吸聲瓦技術與問題

由于使用吸聲瓦技術可以顯著提高潛艇隱蔽性，因而受到世界各海軍強國的高度重視。吸聲瓦技術主要包括吸聲瓦本體技術、安裝技術以及瓦與艇總體的匹配技術。

吸聲瓦本體技術主要包括吸聲瓦材料、吸聲結構的設計及制造技術，如何采用合適的材料、設計合理的結構以達到最佳效果，是吸聲瓦本體研究的難題。

前面已經(jīng)談到，不同厚度、材料和結構的吸聲瓦的效果不盡相同，即使同樣的吸聲瓦，貼在不同處，效果也不相同。隨著減振降噪技術的發(fā)展，吸聲瓦與艇體總體匹配技術也不斷提高。俄羅斯不同的潛艇敷設吸聲瓦的厚度不同，同一條潛艇不同部位敷設的吸聲瓦也不相同。前蘇聯(lián)海軍V級“共青團員”號核潛艇的艏部外殼使用了“皮膜涂層”，而舯、艉部外殼則采用了100毫米以上厚度的吸聲瓦；“阿庫拉”級核潛艇也采用了這種方法。俄羅斯對吸聲瓦的“巧用”是其潛艇隱身性能夠取得重大進展的關鍵，也是其吸聲瓦技術處于世界領先的表現(xiàn)。

吸聲瓦的實艇安裝技術是先進技術能否轉(zhuǎn)化成戰(zhàn)斗力的關鍵。據(jù)報道，前蘇聯(lián)早期敷設于潛艇的吸聲瓦脫落現(xiàn)象比較嚴重，而后解決了“粘合”問題，從了解的情況看，吸聲瓦脫落現(xiàn)象基本杜絕。英國吸聲瓦技術進展緩慢的一個重要因素是其一直未能很好解決吸聲瓦脫落問題。從有關資料上公開發(fā)表的“天才”號和“支持者”號照片上可以清楚地看到這種現(xiàn)象。

綜上所述，提高吸聲瓦材料及聲學結構設計水平，加強吸聲瓦聲振特性與潛艇艇體結構聲振特性匹配研究，改進吸聲瓦裝艇技術使其更加適應惡劣的海洋工作環(huán)境是將來吸聲瓦技術的發(fā)展方向。隨著科學技術的飛速發(fā)展和反潛探測手段的不斷提高，吸聲瓦技術也將不斷提高，對提高潛艇的隱蔽性和生存能力將會起到越來越重要的作用 。

吸聲瓦中國

2012年，《美國聲學會志》（J. Acoust. Soc. America, 132(2012)694）刊登了中科院力學研究所王育人課題組有關水下吸聲材料的最新研究結果。性能優(yōu)異的現(xiàn)代水下吸聲材料具有廣泛的應用前景和迫切的現(xiàn)實需要。亟待解決的關鍵技術問題是提高材料在寬頻范圍內(nèi)的吸聲能力、保持材料在高靜水壓力下的強吸聲特性以及加強復雜環(huán)境下材料的綜合服役性能。

王育人課題組提出了一種基于局域共振吸聲基元網(wǎng)絡化的寬頻水下吸聲材料新構想——“聲子玻璃”新型水下吸聲材料。他們利用多孔材料骨架并結合共振吸聲原理，構筑了具有寬頻多模態(tài)振動模式的吸聲材料，實現(xiàn)了寬頻強吸聲特性，同時多孔骨架復合材料大大提高了材料的耐高靜水壓力能力。

在前期工作中，為了滿足現(xiàn)代水下吸聲材料對寬頻吸聲頻譜可以被任意剪裁的需要，課題組通過將二維局域共振單元與木堆結構相結合，提出了一種被稱作局域共振聲子木堆的水下吸聲材料，這種材料可以拓寬和控制吸聲頻譜 。

吸聲瓦前蘇聯(lián)

