理论教育 潜艇的重要性及弯曲波的传播特性

潜艇的重要性及弯曲波的传播特性

时间:2023-07-02 理论教育 版权反馈
【摘要】:在第二次世界大战中,交战双方的潜艇共击沉300余艘大、中型水面舰船和5 000余艘运输船只,使人们对潜艇有了新的认识。弯曲波会产生径向大位移,与水有相当的耦合,但其位移速度比水下声速慢,因此不发声,是一种伪声。显然,弯曲波在完全空的无限长的圆柱体中是不传播的,但在装有各种机械设备和武器等具有结构复杂的潜艇中,弯曲波是传播的。

潜艇的重要性及弯曲波的传播特性

潜艇在第一次世界大战中登上海战的舞台后,其灵活机动的作战能力可以使一艘艘巨大的水面舰船沉入海底。在第二次世界大战中,交战双方的潜艇共击沉300余艘大、中型水面舰船和5 000余艘运输船只,使人们对潜艇有了新的认识。

现代潜艇具有隐蔽性好、突击威力强、水下续航力大和自给力强等特点。潜艇按照其动力装备的不同,可分为常规动力潜艇和核动力潜艇;按照所装备武器的不同,可分为鱼雷潜艇和导弹潜艇;按照担负任务的不同,可分为攻击潜艇和弹道导弹潜艇。

潜艇在水下运行时,对其周围环境产生扰动的物理量可供探测的有异常磁信号、声信号、红外信号。对磁扰动采用定期消磁技术,使舰体的磁性降到最低。对声信号,采用舰体表面敷贴消声瓦,各种升降装置敷有雷达波吸收涂层,对产生噪声的设备采用先进的隔振降噪,使噪声水平尽可能降低,这些措施给被动探测技术带来了很大的难度。例如,导弹核潜艇采用隐身措施后,使辐射噪声大幅度降低,达到100 dB以下,已低于海洋本身噪声,同时又采取降低红外、磁、尾流特性,加大下潜深度至400~600 m,以及使用迷惑或欺骗对方探测的各种手段,使潜艇的生存概率达到90%以上。

潜艇辐射噪声和舷侧阵自噪声的产生是由多种复杂且相关的物理现象组成的。虽然这两种噪声涉及非常宽的频带,但从潜艇本身来说,它们的主要激励源是潜艇内部的机械设备。

机械噪声是由旋转装置失去平衡引起振动、接触振动(如齿轮啮合)及机械设备内部液体紊流产生的噪声。一般来说,前两种方式产生的噪声的频率相当低,而后一种方式产生的噪声的频率很宽。机械噪声本身不会直接辐射到远场,而是振动能量在潜艇的主结构和次结构中传播,传到壳体后激励壳体才辐射到远场,这一系列物理现象是相互联系的。机械激励壳体的声辐射机理是施加到壳体的任何局部机械激励产生一种局部形变,这种形变可形成一种活塞式的、类似于声的有效辐射体,无方向性。

流体动力噪声是由不规则或起伏的水流流过运动着的潜艇而产生的,当不规则的水流流过舰体时,其压力脉动作为声波直接辐射出去。更重要的是,不规则或起伏的水流还可激起舰体上某些空腔、板和附件的共振,从而辐射声波。

流体诱发噪声机理包括流噪声、弯曲噪声、尾流噪声和空腔噪声等。

一、流噪声

由于海水是一种黏性流体。当这种流体流经壳体表面时,便形成一种边界层,边界层中的流速从壳体表面的零值可增加到约为潜艇航行的速度。这种边界层在舰首部非常薄,但发展到尾部时,其厚度已达几十厘米。边界层在首部时形成层流,层流是规则而安静的。离首部较远处,边界层渐渐形成小涡流,开始出现不稳定性,并慢慢地变为湍流。湍流边界层的速度脉动会直接辐射出去,其辐射功率随潜艇航速的变化而变化。这种宽带噪声是潜艇高速航行时的主要噪声源。(www.daowen.com)

湍流边界层的波动压力场激发壳体的结构发生共振,即流体弹性耦合而产生噪声。如果压力脉动波数和结构模数之间有重合,那么这部分结构可能以一种自激方式振动,产生噪声。这是一种窄带噪声,是非常重要的噪声源。

二、弯曲噪声

在壳体与流体界面上传播的一些机械波沿流体诱发的次噪声源,传统上把它们分为弯曲波(即亚速机械波)、切变和纵向波(即超声速机械波)。弯曲波会产生径向大位移,与水有相当的耦合,但其位移速度比水下声速慢,因此不发声,是一种伪声。切变和纵向波只产生小径向位移,与水不太耦合,其位移速度比水下声速快,然而与水的耦合的特性限制了它们的有效辐射。显然,弯曲波在完全空的无限长的圆柱体中是不传播的,但在装有各种机械设备和武器等具有结构复杂的潜艇中,弯曲波是传播的。

三、尾流噪声

流体诱发的另一种噪声是潜艇尾流产生的噪声。这种噪声不仅与壳体表面的边界层有关,而且与大涡流结构有关。大涡流结构是在壳体周围的流体流过附件或者几何不连续体时产生的,大涡流之类的流体扰动形成尾流,尾流在螺旋桨叶片上引起的速度扰动产生起落扰动,桨叶随之产生推力和扭转力的扰动。这些扰动由桨轴输送到潜艇的耐压壳体上,形成了新的低频噪声源,由螺旋桨本身和艇壳体辐射,其频率数与尾流的谐波含量有关。

四、空腔噪声

湍流边界层流过一个空腔时(如压载水舱孔),产生交变或涡流。在发生空腔共振时,产生辐射噪声和自噪声。

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