舰艇声呐探测下敷设黏弹性阻尼层目标的声隐身性能分析

汤智胤 李 想 邹海龙* 沈惠杰 张吉健

(海军工程大学动力工程学院1) 武汉 430033) (海军工程大学军用电气科学与技术研究所2) 武汉 430033)(武汉融声奇科技有限公司3) 武汉 430000)

0 引 言

水下航行器的隐身性是其在海战场对抗环境下最基本的战技术性能，其中声隐身性能则是决定其隐身性的关键.水下航行器声隐身性能包含自身的声场辐射和对抗声探测设备的声散射场辐射.现有的公开研究文献指出，若水下航行器声散射场强度降低10 dB，则被声呐探测发现的距离可缩短32%[1-4].更进一步地，若我方声呐平台自噪声降低5 dB，则对水下目标的探测追踪距离可增加60%，搜索目标海区面积可扩大到原来的3倍.隐身性能差的水下航行器将难以及时完成其的作战使命，造成无法估量的损失.由此可见：降低水下目标散射声场对水下航行器自身生存力和作战力的重要性[5-8].

水面舰艇舰载声呐反潜是当今最为有效的反潜手段之一.水面舰艇声呐探测已成为现代舰艇反潜的重要手段.主动声呐是检测安静型水下目标、各种水雷目标的有效手段，也是今后相当长一段时间内水下目标检测技术的一个主要发展方向.对于低噪声目标检测，无论是主动还是被动工作方式，所使用的频率都在向低端移动.一般，将1 000 Hz左右定义为中频工作频率，100～1 000 Hz定义为低频工作频率.目前主动工作频率已明显向低频/甚低频段移动，因此，有效水下航行器的低频声散射声已成为当下的研究热点.战术模型中，常采用被敌发现概率作为评估水下航行器隐身性的重要指标，它刻画了水下航行器在活动海区内，被敌搜索到的可能性[9-10].但传统模型中，采用较为简单的算法，没有考虑敌、我双方的复杂对抗环境对战场态势的影响，给出的被发现概率指标也不是十分科学.

文中基于敌方舰载反潜水面舰艇使用声呐探测我水下航行器时的假想情况，综合考虑海战场对抗环境，计算了水下球形壳体目标的声散射特性，并通过在壳体外敷设黏弹性材料阻尼层降低水下目标声散射强度，改善水下目标的声隐身性能.在有无敷设黏弹性材料阻尼层的水下球形壳体的声散射特性研究基础上，对传统水声对抗特性评价模型进行改进，给出了一种海战场环境中水下航行器水声对抗特性评价方法.

1 水面舰艇声呐搜索航行器的数学模型

在面积为Sc的区域内，反潜水面舰艇使用一种被动声呐探测时，我航行器被发现概率为

(1)

式中：Nc为面积为Sc的区域内同时进行搜索的水面舰艇数量.由于多艘水面舰艇搜索时，还涉及到编队搜索策略问题，情况较复杂，本文仅讨论单艘水面舰艇，即取Nc=1时的情况；Tn为水面舰艇搜索我航行器所持续的时间；usn为水面舰艇使用声呐的搜索效率，单艘水面舰艇搜索我航行器时：

为了安全性考虑，认为航行器被发现后没有可逃区域，且航行器在运动区域巡逻线不能机动，则取P1dj=1，P1q=1-P1dj=0.则

usn=2dsnvpPkdj

(2)

式中：Pkdj为进入水面舰艇声呐作用区内的航行器保持接触的概率(取值0.7～0.8)；Pkq为进入声呐作用区内的水面舰艇保持接触的概率(取值0.7～0.8)；P1dj为水面舰艇先发现我航行器的概率，P1q=1-P1dj为我航行器先发现水面舰艇的概率.

由式(1)、式(2)可得我航行器的被发现概率为

(3)

2 水下目标声散射特性仿真

2.1 模型介绍

工程中水下航行器大部分可简化为类球体或椭球体结构腔体，文中以球体结构为例进行仿真计算.模型几何结构见图1，球形钢壳内部为空气，外侧敷设黏弹性阻尼层，阻尼层外部为水.其内部声学结构截面示意图，见图2.

图1 水下壳体模型

图2 黏弹性覆盖层内部声学结构示意图

2.2 仿真流程

基于有限元计算方法的分析流程见图3.

