鱼雷声学基阵隔振降噪技术研究

徐枫

摘 要：鱼雷隔振降噪性能直接影响到鱼雷命中率。本文分析了鱼雷噪声的主要来源，阐述了隔振降噪结构原理、隔振系统固有频率、传振系数、隔振系统刚度、隔振系统阻尼层等参数的计算原则，通过搭建专用测试设备对三种不同结构形式的隔振降噪结构进行激励与响应频率的收集，利用Matlab数据分析软件，仿真计算了隔振效果，为后续隔振降噪结构设计奠定了基础。

关键词：基阵；隔振；降噪；技术

中图分类号：TJ630 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）14-0031-02

1 鱼雷隔振降噪技术发展现状

鱼雷辐射噪声水平直接影响命中率。资料显示，噪声水平每升高5dB，命中率就降低25%；反之，噪声水平降低5dB，命中率就将增加25%，隔振降噪技术成为影响鱼雷发展的重要原因之一。

美军现役的MK48鱼雷在隔振降噪方面采取了很多措施：采用低噪声声纳基阵设计；将动力装置安装在隔振座上，减小振动向壳体传递；动力装置与螺旋桨之间采用弹性轴连接，减小振动耦合；在壳体内表面敷设阻尼材料，降低壳体声辐射效率；采用泵喷推进技术，降低螺旋桨噪声。俄罗斯拥有系统的鱼雷声学设计指南、水下噪声计算方法和鱼雷隐身设计经验，在鱼雷结构設计、隔振装置设计和材料运用等方面有着独特的风格，如采用薄壳加肋结构，使结构噪声避开壳体共振频率等。国内鱼雷隔振降噪技术研究起步较晚，在低噪声设计技术基础上，利用软件对设计进行仿真，利用水池试验和实航试验验证设计效果是主要的技术途径。

2 鱼雷噪声源

鱼雷的噪声源主要包括流体动力噪声、推进噪声和机械噪声。在不同的测量频段和航行条件下，三种噪声源的贡献会有相应的变化。鱼雷在浅水航行时，由于推进器叶片的空化，推进噪声是鱼雷的主要噪声源；随着鱼雷下潜深度增加，动力机械噪声将成为主要噪声源；流体动力噪声随着鱼雷航速的增加而迅速上升，并且雷头在蛇形航行时，对声换能器有着较大影响，此时流体动力噪声对鱼雷声学性能的影响最大。鱼雷自导装置声学基阵通常布局在鱼雷头段，离主要振动噪声源鱼雷动力装置较远，但鱼雷整体外形结构较小，动力装置产生的能量，足以产生很大的振动，振动通过壳体传向声学基阵，降低鱼雷声学性能。因此，需要设计隔振降噪结构，将声学装置与鱼雷壳体隔离。

3 隔振降噪原理功能

声学结构隔振降噪的基本原理是在鱼雷壳体和换能器安装骨架之间增加隔振结构，依靠高阻尼弹性材料，形成柔性连接，利用阻尼材料的弹性变形，起到缓冲和消能作用，减小振动源对声学装置的振动能量传递。隔振系统一般具有6种独立的振动形式，即通常所说的垂向、横向、轴向、纵摇、横摇与平摇等振型。由于各个方向上的刚度不尽相同，势必造成固有频率的分散性，给结构声学设计带来复杂因素。因此，在鱼雷壳体与声学基阵之间采用硫化橡胶的工艺，确保内外结构一致，尽可能的避免上述情况的发生。

4 隔振降噪方案设计

（1）隔振类型。考虑到鱼雷隔振指标要求较高，且单级系统通常隔振效率在20dB以下，因此鱼雷声学基阵通常选用两级隔振方式。根据以往设计经验，预先给定两级隔振系统的质量比，反求最优阻尼比和最优的两级固有频率比，最终通过二维参数优化得出最优结构参数。

（2）结构组成。声学结构的隔振降噪装置本质上是一种悬浮结构。根据两级隔振力学模型，隔振结构总体应为对称分布，具体有外层、中层、内层，其通过高阻尼硫化橡胶进行连接，外层与鱼雷壳体通过螺钉、销钉进行刚性连接，内层与声学基阵刚性连接，第一层阻尼层为轴向阻尼，第二层为径向阻尼，根据隔振理论，此时完全解耦，各自由度计算分析时可独立考虑。

（3）隔振体系固有频率和传振系数确定。根据减振理论及现有产品隔振结构形式的技术要求，选取，为激振源频率；橡胶为阻尼材料，阻尼比；则固有频率和传振系数可简化计算为：

（4）刚度的确定。鱼雷产品隔振结构，应具有较好的综合机械性能，首先应满足不易生锈，其次最好有较大的密度，再次最好不易磁化以减少对电子装置的影响，加之考虑质量限制和加工性能，最终选用铝合金，牌号2A12。

（5）橡胶阻尼层的确定。在工况受到严格控制的环境中，天然橡胶是优质的隔振材料，其阻尼性能比金属隔振器约大10倍，合成橡胶对工况恶劣的环境效果更佳，加之考虑使用寿命和硬度，最终选取使用橡胶类粘性高聚物材料。

5 分析对比

通过搭建专用测试设备，按1/3倍频程进行测试，将加速度计传感器测试数据通过数据采集卡收集至计算机，结合Matlab数据分析软件进行编程，对采集数据进行仿真、回放分析计算。

Matlab程序计算公式：插入损耗（dB）=

减振器一：总体结构采用两级减振，减振垫由内外两层铝合金圆柱通过橡胶硫化而成，形成第一隔振层；减振器由外圈、内圈通过大螺纹、硫化橡胶而成，形成第二隔振层，两者通过标准件安装连接。从壳体传入的振动能量需经过两层隔振才能传递至声学装置安装平台。结构示意图，如图1所示。

减振器二：总结结构单级隔振减振器由外圈、内圈通过大螺纹、硫化橡胶而成。结构示意图，如图2所示。

减振器三：总体结构采用两级减振，轴向、径向分别采用橡胶硫化进行装配。结构示意图，如图3所示。

（1）测试设备。试验设备主要包括数据采集记录仪、8路加速度传感器、大功率激振器、标准信号源、标准功率放大器、计算机、数据回放处理软件等。

（2）测试方法。采用悬吊法进行测试，将测试产品通过弹力橡胶绳吊挂在支撑架下方，将传感器、激振器与被测产品连接，若测试轴向，则传感器、激振器均沿测试产品轴向布放；若测试径向，则传感器、激振器均沿测试产品径向布放。开启功率放大器、信号源，在所需测试频带内，按照1/3倍频程设定信号源的频率测试点，将功率放大器调节至放大倍数，待数据稳定后进行记录，每次记录时间不小于15s。

（3）测试结论。利用Matlab数据分析软件，对三种减振器测试数据进行仿真分析，得到三种减振器在四个频段内的减振量如表1所示。

可以得出以下几点：

（1）两层隔振系统隔振降噪性能优于单层隔振系统；（2）两层隔振系统，应分别对轴向、径向进行振动隔离；（3）轴向、径向隔振阻尼层厚度、面积与隔振效果成比例。

6 结语

鱼雷隔振降噪是一项复杂的系统工程，提升鱼雷整体隔振降噪效果，有利于增大鱼雷声自导系统的作用距离， 又可以降低被发现的概率。本文针对鱼雷隔振降噪结构设计方法进行分析和讨论，合理有效的对三种隔振降噪结构进行验证分析，总结出隔振降噪结构优化的方向，为后续隔振系统设计奠定了基础。

参考文献

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[2]倪振华.振动力学[M].西安交通大学出版社，1989.

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