張林根 張大海 魏 強(qiáng)

1海軍裝備部駐武漢地區(qū)軍事代表局，湖北武漢 430064

2中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064

水面艦船聲隱身性能影響作戰(zhàn)效能的因素初探

張林根1張大海2魏 強(qiáng)2

1海軍裝備部駐武漢地區(qū)軍事代表局，湖北武漢 430064

2中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064

為了明確水面艦船聲隱身性能對作戰(zhàn)效能的影響因素，分析了水面艦船面臨的水聲威脅和聲隱身設(shè)計(jì)特點(diǎn)，給出了水面艦船水聲對抗效能初步估算方法，明確了水面艦船聲隱身設(shè)計(jì)的工作方向，并為聲隱身作戰(zhàn)效能評估體系的構(gòu)建奠定了基礎(chǔ)。

水面艦船；聲隱身；作戰(zhàn)效能

1 引言

聲隱身設(shè)計(jì)的目的在于降低己艦聲學(xué)信號的量級和特征信號［1］，以減小被敵方艦艇和武器探測、識別、跟蹤、攻擊的概率，同時改善己艦聲學(xué)設(shè)備工作環(huán)境，并增大對敵探測、攻擊距離和概率。隨著現(xiàn)代天基探測系統(tǒng)和空中預(yù)警技術(shù)的不斷發(fā)展，水面艦船的對空、對海攻防能力大幅提升，使得水聲信息對抗，尤其是聲隱身設(shè)計(jì)水平已成為影響水面艦船作戰(zhàn)效能的重要因素之一。

水面艦船的作戰(zhàn)效能是衡量其裝備性能優(yōu)劣的綜合性、整體性指標(biāo)。其體現(xiàn)了裝備需求部門、作戰(zhàn)使用部門對艦船及其裝備的最終要求，也體現(xiàn)了設(shè)計(jì)部門研制水面艦船及其裝備的技術(shù)水平［2］。因此，建立水面艦船聲隱身設(shè)計(jì)與作戰(zhàn)效能之間的關(guān)系，明確聲隱身設(shè)計(jì)對提升水面艦船作戰(zhàn)效能的主要貢獻(xiàn)，不僅是水面艦船聲隱身設(shè)計(jì)效果量化評估的前提和水面艦船作戰(zhàn)效能評估的重要組成部分，同時還有助于輔助指揮員進(jìn)行科學(xué)預(yù)測，從而選擇最佳水聲對抗方案。

2 聲隱身設(shè)計(jì)特點(diǎn)及其水聲威脅

2.1 聲隱身設(shè)計(jì)特點(diǎn)

與潛艇的設(shè)計(jì)思路一樣，水面艦船聲隱身設(shè)計(jì)的工作重點(diǎn)是結(jié)合水面艦船總體設(shè)計(jì)方案，采取有針對性的聲學(xué)控制措施，實(shí)現(xiàn)對構(gòu)成全艦水下輻射噪聲和本艦自噪聲的機(jī)械噪聲、螺旋槳噪聲和流噪聲進(jìn)行控制，從而降低水面艦船水聲輻射特征和艦載聲學(xué)設(shè)備工作區(qū)域噪聲干擾級。具體設(shè)計(jì)工作如下：

1）針對機(jī)械噪聲

聲隱身設(shè)計(jì)的具體措施是通過改進(jìn)聲源設(shè)備性能、降低設(shè)備振動噪聲源級、優(yōu)化設(shè)備布局、合理設(shè)計(jì)隔振裝置、優(yōu)化設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)、增大由設(shè)備到船體結(jié)構(gòu)的振動傳遞，施加結(jié)構(gòu)噪聲控制措施，加大振動噪聲結(jié)構(gòu)傳遞過程中的能量耗散等，從而減小設(shè)備振動引起的船體結(jié)構(gòu)聲輻射，并降低本艦水下輻射噪聲和典型部位的自噪聲干擾級。不難看出，針對機(jī)電設(shè)備振動所采取的聲隱身設(shè)計(jì)措施能夠涵蓋水面艦船輻射噪聲全頻段。

