艦艇聲吶探測下敷設(shè)黏彈性阻尼層目標(biāo)的聲隱身性能分析

湯智胤 李 想 鄒海龍* 沈惠杰 張吉健

(海軍工程大學(xué)動力工程學(xué)院1) 武漢 430033) (海軍工程大學(xué)軍用電氣科學(xué)與技術(shù)研究所2) 武漢 430033)(武漢融聲奇科技有限公司3) 武漢 430000)

0 引 言

水下航行器的隱身性是其在海戰(zhàn)場對抗環(huán)境下最基本的戰(zhàn)技術(shù)性能，其中聲隱身性能則是決定其隱身性的關(guān)鍵.水下航行器聲隱身性能包含自身的聲場輻射和對抗聲探測設(shè)備的聲散射場輻射.現(xiàn)有的公開研究文獻(xiàn)指出，若水下航行器聲散射場強度降低10 dB，則被聲吶探測發(fā)現(xiàn)的距離可縮短32%[1-4].更進(jìn)一步地，若我方聲吶平臺自噪聲降低5 dB，則對水下目標(biāo)的探測追蹤距離可增加60%，搜索目標(biāo)海區(qū)面積可擴大到原來的3倍.隱身性能差的水下航行器將難以及時完成其的作戰(zhàn)使命，造成無法估量的損失.由此可見：降低水下目標(biāo)散射聲場對水下航行器自身生存力和作戰(zhàn)力的重要性[5-8].

水面艦艇艦載聲吶反潛是當(dāng)今最為有效的反潛手段之一.水面艦艇聲吶探測已成為現(xiàn)代艦艇反潛的重要手段.主動聲吶是檢測安靜型水下目標(biāo)、各種水雷目標(biāo)的有效手段，也是今后相當(dāng)長一段時間內(nèi)水下目標(biāo)檢測技術(shù)的一個主要發(fā)展方向.對于低噪聲目標(biāo)檢測，無論是主動還是被動工作方式，所使用的頻率都在向低端移動.一般，將1 000 Hz左右定義為中頻工作頻率，100～1 000 Hz定義為低頻工作頻率.目前主動工作頻率已明顯向低頻/甚低頻段移動，因此，有效水下航行器的低頻聲散射聲已成為當(dāng)下的研究熱點.戰(zhàn)術(shù)模型中，常采用被敵發(fā)現(xiàn)概率作為評估水下航行器隱身性的重要指標(biāo)，它刻畫了水下航行器在活動海區(qū)內(nèi)，被敵搜索到的可能性[9-10].但傳統(tǒng)模型中，采用較為簡單的算法，沒有考慮敵、我雙方的復(fù)雜對抗環(huán)境對戰(zhàn)場態(tài)勢的影響，給出的被發(fā)現(xiàn)概率指標(biāo)也不是十分科學(xué).

文中基于敵方艦載反潛水面艦艇使用聲吶探測我水下航行器時的假想情況，綜合考慮海戰(zhàn)場對抗環(huán)境，計算了水下球形殼體目標(biāo)的聲散射特性，并通過在殼體外敷設(shè)黏彈性材料阻尼層降低水下目標(biāo)聲散射強度，改善水下目標(biāo)的聲隱身性能.在有無敷設(shè)黏彈性材料阻尼層的水下球形殼體的聲散射特性研究基礎(chǔ)上，對傳統(tǒng)水聲對抗特性評價模型進(jìn)行改進(jìn)，給出了一種海戰(zhàn)場環(huán)境中水下航行器水聲對抗特性評價方法.

