拖曳线列阵流噪声抑制结构设计参考

张伟宁，刘庆文，吴 琳

(大连测控技术研究所，辽宁 大连 116013)

拖曳线列阵流噪声抑制结构设计参考

张伟宁，刘庆文，吴 琳

(大连测控技术研究所，辽宁 大连 116013)

总结了拖曳线列阵流噪声产生的原因以及传播特点。分别考虑充液线列阵和固体线列阵，较为全面地概括了从包括护套、材料、结构、水听器特性、水听器位置以及一些附加措施等方面抑制拖曳流噪声的方法。从抑制拖曳流噪声的角度，为拖曳线列阵的结构设计与制作提供了实用的参考依据。

结构设计；流噪声；拖曳线列阵；固体线列阵

0 引 言

海军舰艇和地球物理勘探船经常使用拖曳线列阵来探测分析水下目标和海底地层构造。传统的拖曳线列阵大多是在护套内充油的液体线列阵，进入21世纪后又出现填充凝胶的线列阵。近年来，固体线列阵作为新兴产品，因其环保与低噪声等优势，在国际上甚受重视，有逐渐取代传统充液线列阵的趋势。无论何种线列阵，只要用于拖曳式测量，就必将受到拖曳流噪声的影响，拖曳的速度越高，接收信号中的流噪声成分越强。特别是对舰载拖曳线列阵声纳，随着拖曳速度的提高，其工作性能将大大下降，直至不可用。

因此，在拖曳线列阵的设计与制作过程中，应充分考虑抑制流噪声的措施和办法。本文将对此进行概括性阐述。

1 拖曳线列阵流噪声的特点

关于拖曳线列阵的流噪声，国内外很多文献都进行了理论上的分析和试验测试。普遍认为，流噪声来源于拖曳阵表面扩展的湍流边界层(TBL)压力脉动、涡流激发的线列阵体振动、拖船导致的拖缆振动和不稳定尾流引起的尾缆振动[1]，在水听器部位形成了小尺度的直接噪声和大尺度的流致振动引起的间接噪声。

小尺度的直接噪声属于宽带噪声，覆盖全频带范围，其时空相关性与湍流尺度和关注频率有关。由于湍流边界层压力起伏的迁移峰出现在高波数区域，因此一般对此类流噪声，主要关注其高波数区域，对于该区域，其空间相关距离很短，具有很强的本地特征，这一点是拖曳线列阵高波数流噪声抑制的基础。

大尺度的流致振动引起的间接噪声，主要能量集中在低频区域，即0～500Hz范围内。其频率范围与幅度受到拖曳线列阵包括材料、结构、外形等各方面的影响，以膨胀波(也称为呼吸波)、弹性波和压缩波等形式在线列阵内传播直达水听器，构成低频流噪声的主要成分，是严重影响低频拖曳线列阵工作品质的因素。

对于拖缆振动和尾缆振动，一般在拖缆与线列阵之间、尾缆与线列阵之间插入多个振动隔离模块(VIM)进行阻隔和衰减，衰减程度受到模块内部流体、拉力、护套材料特性等影响[2]。另外，加大线列阵前后的拖缆长度，对振动传播有一定抑制作用[3]。但这两种方法并非总是有效，即便有效，涡流激发的振动仍然存在，其低频能量仍然足够影响水听器信号。

一般认为，流噪声频谱有图1所示特征[4]。

图1 流噪声频谱一般性曲线Fig.1 Universal flow noise spectrum

2 充液线列阵设计中的流噪声抑制

2.1直接流噪声抑制

目前我国绝大多数关于拖曳流噪声的研究都是基于充液线列阵进行的。综合来看，对于直接流噪声的抑制，充液线列阵在结构设计上应考虑以下几个方面。

(1) 拖曳阵内的水听器在满足工作稳定性、可靠性和高接收灵敏度的前提下，应选择尽可能低的加速度灵敏度值。

(2) 拖曳阵内的水听器形状应选择细长型，在能够满足灵敏度要求的情况下半径应尽量小，水听器应放置在圆管护套的中轴线上，尽量减小与中轴线之间的偏离，尽量增大护套与水听器之间的距离[5]。

