以下文章来源于水声之
家，作者中国船舶科学研究中心船舶振动噪声国家级重点实验室庞业珍 俞孟萨，本篇文章节选自论文《国外水下噪声试验手段发展趋势》。
【摘要】先进发达国家建立了水下噪声试验从试验室模型机理试验-湖试大模型试验-海试实艇试验的完善试验体系，走过了从单水听器、多水听器到声阵的发展路程，从浅水试验场迈向深水试验场的发展历程，一些国家不具备建设大型水声试验场条件，而简便实用的近场测量手段也随之有了发展的空间。随着潜艇隐身性能的提升，水动力噪声问题逐步显现，水动力噪声试验手段同样走过了不断发展的历程。21世纪以来,民船水下噪声问题逐步受到重视，水下噪声试验手段也逐步在民船试验中发挥作用。
【关键词】 水下噪声；声阵；水声试验场
二次世界大战期间美军在美国、加拿大和英国等海域进行测量的大量水面舰船辐射噪声谱数据，ROSS[1]总结了二十世纪四十年代初建造的大多数水面舰船的辐射噪声特性，研究了空化噪声、轴和叶片调制、低频线谱等舰船辐射噪声特征。当时水下噪声测试工作是以探测舰艇特征为目的。
二战之后，随着水声学[2]研究的深入，水下噪声试验不仅仅为探测服务，更是为降低己方潜艇噪声级，提高声隐身能力做出了巨大贡献。
1991年，美国海军水下作战部副部长贝肯[3]说过：“你要用不同的材料、不同的平衡技术、不同的安装和隔振，做一切可能的尝试，测试、调换、修改、重装、再测试，在你获得安静以前，可能要重复100次。开始试验每个部件，然后调整整个系统。不断重复，年复一年，尽心尽力，你才可能较明显地减小潜艇噪声，获得10倍的安静”。
实际上，美国正是在这种理念的指引下，取得了潜艇隐身技术的不断进步，以潜艇水声试验场为代表的水下噪声试验手段的发展正是为贯彻这种理念的实现提供了必不可少的条件。
20世纪末期以来，水下噪声试验手段的进步推动了各先进国家不断推出新型隐身性能潜艇，从俄罗斯的基洛级、美国的Virginia级，德国212型、瑞典哥特兰级、英国机敏级等等。
伴随这些先进潜艇同时发展壮大的是诸如美国东南阿拉斯加水声试验场、大西洋试验场、本的奥瑞湖水声试验场、德国Aschau浅水水声试验场、挪威Heggemes深水水声试验场、英国Rona水声试验场等先进的固定水声试验场的建立与壮大。
发达国家建立了水下噪声试验从试验室模型机理试验-湖试大模型试验-海试实艇试验的完善试验体系，走过了从单水听器、多水听器到声阵的发展路程，从浅水试验场迈向深水试验场的发展历程，一些国家不具备建设大型水声试验场条件，而简便实用的近场测量手段也随之有了发展的空间。随着潜艇隐身性能的提升，水动力噪声问题逐步显现，水动力噪声试验手段同样走过了不断发展的历程。
21世纪以来，民船水下噪声问题逐步受到重视，水下噪声试验手段也逐步在民船试验中发挥作用。
Fox认为美国潜艇技术开发的成功需要具备6个步骤[3]：
a.美国潜艇技术研究、研发、测试、评估联盟-卡德罗克美国水面作战研究中心，对潜在技术提高的概念开发
c.小尺度模型测试在泰勒模型水池或者Memphis大型空泡水筒
e.运行SSN全尺度测试在东南阿拉斯加测试场SEAFAC或者釆用USNS Mayes(AG-195)在大西洋舰队开阔海域试验场
正是基于这种理念，美国建立了声隐身技术研究从试验室-湖试-海试三层试验体系，试验室体系以泰勒水池为代表，湖试基地本德奥瑞湖(Lake pend oreille)潜艇大尺度模型水下试验场为代表，海试基地以东南阿拉斯加水声试验场(SEAFAC)、大西洋水下测试及评估中心(AUTEC)为代表。
湖上试验场相比海上试验场，没有明显的潮汐现象，试验过程更加可控。本德奥瑞湖水声试验场E已经成为美国海军进行单项技术试验验证(例如新型泵喷推进技术)的重要手段。