前蘇聯(lián)生產(chǎn)的潛艇往往噪聲很大，這是由于當時前蘇聯(lián)的制造業(yè)與加工水平相對落后造成的。為達到在全球和美國爭霸的目的，前蘇聯(lián)對潛艇的聲隱身和減振降噪技術一直投入大量的人力物力，多年發(fā)展后，其吸聲瓦技術已經(jīng)非常先進，種類也比較齊全。經(jīng)過二十世紀五六十年代的設計研究和反復試驗，前蘇聯(lián)于1965年開始在潛艇上正式敷設吸聲瓦，并且所有現(xiàn)役潛艇均敷設有吸聲瓦。前蘇聯(lián)吸聲瓦的基材主要是丁苯橡膠（前蘇聯(lián)是橡膠生產(chǎn)大國，有豐富的丁苯橡膠資源），為最大限度地達到吸聲效果，其吸聲瓦一直是帶有一定聲學結構的橡膠制品。

前蘇聯(lián)的潛艇自噪聲很高，在努力將敵主動聲納下噪聲強度降低的同時，一直積極研究降低本艇自噪聲的方法，并將吸聲瓦技術和浮筏技術等機械噪聲治理、袖套等管路噪聲治理這些減振降噪手段有機結合起來，效果顯著。

前蘇聯(lián)認為攻擊型潛艇與戰(zhàn)略核潛艇由于承擔的任務不同，在設計時，前者要突出靈活性，后者要優(yōu)先考慮安靜性，為此，兩者所采用的吸聲瓦技術也是有很大區(qū)別的?！鞍炖奔壒粜秃藵撏辈颗c艉部殼體均敷設了50-150mm厚的吸聲瓦，艏部殼體使用的則是一種蒙皮。這種蒙皮如同海豚皮一樣，在水下航行時能起到抑制某種介質(zhì)邊界層的作用，有效地減小了航行阻力。據(jù)推測，這種蒙皮是由上下兩層固態(tài)橡膠和中間的液態(tài)橡膠所組成的，能夠隨航速和壓力的變化自動進行調(diào)整。這是已經(jīng)公開的該技術的惟一工程應用實例?！芭_風”級是世界上最大的戰(zhàn)略核潛艇，整艇均敷設了100-200mm厚吸聲瓦（采用陶瓷和橡膠復合構成），沒有采用蒙皮，反映了前蘇聯(lián)對攻擊型潛艇和戰(zhàn)略型潛艇在吸聲瓦上的不同設計思路。前蘇聯(lián)的潛艇，尤其是核潛艇其外殼體很少僅敷設一種規(guī)格的吸聲瓦，外銷艇除外。這是因為潛艇的各個部位對于整艇的噪音強度的貢獻均不相同，還沒有一種吸聲瓦能夠包辦解決所有問題，所以同一艘潛艇（主要是核潛艇）的不同部位敷設的吸聲瓦厚度差別很大，其根據(jù)在于不同厚度吸聲瓦的聲學結構是不盡相同的。“塞拉”級和“阿庫拉”級核潛艇開始采用的一種新的雙層吸聲瓦不僅能減小聲納的反射信號，還能降低自噪聲。這種瓦的內(nèi)層是一種直徑各不相同的多孔瓦，用于吸除特定頻率的聲音，外層則是整體的，用于吸收主動聲納信號，以減少主動聲自導魚雷攻擊的可能性。

前蘇聯(lián)潛艇均采用雙殼體，設計人員充分利用這一結構，在潛艇的內(nèi)外殼體上均敷設了吸聲瓦。外殼體敷設的吸聲瓦主要是減小反射信號，內(nèi)殼體的吸聲瓦主要是降低本艇自噪聲，且主要敷設在噪聲較大的艙室外壁，有針對性地敷設解耦瓦、阻尼瓦或吸聲器。

