馬根卯 張俊

（第七一五研究所，杭州，310023）

拖曳線列陣聲吶是海軍最重要的反潛裝備之一，它區(qū)別于安裝在艦艇外殼上的艦殼聲吶，具有遠(yuǎn)離工作母船、噪聲低、可變深、充分利用水文條件以及孔徑相對(duì)不受限制等優(yōu)點(diǎn)，大大提高了聲吶的作用距離和對(duì)使用環(huán)境的適應(yīng)性[1]，拖曳線列陣聲吶已經(jīng)成為各國(guó)海軍對(duì)日益安靜的潛艇進(jìn)行有效探測(cè)的重要裝備。大量實(shí)驗(yàn)表明，拖曳線列陣外壁處湍流邊界層(TBL)壓力起伏是流噪聲的主要激勵(lì)源，拖曳線列陣護(hù)套對(duì)壓力起伏具有直接傳遞和共振輻射的作用[2]。當(dāng)拖速較高時(shí)，流噪聲是制約拖曳線列陣聲吶性能發(fā)揮的主要因素。

常規(guī)拖曳線列陣的左右舷模糊問(wèn)題促使矢量拖曳線列陣成為水下反潛的重要角色。楊秀庭[3,4]等分析了流噪聲對(duì)矢量拖曳線列陣聲吶的影響，指出矢量拖曳線列陣對(duì)流噪聲軸向振速分量十分敏感。鄒錦芝[5]等計(jì)算了圓柱形矢量水聽器流噪聲聲壓和軸向振速功率譜隨參數(shù)的變化關(guān)系。孟彧仟[6]提出了基于聲強(qiáng)流的矢量拖線陣流噪聲抑制方法。

以上研究都是基于平板 TBL壓力起伏的Corcos模型[7]，為了提高拖曳線列陣內(nèi)部噪聲場(chǎng)的預(yù)報(bào)精度，很多工作一直致力于完善細(xì)長(zhǎng)圓柱體外壁處TBL壓力起伏模型，其中，Carpenter壓力起伏模型[8-10]備受關(guān)注，王曉林[9,10]等利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)現(xiàn)有的Carpenter模型的參數(shù)進(jìn)行了修正，并利用修正的模型對(duì)拖曳線列陣的流噪聲進(jìn)行了預(yù)報(bào)，并驗(yàn)證了預(yù)報(bào)結(jié)果的有效性。本文采用修正的Carpenter模型對(duì)矢量拖曳線列陣流噪聲進(jìn)行研究，計(jì)算了基于圓柱形矢量水聽器的拖曳線列陣流噪聲自功率譜響應(yīng)，并討論了拖曳速度、水聽器尺寸、護(hù)套參數(shù)等對(duì)流噪聲的影響，得出了針對(duì)矢量水聽器的抑制流噪聲的措施。

1 流噪聲理論模型

1.1 噪聲場(chǎng)的一般形式

如圖1所示，水聽器安裝在由彈性護(hù)套包裹的拖曳線列陣內(nèi)，為了降低不同材料界面處聲波的反射損失，以保證阻抗匹配，在護(hù)套管內(nèi)還需要灌注輕蠟油。根據(jù)同振式矢量水聽器的工作原理，在矢量水聽器本身和安裝方式保持軸向均勻、拖曳線列陣無(wú)攻角拖曳的理想情況下，同振式矢量水聽器工作時(shí)徑向加速度計(jì)通道的輸出信噪比無(wú)限大，因?yàn)樗鼘?duì)入射信號(hào)有響應(yīng)，而對(duì)流噪聲的響應(yīng)相互抵消。因此，在理想情況下，對(duì)于同振式矢量水聽器，只有軸向加速度計(jì)通道對(duì)流噪聲有響應(yīng)。

當(dāng)柱殼外表面作用有TBL壓力起伏的隨機(jī)波數(shù)-頻率譜分量 s (kz,ω)時(shí)，由文獻(xiàn)[2]可得護(hù)套內(nèi)部點(diǎn)接收器流噪聲的自功率譜表達(dá)式為

其中 Φs(kz,ω)是壓力起伏的波數(shù)-頻率譜，h(kz,r,ω)是系統(tǒng)的波數(shù)-頻率譜傳遞函數(shù)。

1.2 Carpenter壓力起伏模型

為了提高拖曳線列陣流噪聲場(chǎng)的預(yù)報(bào)精度，Carpenter提出了基于細(xì)長(zhǎng)圓柱外表面TBL壓力起伏的理論模型，其波數(shù)-頻率譜為