图1 本德奥瑞湖水声试验场
世界上主要发达国家大都以这条发展主线牵引，分层次建立了适合于自身发展的声隐身技术试验体系，一些欧洲发达国家受制于地理条件等方面限制，无法完整覆盖整个体系，但是采取技术合作的形式，从整个欧洲层面建立了较为完整的试验体系。
俄罗斯克雷洛夫研究院是俄罗斯潜艇声学性能达标的技术责任单位，拥有较完备的由20个试验室组成的声学试验体系。该体系涵盖了推进器模型、潜艇模型水动力噪声、结构模型声辐射、设备和管系、轴系及元器件声学测试、消声瓦与潜艇声目标强度测试、声呐导流罩强度与设备抗冲击性能等试验装置和测试系统。
作为国家计划，在远东、北海与黑海海域建立了几个专用的实艇声学性能测量基地，并投入了一批专业技术人才，发展声学测量装置与系统。
欧洲具备完备的水池试验群，汉堡水池、荷兰水池、瑞典水池等组成了其声隐身技术研究的试验室体系；虽然缺乏良好的湖泊试验条件，但是得益于海湾众多，欧洲主要发达国家在海湾建立了适合于静态试验和动态航行试验结合的海湾试验场，如德国Ashau浅水试验场（水深22m）、英国Scottishlochs海湾Rona声学试验场（水深235m）,挪威Sognegord峡湾附近Heggemes声学试验场（水深400m）。
固定试验场大大提高了测试效率和数据的可信度。Hayes号从70年代开始作为专用水声测量船进行潜艇辐射噪声检测，而今这项任务由东南阿拉斯加水声试验场SEAFAC与大西洋试验场STAFAC[4]来实施了。
由于避免了风雨产生的水面噪声对辐射噪声测量的干扰，且具备针对性的测量系统，SEAFAC将原来需要3-4周测量时间的潜艇试验周期缩短为1天。
图2 Hayes号测量垂直阵
图3 美国大西洋试验场水听器阵列布置
美国现在常用的水声试验场已经全部升级为深水试验场，本德奥瑞湖与东南阿拉斯加水深达400m,大西洋试验场水深更是超过1000m。
德国在Ashao建立了浅水固定试验场用于测量过往船只的水下辐射噪声。Aschau浅水试验场属于德国Bundeswehr舰船和海军武器技术中心，位于波罗的海Eckemfoede角，水深20m,水听器距离水底l-2m。适用于海军舰艇和商船水下辐射噪声测试。
21世纪以来,德国联合挪威等国家在挪威Heggemes建立了深水试验场测量潜艇及水面船的水下辐射噪声，并将大量军事舰艇的检测任务逐步转移到Heggemes。
目前浅水与深水辐射噪声测量结果差异是世界上研究的热点，德国无疑走在了前列，2011年，Anton Homm等[9]试验对比了拖曳声源、激振机激励船体、柴油机激励船体等三种水下噪声源引起的辐射噪声在Ashau与Heggemes的测量结果。
图4 Heggemes与Aschau辐射噪声测试结果比较（Aschau存在低频谷点）
针对Aschau浅水试验场试验结果中20Hz附近出现的辐射噪声测试结果明显存在非正常谷点情况，JanH.Ehrlich[10]建立了该试验场声学分层模型，并用仿真结果很好的解释了这个现象。
图5 Aschau试验场声学分层模型仿真结果
水下辐射噪声测试系统随着水下噪声测试技术的进步而进步，从单水听器到多个水听器，再到水听器阵列，以及矢量水听器的出现，水下辐射噪声测试系统增益随着新型潜艇隐身能力的提高而提高。
5.1 单水听器测试系统
单水听器测试技术一直到现在仍然是应用最广泛的辐射噪声测试技术，甚至于国际上现行标准也都是基于这种技术。显然布置一个水听器要比布置多个水听器或者一条阵要容易得多，信号处理也简单的多。
图6 典型单水听器辐射噪声测量方案
5.2 多水听器测试系统
