国外潜艇减振降噪技术之消声瓦

云脑智库 2022-01-09 00:00


来源 | 高端装备产业研究中心

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导读
为了进一步提升潜艇的静音能力,国外主流潜艇从20世纪60年代开始在舱段内外敷设消声瓦,以减少机械噪声辐射、吸收声呐回波。按照美国的分类,消声瓦主要分为去藕瓦、透射损失瓦、吸声瓦和阻尼瓦。目前,几乎所有潜艇都装备了这几种消声瓦。


1.消声瓦的作用及种类

消声瓦,是潜艇重要的外部屏障,用于较少机械辐射噪声和声呐回波,对于提高潜艇的隐身能力、生存能力和战斗力具有重要意义。消声瓦的主要作用有三种:

  • 吸收对方主动声呐波,减少对方主动声呐的探测距离;

  • 降低潜艇自身的机械噪声,减少对方被动声呐的探测距离;

  • 阻隔潜艇自身的机械噪声,防止其对外辐射。


消声瓦都是以各种吸声材料为核心制造的,大部分吸声材料以聚合物分子内摩擦机制及界面耗能机制为基础产生吸声效果,代表产品是聚氨酯和橡胶以及建立在这两种材料上的不同内部结构的材料,已经在世界各国潜艇上得到广泛应用。



美国在20世纪80年代将所研制的消声瓦细分为四类:去耦瓦、透射损失瓦、无回声瓦和阻尼瓦四种类型,目前西方各国海军都装备这样四种消声瓦。

去耦瓦

主要用于机械舱室和其他低频噪声源周围,通过吸收机械噪声,达到静音的效果。它是一种含方形空气腔的砖形结构,典型的外形尺寸为12″×12″×0.375″ (304.8mm×304.8mm×9.525mm),单元空腔尺寸为0.5″×0.5″×0.25″ (12.5mm×12.5mm×6.35mm)。

去耦瓦

透射损失瓦

主要用于潜艇外壳的非水密部位,如导流罩内的声呐基阵周围,用于吸收潜艇本身透射进声呐的噪声,减少干扰。要求透射尽可能小,吸声、反射均可。

无回声瓦也称吸声瓦

主要用于艇体两侧、指挥室围壳、舵等区域。要求无声波反射,全吸收最好,防止主动声呐的探测。

潜艇围壳的吸声瓦

阻尼瓦

主要用于机械舱室周围的内外面,是一种边缘为尖劈形的砖状结构,典型的外型尺寸为11.375″×11.375″×0.75″(0.63″) [301.6mm×301.6mm×19mm(16mm)]。与消声室中用的阻尼材料类似。

消声室中的阻尼瓦

2.消声瓦的应用

美国

1988年美国在“洛杉矶”级攻击型核潜艇“圣胡安”号首次敷设了消声瓦。这种消声瓦是由聚氨脂和玻璃纤维组成的双层铝板固定式吸声结构,用薄膜加压工艺粘合,单层消声瓦能降低自噪声25dB,双层消声瓦可降低40dB左右。此外,美国还研制了许多约束阻尼结构,应用于核潜艇艇壳和主机基座上。

SSN-571“圣胡安”号核潜艇上的消声瓦

“海狼”级和“弗吉尼亚”级的外壳可能都采用了以聚氨酯为基材的消声瓦,在粘合工艺上采用整体浇注,但是关于“海狼”级和“弗吉尼亚”级采用的消声材料以及粘合工艺,都显见可靠的数据与资料。如果“海狼”级和“弗吉尼亚”级确实使用了整体浇注的聚氨酯消声瓦,那么在消声瓦的基材性能上会有较大的提高。然而美国消声瓦的粘贴效果仍然不理想,2018年最新锐的“弗吉尼亚”级核潜艇上仍然有大面积脱落现象。

“弗吉尼亚”级核潜艇表面剥落的消声瓦

俄罗斯

目前,俄罗斯所有现役潜艇均敷设有消声瓦。其消声瓦的基材主要是丁苯橡胶、聚丁二烯橡胶和橡胶陶瓷。如现役的攻击型核潜艇“阿库拉”级,其舯部与艉部壳体均敷设了50mm-150mm厚的消声瓦,艏部壳体使用的则是一种蒙皮。美国积极开展的消声瓦自控系统边界层控制方面的研究,类似于俄罗斯的“蒙皮技术”。

英法

20世纪90年代,英、法等西欧国家研制了复合型多功能消声瓦及聚氨酯喷涂技术,使用这种技术喷涂的消声瓦不易脱落且厚度任意控制,并具有良好的吸声、抑振和隔声作用。英国“机敏”级核潜艇表面使用了大约39000块消声瓦。
目前,英国海军已放弃先预制消声瓦再通过粘合剂在实艇敷设的工艺,而直接采用实艇现场浇注成型技术。从材料上来看,英国海军目前使用的聚氨酯材料、法国海军的聚硫橡胶都是发展消声瓦技术的很有前途的合成材料。

3.消声瓦的最新进展

传统的以丁基、丁苯橡胶为基材或者以玻璃纤维为基材的消声瓦,在衰减声波频率上因为受到基材本身的限制,存在有效衰减频率范围较小的固有弊端。

从2017年开始,美国积极研制一种类似油漆的“超疏水”涂层,内部充满气泡空隙,可以减阻降噪、提高航速。实验中涂层能吸收91%的传入声能,反射率不到3%,效果非常显著。法国巴黎狄德罗大学也已经研究了微小气泡在薄涂层中的使用。除此之外,三维声隐身结构、声学超材料等新兴技术也是消声瓦的未来研发方向。

总结

消声瓦是潜艇降噪的主要手段之一,目前国外广泛应用的消声瓦以橡胶、玻璃纤维、聚氨酯等材料为基材填充气泡的方式实现静音。美国、俄罗斯、英国、法国等军事强国都在其潜艇是敷设了成千上万片消声瓦以增强其隐蔽性。未来,消声瓦会在材料和结构两方面进行研发开拓。

主要参考资料
[1] U.S. Navy Submarines May Have Stealth Problems, But They’re Not Alone.
[2] How are Indian submarines made stealthier?
[3] The latest British nuclear submarine with a cost of 2.5 billion US dollars was launched, with 39,000 anechoic tiles, and a total of 7 ships were built.
[4] 张文毓.国外消声瓦的研究与应用进展[J].船舶,2010,21(06):1-4.

- The End

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