(4) 增大护套外径和护套厚度对流噪声的抑制有一定作用，护套在满足强度要求的条件下应采用柔软的黏弹性材料，材料切变波衰减因子应尽量大[7]。

(5)在护套外侧涂刷低表面能涂层，或者包覆带有沟槽的薄膜，通过沟槽表面对湍流边界层的作用,在400Hz以上频段有很好的降噪效果[8]。

(6) 在护套壁内嵌入径向对称的两个压力传感器，这两个压力传感器在时间平均情况下，理论上其相干与相关性均为0，解算其输出信号互谱，即可得到一段时间内的湍流脉动压力值，通过计算去除信号中的流噪声成分[9]。图2为压力传感器安装示意图。

图2 压力传感器安装示意图Fig.2 Sketch map of pressure sensor setting

(7) 将两个水听器沿阵体长度方向布置，形成一个模块，如图3所示，两个水听器的几何中心距离L小于流噪声空间相干长度，一般选择工艺可实现的最短距离。两个水听器A和B输出的流噪声之间存在这样一个关系，VB=RVA，其中系数R由下式给出[10]：

R=[-1+exp(-i2πfNL/0.8VK)],

(1)

式中：fN为流噪声的频率；VK为拖曳速度，0.8VK为湍流脉动压力的典型迁移速度。利用这两个水听器输出流噪声的关系，为两个水听器分别适配相应的幅值和相移电路，即可将水听器的高波数直接流噪声完全消除掉。还可以通过增加模块内的水听器数量来增强对流噪声的抑制效果。

图3 水听器模块安装示意图Fig.3 Sketch map of hydrophone module setting

2.2流致低频振动抑制

对于充液拖曳线列阵，因其长管护套、填充液体与拉力构件等固有特征，其流致振动一般以膨胀波(也称为呼吸波)和弹性波的形式传播到水听器，其传播速度c为30～40m/s。针对这种特点，综合分析国内外文献[6,11-16]，一般有以下几种处理方法。

(1) 根据波速和频率分布，在拖曳线列阵护套内部适当位置添加海绵或其他阻尼结构件等来降低呼吸波能量的传输[11]，增加其能量的衰减，减小由呼吸波产生的压力起伏，从而减小影响水听器工作性能的流噪声。

(2) 水听器成组化是抑制流致振动的有效手段，例如图4所示的四个水听器一组，组成一个模块形成一个通道输出，通道长度为LH，则有

f=c/LH.

(2)

此处的频率f是水听器成组化后形成的低通滤波器截止频率，大于该频率的振动均受到衰减。为增加抑制效果，可增加水听器数量[6]。

图4 水听器成组示意图Fig.4 Sketch map of hydrophone grouping

(3) 在靠近端部连接器的位置，由于振动与噪声较高，不适宜放置水听器，因此近端部一组水听器中的单水听器位置应进行移动，在不影响声中心与电路匹配的情况下，应远离端部连接器，如图5所示。

图5 阵体端部水听器布置示意图Fig.5 Sketch map of array-end hydrophone location setting

(4) 护套的选择应满足泊松比尽量接近0.5[12]，同时增加聚氨酯(PU)弹性模量损耗峰的高度和宽度,合理平衡PU单一体系中软硬段相界面之间的黏合力,或者采用互穿聚合物网络(IPN)，能获得高损耗峰和宽损耗温域。除此之外,还必须能够耐水解,且具有较低的弹性模量(一般应小于2×107Pa)[13]。

(5) 在同等拖曳速度条件下，增加拖曳线列阵的张力能够大幅度降低小于20Hz范围内的低频噪声[14]，增加张力可以通过在拖曳阵尾部续接无传感器缆段或者拖曳一个大尺度流兜等办法来实现。