多水听器测试系统任然釆用的是单水听器测试方法，只不过更多的水听器带来了更加丰富的结果信息。
英国RONA试验场测试区域约12km×4km,平均水深235米，配有8个噪声测量水听器和9个水下跟踪水听器。
图7 潜艇高速通过RONA试验场噪声测量水听器阵
德国Ashau浅水试验场[9,10]深22m,布置了2组共9个水听器。
图8 德国Ashau浅水试验场水听器布置
挪威Heggenes水声试验场啊测量设施由5个水听器组成，1个安装在海底，4个分别安装于南北2条水听器阵上，北水听器阵水深约380m,南水听器阵处水深约200m,上下水昕器距离65m。上面的一对水听器位于水下约20米处，下面的一对水听器位于约90米处。
水听器通过1500米长的光缆与岸上测试中心连接。南北阵间距约为226m,海底为淤泥。
图9 挪威Heggemes深水试验场水听器布置
美国东南阿拉斯加水声试验场(SEAFAC)建立伊始回釆用的是多水听器测试方法。
图10 东南阿拉斯加试验场早期水听器布置
俄罗斯釆用水平直线阵进行测量。该方法仍然是以单水听器接收为主，不采用阵处理技术，使用水平阵的目的是为了提高测量的有效性。
5.3 水听器阵列测试系统
阵列技术的应用是水下辐射噪声测试的一大进步，但是目前缺少相关标准。
意大利WAAS船载水下噪声测试系统由一个PANOR综合声纳阵组成：27个前置放大水听器阵，窄频带；2个前置放大水听器阵，宽频带，安装在基阵两端；3个辅助声纳（1个深度计用于基阵深度测量，2个测斜仪用于基阵倾斜度测量）。PANOR系统的主要特征是:基阵长45米；外径60毫米；最大工作深度200米；可生存深度500米。
图11 意大利WAAS水声测试系统
Hayes号上阵列最初是垂直线阵，升级后的东南阿拉斯加试验场测试声阵系统采用了由线阵缠绕而成的双锥体积阵TBCA[7]。TBCA大约8m高，直径2.9m。每个双圆锥钛合金框架式水听器阵包括16根直线阵，每个直线阵内封装有40个水听器，理论信号增益达28dB。
图12 升级后的东南阿拉斯加试验场测试声阵系统
美国水面舰船中心认为双锥体积阵虽然提高了信噪比，但是指向性优势没有体现出来,且针对高频测试会带来物理上的布置难题，因此提出了针对10kHz-80kHz采用平面或近似平面阵列解决高频高增益高指向性阵列的难题[8]。
BK公司于上世纪已经开始了平面阵列的研究，其试验阵列上布置了80个8103水听器单元。理论上这个声阵可以实现信号增益19dB,且具有很高的指向性特征。目前尚未见报道水下实船测试中釆用这种平面布置形式的声阵。
图13 BK水听器圆盘阵列与典型圆盘平面阵指向性仿真结果
5.4 矢量水听器测试技术
随着安静型潜艇技术的发展，俄罗斯进一步开展了声压一振速组合传感器测量潜艇辐射噪声的技术研究，釆用声压一振速联合信号处理技术，用于对低信噪比潜艇进行噪声指标评估。研究了多种测量系统和弱信号提取技术，能够有效地测量比海洋背景噪声低10-20dB的潜艇噪声。该方法在俄罗斯工业部门己广泛使用，并在近期形成了测量标准。
美国在SEAFAC试验场测试系统升级中釆用了矢量水听器阵。在指定水深以下测量时，VSA矢量水听器提供与TBCA类似的宽频增益。每一个矢量水听器包含一个无指向性水听器和加速度计用于聚焦测量潜艇的声强。VSA矢量水听器阵长7.6m,直径8.9cm,重54kg。
图14 矢量水听器阵
完善的远场辐射噪声测试场耗费巨大，而节省成本的进场测量手段也随着测量方法的进补而发展。
上世纪九十年代，E.G.Williams发展了近场声全息技术之后，随即应用在试验室模型水下声辐射试验中。Williams的试验[11]在直径9m,深6m的水罐中进行，测试频率从300Hz-5kHz。
