国外潜艇减振降噪技术之隔振浮筏

军工资源网 2022年02月06日

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导 读
随着反潜装备的不断发展,潜艇降低噪音的需求越来越迫切。隔振浮筏是潜艇内部减少振动、降低噪音的主流方法,国外“弗吉尼亚”级、“凯旋”级、“亚森”级等先进潜艇的内部都安装了隔振浮筏,机器设备可以装在这些浮筏上从而减少振动噪音。


1.隔振系统的原理及种类

隔振系统发展到现在主要经历了单层隔振系统、双层隔振系统和浮筏隔振系统三个阶段。单层隔振是将机械设备通过隔振器直接安装固定在基座上,主要是利用隔振器的刚度和阻尼来降低振动的传递,单层隔振系统的隔振效果通常为10dB~20dB。


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单层隔振系统


随后发展研制出了双层隔振系统,其中有2层隔振器,在2层隔振器之间插入了1个中间质量块。当系统受到外部激励时,质量块的惯性力能将部分设备的激励力平衡掉,从而减小设备与基座之间的力传递率,达到一定的隔振效果。


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双层隔振系统

浮筏隔振系统可以视为多个隔振系统耦合而成的复杂隔振系统,其将多个设备同时安装在同一个浮筏平台上,与平台之间采用隔振器连接,再将平台用隔振器进行弹性连接,由此形成统一的整体,这便构成了一个多设备、多激励源的复杂隔振系统,隔振效果可以达到40dB。

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浮筏隔振系统

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潜艇隔振浮筏结构

2.隔振浮筏的应用

舰船用隔振浮筏诞生于上个世纪60年代,最早由英国研发,装备于扫雷艇,用于降低引爆声控水雷的可能性。英国与美国共享了此项技术,几乎同时应用于英美两国的攻击型核潜艇上。

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潜艇用的隔振装置

国外潜艇隔振浮筏大致经历了两个阶段:

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下图为美国“弗吉尼亚”级和法国“凯旋”级核潜艇整体式隔振浮筏,浮筏与壳体连接时,会使用隔振装置(隔振装置包括钢制弹性体、空气弹簧、钢丝绳隔振器、橡胶隔振器等);筏体上的机器与浮筏连接时,同样会使用隔振装置,起到二次隔振的效果。双层隔振效果较好,最多可降低40分贝的噪声。如果早期核潜艇噪声为160分贝,只要采用二次隔振的减振浮筏,就能将噪声降低至120分贝,结合消声瓦,完全可以将噪声控制在110分贝之下。

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“弗吉尼亚”级核潜艇正在安装整体式隔振浮筏

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法国“凯旋”级弹道导弹潜艇用于浮筏的框架式底盘

最初,只有潜艇的推进装置和噪声大的机器是安装在浮筏上的,一些潜艇高速运行时,必须将其锁定。现在,一些潜艇整个甲板模块都是筏式安装的,甚至包括指挥室和住舱。


英国“机敏”级核潜艇的整个甲板都是筏式安装

俄罗斯“亚森”级可能采用了双层减振浮筏,浮筏的筏架采用六边形结构(舱筏),可以方便地“塞”进耐压壳体,动力设备可根据需要安装在上下层不同位置。

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显示浮筏安装的俄罗斯专利插图(左);一种现代俄罗斯设计,可能装备在“亚森” 级核潜艇上,可以将舱段内所有设备安装在浮筏上(右)

3.隔振浮筏的未来发展

虽然隔振浮筏的应用效果十分显著,但提升浮筏的隔振性能也存在一些制约因素:

  • 一是筏架大多是由板、梁组成的框架结构,形式比较单一;

  • 二是筏架的材料大多采用强度高、刚度大的金属材料,如铸钢、铸铁以及铝质合金钢等,导致隔振系统附加质量大,并且这些金属材料一般比刚度较低,阻尼性能较差,对于动力设备所产生的中低频振动和噪声传递的抑制效果较差;

  • 三是浮筏作为一个特殊的双层被动隔振系统还有其固有的局限,即系统一旦成形,其固有频率及刚度就一定,于是系统的隔振频率就被确定,从而不能实现更宽频域的隔振,并且会在固有频率处产生共振。


近年来,基于隔振机理的理解,一些新的技术也被应用到了浮筏隔振系统,发展出了流体浮筏、磁悬浮浮筏等大型隔振系统。在研究方面,这些技术与传统的方法相比,具有更好的可调控性。在使用过程中能够通过改变流体液面高度或者磁场的强度去调整振动系统参数,从而达到优越的隔振效果。部分新技术已经应用到了隔振系统的研究里。

对于一些具有特殊性能的新兴材料,如声学超材料等,基于其声学特性,将其应用到隔振系统设计之中能够大大提高隔振能力。但目前超材料还处在研究阶段,其在应用技术及造价等方面均存在一定的问题,导致新兴材料对于隔振系统设计的融入还存在一些不足。

总结

隔振浮筏是潜艇降噪的主要设备,“弗吉尼亚”级和“凯旋”级的动力推进设备都安装在浮筏上,英国“机敏”级采用了整体甲板式浮筏,而俄罗斯最新服役的“亚森”级则采用了与潜艇截面类似的六边形浮筏,这样可以将舱段内所有设备都安装在浮筏上。未来,隔振浮筏将向磁悬浮、声学超材料等方向发展。

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