吸聲瓦英國

第二次世界大戰(zhàn)后，英國國力逐漸衰落，英國海軍的潛艇更新?lián)Q代速度很慢。吸聲瓦技術的研究雖然起步很早，但發(fā)展水平遠遠落后于前蘇聯(lián)。英國海軍于20世紀70年代中期曾在“丘吉爾”號核潛艇上進行吸聲瓦的敷設試驗，此后在“敏捷”級的“壯麗”號和“君權”號艇的改裝期間都敷設了吸聲瓦，粘貼方法與前蘇聯(lián)潛艇相似，雖取得了很好的效果，但是吸聲瓦的粘貼和脫落問題一直困繞著英國海軍，其潛艇在出海歸來時吸聲瓦往往都會脫落大半。所以，在“特拉法爾加”級核潛艇和“支持者”級常規(guī)潛艇上敷設吸聲瓦時采用了纏繞技術，但似乎效果也并不理想，“支持者”級潛艇也存在大面積的脫落現(xiàn)象。英國海軍已放棄先預制吸聲瓦，再通過粘合劑在實艇敷設的工藝，而直接采用實艇現(xiàn)場澆注成型技術，其吸聲瓦的基材是聚氨脂。

吸聲瓦美國

美國的吸聲瓦技術研究起步很晚，是在前蘇聯(lián)將吸聲瓦、浮筏等一系列聲隱身和減振降噪技術在潛艇上成功應用之后，特別是“東芝事件”后，前蘇聯(lián)有效地解決了螺旋槳加工制造技術，使其潛艇的噪聲水平接近美國潛艇。美國憑借其先進的科研技術和雄厚的工業(yè)及經(jīng)濟基礎，且獲得了英國的吸聲瓦相關技術，迅速地發(fā)展起來。美國海軍艇體結構與前蘇聯(lián)潛艇不同，采用單殼體結構，潛艇自噪聲情況與前蘇聯(lián)潛艇也不相同。因此，吸聲瓦設計并不完全相同。美國潛艇的吸聲瓦除了降低本艇的噪聲強度、降低本艇的聲輻射水平、減小本艇的航行阻力這三點設計思路與前蘇聯(lián)一致外，還有防污與有效提高本艇聲納工作效能的功能。美國海軍于1988年在“洛杉磯”級核潛艇“圣胡安”號上首次敷設了吸聲瓦，這種吸聲瓦是由聚氨脂和玻璃纖維組成的雙層鋁板固定式吸聲結構。單層吸聲瓦能降低自噪聲25分貝，雙層吸聲瓦可降低40分貝左右。其吸聲瓦敷設還借鑒了航天飛機隔熱瓦的敷設工藝。美國還在積極研究自控系統(tǒng)介質(zhì)邊界層控制，類似于前蘇聯(lián)的“蒙皮技術”，據(jù)說采用的還是聚氨脂材料，以降低本艇水動力噪聲和減小水下航行阻力。該項技術將在實艇進行應用，并會領先于俄羅斯。

吸聲瓦日本、法國與澳大利亞

日本也投入了大量的人力物力進行吸聲瓦的研究工作，并且進行了實艇敷設。但它的吸聲瓦技術相對于美俄還處于起步階段。最新下水的潛艇水線部分吸聲瓦依然保留加壓工裝，這表明日本還沒有很好解決吸聲瓦的粘貼問題。

法國海軍也一直獨立進行吸聲瓦技術的研究。該國海軍最早研究的吸聲瓦是采用混凝土外覆橡膠的方式，后來用的吸聲瓦基材為聚硫橡膠，吸聲瓦結構和敷設方法尚未公開。

澳大利亞的吸聲瓦技術是根據(jù)本國海洋特點和海軍的實際情況獨立發(fā)展起來的，非常適應澳洲特殊的海洋條件，并且本身還具有防污功能。另外，澳大利亞還開發(fā)出吸聲瓦的計算機設計軟件。

