。舰壳式主动声纳的布置应远离舰船艉部的主要辐射噪声源，一般考虑布置在舰艏球鼻艏内；导航用的测深仪、计程仪等指向性较好的水声设备则布置在船舯部。

这样的分区布置一方面能拉开水声发射单元（干扰源）与其他接收声信号的水声设备距离，或使接收机错开发射机发射主瓣的方向；另一方面也可降低舰船自身辐射噪声对水声设备的影响，最大限度从空域上避免以下影响：

（1）发射单元对其他水声设备接收端的指向性干扰；

（2）干扰信号对接收机前放阻塞；

（3）干扰信号造成A/D变换饱和；

（4）干扰信号在接收机频带内超过噪声信号，使性能下降。

同时，这样布置也为频域控制或采用水声兼容性使用管理控制的水声兼容性设计措施奠定了空间上的基础。

4.4 水声设备频域控制

频域控制主要是针对舰船主动声纳与被动声纳之间，主动声纳之间，主被动声纳与背景噪声场之间的兼容性问题。干扰声与信号声之间的频谱要有差异，差异越大、干扰越小。因此在舰船设计中，对所有水声系统的工作频率确定必须进行充分论证。除需要满足声纳本身指标（作用距离、方向性等）要求外，还必须从兼容性出发，合理确定频率，使之差异较大、干扰最小。

此外，舰船航行在不同海区或其处于不同航态时，其背景噪声的频谱也不同。因此调节声纳工作频段开关（即控制声纳工作频率），实现背景噪声谱与声纳工作频谱的差异性，从而达到最小干扰，也是水声兼容性中的频域控制方法之一。

4.5 水声兼容性使用管理控制

当采用了空域和频域的方法仍无法解决舰船的水声兼容性问题时，则需采用“水声兼容性使用管理控制”这一方法来解决水声兼容的问题。水声兼容性使用管理控制包括对水声设备的工作方式和工作时机的控制管理。

对水声设备工作方式的控制管理有许多模式，但都基于水声设备的工作机理。比如对于指向性的干扰，可以在信号处理上采用干扰抑制方法减小指向性干扰。此外还有阵元域增益控制、自适应波束在特定方向上形成凹槽或零点等方法。

对水声设备工作时机控制管理中，应严格控制各声纳的工作时间，使原本相互干扰的水声设备不同时工作。或者选择合适的发射与接收时机，通过时域的方法规避干扰。

5 结论

舰船总体水声兼容设计的目的是为了解决装舰水声设备的水声兼容性问题，保证舰船使命的完成。舰船总体水声兼容性设计通过降低舰船自噪声，优化全船水声设备的总体布置，水声设备频域控制，水声兼容性使用管理控制等措施保证舰船各个声学设备的正常工作。

［1］阎福旺.现代声纳技术［M］．北京：海洋出版社，1998.

［2］（英）Waite A D.实用声纳工程［M］．王德石译.3版.北京：电子工业出版社，2004．

Underwater acoustic compatibility problem in ship overall design

LIU Xu-min ZHAO Qi-min YANG Ying TAO Yi
（Marine Design&Research Institute of China，Shanghai200011，China）

With more and more underwater acoustic equipment installed on ship，underwater acoustic compatibility problems become increasingly noticeable.Overall designers play an important role when dealing with the underwater acoustic compatibility problems.This paper discusses the underwater acoustic compressibility problems and their solutions from the viewpoint for overall design.

ship overall；underwater acoustic compatibility design；underwater acoustic equipment

U666.7

A

1001-9855（2012）03-0031-03

2011-12-06；

2011-12-28

刘序旻（1983-），男，汉族，硕士，工程师，研究方向：舰船总体设计。

赵齐民（1981-），男，汉族，工程师，研究方向：舰船总体设计。

杨颖（1981-），女，汉族，工程师，研究方向：舰船总体设计

陶益（1981-），男，汉族，硕士，工程师，研究方向：舰船总体设计