當(dāng)圓柱外徑R和邊界層厚度δ滿足（δ / R ＞ ＞ 1 ）時(shí)，這種近似是比較準(zhǔn)確的。王曉林等通過(guò)已掌握的大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)Carpenter壓力起伏模型的參數(shù)進(jìn)行了修正，修正后的參數(shù)及基本參數(shù)見表1。

表1 基本參數(shù)表

1.3 流噪聲聲壓和軸向質(zhì)點(diǎn)振速的自功率譜

由文獻(xiàn)[3]得到單個(gè)圓柱形矢量水聽器接收到的流噪聲聲壓和軸向振速的自功率譜分別為

其中， hp(kz,r0,ω)、 hz(kz,r0,ω)分別為系統(tǒng)對(duì)點(diǎn)接收器流噪聲聲壓和軸向振速的傳遞函數(shù)，如式（5）、（6）所示； ap(kz)、 az(kz)是圓柱形矢量水聽器的形狀函數(shù)，也稱為水聽器函數(shù)，如式（7）、（8）所示。

2 拖速、水聽器、護(hù)套材料等參數(shù)對(duì)流噪聲的影響分析

2.1 拖曳速度對(duì)流噪聲的影響

圖 2為不同拖曳速度下流噪聲聲壓和軸向振速的自功率譜?？梢钥闯?，拖曳速度對(duì)流噪聲聲壓和軸向振速的自功率譜影響很大，隨著拖曳速度的增加，自功率譜明顯增強(qiáng)，速度提高一倍，聲壓和軸向振速的自功率譜值均提高約25 dB。這一方面是因?yàn)殡S著拖速的提高，壓力起伏的遷移峰向低波數(shù)域移動(dòng)，靠近傳遞函數(shù)的峰值，乘積后積分結(jié)果必然增大；另一方面是因?yàn)閴毫ζ鸱牟〝?shù)-頻率譜本身隨著拖速的增加明顯增強(qiáng)。因此在保證拖曳線列陣水平拖曳的情況下盡量讓其在低速時(shí)工作。

圖2 不同拖曳速度下的流噪聲響應(yīng)

2.2 水聽器尺度對(duì)流噪聲的影響

圖 3為水聽器接收面積不變時(shí)短粗型和細(xì)長(zhǎng)型矢量水聽器的流噪聲聲壓和軸向振速的自功率譜。接收面積不變代表水聽器總靈敏度不變。可以看出，細(xì)長(zhǎng)型的水聽器比短粗型的水聽器接收到的流噪聲自功率譜低，隨著頻率的升高，細(xì)長(zhǎng)型水聽器的降噪效果明顯增強(qiáng)，且對(duì)軸向振速自功率譜的影響大于對(duì)聲壓自功率譜的影響。這一方面是因?yàn)榧?xì)長(zhǎng)型水聽器接收面距離護(hù)套內(nèi)壁的距離大，指數(shù)衰減因子增加；另一方面，隨著水聽器長(zhǎng)度的增加，水聽器函數(shù)相應(yīng)減小，所對(duì)應(yīng)的被積函數(shù)也減小。因此采用細(xì)長(zhǎng)型水聽器更有利于降低管內(nèi)流噪聲。

圖3 短粗型和細(xì)長(zhǎng)型水聽器的流噪聲響應(yīng)

2.3 護(hù)套參數(shù)對(duì)流噪聲的影響

2.3.1 不同護(hù)套外徑

圖 4為不同護(hù)套外徑時(shí)流噪聲聲壓和軸向振速的自功率譜?？梢钥闯?，在低于200 Hz的低頻段，護(hù)套外徑對(duì)流噪聲自功率譜影響不大，在200 Hz以上的頻段，隨著護(hù)套外徑的增大，流噪聲自功率譜明顯降低，且對(duì)高頻段的影響大于對(duì)低頻段的影響，聲壓和軸向振速的自功率譜值在高頻段分別降低約10 dB、15 dB。因此采用較粗的套管有利于降低管內(nèi)流噪聲。

由于拖曳線列陣一般很長(zhǎng)，甚至可達(dá)數(shù)百米，如果套管過(guò)粗的話，會(huì)對(duì)拖曳線列陣的存放以及收放等帶來(lái)不利的影響，所以應(yīng)折中考慮其外徑。

圖4 不同護(hù)套外徑下的流噪聲響應(yīng)

2.3.2 不同護(hù)套厚度

圖 5為不同護(hù)套厚度時(shí)流噪聲聲壓和軸向振速的自功率譜?？梢钥闯觯o(hù)套的厚度對(duì)流噪聲的自功率譜響應(yīng)有一定影響，在600 Hz以下，隨著護(hù)套厚度的增加聲壓的自功率譜降低3～5 dB，軸向振速的自功率譜降低4～8 dB；在600 Hz以上，隨著護(hù)套厚度的增加聲壓的自功率譜有略微增加趨勢(shì)，軸向振速自功率譜隨護(hù)套厚度的增加逐漸降低?？紤]到流噪聲在低頻段對(duì)拖曳線列陣聲吶的性能有較大影響，因此采用較厚的套管有利于降低低頻段的流噪聲。