吸聲瓦的材料、結構、厚度以及所貼艇體的結構不同，其吸聲效果也不盡相同。據(jù)美國海軍報道，俄羅斯“臺風”級潛艇敷設了150毫米厚的吸聲瓦后，可使美國MK 46和MK 48型魚雷的主動聲納的探測距離減小到30%左右。這一點在美、英海軍進行的聯(lián)合軍事訓練中得到了證實。英國裝有吸聲瓦的“壯麗”號核潛艇與美軍兩艘裝有主動聲納的“鱘魚”級核潛艇進行反潛戰(zhàn)模擬對抗時，“鱘魚”動用了各種反潛探測器卻始終未能發(fā)現(xiàn)在其聲納工作范圍內(nèi)活動的“壯麗”號蹤跡。

在吸聲瓦使用之初，人們認為吸聲瓦的主要功能是吸收敵方主動聲納發(fā)出的探測波。隨著吸聲瓦技術在潛艇上的廣泛應用，人們發(fā)現(xiàn)吸聲瓦除具有吸聲功能外，同時還能抑制艇體振動，隔離內(nèi)部噪聲向艇外輻射，降低本艇自噪聲，改善本艇聲納的工作條件，使本艇聲納作用距離獲得較大的提高。外界對俄羅斯“阿庫拉”級核潛艇裝備的吸聲瓦的評價是：“既能吸收敵方聲納發(fā)射的聲波能量，又能吸收艇殼振動的輻射能量?！碑斎?，這需要一定的設計水平才能實現(xiàn)。但是，一種吸聲瓦難以同時具備良好的吸聲和隔聲性能，而且低頻吸、隔聲性能難以滿足使用要求。為了最大程度地發(fā)揮吸聲瓦的作用，最大限度地降低潛艇的聲信號特征，針對特定的頻段研制出了具有不同“專長”的吸聲瓦。俄羅斯核潛艇的耐壓殼體外表面、非耐壓殼體的內(nèi)表面和外表面均敷設有不同功能的吸聲瓦。

總之，吸聲瓦具有吸聲、隔聲、抑振等多種功能，可有效降低潛艇自噪聲和聲目標信號強度，是提高潛艇隱蔽性的有效裝備 。

吸聲瓦的關鍵材料即水下吸聲材料，它對聲波的損耗作用主要是通過材料的粘性內(nèi)摩擦作用和彈性弛豫過程完成的。粘性內(nèi)摩擦作用的原理就是阻尼損耗。

彈性弛豫過程的吸聲機理是：彈性吸聲材料會變形，主要是由于每個分子由球形變?yōu)闄E圓形，而分子鏈本身并無變化。這種變形的特征是有明顯的彈性滯后現(xiàn)象。即分子鏈由原來各鏈段紊亂排列的球形構象，向各鏈段接近同向排列的構象過渡需要一個過程。而使一個分子鏈的各鏈段完全進入與外力大小相應的新構象分布時，需要更長的時間。

同理，除去外力作用時恢復原狀也需要一個過程。在這一過程中，變形落后于應力的變化，使得聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏鴵p耗。通過對吸聲材料分子結構進行設計，可以達到增加粘性內(nèi)摩擦和弛豫吸收的目的。潛艇表面覆蓋吸聲材料是為了降低聲反射強度，達到回聲隱身的目的。

“減少敵方主動聲納探測距離”是吸聲瓦的主要功能。其工作機理就是在海水與船體之間產(chǎn)生阻抗匹配，使得聲波能夠進入吸聲瓦內(nèi)，由于吸聲瓦材料的阻尼作用和瓦內(nèi)空腔或填充物的作用，使聲波波形發(fā)生變換，聲能轉(zhuǎn)化成熱能被吸耗掉，從而使返回的聲波能量大大降低，達到減少主動聲納探測距離的目的。

吸聲瓦的起源可以追溯到第二次世界大戰(zhàn)末期，當時德國海軍節(jié)節(jié)敗退，為了挽回敗局，減少U型潛艇的損失數(shù)量，德國海軍開始在部分潛艇的外殼上加裝一層名為“阿里貝里奇”的合成橡膠防聲材料，厚約30mm，內(nèi)部有直徑2-5mm的圓柱型空洞。它利用聲音入射時產(chǎn)生的氣泡變形來吸收聲能，在降低反射及艇內(nèi)噪聲方面有一定作用。這個“阿里貝里奇”合成橡膠防聲材料或許就可以認為是世界上第一種用于實艇的吸聲瓦。