2）針對螺旋槳噪聲

主要通過降低螺旋槳轉(zhuǎn)速，優(yōu)化螺旋槳線型，從而提高空化起始航速，改善螺旋槳聲學(xué)性能，以實(shí)現(xiàn)螺旋槳輻射噪聲控制。針對螺旋槳引起的典型部位自噪聲干擾，主要在螺旋槳噪聲的不同傳播途徑上設(shè)置隔離措施，以實(shí)現(xiàn)螺旋槳引起自噪聲干擾級。

3）針對流噪聲

具體聲隱身措施是優(yōu)化船體線型、減小艦船外附體局部空化，從而降低航行引起流噪聲。

但是，水面艦船在結(jié)構(gòu)形式、推進(jìn)裝置、聲源設(shè)備、船外附體等方面與潛艇有較大區(qū)別，同時還存在水面反射和折射等影響。并且，在具體設(shè)計(jì)方法上，其與潛艇也有明顯不同。

水面艦船的聲隱身性能需要與艦船作戰(zhàn)效能建立互動關(guān)系，才能有利于總體設(shè)計(jì)中的決策，并在有限聲學(xué)投入的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)更好的作戰(zhàn)效能。

2.2 水聲威脅

未來海戰(zhàn)中，水面艦船面臨的水聲威脅主要來自潛艇聲吶、岸基聲吶警戒設(shè)備、水聲制導(dǎo)魚雷和聲引信水雷等。其中，典型潛艇聲吶包括：美國AN／BQQ-5艇首綜合聲吶、TB-16拖曳線列陣聲吶、TB-29拖曳線列陣聲吶；日本ZQQ-5B型艇首綜合聲吶、ZQR-1拖曳線列陣聲吶；臺灣地區(qū)SIASS-Z艇首綜合聲吶。水下警戒裝備主要是以美國為主的固定式水聲監(jiān)視系統(tǒng)（SOSUS）、水面拖曳陣系統(tǒng)（SURTASS）、固定分布式系統(tǒng)（FDS）、先進(jìn)可布放系統(tǒng) （ADS）。魚雷武器則有美國的M k-50、德國的 DM2-A4、意大利的A系列、俄羅斯的ET-80、英國的M k系列等［3］。水雷有美國的M k62～65、俄羅斯的 Cluster Guff等［3］。

從威脅頻率來看，潛艇首部聲吶威脅頻率主要分布在幾千赫茲范圍；拖曳聲吶威脅頻率在幾百到幾千赫茲；岸基聲吶設(shè)備不受安裝尺度空間限制，其威脅頻率覆蓋幾赫茲到幾百千赫茲，可以實(shí)現(xiàn)對近距離目標(biāo)成像和超遠(yuǎn)距離目標(biāo)探測、跟蹤等功能；魚雷和水雷威脅頻率主要為萬赫茲量級［4］。

3 聲隱身設(shè)計(jì)與作戰(zhàn)效能關(guān)系

3.1 聲隱身設(shè)計(jì)對威脅源的性能抑制

根據(jù)2.2節(jié)分析，水面艦船面臨的水聲威脅遍布其輻射噪聲的全頻帶。受篇幅所限，這里僅從幾種典型威脅角度進(jìn)行分析。

其一，對潛艇、岸基聲吶探測性能的抑制。理想情況下，水面艦船聲隱身設(shè)計(jì)對敵方聲吶探測性能的抑制可以使用被動聲吶方程［5-6］來評估：

被動聲吶方程：

式中，DT為潛艇或艦用聲吶設(shè)備的檢測門限；SL為與潛艇探測設(shè)備工作頻率相對應(yīng)的水面艦船輻射噪聲聲源級；以水聲沿面波傳播的傳播損失計(jì)算公式TL=10n lg R＋αR（α為水介質(zhì)對聲波的吸收系數(shù)，n與聲波傳播模型假設(shè)有關(guān)，n=1為柱面波假設(shè)，n=2為球面波假設(shè)）；NL為潛艇探測設(shè)備附近噪聲干擾級；DI為潛艇或岸基聲吶設(shè)備指向性指數(shù)，主要反映敵方聲學(xué)設(shè)備性能，假設(shè)DT＋（NL－DI）＝A。

