王大海,劉興章

(海軍駐大連地區(qū)軍事代表室,遼寧 大連 116021)

0 引 言

聲波是目前在海洋中惟一能遠(yuǎn)距離傳播的最有效的能量形式,所以艦船水噪聲對艦船的生存和武器裝備性能有重大影響,是艦船隱蔽性的重要指標(biāo),對潛艇而言,水下輻射噪聲破壞了它的安靜性,這種危害幾乎是致命的。因此,利用水聲試驗(yàn)場對潛艇的水下輻射噪聲進(jìn)行測量分析,并采取相應(yīng)的減振降噪措施,是各國普遍采用的工作方式。

大西洋水下測試評估中心(Atlantic Undersea Test and Evaluation Center,AUTEC,以下簡稱評估中心)是美國東海岸最重要的潛艇水聲檢測機(jī)構(gòu)及試驗(yàn)設(shè)施。承擔(dān)著潛艇噪聲測量及水中兵器試驗(yàn)任務(wù),還承擔(dān)著反潛戰(zhàn)研究等諸多科研任務(wù)。本文對其主要設(shè)施進(jìn)行介紹,特別是潛艇水下輻射噪聲測量設(shè)施及其最新改進(jìn)作出分析,并對我國水聲試驗(yàn)場的建設(shè)提出建議。

1 大西洋水下測試評估中心組成及所處地理環(huán)境

評估中心主要包括2大試驗(yàn)區(qū):一處位于美國弗羅里達(dá)州東部的西棕櫚灘,主要提供測試組織,后勤保障,行政管理;另一處則位于巴哈馬群島的安德魯斯島上,島上的試驗(yàn)區(qū)占地約2.25 km2,海上試驗(yàn)場位于“海洋之舌”(TOTO)海域。

“海洋之舌”是位于安德魯斯島以東的一處深水海底盆地,西部是安德魯斯島,東部和南部是大面積無法航行的淺水區(qū),北部是普羅汪斯海峽,長約200 km,寬約37 km,水深1280～2012 m。該海域海底平坦,深度變化較緩,被周邊島嶼所圍繞,是1種類似“死胡同”的特殊地形,沒有大的海上航線穿過,水上航船非常稀少,船舶噪聲干擾極低。此外,由于周邊海島的屏蔽,大洋海洋背景噪聲也得到抑制。特殊的地理環(huán)境,優(yōu)越的水聲測試環(huán)境,使該海域具備非常良好的潛艇輻射噪聲測量條件。

圖1 該中心的位置示意圖及衛(wèi)星圖片F(xiàn)ig.1 Map of AUTEC

2 主要輻射噪聲測量設(shè)施分析

2.1 原有的移動式輻射噪聲測試系統(tǒng)

對潛艇及水面艦艇的輻射噪聲測量是該中心承擔(dān)的重要任務(wù)之一。早在二戰(zhàn)期間,為了對抗德軍新研制成功的音響制導(dǎo)魚水雷,英美等國就對各型數(shù)百艘艦艇進(jìn)行了上千次的輻射噪聲測量,獲得許多重要資料,對當(dāng)時的海戰(zhàn)勝利起到了重要作用。隨著潛艇降噪技術(shù)的發(fā)展,潛艇安靜性不斷提高,潛艇輻射噪聲測量變得更加重要。按美軍的潛艇使用條例,潛艇執(zhí)行遠(yuǎn)航任務(wù)之前,均需進(jìn)行輻射噪聲測試,以保證艇的安靜性。位于金斯灣的美潛艇基地,是美國戰(zhàn)略核潛艇在大西洋沿岸的重要駐泊地。該基地的潛艇執(zhí)行遠(yuǎn)航之前,一般均進(jìn)入該評估中心進(jìn)行輻射噪聲測量。

該評估中心原有輻射噪聲測量任務(wù),是由“海耶斯”號測量船(The USNS HAYES)進(jìn)行。該船配備有移動式輻射噪聲測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)有1套可布放高增益垂直線陣,采用體積陣形式。類似于圓周安裝的門簾形式,由多條垂直線列陣組成,采用體積陣的形式,能提高裝置的指向性,以保證測試精度。其他系統(tǒng)包括1套由水聽器、電纜、頻譜分析設(shè)備組成的移動式測量系統(tǒng),由電池或測量船供電。校準(zhǔn)寬帶聲浮標(biāo)(AN/SQQ-58)用于遠(yuǎn)距離收集背景噪聲和水生物噪聲等。

當(dāng)執(zhí)行測試任務(wù)時,測量船前往位于TOTO灣南部的高爾夫球頭位置。測量船與被測艦艇會合,布放測量水聽陣,進(jìn)行定位通信及海洋背景噪聲測定及裝置標(biāo)校后,被測艦艇按約定航線及航路,通過移動式測量系統(tǒng)附近,測量船記錄并對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析。一般潛艇測量深度約100 m左右,以最大限度地降低海面風(fēng)浪對測量結(jié)果的影響。