第二次世界大戰(zhàn)結束后，前蘇聯(lián)和英國均獲得了部分“阿里貝里奇”技術，在此基礎上，前蘇聯(lián)和英美開始分別發(fā)展各自的吸聲瓦技術。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，最終形成風格各異，同時又有十分優(yōu)良的吸聲、抑振效果的吸聲瓦系統(tǒng)技術 。 隨著吸聲瓦作用不斷被實踐所證實，現(xiàn)已被世界各海軍強國廣泛采用，已成為現(xiàn)代先進潛艇的一項重要標志之一。

在各國海軍的吸聲瓦中，當屬美俄的技術最為先進，尤其是俄羅斯，有了在前蘇聯(lián)時期雄厚的技術積淀，它的吸聲瓦種類最多，裝備吸聲瓦的潛艇數(shù)量也居多。英國海軍正處于更新?lián)Q代時期，其最新型的“機敏”級潛艇將裝備融合最新技術的吸聲瓦。從總的發(fā)展趨勢看，吸聲瓦在合成材料與粘貼技術上將有新的發(fā)展。就材料而言，諸如英國海軍使用的聚氨脂材料、法國海軍的聚硫橡膠、廣泛用于聲學材料的丁基橡膠等，都是發(fā)展吸聲瓦技術的很有前途的合成材料。從結構而言，美國海軍使用的玻璃纖維制雙層薄板吸聲瓦，則被認為是吸聲瓦未來發(fā)展的一種趨勢。以前蘇聯(lián)的系列吸聲瓦為代表的其他形式的復合材料與復合聲學結構相結合的吸聲瓦，由于具有優(yōu)良的吸聲和減振效果，也必然是未來吸聲瓦設計的重點。

在吸聲瓦結構設計多樣化的同時，吸聲瓦的使用日趨專用化，適于特定艇體的區(qū)域或特定頻段的專用型吸聲瓦逐漸得到廣泛應用（前蘇聯(lián)對不同活動區(qū)域的潛艇敷設不同材料的吸聲瓦）。要求吸聲瓦既保持吸聲效果，還要使其具有減振作用，將來還會廣泛應用以降低本艇自噪聲為主要目的的“特種吸聲瓦”。

吸聲瓦技術已不再是一種完全獨立的領域，而是潛艇聲隱身和減振降噪技術、艇體水動力噪聲治理、艇體防污等多項技術工程綜合應用的領域。通過世界各國吸聲瓦的研究與應用實例可以看出，吸聲瓦的研究必須系統(tǒng)化、系列化，要建立并遵從一個設計原則，同時要把吸聲瓦的研究與艇內(nèi)機械噪聲的減振降噪等多學科的研究相結合。因為僅一種吸聲瓦并不能適用于潛艇的所有部位，單憑吸聲瓦也不能解決潛艇聲隱身的全部問題。另外，在積極借鑒外國先進經(jīng)驗的同時，還必須立足于本國的實際特點與情況，決不能對外國的技術進行簡單生搬硬套。只研制某一種吸聲瓦，不考慮其使用背景，不建立一個系統(tǒng)觀念，沒有一個符合國情的吸聲瓦設計原則，只是一味地進行簡單模仿，其結果往往是只知其然，卻不知其所以然，吸聲瓦技術的研究將會十分被動，也很難發(fā)生質(zhì)的突破。

現(xiàn)代戰(zhàn)場上的主要矛盾已經(jīng)從“打擊”和“抗打擊”逐步向“發(fā)現(xiàn)”和“抗發(fā)現(xiàn)”轉(zhuǎn)化。吸聲瓦技術是提高潛艇隱身性能，提高其戰(zhàn)斗力和生存能力的最有效措施之一。潛艇的特征是隱蔽、突襲，在現(xiàn)代反潛技術高度發(fā)展的時代，沒有良好的隱身性能的潛艇是不可設想的 。

