舰船水下辐射噪声的控制分析

王晓侠 刘见华

（1.海军驻上海江南造船（集团）有限责任公司军事代表室 上海201913；2.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011）

0 引 言

水面舰船作为海军的重要力量，一直是各海军强国优先发展的重要装备之一。但随着现代战争技术，特别是精确制导、电磁（雷达）侦察、红外探测、水声探测等现代战争综合探测技术的不断发展，使得水面舰船的设计发生了巨大改变。水面舰船的综合隐身能力已成为水面舰船生命力与作战能力的重要组成部分。在现代战争中，舰船被敌人发现即意味着死亡。有关研究表明，舰船水下辐射噪声增加6 dB，可使敌被动声纳的探测、攻击距离提高1倍，并使本舰被动声纳探测距离降低50%，从而大幅增加本舰被敌发现的概率，使舰船生命力大幅降低，舰船的作战性能大打折扣［1］。可见，低辐射噪声水平是水面舰船声隐身设计的追寻目标。

声隐身性是指控制舰船水下辐射噪声水平，降低声源强度、使自身难以被发现、跟踪、识别和攻击，同时提升自身发现、跟踪和识别敌方的能力，进而提高舰船的生命力和战斗力，是舰船的一项重要战技指标。

1 舰船水下辐射噪声起因

水面舰船是一个复杂的噪声源分布体，产生水下辐射噪声的原因主要有以下三个方面：

（1）螺旋桨噪声

螺旋桨旋转运动引起周围流场变化和压力波动，产生多种不同机理的噪声，包括叶片共振时辐射的噪声、涡流噪声、唱音和空泡噪声。空泡噪声是宽频且无指向性，噪声级与舰艇速度的5～6次方成正比。空泡噪声会使舰船的中高频辐射噪声突然增大20 dB以上，成为全船总辐射噪声中最主要的成分［2］。螺旋桨除本身直接辐射噪声外，其产生的脉动压力会激励船体艉部结构振动并辐射噪声，严重时也占总辐射噪声的很大成分。另外，螺旋桨推力经轴系中的支撑轴承和推力轴承作用于艇体的交变力，使船体产生强迫振动，并向水中辐射噪声。当艇体产生共振时，其辐射噪声级会比螺旋桨噪声级大许多。

（2）机械噪声

机械设备和管系通过基座与非支撑件激励船体振动并向水中辐射噪声，其大小与机械振动状况、底座特性、隔振装置效率等多种因素有关，其噪声性质以线谱最明显为特征，处于低频段，传播得较远，是舰艇的主要目标特征信号。此外由机械空气噪声激励而引起的舱室空气噪声向水中透射引起的噪声，其声级的大小与结构的惯性、刚性和阻尼、以及空气噪声级等有关。

（3）水动力噪声

起伏的水流流过运动着的舰船表面所产生的噪声。它包括湍流表面层产生的流动噪声、艇上部分孔穴或附体处的空化、漩涡产生的噪声，航行舰艇的艇艏、艇艉的拍浪碎波噪声等。水动力噪声一般被机械噪声和螺旋桨噪声所掩盖。但如果附体结构或孔穴被激励而产生谐振，会辐射较强的窄带线谱噪声，且相应声级较高。随航速增加，水动力噪声增长很快。

舰船水下辐射噪声控制的措施基本上是两条，即振源控制和传递途径控制［3］，具体的舰船声隐身设计时如何实施，要进行声平衡设计。

振源控制主要是根据各种噪声的发生机理，最有效的方法是从源头上消除产生噪声的条件和环境，但牵涉面较广，故需进行舰船的声隐身顶层设计。传递途径控制主要是针对机械噪声，在振源的传递途径中增加各种隔振和降噪措施，改变振源的传递特性，减小船体振动的幅值，以减小水下辐射噪声。

2 国外舰船水下辐射噪声控制情况

国外海军强国在舰船水下辐射噪声控制领域起步较早，研究发展至今已经形成了较完善的规范和标准。美国自20世纪60年代末就针对水面舰船的声隐身工作编制了一套减振降噪的设计施工规范文件，在此基础上不断完善并逐步提高减振降噪要求。近代的“阿利·伯克”级驱逐舰是美国水面舰船声隐身技术发展的较好代表。德国也很早就重视舰艇声隐身技术，1974年版 《舰艇建造规范》中有独立的“噪声控制”部分，1990年版中有“冲击安全性”、“振动安全性”及“噪声控制”三大部分，对舰船的声学性能、战术技术要求、减振降噪设计原则及施工工艺原则、减振降噪验收测量方法作了明确的规定，德国F-124级护卫舰和未来型护卫舰FDZ2020均严格按照规范设计制造；近年引进的俄罗斯潜艇和水面舰艇可以证实其舰艇的声隐身技术处于世界先进水平；法国的“拉菲特”级护卫舰、瑞典的“维斯比”隐身护卫舰，西班牙的F-100级护卫舰都采用了先进的减振降噪措施，声隐身水平很高。