圖2 評估中心早期的潛艇噪聲測量裝置Fig.2 Early acoustic measurement facility of AUTEC

移動式輻射噪聲測試系統(tǒng)具有使用靈活,成本較低的優(yōu)點(diǎn),但也存在著牽涉人員過多、作業(yè)效率低、勞動強(qiáng)度大、受自然環(huán)境影響較大的不足。隨著潛艇輻射噪聲水平的不斷降低,對輻射測量的要求也不斷提高,該移動式輻射噪聲測試系統(tǒng),已難以滿足更高的要求。實(shí)際上,盡管TOTO灣海域相對遼闊,但也不是所有的海域都具備良好的輻射噪聲測量條件,移動式的輻射噪聲測試也通常只布放在特定的海域。為了提高水下輻射噪聲的測試效率和精度,美國開始固定式的水下輻射噪聲測試系統(tǒng)的建設(shè),并將原有“海耶斯”號測量船退役。

2.2 新型固定式輻射噪聲測試系統(tǒng)

為了維持該試驗(yàn)場對潛艇的水下測試能力,提高水聲測試能力,2005年,美國開始在大西洋水下測試及評估中心建設(shè)新的固定式水下輻射噪聲測量系統(tǒng)。2008年4月到8月,由美國海軍水面戰(zhàn)研究中心主持,美國海軍水下戰(zhàn)研究中心等單位協(xié)助,在TOTO灣南部建成了新型半永久式水聲測量系統(tǒng)(STAFAC)。

該系統(tǒng)水聽器陣與美海軍東南阿拉斯加水聲試驗(yàn)場的水聽器陣類似,由水下輻射噪聲測試系統(tǒng)、水下實(shí)時導(dǎo)航及通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)接線盒、水下傳輸電纜組成、錨泊裝置等幾部分組成。

2.2.1 水下輻射噪聲測試系統(tǒng)

STATIC的水下輻射噪聲測試系統(tǒng)包括2條長約300 m的大型水下直線陣,核心測量裝置為2個大型雙圓錐框架式水聽器陣(HGMS),每個雙圓錐框架式水聽器陣包括12根直線陣,每個直線陣內(nèi)封裝有40個水聽器,12根直線陣在圓框架內(nèi)采用類似雙圓錐的形式布置,單根直線陣可根據(jù)損壞情況進(jìn)行更換,整個陣的使用壽命約3～5年。

采用這種雙圓錐框架式水聽器陣,能提高對艇體表面輻射噪聲進(jìn)行定位分析,有利于噪聲源的查找及定位工作。此外,采用空間體積陣的形式,大大提高了裝置的指向性,也降低了背景噪聲對測量結(jié)果的影響,有利于對安靜型潛艇的測量。

圖3 正在更新安裝的水聽器陣Fig.3 TBCA and HFA installation from the a-frame of STATIC

2.2.2 水下實(shí)時導(dǎo)航及通信系統(tǒng)

潛艇的水下輻射噪聲測試,要求精確測量輻射噪聲測試系統(tǒng)與被測艇間的相對位置,以便對輻射噪聲的量級進(jìn)行換算。STATIC安裝有6個水下通信及導(dǎo)航模塊,以保證測試方與被測艇的水下實(shí)時通信和導(dǎo)航。6個模塊由1根長26 km的海底電纜連接在一起,并連接到位于大型海底接線盒上。

2.2.3 輔助系統(tǒng)

STATIC測量裝置布放處水深約1300 m,但為了保證噪聲測量結(jié)果的準(zhǔn)確性,測量系統(tǒng)離被測潛艇過遠(yuǎn),因此不可能完全安裝于海底,必須通過相應(yīng)的錨裝置固定。STATIC通過1套錨裝置為測量系統(tǒng)提供了相對穩(wěn)定的位于約水下200 m處的“虛擬海底”,保證了測量裝置的穩(wěn)定,并保證必要時可以將測量裝置提升到水面進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)。實(shí)時處理的數(shù)據(jù)通過1套位于約40 m水深海底接線盒與主干電纜連接,并一起通過約250 km外的測量指揮中心。

圖4 水下通信及導(dǎo)航模塊Fig.4 TUC nodes staged for deployment on the INTREPID

3 對我國水聲試驗(yàn)場建設(shè)的啟示

3.1 輻射噪聲測量系統(tǒng)正由移動式向固定式方向發(fā)展

目前,世界各國在大力發(fā)展安靜型潛艇的同時,也非常重視潛艇輻射噪聲測試技術(shù)的發(fā)展和測量系統(tǒng)的建設(shè)。

法國和意大利建設(shè)了基于近場聲全息技術(shù)的大型垂直線陣測量系統(tǒng);俄羅斯在遠(yuǎn)東和白海建成了固定式的大型水聲試驗(yàn)場,研制了組合式矢量水聽器測量系統(tǒng);德國、荷蘭、丹麥、挪威等國家,在位于挪威卑爾根附近赫德爾峽灣建成了海格納斯?jié)撏曉囼?yàn)場;美國在東南阿拉斯加的凱契根附近也建有大型固定式的水下輻射噪聲測量系統(tǒng)。