圖5 不同護(hù)套厚度下的流噪聲響應(yīng)

2.3.3 不同護(hù)套材料衰減因子

圖 6為不同材料衰減因子時(shí)矢量水聽器流噪聲聲壓和軸向振速的自功率譜?？梢钥闯觯S著護(hù)套材料衰減因子的增大，流噪聲聲壓和軸向振速的自功率譜逐漸減小，衰減因子由0.1增大到0.8時(shí)，聲壓和軸向振速的自功率譜均下降約10 dB。這是因?yàn)殡S著衰減因子的增大，聲壓傳遞函數(shù)的峰值以及軸向振速傳遞函數(shù)的峰值逐漸降低，傳遞到護(hù)套內(nèi)部的流噪聲自功率譜也就相應(yīng)降低。因此采用大衰減因子的護(hù)套材料可以明顯降低管內(nèi)流噪聲的自功率譜響應(yīng)。

圖6 不同護(hù)套衰減因子下的流噪聲響應(yīng)

3 結(jié)論

本文采用波數(shù)-頻率譜法和數(shù)值積分法分析計(jì)算了圓柱形矢量水聽器接收的流噪聲聲壓和軸向質(zhì)點(diǎn)振速的自功率譜響應(yīng)，從拖曳速度、水聽器尺寸以及護(hù)套材料參數(shù)選取的角度分析了不同參數(shù)下管內(nèi)流噪聲的變化規(guī)律和抑制方法，計(jì)算結(jié)果表明：

（1）拖速較低時(shí)矢量拖線陣流噪聲明顯減小，水平拖曳速度提高一倍，聲壓和軸向振速的自功率譜值均提高約25 dB。因此在保證水平拖曳的情況下盡量讓矢量拖線陣在較低拖速下工作。

（2）采用細(xì)長(zhǎng)型的水聽器比短粗型的水聽器更有利于降低管內(nèi)流噪聲，且降噪效果隨頻率的升高更加明顯。

（3）在不影響存放和收放復(fù)雜程度的要求下，適當(dāng)增加護(hù)套外徑和厚度可以降低管內(nèi)流噪聲。

（4）采用大衰減因子的護(hù)套材料可以明顯降低管內(nèi)流噪聲，衰減因子由0.1增大到0.8時(shí)，聲壓和軸向振速的自功率譜均下降約10 dB。

[1] 余華兵, 孫長(zhǎng)瑜, 李啟虎. 探潛先鋒-拖曳線列陣聲吶[J]. 物理 聲吶技術(shù)及應(yīng)用專題, 2006, 420-423.

[2] 湯渭霖, 吳一.TBL 壓力起伏激勵(lì)下粘彈性圓柱殼內(nèi)的噪聲場(chǎng):I噪聲產(chǎn)生機(jī)理[J]. 聲學(xué)學(xué)報(bào), 1997,22(1)60-69.

[3] 楊秀庭, 孫貴青, 李敏.矢量拖曳式線列陣聲吶流噪聲影響初探[J]. 聲學(xué)技術(shù), 2007,26(5): 775-780.

[4] 楊秀庭, 孫貴青, 李敏. 矢量拖曳線列陣聲吶流噪聲的空間相關(guān)性研究[J]. 聲學(xué)學(xué)報(bào),2007, 32(6):547-552.

[5] 鄒錦芝, 涂英, 陳丹平, 等. 矢量拖曳陣水聽器流噪聲探討[J]. 聲學(xué)技術(shù), 2009, 28(4): 454-458.

[6] 孟彧仟.矢量拖線陣流噪聲抑制方法研究[J].聲學(xué)與電子工程, 2010, (1):20-24.

[7] CORCOS G M. The structure of the turbulent pressure field in boundary layer flows[J]. J. Fluid Mech, 1964,18:353-378.

[8] CARPENTER A L, KEWLEY D J. Investigation of low wave-number turbulent boundary layer pressure fluctuations on long flexible cylinders[C]. In Eighth Australasion Fluid mechanics,1983.

[9] 王曉林, 王茂法. 拖線陣水聽器流噪聲預(yù)報(bào)與實(shí)驗(yàn)研究[J]. 聲學(xué)與電子工程, 2006, (3):6-11.

[10] 王曉林, 王茂法. 基于C&K修正模型的拖曳陣流噪聲特性仿真研究[J]. 聲學(xué)與電子工程, 2010, (1): 9-13.