當(dāng)不考慮介質(zhì)對聲波吸收，即α＝0時，式（1）可以變換為：

可以看出，水面艦船的暴露距離R由水面艦船的水下輻射噪聲級SL決定。通過式（2）計(jì)算可知，在水聲傳播滿足球面波假設(shè)時，水下輻射噪聲級可降低6 dB，水面艦船暴露距離會減小一半；當(dāng)水聲傳播滿足球面波假設(shè)時，水下輻射噪聲級可降低3 dB，水面艦船暴露距離也將減小一半。

考慮到TL與水介質(zhì)聲波吸收系數(shù)α的關(guān)系時［7］，在溫度 4℃附近，頻率小于 5 kHz 時，根據(jù)Thorp低頻段吸收系數(shù)α與頻率關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中，f為聲波頻率，kHz?？梢钥闯?，聲波吸收系數(shù)α與f的平方近似成正比，這說明低頻聲信號的傳播損失遠(yuǎn)小于高頻信號。通過式（3）計(jì)算可知，對于頻率為375 Hz水聲信號，海水聲吸收系數(shù)為 0.014 dB／km，對于 400～800 Hz水聲信號海水聲吸收系數(shù)約為 0.03 dB／km，對于 2.5～3.5 kHz水聲信號，海水聲吸收系數(shù)約為0.2 dB／km。這說明，通過開展聲隱身設(shè)計(jì)，可以有效控制低頻線譜特征信號和低頻寬帶噪聲，從而抑制敵方低頻遠(yuǎn)程水聲探測距離和概率。通常首先，采取的措施包括：優(yōu)化螺旋槳設(shè)計(jì)；抑制螺旋槳低頻線譜特征；針對機(jī)電設(shè)備振動特性，設(shè)計(jì)低頻振動控制效果好的隔振裝置等。

其二，對敵跟蹤、定位效能抑制。由于水聲信息對抗中，潛艇和岸基聲吶設(shè)備跟蹤定位通常采取的手段是，應(yīng)用LOFAR和BTR技術(shù)來獲取水面艦船頻率—時間和方位—時間歷程圖。同時，結(jié)合其他信息處理技術(shù)，以獲取目標(biāo)艦船的方位、航速和距離信息。

對于當(dāng)前LOFAR和BTR跟蹤技術(shù)而言，其保證工作性能的前提是艦船輻射噪聲的線譜與寬帶譜能量相比海洋環(huán)境噪聲有足夠的信噪比。因此，通過聲隱身設(shè)計(jì)，針對性地改變或降低艦船某一工作頻帶內(nèi)線譜特征和寬帶譜源級，可以有效抑制敵方線譜跟蹤能力和定位概率。通常采取措施包括：對設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化，采取低頻隔振裝置、主動消振技術(shù)等。

其三，對敵攻擊效能抑制。由于聲制導(dǎo)魚雷進(jìn)入主動制導(dǎo)攻擊距離內(nèi)時，水面艦船的目標(biāo)強(qiáng)度將成為決定其跟蹤制導(dǎo)成功與否的關(guān)鍵，根據(jù)主動聲吶方程：

式中，DT為聲制導(dǎo)魚雷的檢測門限；SL為與魚雷發(fā)射聲源級；TL=20n lg R＋αR為傳播損失；TS為水面艦船的目標(biāo)強(qiáng)度；NL為魚雷探測設(shè)備附近噪聲干擾級；DI為魚雷聲吶設(shè)備指向性指數(shù)。

聲吶方程中，SL－DT－（NL－DI）為主要魚雷聲學(xué)設(shè)備性能。假設(shè)其為常數(shù)A，不考慮介質(zhì)對聲波吸收，即α＝0時，式（4）可以變換為：

可以看出，水面艦船聲目標(biāo)強(qiáng)度是影響水面艦船對抗主動探測攻擊的主要因素。因此，降低己艦?zāi)繕?biāo)強(qiáng)度，可以減少來襲魚雷的跟蹤和攻擊概率。在水面艦船聲隱身設(shè)計(jì)中，采取一定的聲目標(biāo)強(qiáng)度降低措施，可有效抑制敵方攻擊威脅。通常采取的的措施包括：優(yōu)化水下部分船體線型；貼敷聲學(xué)材料，以改變艦船目標(biāo)特性。