1 水面艦艇聲吶搜索航行器的數(shù)學(xué)模型

在面積為Sc的區(qū)域內(nèi)，反潛水面艦艇使用一種被動聲吶探測時，我航行器被發(fā)現(xiàn)概率為

(1)

式中：Nc為面積為Sc的區(qū)域內(nèi)同時進(jìn)行搜索的水面艦艇數(shù)量.由于多艘水面艦艇搜索時，還涉及到編隊搜索策略問題，情況較復(fù)雜，本文僅討論單艘水面艦艇，即取Nc=1時的情況；Tn為水面艦艇搜索我航行器所持續(xù)的時間；usn為水面艦艇使用聲吶的搜索效率，單艘水面艦艇搜索我航行器時：

為了安全性考慮，認(rèn)為航行器被發(fā)現(xiàn)后沒有可逃區(qū)域，且航行器在運動區(qū)域巡邏線不能機動，則取P1dj=1，P1q=1-P1dj=0.則

usn=2dsnvpPkdj

(2)

式中：Pkdj為進(jìn)入水面艦艇聲吶作用區(qū)內(nèi)的航行器保持接觸的概率(取值0.7～0.8)；Pkq為進(jìn)入聲吶作用區(qū)內(nèi)的水面艦艇保持接觸的概率(取值0.7～0.8)；P1dj為水面艦艇先發(fā)現(xiàn)我航行器的概率，P1q=1-P1dj為我航行器先發(fā)現(xiàn)水面艦艇的概率.

由式(1)、式(2)可得我航行器的被發(fā)現(xiàn)概率為

(3)

2 水下目標(biāo)聲散射特性仿真

2.1 模型介紹

工程中水下航行器大部分可簡化為類球體或橢球體結(jié)構(gòu)腔體，文中以球體結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行仿真計算.模型幾何結(jié)構(gòu)見圖1，球形鋼殼內(nèi)部為空氣，外側(cè)敷設(shè)黏彈性阻尼層，阻尼層外部為水.其內(nèi)部聲學(xué)結(jié)構(gòu)截面示意圖，見圖2.

圖1 水下殼體模型

圖2 黏彈性覆蓋層內(nèi)部聲學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 仿真流程

基于有限元計算方法的分析流程見圖3.

圖3 分析流程

2.3 基于Actran的聲散射分析

建立聲散射計算分析有限元網(wǎng)格模型，見圖4.單元及屬性如下：①鋼殼 三角形殼單元，總數(shù)2 364，單元尺度80 mm；②黏彈性阻尼層 實體殼單元，總數(shù)2 364，單元尺度80 mm；③內(nèi)部空氣 四面體網(wǎng)格，總數(shù)36 163，單元尺度80 mm；④外部水介質(zhì) 棱柱體網(wǎng)格，總數(shù)55 075，單元尺度80 mm；⑤無限元 面網(wǎng)格，總數(shù)2 364，單元尺度80 mm.

圖4 聲學(xué)計算網(wǎng)格模型

將球殼外部的流體外邊界定義為無限元，以便實現(xiàn)無反射邊界條件的模擬以及輻射聲功率的自動統(tǒng)計.在無限元外側(cè)即空間位置(0，0，-30)施加平面波單位聲載荷，見圖5.

圖5 計算模型

根據(jù)仿真結(jié)果計算殼外聲場中有限距離內(nèi)任意點聲壓值(包括散射聲壓和入射聲壓)，計算頻率范圍0～5 000 Hz.考核以通過球心沿聲波入射反向距殼外表面15 m處目標(biāo)強度作為評價指標(biāo)，定義為

表1 模型幾何和材料參數(shù)

(4)

式中：psc(r)為r處的散射聲壓；pin(r)為入射聲壓.

3 計算結(jié)果分析

考慮彈性光殼和彈性光殼上面敷設(shè)覆蓋層兩種情況下，在若干頻率點處的聲散射聲壓場，見圖6～7.圖6為540 Hz處(即目標(biāo)強度曲線峰值處)的聲散射聲壓云圖.顯然，在平面波入射下，敷設(shè)黏彈性阻尼材料層的聲壓場比彈性光殼均勻得多.同是球形目標(biāo)后的平面波聲場，敷設(shè)黏彈性阻尼材料層的聲場干擾程度明顯小于彈性光殼情況.