图15 Wiliams早期进行NAH试验装置
法国OldB公司[12]拓展了近场声全息的应用范围，建立了适用于实艇尺度测试的NAH阵列与测试系统，并在法国、澳大利亚海军等获得了广泛应用。
图16 法国OldB公司潜艇近场声全息测试系统
水下声强技术与NAH技术起始时间接近，但一直未见成功应用案例，直至今年来日本在水面舰船水下声辐射试验中建立了三维声强阵进行近场辐射特性试验[13]。
图17 日本水下三维声强测试系统
壳体表面流动引起的航行体的远场辐射噪声与自噪声是水动力噪声研究的两个重要方面，而后者更是早期水动力噪声研究的重中之重，因为这直接关系到声呐的工作性能。随着中高航速隐身潜艇的出现，壳体表面流动引起的航行体的远场辐射噪声也逐渐受到更多的关注。
普遍认为壁面湍流边界层脉动压力是水动力噪声的激励源，而试验获取湍流边界层脉动压力的激励特征一直是水动力噪声机理研究的一个重要方向。在风洞中进行类比试验是研究湍流边界层脉动压力的一个重要手段，俄罗斯克雷洛夫研究院和美国泰勒水池均为此目的建设了专门的低噪声风洞。
图18 泰勒水池低噪声风洞
随着大型空泡水洞（循环水槽）试验装置越来越大，有些还专门为声学实验设计了壁面消声测量舱，水动力噪声模型试验研究越来越多的在水洞中进行。
美国Memphis空泡水洞㈣试验模型最大尺度为3米宽、12m长，试验流速可达20m/s（40节）。试验段下方消声舱四周布满消声尖劈，拥有95元水听器声阵，适用测量频段lkHz-16kHz。利用该水槽可进行潜艇、鱼雷模型及推进器水动力噪声测试。
图19 Memphis空泡水洞试验段与声舱
德国汉堡水池空泡水筒试验段宽2.8m,高1.6m,长11m,最大流速12.6m/s,可以针对潜艇推进器、舵以及进行水动力学与噪声试验。瑞典水池大型空泡水筒宽2.6m,高1.5m,长9.6m,最大流速6.9m/s。
图20 汉堡水池空泡水筒(左)与瑞典水池空泡水筒(右，无声舱)
上世纪中期,美国人进行了大量的水动力噪声机理试验研究。50年代末，美国人Skudrzyk釆用转筒研究材料粗糙性对水动力噪声的影响[15]，60年代末，又提出釆用浮筒上浮试验来研究水动力噪声[16]。
图21 转筒与浮体水动力噪声试验装置
上世纪末，为了研究中高速水动力噪声特性，美国在本德奥瑞湖试验场设立了专门的浮力艇测试区(Buoyant Vehicle Test Range,BVTR),主要用于潜艇艇首和艇体前部水动力噪声测量。
测试时，浮力艇如同水下的软木塞一样冲向水面，完全利用本艇浮力推动，而无需启动推进系统，提高了测量的准确性。BVTR的岸基拖曳浮力潜艇模型尺度达到了1/5,当模型拖曳至湖底后释放，1500-25000磅的浮力使模型加速上升至湖面。这需要终止速度。
这个过程提供一个4-6秒钟的时间窗口记录导致的流噪声。BVTR用于确定优化线型、材料、覆盖层、安装型值和总体设计箱部声呐罩，对于每一型核潜艇，从USS Sturgeon (SSN-637)级开始。通过浮体试验，新型声呐更加有效，因为流噪声与其干扰作为背景噪声被得到有效控制。
2013年，德国人Abshagena在挪威松恩峡湾1000m水深的水域进行了拖体水动力噪声模型试验[17]，试验模型长度达5.26m,托体速度2.3-6.1m/s。
图22潜艇模型DollyVarden上浮试验
图23 德国声呐拖体模型
民船噪声测试伊始，目的是为了建立民船噪声谱特性模型，为潜艇区分军舰和民船提供参数。1975年，美国海军开始测量货船的窄带谱，通过测量一艘基准商船建立精确地商船噪声参数模型，然后测试多艘商船来扩展此参数模型使其适用于世界上大多数商船。