3.2 聲隱身設(shè)計(jì)對水面艦船自身作戰(zhàn)效能的影響

水面艦船自身水聲對抗效能的提升主要體現(xiàn)在艦載聲學(xué)設(shè)備，如艦殼聲吶、拖曳聲吶、反潛直升機(jī)工作性能的提高。因此，開展聲隱身設(shè)計(jì)對艦船自身作戰(zhàn)效能影響可以從以下幾方面進(jìn)行描述。

首先，對反潛直升機(jī)工作造成影響。由于反潛直升機(jī)的工作區(qū)域距本艦較遠(yuǎn)，水面艦船水下輻射噪聲作為吊放聲吶的點(diǎn)干擾源，根據(jù)聲吶基陣波束形成原理和弱信號探測原理可知［8］，其主要影響其某一方位角的探測性能和與該方位相鄰扇區(qū)內(nèi)多威脅源分辨率。由此可見，降低與直升機(jī)吊放聲吶工作頻段相對應(yīng)的水面艦船水下輻射噪聲譜源級，可以有效降低本艦輻射噪聲對吊放聲吶探測的干擾，提升其工作性能。通常采取的措施是：在聲隱身設(shè)計(jì)過程中，選用中低頻減振降噪效果良好隔振裝置來實(shí)現(xiàn)。

其次，對拖曳聲吶造成影響。由于拖曳聲吶通常布放在艦后方幾百米處，研究表明，本艦水下輻射噪聲不僅會影響拖曳聲吶對正前方60°扇區(qū)內(nèi)威脅源的探測，而且還會影響前向范圍內(nèi)的多目標(biāo)分辨性能［9］。因此，降低本艦低頻段水下輻射噪聲，有助于提高拖曳聲吶的前向探測能力和多目標(biāo)分辨率?？刹捎玫姆椒òǎ和ㄟ^螺旋槳聲學(xué)優(yōu)化和機(jī)械噪聲控制等聲隱身措施，對水下輻射噪聲的方向性進(jìn)行控制，從而減小水面艦船尾向輻射噪聲級。

另外，對艦殼聲吶造成影響。艦殼聲吶屬于裝艦設(shè)備，導(dǎo)流罩內(nèi)部自噪聲干擾直接影響到其探測與跟蹤性能，自噪聲主要由艦載設(shè)備振動經(jīng)船體傳遞至導(dǎo)流罩形成干擾。己艦螺旋槳噪聲經(jīng)海水介質(zhì)、海底反射傳遞至導(dǎo)流罩形成干擾，以及己艦水下輻射噪聲經(jīng)海底反射至導(dǎo)流罩形成干擾等。通過聲隱身設(shè)計(jì)，采取有針對性的噪聲控制措施，降低本艦振動噪聲對艦殼聲吶工作干擾，可以有效改善艦殼聲吶的主/被動工作性能，量化效果可以由式（1）～式（5）聯(lián)合計(jì)算獲得。可采用的措施包括：通過優(yōu)化機(jī)電設(shè)備布置，減小機(jī)械設(shè)備振動到艏部傳遞；減小機(jī)械設(shè)備振動引起自噪聲；采取隔離措施，減小螺旋槳噪聲在艏部形成自噪聲；通過導(dǎo)流罩內(nèi)部貼敷聲學(xué)材料，降低聲吶基陣工作引起混響等。

最后，對本艦水聲防御武器造成影響。以聲誘餌為例［10］，其主要功能是模擬相比水面艦船輻射噪聲水平更高的水下輻射噪聲特性，誘導(dǎo)聲制導(dǎo)武器攻擊，從而減小對水面艦船自身的威脅。聲隱身設(shè)計(jì)對聲誘餌的影響可以用信號對比度進(jìn)行說明，假設(shè)水面艦船水下輻射噪聲降低3 dB，應(yīng)用同樣的聲誘餌可以在水下輻射聲能量對比度上提高1倍，從而提升聲制導(dǎo)武器攻擊聲誘餌概率，并確保己艦安全。可采取的措施：基本涵蓋聲隱身設(shè)計(jì)的全部內(nèi)容。