不同頻率上會有不同的吸聲系數(shù)。人們使用吸聲系數(shù)頻率特性曲線描述材料在不同頻率上的吸聲性能。按照ISO標準和國家標準，吸聲測試報告中吸聲系數(shù)的頻率范圍是100-4KHz。將 100-4KHz的吸聲系數(shù)取平均得到的數(shù)值是平均吸聲系數(shù)，平均吸聲系數(shù)反映了材料總體的吸聲性能。在工程中常使用降噪系數(shù)NRC粗略地評價在語言頻率范圍內(nèi)的吸聲性能，這一數(shù)值是材料在250、500、1K、2K四個頻率的吸聲系數(shù)的算術平均值，四舍五入取整到0.05。一般認為NRC小于0.2的材料是反射材料，NRC大于等于0.2的材料才被認為是吸聲材料。當需要吸收大量聲能降低室內(nèi)混響及噪聲時，常常需要使用高吸聲系數(shù)的材料。如離心玻璃棉、巖棉等屬于高NRC吸聲材料，5cm厚的24kg/m3的離心玻璃棉的NRC可達到0.95。

吸聲材料最常用多孔性吸聲材料，有時也可選用柔性材料及膜狀材料等。在工程中，還常將多孔性吸聲材料做成各種幾何體來使用。常用的多孔吸聲材料有玻璃棉、礦渣棉、泡沫塑料、石棉絨、毛氈、木絲板、軟質(zhì)纖維以及微孔吸聲磚等。

多孔材料一般有纖維類、泡沫類和顆粒類三大類型。纖維類分無機纖維和有機纖維二類。無機纖維類主要有玻璃棉、玻璃絲、礦渣棉、巖棉及其制品等。玻璃絲可制成各種玻璃絲氈。玻璃棉分短棉、超細棉和中級纖維三種。超細玻璃棉是最常用的吸聲材料，具有不燃、防蛀、耐熱、耐腐蝕、抗凍等優(yōu)點。經(jīng)過硅油處理的超細玻璃棉，具有防火、防水、防濕的特點。巖棉是一種較新的吸聲材料，它價廉、隔熱、耐高溫 （700℃），易于加工成型。有機纖維類的吸聲材料主要有棉麻下腳料、棉絮、稻草、海草、棕絲等，還有甘蔗渣、麻絲等經(jīng)過加工加壓而制成的各種軟質(zhì)纖維板。這類有機材料具有價廉、吸聲性能好的特點。

泡沫類吸聲材料主要有脲醛泡沫塑料、氨基甲酸酯泡沫塑料、海綿乳膠、泡沫橡膠等。這類材料的特點是容積密度小、導熱系數(shù)小、質(zhì)地軟。其缺點是易老化、耐火性差。目前用得最多的是聚氨酯泡沫塑料。

顆粒類主要有膨脹珍珠巖、多孔陶土磚、礦渣水泥、木屑石灰水泥等。具有保溫、防潮、不燃、耐熱、耐腐蝕、抗凍等優(yōu)點。

微粒吸聲板同時包含了多孔材料 吸聲原理和共振吸聲原理。一方面其內(nèi)部有許多相互連通的形狀各異的微小細孔，當聲音入射到板材表面時，聲波會透入微粒板內(nèi)部在細孔中傳播，此時，由于空氣運動產(chǎn)生的粘滯性和摩擦阻力作用，使聲能逐漸轉(zhuǎn)化為熱能而消耗，由此產(chǎn)生阻性吸聲作用，如圖1所示；另一方面在微粒吸聲板后設置空腔，微粒吸聲板和板后空腔形成了微孔共振吸聲結構，試驗表明，該結構具備了微穿孔板的共振吸聲特性，由此可利用成熟的微穿孔板吸聲理論指導微粒吸聲板共振吸聲結構的設計，如圖2所示。