回归分析得到航速、吃水、马力、船长及主机类型等工程参数与辐射噪声源级之间的拟合关系。美国水面战舰中心的Arveson (2000)[18]对现代货船的辐射噪声特性进行了试验研究。
位于巴哈马的实验区深度1830m,底部布放水听器和跟踪阵，表面有雷达表面测距系统。
作者釆用球面波
(20log)
衰减对测量结果进行修正。作者对柴油发电机、主推进器发动机点火频率、叶频、推进器噪声波形、低频连续谱、高频连续谱、甲板振动监测等做了分析，并得到了辐射噪声的指向性，给出了推荐器叶频谱级的预报模型。
2001
年美国海军研究试验室的
Wales
建立了商船辐射噪声源谱模型。
图24 Arveson货船辐射噪声特性试验
海洋及内河运输业的发展使营运船舶迅速增加，船舶运输尤其是船舶水下噪声污染严重影响了水生生物的生存环境。随着环境保护意识的提高，船舶水下辐射噪声问题越来越受到关注。
1995年Mitson对试验船的辐射噪声和对鱼类的影响进行了研究。2004年伍兹霍尔海洋研究所海洋政策中心McCarthy出版了水下噪声的国际章程，建立法律和标准来限制海洋噪声污染。国际海事组织已经开始着手研究水下噪声限制规范，ISO也在为船舶水下噪声测试着手建立一系列标准性文件。
DNV为工程船建立了水下辐射噪声测试标准和限值标准[21]。2009年美国声学学会制订了船舶水下噪声测试一般要求的ANSI标准(ANSI/ASAS12.64-2009/Partl)[19]，主要针对三种测试精度要求对测试海域深度提出了三个等级标准。ISO将ANSI标准纳入到ISO水下噪声测试标准体系中[20]。
图25 DNV水下辐射噪声测试装置
总体上讲，民船水下辐射噪声测试还处于单水听器测试阶段。DNV测试标准要求在水底布放一个水听器进行测试；德国DW公司利用沉底式浮标测量水面船只的水下辐射噪声,开发了可防止拖网的沉底浮标；荷兰国家应用科学院采用2-3个水听器悬挂在船尾浮标上进行测试；罗马尼亚釆用浮标悬挂3个水听器进行测试[22]。
图26 SESAME与DW的自容式水听器测试装置
图27 罗马尼亚民船水下辐射噪声测量装置
先进的水下噪声试验手段是现代声隐身技术发展一个至关重要的标志，水下噪声试验伴随着声隐身作战系统的设计、建造、验收以及作战过程，其发展正在向高效率、高精度、复杂化、固定化方向发展。
【参考文献】 [1] D. ROSS, Mechanics of Underwater Noise. Los Altos, CA: Peninsula Publishing, 1987. [2] R. URICK, Principles of Underwater Sound for Engineers. New York: McGraw-Hill, 1967. [3] David M. Fox, Small subs provide big payoffs for submarine stealth, http://www.navy.mil/navydata/cno/n87/usw/issue_ll/submarine_stealth.html [4] Phil DeNolfo, Mike Harrison, Hugh Thomson, Mark Greise, South Toto acoustic measurement facility (STAFAC) in-water systems design. [5-22] 略. |
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