图3 分析流程

2.3 基于Actran的声散射分析

建立声散射计算分析有限元网格模型，见图4.单元及属性如下：①钢壳 三角形壳单元，总数2 364，单元尺度80 mm；②黏弹性阻尼层 实体壳单元，总数2 364，单元尺度80 mm；③内部空气 四面体网格，总数36 163，单元尺度80 mm；④外部水介质 棱柱体网格，总数55 075，单元尺度80 mm；⑤无限元 面网格，总数2 364，单元尺度80 mm.

图4 声学计算网格模型

将球壳外部的流体外边界定义为无限元，以便实现无反射边界条件的模拟以及辐射声功率的自动统计.在无限元外侧即空间位置(0，0，-30)施加平面波单位声载荷，见图5.

图5 计算模型

根据仿真结果计算壳外声场中有限距离内任意点声压值(包括散射声压和入射声压)，计算频率范围0～5 000 Hz.考核以通过球心沿声波入射反向距壳外表面15 m处目标强度作为评价指标，定义为

表1 模型几何和材料参数

(4)

式中：psc(r)为r处的散射声压；pin(r)为入射声压.

3 计算结果分析

考虑弹性光壳和弹性光壳上面敷设覆盖层两种情况下，在若干频率点处的声散射声压场，见图6～7.图6为540 Hz处(即目标强度曲线峰值处)的声散射声压云图.显然，在平面波入射下，敷设黏弹性阻尼材料层的声压场比弹性光壳均匀得多.同是球形目标后的平面波声场，敷设黏弹性阻尼材料层的声场干扰程度明显小于弹性光壳情况.

图6 540 Hz处的声散射云图

图7 1 340 Hz处声散射云图

图8为弹性光壳和壳体上面敷设覆盖层两种情况下的目标强度曲线，分别为图中虚线和点实线所示.由图8可知：最大目标强度出现在500 Hz附近，最小目标强度出现在1 340 Hz附近；在1 340 Hz以上频率，目标散射强度曲线略有上升趋势，并在若干频率点附近出现散射值峰谷；在弹性光壳上面敷设覆盖层后，目标强度在整个分析频段都有一定的降低(个别频段除外)，平均降低4 dB左右，特别是低频段的目标强度有了较大的衰减，最大衰减值可达10 dB.同时，目标强度低谷略向低频偏移.

图8 钢壳敷设阻尼层前后目标强度对比

将仿真计算结果代入式(5)，并假设敌水面舰艇活动区域的面积Sc=7 000 nm2，水面舰艇搜索时速度vdj=15 nm/h，我航行器的运动速度vq=5 nm/h，进入其声呐作用区内保持接触的概率Pkdj=0.75，水面舰艇搜索我航行器时所持续的时间为Tn=6 h，计算可得不同频率下钢壳敷设阻尼层前后被发现概率降低值，结果见图9.由图9可知：分析频率0～5 000 Hz范围内，在水下目标钢结构光壳上面敷设阻尼覆盖层后，目标的被探测概率在整个分析频段都有一定的降低(个别频段除外)，平均降低了2.934 3%.

图9 敷设阻尼层后被探测概率减小值

但本方法在低频段，其被探测特性还会有所增加，原因是黏弹性阻层材料层对低频段声波的吸声能力有限，难以对500 Hz以下的声波进行有效吸收.另一方面，敷设覆盖层增加水下声目标的尺寸，加大了被敌探测概率，使得目标强度总体略向低频偏移.黏弹性阻层材料在超低频段的声散射场消减性能，还需要持续的探索研究.

4 结 束 语

在航行器表面敷设弹性阻尼层可以提高其声隐身性能，但传统模型大部分是通过计算其声散射特性或被敌发现概率作为评价指标，没有考虑到海战场复杂对抗环境下其对战场态势的影响，给出的评价指标也不是十分科学.本文计算分析了水下球形壳体结构敷设黏弹性阻尼层前后的声散射特性，提出了一种基于水面舰艇声呐探测情况下水下航行器声隐身特性的评估模型，分析评估了其声隐身性能.

研究表明：在球形壳体外敷设黏弹性材料阻尼层后，被发现概率在分析频段内大部分均有一定程度的降低，特别是在500～1 000 Hz频段有较大程度的减小.分析结果说明，敷设黏弹性阻尼层可以在一定程度上降低水下目标的被发现概率，改善了水下目标在海战场对抗环境下的隐身性能.但由于目标强度会略向低频偏移，后期将进一步探索黏弹性阻层材料在更低频段的声散射场消减性能，使其更具工程应用价值.