圖6 540 Hz處的聲散射云圖

圖7 1 340 Hz處聲散射云圖

圖8為彈性光殼和殼體上面敷設(shè)覆蓋層兩種情況下的目標(biāo)強度曲線，分別為圖中虛線和點實線所示.由圖8可知：最大目標(biāo)強度出現(xiàn)在500 Hz附近，最小目標(biāo)強度出現(xiàn)在1 340 Hz附近；在1 340 Hz以上頻率，目標(biāo)散射強度曲線略有上升趨勢，并在若干頻率點附近出現(xiàn)散射值峰谷；在彈性光殼上面敷設(shè)覆蓋層后，目標(biāo)強度在整個分析頻段都有一定的降低(個別頻段除外)，平均降低4 dB左右，特別是低頻段的目標(biāo)強度有了較大的衰減，最大衰減值可達(dá)10 dB.同時，目標(biāo)強度低谷略向低頻偏移.

圖8 鋼殼敷設(shè)阻尼層前后目標(biāo)強度對比

將仿真計算結(jié)果代入式(5)，并假設(shè)敵水面艦艇活動區(qū)域的面積Sc=7 000 nm2，水面艦艇搜索時速度vdj=15 nm/h，我航行器的運動速度vq=5 nm/h，進(jìn)入其聲吶作用區(qū)內(nèi)保持接觸的概率Pkdj=0.75，水面艦艇搜索我航行器時所持續(xù)的時間為Tn=6 h，計算可得不同頻率下鋼殼敷設(shè)阻尼層前后被發(fā)現(xiàn)概率降低值，結(jié)果見圖9.由圖9可知：分析頻率0～5 000 Hz范圍內(nèi)，在水下目標(biāo)鋼結(jié)構(gòu)光殼上面敷設(shè)阻尼覆蓋層后，目標(biāo)的被探測概率在整個分析頻段都有一定的降低(個別頻段除外)，平均降低了2.934 3%.

圖9 敷設(shè)阻尼層后被探測概率減小值

但本方法在低頻段，其被探測特性還會有所增加，原因是黏彈性阻層材料層對低頻段聲波的吸聲能力有限，難以對500 Hz以下的聲波進(jìn)行有效吸收.另一方面，敷設(shè)覆蓋層增加水下聲目標(biāo)的尺寸，加大了被敵探測概率，使得目標(biāo)強度總體略向低頻偏移.黏彈性阻層材料在超低頻段的聲散射場消減性能，還需要持續(xù)的探索研究.

4 結(jié) 束 語

在航行器表面敷設(shè)彈性阻尼層可以提高其聲隱身性能，但傳統(tǒng)模型大部分是通過計算其聲散射特性或被敵發(fā)現(xiàn)概率作為評價指標(biāo)，沒有考慮到海戰(zhàn)場復(fù)雜對抗環(huán)境下其對戰(zhàn)場態(tài)勢的影響，給出的評價指標(biāo)也不是十分科學(xué).本文計算分析了水下球形殼體結(jié)構(gòu)敷設(shè)黏彈性阻尼層前后的聲散射特性，提出了一種基于水面艦艇聲吶探測情況下水下航行器聲隱身特性的評估模型，分析評估了其聲隱身性能.

研究表明：在球形殼體外敷設(shè)黏彈性材料阻尼層后，被發(fā)現(xiàn)概率在分析頻段內(nèi)大部分均有一定程度的降低，特別是在500～1 000 Hz頻段有較大程度的減小.分析結(jié)果說明，敷設(shè)黏彈性阻尼層可以在一定程度上降低水下目標(biāo)的被發(fā)現(xiàn)概率，改善了水下目標(biāo)在海戰(zhàn)場對抗環(huán)境下的隱身性能.但由于目標(biāo)強度會略向低頻偏移，后期將進(jìn)一步探索黏彈性阻層材料在更低頻段的聲散射場消減性能，使其更具工程應(yīng)用價值.