固定式測量系統(tǒng)逐步取代移動式測量系統(tǒng)。以往潛艇輻射噪聲測試系統(tǒng)多采用移動式測量系統(tǒng),移動式測量系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、布放靈活的優(yōu)點(diǎn),但也存在勞動強(qiáng)度大、效率低、受外界環(huán)境影響大,特別是測量精度較差的不足。隨著潛艇安靜性的提高,對測量精度的要求也不斷提高,同時也要提高測量效率,縮短測量時間。以美國為代表,各國紛紛開始固定式輻射噪聲測量系統(tǒng)的建設(shè)。

如美國東南阿拉斯加水聲試驗(yàn)、挪威海格納斯水聲試驗(yàn)場等,均選擇水文條件較好的水域,建成了大型的綜合式水聲試驗(yàn)場,安裝有固定式輻射噪聲測量系統(tǒng),大大提高了測量精度和效率。如美國東南阿拉斯加水聲試驗(yàn)場,按美海軍水面作戰(zhàn)中心卡德洛克分部布雷默頓特遣隊(duì)主任的說法:“以前,由于天氣問題,測試1艘潛艇要持續(xù)3～4周時間,風(fēng)雨所產(chǎn)生的水面噪聲會干擾測量。而現(xiàn)在傳感器主要針對潛艇,測試只需1天?！?/p>

3.2 固定式水聲試驗(yàn)場的作用及組成

固定式水聲試驗(yàn)場有3個作用:一是對經(jīng)過維修、改裝、安裝新設(shè)備后的艦艇噪聲進(jìn)行測量,能發(fā)現(xiàn)艦船噪聲是否有異常;二是新造艦艇噪聲進(jìn)行測量,能證實(shí)艦艇噪聲特性滿足設(shè)計指標(biāo)的要求;三是檢查同型艦艇聲信號特征是否一致。

固定試驗(yàn)場一般應(yīng)包括靜態(tài)試驗(yàn)場、航行試驗(yàn)場和陸上試驗(yàn)站3個部分。一般的水聲試驗(yàn)場的工作流程,通常是先在靜態(tài)試驗(yàn)場對潛艇的機(jī)械噪聲進(jìn)行測量和評估,然后再轉(zhuǎn)入航行試驗(yàn)場對水下航行的潛艇的整個航行條件下的噪聲進(jìn)行測量,通過對機(jī)械噪聲結(jié)果與水下航行噪聲進(jìn)行對比,分離出水動力噪聲。陸上試驗(yàn)站除對測試工作進(jìn)行指揮和實(shí)際測量外,也可包括對測量裝置及被測艦船的后勤保障能力。

3.3 水聲試驗(yàn)場的選址非常關(guān)鍵

水聲試驗(yàn)場建設(shè)最主要目的是對艦艇進(jìn)行噪聲測量和分析,因此,低的環(huán)境背景噪聲是水聲試驗(yàn)場選擇的最主要目標(biāo)。經(jīng)過聲學(xué)標(biāo)定固定水地質(zhì)試驗(yàn)場,應(yīng)遠(yuǎn)離飛機(jī)和船舶航線,海域的海水平靜,海流小,背景噪聲低,有良好的水文條件。

挪威海格納斯試驗(yàn)場位于峽灣水域,周圍被大量的海島所摭蔽,阻擋大洋環(huán)境背景噪聲的影響。保證潛艇水下輻射噪聲測量進(jìn)行。但峽灣水域如果過于狹窄,除了不利于潛艇機(jī)動,也會對測量結(jié)果造成不利影響。

水域?qū)掗熀退钅軡M足潛艇水下機(jī)動要求、氣象條件適合、遠(yuǎn)離交通航線、距離潛艇母港盡可能近的要求。能完全滿足以上條件的場地,全世界也并不多。但并非沒有替代方案,采用矢量傳感器,提高測量陣的指向性,能在較高環(huán)境背景噪聲條件下進(jìn)行精確測量,這能保證使?jié)撏У妮椛湓肼暩哂诒尘霸肼?也可進(jìn)行噪聲測試工作。據(jù)最新報道,美國海軍水面戰(zhàn)研究中心也正在進(jìn)行利用矢量傳感器對輻射噪聲源進(jìn)行定位的工作,并取得較大進(jìn)展。

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