水声基阵声学隔板声屏蔽性能研究

张德志， 单国荣， 周利生

(1.浙江大学 化学工程与生物工程学院，浙江 杭州 310027； 2.杭州应用声学研究所，浙江 杭州 311400)

球鼻艏导流罩是声基阵的安装平台，其内部及周围声环境直接影响声呐的检测性能。导流罩内部环境噪声一般由舰船振动噪声、流激噪声和螺旋桨空化噪声组成，其中艉向噪声为主要的噪声源之一，主要由螺旋桨噪声、后壁板振动辐射噪声组成[1-4]。艉向噪声传播途径包括直线传播和海底反射两部分，由于在舷外传播，目前针对导流罩噪声治理的阻尼抑振和吸声材料敷设措施对艉向噪声的抑制效果有限，必须采取专门的隔声装置，安装专用声学隔板，以阻断的方式实现艉向噪声的屏蔽。

声学隔板安装在声呐基阵与后壁板之间，在声学设计上，要求声学隔板既能阻断艉向噪声向导流罩内的传播，同时对舰艏方向的噪声具有较强的吸收，以减弱导流罩内的混响声。声学隔板结构设计原则主要依据声呐总体的需求，在满足声呐观察范围的前提下，尽量增大声学隔板的屏蔽范围，远离声呐基阵的安装位置。

1 声学性能仿真计算及实验设计

为了实现艉向噪声抑制，采用声基阵为基元，假设声学隔板在2～10 kHz频段隔声量大于15 dB，利用CAE软件，采用三维面模型，分析计算了声学隔板对声基阵声学性能的影响[5-8]，仿真结果如图1所示。由图1中的计算结果可以看出，在±30°范围内，声学隔板对声基阵水平指向性的遮挡效果大于10 dB；在±15°范围内，声学隔板对声基阵水平指向性的遮挡效果大于20 dB。

图1 声基阵水平指向性遮挡效果仿真结果Fig.1 The simulation results of array horizontal directivity

以仿真计算结果为依据，设计加工了声学隔板。声学隔板主要由三部分组成：中间骨架、SND反声障板和SNX-010Y吸声障板，其中SND反声障板安装在远离声基阵的一面，SNX-010Y吸声障板安装在近声基阵的一面。中间骨架选用8 mm不锈钢板，SND反声障板和SNX-010Y吸声障板声性能参数见表1。

表1 声学隔板声学性能Table 1 The performance of the acoustical baffle

声学隔板与声呐基阵装配一体结构如图2所示，声学隔板通过支撑架与声基阵固定在一起构成试验台架。

图2 声学隔板测量装置示意图Fig.2 Diagram of acoustic baffle measuring device

图3 声学隔板声遮挡试验声场布置图Fig.3 Layout of acoustic baffle shutter sound field

测量声基阵接收性能时，由水声换能器综合参数测试系统的发射换能器发射远场信号，采用声基阵接收。发射系统由信号源、功率放大器、取样器和发射换能器构成。信号源根据测试需要输出特定频率、幅度和脉冲宽度的正弦信号，由功率放大器放大后，推动发射换能器向水中发射信号；电压电流取样器获取发射换能器的电压信号和电流信号，输入到数字示波器进行检测[9-10]。

图4 水声换能器综合参数测试系统组成框图Fig.4 Block diagram of underwater acoustic transducers testing system

测量声基阵发送响应时，由声基阵发射信号，采用水声换能器综合参数测试系统的水听器远场接收。接收分系统由测量放大器、带通滤波器、数字示波器和标准水听器组成。测量放大器和带通滤波器组成的接收网络对标准水听器输出的开路电压进行滤波、阻抗匹配和信号调理；调理后的水听器信号送入数字示波器[11-12]。

2 实验方法及结果分析

声学隔板与声基阵的相对布放位置见图5。声基阵正对声学隔板方向为0°，逆时针为正，顺时针为负。标准水听器距声基阵距离38.3 m，水下深度14.6 m；发射声源距声基阵距离38.3 m，深度14.6 m，测量声基阵在收发状态特定频率和不同方位的声源级、波束宽度变化及旁瓣级变化量。

图5 声学隔板-声基阵布置图Fig.5 Layout of acoustic array and acoustic baffle

2.1 声源级衰减规律

由声基阵发射信号，采用水声换能器综合参数测试系统的水听器远场接收，测量声基阵发射状态0°、30°波束有无声学隔板的声源级，每个波束对应的频率为2.0、3.0、4.0 kHz。声源级数据见表2。

表2 声源级测试结果

声源级测量结果表明，随着发射角度不同，声源级差变化明显，声学隔板对声基阵指向性具有显著影响。在0°波束方向，声源级差大于18 dB，说明选用的声学隔板具有优异的隔声性能，满足

艉向噪声遮挡要求。声源级差随频率增加而变大，这是由频率升高，声学隔板隔声效果增大造成；在30°波束方向的测量频段内，隔声量接近3 dB，远低于0°波束方向，且随频率变化，隔声量变化不大，主要是由于30°波束处于声学隔板的边缘位置，声学隔板对其有一定影响，但主要由声学隔板的边缘效应引起的。

2.2 发射波束水平指向性

由声基阵发射信号，采用水声换能器综合参数测试系统的水听器远场接收。试验台架匀速旋转180°(0°～180°内)，声基阵同时发射2.0、3.0、4.0 kHz单频单波束信号，30°～90°方向的发射波束水平指向性参数变化(波束宽度、旁瓣级等)测量结果见图6～8。

图6 2.0 kHz发射波束水平指向性测量结果Fig.6 The results of horizontal directivity of 2.0 kHz transmit beam

