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國外潛艇減振降噪技術之隔振浮筏

軍工資源網 2022年02月06日

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導 讀
隨著反潛裝備的不斷發展,潛艇降低噪音的需求越來越迫切。隔振浮筏是潛艇內部減少振動、降低噪音的主流方法,國外“弗吉尼亞”級、“凱旋”級、“亞森”級等先進潛艇的內部都安裝了隔振浮筏,機器設備可以裝在這些浮筏上從而減少振動噪音。


1.隔振系統的原理及種類

隔振系統發展到現在主要經歷了單層隔振系統、雙層隔振系統和浮筏隔振系統三個階段。單層隔振是將機械設備通過隔振器直接安裝固定在基座上,主要是利用隔振器的剛度和阻尼來降低振動的傳遞,單層隔振系統的隔振效果通常為10dB~20dB。


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單層隔振系統


隨后發展研制出了雙層隔振系統,其中有2層隔振器,在2層隔振器之間插入了1個中間質量塊。當系統受到外部激勵時,質量塊的慣性力能將部分設備的激勵力平衡掉,從而減小設備與基座之間的力傳遞率,達到一定的隔振效果。


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雙層隔振系統

浮筏隔振系統可以視為多個隔振系統耦合而成的復雜隔振系統,其將多個設備同時安裝在同一個浮筏平臺上,與平臺之間采用隔振器連接,再將平臺用隔振器進行彈性連接,由此形成統一的整體,這便構成了一個多設備、多激勵源的復雜隔振系統,隔振效果可以達到40dB。

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浮筏隔振系統

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潛艇隔振浮筏結構

2.隔振浮筏的應用

艦船用隔振浮筏誕生于上個世紀60年代,最早由英國研發,裝備于掃雷艇,用于降低引爆聲控水雷的可能性。英國與美國共享了此項技術,幾乎同時應用于英美兩國的攻擊型核潛艇上。

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潛艇用的隔振裝置

國外潛艇隔振浮筏大致經歷了兩個階段:

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下圖為美國“弗吉尼亞”級和法國“凱旋”級核潛艇整體式隔振浮筏,浮筏與殼體連接時,會使用隔振裝置(隔振裝置包括鋼制彈性體、空氣彈簧、鋼絲繩隔振器、橡膠隔振器等);筏體上的機器與浮筏連接時,同樣會使用隔振裝置,起到二次隔振的效果。雙層隔振效果較好,最多可降低40分貝的噪聲。如果早期核潛艇噪聲為160分貝,只要采用二次隔振的減振浮筏,就能將噪聲降低至120分貝,結合消聲瓦,完全可以將噪聲控制在110分貝之下。

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“弗吉尼亞”級核潛艇正在安裝整體式隔振浮筏

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法國“凱旋”級彈道導彈潛艇用于浮筏的框架式底盤

最初,只有潛艇的推進裝置和噪聲大的機器是安裝在浮筏上的,一些潛艇高速運行時,必須將其鎖定。現在,一些潛艇整個甲板模塊都是筏式安裝的,甚至包括指揮室和住艙。


英國“機敏”級核潛艇的整個甲板都是筏式安裝

俄羅斯“亞森”級可能采用了雙層減振浮筏,浮筏的筏架采用六邊形結構(艙筏),可以方便地“塞”進耐壓殼體,動力設備可根據需要安裝在上下層不同位置。

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顯示浮筏安裝的俄羅斯專利插圖(左);一種現代俄羅斯設計,可能裝備在“亞森” 級核潛艇上,可以將艙段內所有設備安裝在浮筏上(右)

3.隔振浮筏的未來發展

雖然隔振浮筏的應用效果十分顯著,但提升浮筏的隔振性能也存在一些制約因素:

  • 一是筏架大多是由板、梁組成的框架結構,形式比較單一;

  • 二是筏架的材料大多采用強度高、剛度大的金屬材料,如鑄鋼、鑄鐵以及鋁質合金鋼等,導致隔振系統附加質量大,并且這些金屬材料一般比剛度較低,阻尼性能較差,對于動力設備所產生的中低頻振動和噪聲傳遞的抑制效果較差;

  • 三是浮筏作為一個特殊的雙層被動隔振系統還有其固有的局限,即系統一旦成形,其固有頻率及剛度就一定,于是系統的隔振頻率就被確定,從而不能實現更寬頻域的隔振,并且會在固有頻率處產生共振。


近年來,基于隔振機理的理解,一些新的技術也被應用到了浮筏隔振系統,發展出了流體浮筏、磁懸浮浮筏等大型隔振系統。在研究方面,這些技術與傳統的方法相比,具有更好的可調控性。在使用過程中能夠通過改變流體液面高度或者磁場的強度去調整振動系統參數,從而達到優越的隔振效果。部分新技術已經應用到了隔振系統的研究里。

對于一些具有特殊性能的新興材料,如聲學超材料等,基于其聲學特性,將其應用到隔振系統設計之中能夠大大提高隔振能力。但目前超材料還處在研究階段,其在應用技術及造價等方面均存在一定的問題,導致新興材料對于隔振系統設計的融入還存在一些不足。

總結

隔振浮筏是潛艇降噪的主要設備,“弗吉尼亞”級和“凱旋”級的動力推進設備都安裝在浮筏上,英國“機敏”級采用了整體甲板式浮筏,而俄羅斯最新服役的“亞森”級則采用了與潛艇截面類似的六邊形浮筏,這樣可以將艙段內所有設備都安裝在浮筏上。未來,隔振浮筏將向磁懸浮、聲學超材料等方向發展。

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