舰船水下辐射噪声数据历来都被各国视为核心机密，因此无法准确知道国外舰船水下辐射噪声的真实情况，只能通过一些资料报道了解到一些情况。

根据有关资料报道，在20世纪70年代，由于美国突破了振动源设备的浮筏隔振技术、大倾斜低噪声五叶螺旋桨制造技术以及舰艇气幕降噪技术，并在DD963舰上成功应用，使该舰水下辐射噪声显著减小，较同类舰降低25%。当时的国外驱逐护卫舰在18 kn航速时，水下辐射噪声水平一般控制在170 dB左右；而到90年代，18 kn航速时的水下辐射噪声总声级已降至162 dB左右。

此外，我们也了解到国外一些海洋调查船与科学考察船的水下辐射噪声情况。如北约反潜战研究中心的“Alliance”号海洋调查研究船，该船排水量约3 100 t，对水下辐射噪声有严格要求，进行声学设计时采用了大量的减振降噪措施。该船在8 kn航速时，水下辐射噪声总声级低于135 dB；12 kn航速时，水下辐射噪声总声级低于145 dB。爱尔兰渔业调查船“Celtic Explore”号用于渔业、地质、海洋环境调查及环境采样。该船11 kn航速时，水下辐射噪声总声级低于145 dB。智利科学考察船在11 kn航速时，水下辐射噪声总声级低于138 dB。

国外水面舰船控制水下辐射噪声一般采取以下几项主要技术措施：

（1）对于螺旋桨噪声控制：主要是采用大直径、低转速、大倾斜低噪声可调螺距螺旋桨，且应用螺旋桨气幕降噪技术；

（2）对于机械噪声控制：主要是采用单层隔振、双层隔振、浮筏隔振、阻尼处理等，此外还重视轴系减振和管路隔振，如：与弹性设备连接的管路都需通过挠性接管连接，管路的固定采用弹性吊架等；

（3）对于水动力噪声的控制：主要是优化船体线型，使船体流线光顺，并避免有大的开孔和突出物，以降低流噪声。

3 我国舰船水下辐射噪声控制情况

自20世纪80年代，国内已经对舰船的机械振动与辐射噪声开展了一些理论和试验研究，并在振动与声辐射机理研究、舰艇结构振动及其传递控制、辐射噪声控制等方面取得了一定进展。我国在80年代仿照美国军用标准编制了一些舰船噪声限值标准和测量标准；从国外引进了采用双级隔振带箱装体的推进柴油机和电站柴油机，单级隔振的燃气轮机，采用大倾斜调距桨结合艉轴通气系统等舰船声学控制措施；并进行舱室空气噪声的控制技术研究；对全舰空气噪声、结构噪声和水下辐射噪声进行了测量，这是我国对水面舰船首次进行声隐身设计的尝试，积累了初步的设计经验。

不过，限于我国的工业水平、经济实力、控制的力度以及各部门的重视程度，与欧、美、俄等海军强国相比仍存在较大差距，主要体现在机械工业落后、机电设备振动噪声大、控制力度不足、各部门对振动噪声的认知欠缺等方面。20世纪90年代开始，我国陆续对在建的水面舰船提出了明确的噪声指标要求，各种减振降噪措施也陆续上舰应用。

目前我国水面舰船的声隐身工作已取得了较大的成效，一些先进的减振降噪技术措施在我国水面舰船也逐渐得到应用。但也应该看到，我国现役水面舰船的噪声水平整体上与国外还存在差距，值得深思。具体原因可能是多方面的，包括声学设计的顶层设计还比较欠缺、装舰设备及系统的振动噪声大、减振降噪技术措施的应用缺乏系统考虑、实测数据偏少，特别是实测时往往偏重于测试总声级而忽视对舰上设备振动的测试等。

4 我国水面舰船水下辐射噪声控制的发展建议

舰船的水下辐射噪声水平是一个国家整体制造工业综合实力的体现。如装舰机械设备的安静性设计，就受到国家工业基础和设计水平以及材料、加工工艺的制约，没有形成安静性机械设备的设计加工体系，难以满足舰船声学控制发展的需要。目前我国舰船的声隐身能力虽然受工业制造水平的影响非常大，但仍可通过改进设计、综合采用新的声隐身技术来降低舰船的水平辐射噪声。