对此，我们采用一条8元充油拖曳线阵进行了湖试。拖曳阵由无动力小艇拖曳，小艇由浮码头卷扬机拖动，在阵尾加流兜和不加流兜的情况下，以10kn的速度进行拖曳对比试验。在该速度下，小艇噪声可忽略不计，阵元接收到的噪声为流噪声。测试对比同一阵元接收的流噪声数据，其中加流兜的阵体张力大约是未加流兜的阵体张力的18倍。图6是第4个阵元的流噪声对比图，从图中数据可以看出，在低于50Hz的频段，阵体流噪声随着张力的增加而大幅度下降，在小于20Hz范围下降近15dB。

图6 拖曳速度10 kn阵体流噪声对比图Fig.6 Comparison of flow noise spectrum with 10 kn towing

3 固体线列阵设计中的流噪声抑制

3.1直接流噪声抑制

固体线列阵在直接流噪声抑制方面，与充液线列阵有许多相似的地方，在不影响固体线列阵制作工艺的前提下，充液线列阵在直接流噪声抑制方面的结构都可以直接应用于固体线列阵。除此之外，还应注意水听器不能直接布置于固体填充材料中，而应布置在细长的腔体内部，腔内填充无声衰减的液体，腔体两端连接一个或多个加长的隔膜，用以对流噪声进行湍流平均。

3.2流致低频振动抑制

固体线列阵与充液线列阵对于低频振动有着不同的传播方式。固体线列阵中的振动以速度较高的压缩波在填充材料中传播，一般速度在300～1800m/s范围内，材料内部的应力一般大于10Pa。除此之外，受涌浪等海洋活动影响，固体线列阵中还将出现横向波，其传播速度受阵体张力与阵体重量的影响[7]，一般为20～40m/s。针对这样的特点，固体线列阵的结构制作应考虑以下几个方面。

(1) 为避免受到阵体填充材料的应力影响，水听器不应直接埋嵌于填充材料之中，而应布置在专门设计的腔体之中，做应变隔离处理，腔体外壳的刚度应尽可能大于阵体填充材料的刚度，以最大限度地衰减振动。

(2) 水听器与腔体之间应采用阻尼弹性元件隔离，腔体与张力部件之间应有最小的接触面积。

(3) 水听器腔体模块应进行阵列成组，N个水听器腔体模块按照一定的间距分布，作为一个通道输出，相邻水听器的距离由横向波的传播速度与关注频段决定。这点与充液线列阵类似。

4 结 语

本文依据拖曳线列阵流噪声的成因与特点，分别针对充液线列阵和固体线列阵，从阵体护套、阵体张力、水听器选型、水听器布置、填充材料以及一些附加措施等多个方面给出了抑制流噪声的结构设计方法。拖曳线列阵的整体结构设计应充分考虑流噪声的抑制，方能保证拖曳线列阵的工作品质。

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DesignReferenceofTowedLinearArrayStructureforFlowNoiseSuppression

ZHANG Wei-ning, LIU Qing-wen, WU Lin

(DalianScientificTest&ControlTechnologyInstitute,Dalian,Liaoning116013,China)

The generating mechanism and propagating characteristics of towed linear array flow noise are summarized. For liquid filled and solid filled linear arrays, the influence factors concerning flow noise suppression such as hose, material, array structure, hydrophone characteristic, hydrophone location, and assistant measures, are depicted comprehensively. In the aspect of suppressing flow noise, the applicable reference rule of designing towed linear array structure is provided.

structure design; flow noise; towed linear array; solid linear array

TB565

A

2095-7297(2015)04-0280-04

2015-06-30

国家863计划(2012AA09A211)

张伟宁(1982—)，男，硕士研究生，主要从事水下传感器与固体线列阵技术方面的研究。