4 結(jié)束語

本文主要從水面艦船聲隱身設(shè)計(jì)特點(diǎn)、所面臨的水聲威脅、聲隱身設(shè)計(jì)對水面艦船攻防兩端的貢獻(xiàn)等方面，來分析水面艦船聲隱身性能影響作戰(zhàn)效能的主要因素。另外，從提升攻防兩端作戰(zhàn)效能角度，提出了對水面艦船聲隱身設(shè)計(jì)的針對性需求，初步給出了水面艦船聲隱身性能對水下輻射噪聲不同控制效果引起作戰(zhàn)效能提升的簡化計(jì)算公式。為進(jìn)一步輔助指揮員進(jìn)行科學(xué)預(yù)測，選擇了最佳水聲對抗方案，這為聲隱身作戰(zhàn)效能評估體系奠定了基礎(chǔ)。

［1］ 朱英富，張國良.艦船隱身技術(shù)［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2003.

［2］ 崔峰.現(xiàn)代聲納技術(shù)［J］.裝備與技術(shù)，2005（2），30－33.CUIF.Modern sonar technology ［J］.Equipment＆ Technology，2005（2）：30－33.

［3］ 石秀華.水中兵器概論（魚雷部分）［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1995.

［4］ 李啟虎.數(shù)字聲納設(shè)計(jì)原理［M］.合肥：安徽教育出版社，2003.

［5］ Nielsen R O.Sonar signal processing［M］.Califonia：Orange Califonia，1990.

［6］ 王德石譯.實(shí)用聲納工程［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2002.

［7］ 劉伯勝，雷家煜.水聲學(xué)原理［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，1993.

［8］ 張大海.被動聲納空域?yàn)V波方法與后置累積技術(shù)研究［D］.西安：西北工業(yè)大學(xué)，2008.

ZHANG D H.Study on spatial filtermethods and post－accumulating technique for passive sonar ［D］.Doctoral thesis，Xian，North－Western Poli－technic University，2008.

［9］ 馬遠(yuǎn)良，鄢社鋒，楊坤德.匹配場噪聲抑制：原理及對水聽器拖曳線列陣的應(yīng)用［J］.科學(xué)通報(bào)，2003（12）：1274－1278.

MA Y L， YAN S F， YANG K D.Matched field noise suppression： Principle with application to towed hydrophone line array ［J］.Chinese Science Bulletin，2003（12）：1274－1278.

［10］ 張維全，宋緒棟，周新鵬.對抗寬帶自導(dǎo)魚雷的一種聲誘餌實(shí)現(xiàn)技術(shù)［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2008，30（5）：158－160.

ZHANGW Q，SONG X D，ZHOU X P.A technology of acoustic decoy to antagonize broad－band homing torpedo［J］.Ship Scienceand T echnology，2008，30（5）：158－160.

Influencing Factors on the Com bat Effectiveness of Acoustic Stealth Performance for Surface Ship

Zhang Lin－gen1 Zhang Da－h(huán)ai2 WeiQiang2
1Military RepresentativeWuhan Office，Naval Armament Departmentof PLAN，Wuhan 430064，China
2 China Ship Developmentand Design Center， Wuhan 430064， China

In order to better understand the influenc ing factors on the combat effectiveness of acoustic stealth performance for surface ship，reviewing the acoustic threats that surface ship faced with and analyzing the acoustic stealth features of ship design.Preliminary estimation method was provided to investigate the effectiveness of underwater warfare.Based on this study， the direction of acoustic stealth design efforts for the surface ship is clarified，which found a basis for building combat effectiveness estimation system of acoustic stealth ship.

ship； acoustic stealth； combateffectiveness

U661.43

A

1673－3185（2011）06－98－04

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.06.020

2011-07-01

張林根（1965－），男，工程師。研究方向：艦船設(shè)計(jì)與監(jiān)造。E-mail：zhanglingen＠163.com

張大海（1979－），男，博士，工程師。研究方向：水面艦船綜合隱身。E-mail：wind＿rain＠hotmail.com