4.1 加强舰船水下辐射噪声指标的论证

关于水面舰船水下辐射噪声指标的确定，既取决于该舰的作战使命任务，同时也受到减振降噪技术水平的制约，是作战需求和现实条件的综合平衡问题。但是目前也存在水下辐射噪声控制要求与具体舰船的作战使命任务结合不紧的问题。提高或者降低水下辐射噪声指标对完成作战使命任务的影响不能够完全说清楚，水下辐射噪声水平降到多少合适、是否是使命任务的需要、其他隐身指标的关系以及减振降噪措施的投入产出关系等还无法合理评定，国内水下辐射噪声指标的评价体系还不完善。水下辐射噪声指标要求的考核工况及航速要求与作战使命任务结合不紧密，如国外反潜水面舰船更关注低航速（安静航态）下的噪声控制，充分发挥该航速下舰船水下辐射噪声水平低的优势，以满足战术对抗的需求。建议今后在论证舰船的水下辐射指标时，应加大这方面的论证工作，尽可能将指标要求和本舰使命任务联系起来，建立科学、合理、有效的指标评估体系。

4.2 水下辐射噪声的控制应注重顶层设计

舰船声隐身设计是一项系统工程，必须强调顶层设计的重要性。水下辐射噪声指标应该作为舰船的一项重要指标，在设计之初就纳入全舰总体设计中，与舰船的其他性能指标一起综合统筹考虑，然后才是对水下辐射噪声总指标进行合理的分配、预报、综合治理等环节。实践表明，若结束舰船总体设计之后再采取各种减振降噪措施，则大部分情况下只能局部地解决面临的问题，而且需要的费用也较多。

水下辐射噪声指标和其他性能指标是密切相关的，因此需要在舰船设计的早期阶段就考虑到声学要求，从源头、总体、系统的角度进行综合权衡，如船型的选择。美国最新的水声监听船“无瑕”号采用了小水线面双体船型，可将大的机电设备布置在甲板上方，以减少机械振动的传递；如推进方式的选择，可以考虑选择采用电力推进和喷水推进来满足低噪声的要求。此外，在舰船设计之初就必须考虑采用减振降噪技术措施所需的排水量、空间及重心的储备；在舰船总布置上应考虑将振动大的设备集中布置、以便于采用浮筏隔振甚至是舱筏隔振，应考虑将对声学环境要求高的换能器舱尽可能布置在远离振动大的区域；优化设计船体线型，艉部线型的优化可改善艉部流场的非均匀性，减轻螺旋桨叶片的工作负荷，实现推进性能和噪声性能的良好统一，附体线型和水下大开口形式的优化，可减少水动力噪声；考虑舰船结构声学设计，避免造成各种振源激励的共振和放大，船体基座结构进行声学设计，增大基座输入机械阻抗，减小振动传递。

在总体设计初期就进行上述考虑之后，再应用相关的减振降噪技术措施，可达到事半功倍的效果，有助于水下辐射噪声指标的实现。

此外，在考虑单层隔振、双层隔振及浮筏隔振等技术措施时，还必须兼顾考虑舰船的抗冲击性能。

4.3 加强施工建造过程的控制

声隐身性能是舰船的一项重要战技指标。水下辐射噪声的控制必须贯穿于论证、方案设计、技术设计、施工设计、施工建造、试验试航、服役使用、维护修理、信息反馈等全寿命过程。

这里着重强调一下在建造阶段需要重点加强控制，以保障所采用的减振降噪技术措施能够按照设计师的意图顺利实施，达到预期的良好效果。在建造阶段，制造技术、安装技术、工艺控制等方面对舰船的声学特征有着直接的影响，有些减振降噪技术措施对施工方法的要求特别高，在设计图纸上可能无法准确表达。如隔振器的螺栓紧固力矩的不一致，就可能使设备的安装不平衡，导致振动加大的情况发生。

4.4 加强振动噪声测试工作

在进行舰船声隐身设计的顶层设计时，需要良好的分析和预测能力，而最直接有效和可靠的方法是基于母型船的类比修正方法，而做好该项工作的基础是需要对母型船的声学特征有充分的了解，这就需要掌握母型船的实船噪声测试数据。

由于受多方面因素的限制，目前我国水面舰船的水下辐射噪声实测数据还比较少，特别是实测时往往偏重于测试总声级而忽视对装舰设备的振动测试，导致即使获得了实测数据，也很难以深入分析各振源的贡献度，更谈不上全面把握舰船的噪声特性分布规律等。因此，加强实舰的噪声测量和装舰设备振动传递特性测试将有助于舰船声隐身技术工作取得更大的实效。

［1］缪旭弘，王振全.舰艇水下噪声控制技术现状及发展对策［C］.第十届船舶水下噪声学术讨论会论文集.2005.

［2］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.

［3］侯振宁.舰艇隐身技术的发展现状［J］.舰船电子对抗，2000，（2）：19-24.