图7 3.0 kHz发射波束水平指向性测量结果Fig.7 The results of horizontal directivity of 3.0 kHz transmit beam

图8 4.0 kHz发射波束水平指向性测量结果Fig.8 The results of horizontal directivity of 4.0 kHz transmit beam

由测量结果可知，在30°波束方向，声学隔板对声基阵发射波束水平指向性影响比较大。随着水平波束远离30°方向，声学隔板对声基阵发射波束水平指向性影响逐渐变小。波速宽度、左右旁瓣级在30°～50°波束之间变化显著，主要是声学隔板的边缘效应引起。靠近声学隔板边缘区域由于近场干扰，虽然声源级变化不大，但引起波束畸变，波束宽度和左右旁瓣值变化明显，波束图不规则，声场特性变差。

在水平波束60°方向以后，远离了声学隔板边缘，声学隔板对声基阵发射波束水平指向性基本没有影响。

2.3 发射波束垂直指向性

由声基阵分别发射2.0、3.0、4.0 kHz的单频单波束信号，标准水听器距声呐基阵距离15 m，在垂直5.6～23.6 m内，改变标准水听器的入水深度，测量30°、60°、90°波束方向垂直指向性参数(波束宽度、旁瓣级等)，变化测量结果见表3。

表3发射波束垂直指向性测试结果

Table3Thetestresultofverticaldirectivityoftransmittedbeam

频率/kHz波束方位/(°)波束宽度变化/(°)左旁瓣变化/dB右旁瓣变化/dB300.81.311.852.060-0.2-0.26-0.25900003001.68-0.163.0600.5-0.030.590000301.11.741.394.0600.30.4-0.4390000

表3数据表明，声学隔板在30°波束方向对声基阵垂直发射波束有一定影响，但同水平发射波束相比较，垂直发射波束变化不明显；60°波束方向以后，由于远离了声学隔板，声学隔板对声基阵垂直发射波束基本无影响。

2.4 接收波束幅值衰减规律

采用水声换能器综合参数测试系统的发射声源远场发射信号，用声基阵接收，接收波束方位15°～60°，测量频率为2.0、3.0、4.0 kHz，测试结果见图9。

由测量结果可知，与声基阵发射状态相同，在声基阵30°波束方向测量频段，接收波束幅值下降主要由声学隔板的边缘效应造成，接收波束幅值变化不大。随着波束角度进一步减小，声基阵接收波束幅值急剧下降，接近15°波束方向，接收波束幅值下降近20 dB，说明越靠近声学隔板中心位置，声学隔板对声基阵声屏蔽作用越强，隔声量越大。在声基阵60°波束方向以后，远离声学隔板的位置，声学隔板对声基阵接收波束幅值基本无影响。

图9 接收波束幅值测量结果Fig.9 The results of amplitude of receive beam

2.5 接收波束水平指向性

采用水声换能器综合参数测试系统的发射声源远场发射信号，用声基阵接收。试验装置匀速旋转180°(0°～180°内)，并同时接收由声源发送的3.0、4.0 kHz单频信号，测量以上频段的接收波束水平指向性参数变化(波束宽度、旁瓣级)，对其中55°～90°方向的波束参数进行比较，接收波束水平参数遮挡实测数据见图10、11。

由测量结果可知，在55°～90°波束方位，声学隔板对声基阵接收波束水平指向性影响与发射状态相同，影响不大。

2.6 接收波束垂直指向性

采用水声换能器综合参数测试系统的发射声源远场发射信号，用声基阵接收，发射声源距离声呐基阵15 m，由声源分别发送3.0、4.0 kHz的单频信号，在5.6～23.6 m内，改变发射声源的入水深度，测量30°、60°、90°方向波束参数变化(波束宽度、旁瓣级等)，测量结果见表4。

图10 3.0 kHz接收波束水平指向性测量结果Fig.10 The results of horizontal directivity of 3.0 kHz receive beam

图11 4.0 kHz接收波束水平指向性测量结果Fig.11 The results of horizontal directivity of 4.0 kHz receive beam

频率/kHz波束方位/(°)波束宽度变化/(°)左旁瓣变化/dB右旁瓣变化/dB30-0.30.50.73.0600.3-0.5-0.190000300.31.21.14.0600.3-0.10.590000

由表4中的测量数据可知，声学隔板在30°～90°接收垂直波束宽度变化小于±0.3 dB。在4 kHz频率30°波束方向左右旁瓣值增加1 dB左右；3 kHz频率30°～90°波束方向，4 kHz频率60°～90°波束方向，声学隔板对声基阵垂直接收波束基本无影响。

3 结论

1) 声学隔板对声基阵艉部噪声屏蔽效果明显，靠近0°波束方向，隔声量大于18 dB以上，测量结果与声学隔板声性能结果相吻合，后期声学隔板在声基阵上的推广应用可以通过模型仿真和水池测量作为设计依据，减少大型外场试验工作量。

2) 声学隔板对声基阵屏蔽角度范围为-30°～+30°时，声学隔板对声基阵的指向性有很大影响，加装声学隔板后，声基阵-30°～+30°波束范围指向性(波束幅度、波束宽度、旁瓣级等)很差，声基阵在该方向不能有效观察。声基阵波束方位为+60°～+300°时，声学隔板对声基阵基本无影响。

3) 声基阵加声学隔板后，对艉部噪声的有效屏蔽，减小同其他声呐设备的相互干扰，对声兼容问题是有益的。

4) 声基阵加声学隔板后，在阻断艉部噪声的同时，减小了声基阵的有效工作扇面，因此，应在设计声学隔板屏蔽效果的同时，确保声基阵的工作扇面。

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本文引用格式：

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