[科普中国]-吸声瓦

起源

吸声瓦的起源可以追溯到第二次世界大战末期，当时德国海军节节败退，为了挽回败局，减少U型潜艇的损失数量，德国海军开始在部分潜艇的外壳上加装一层名为“阿里贝里奇”的合成橡胶防声材料，厚约30mm，内部有直径2-5mm的圆柱型空洞。它利用声音入射时产生的气泡变形来吸收声能，在降低反射及艇内噪声方面有一定作用。这个“阿里贝里奇”合成橡胶防声材料或许就可以认为是世界上第一种用于实艇的吸声瓦。

第二次世界大战结束后，前苏联和英国均获得了部分“阿里贝里奇”技术，在此基础上，前苏联和英美开始分别发展各自的吸声瓦技术。经过几十年的发展，最终形成风格各异，同时又有十分优良的吸声、抑振效果的吸声瓦系统技术1。 随着吸声瓦作用不断被实践所证实，现已被世界各海军强国广泛采用，已成为现代先进潜艇的一项重要标志之一。

吸声机理吸声瓦的关键材料即水下吸声材料，它对声波的损耗作用主要是通过材料的粘性内摩擦作用和弹性弛豫过程完成的。粘性内摩擦作用的原理就是阻尼损耗。

弹性弛豫过程的吸声机理是：弹性吸声材料会变形，主要是由于每个分子由球形变为椭圆形，而分子链本身并无变化。这种变形的特征是有明显的弹性滞后现象。即分子链由原来各链段紊乱排列的球形构象，向各链段接近同向排列的构象过渡需要一个过程。而使一个分子链的各链段完全进入与外力大小相应的新构象分布时，需要更长的时间。

同理，除去外力作用时恢复原状也需要一个过程。在这一过程中，变形落后于应力的变化，使得声能转变为热能而损耗。通过对吸声材料分子结构进行设计，可以达到增加粘性内摩擦和弛豫吸收的目的。潜艇表面覆盖吸声材料是为了降低声反射强度，达到回声隐身的目的2。

“减少敌方主动声纳探测距离”是吸声瓦的主要功能。其工作机理就是在海水与船体之间产生阻抗匹配，使得声波能够进入吸声瓦内，由于吸声瓦材料的阻尼作用和瓦内空腔或填充物的作用，使声波波形发生变换，声能转化成热能被吸耗掉，从而使返回的声波能量大大降低，达到减少主动声纳探测距离的目的。

功能效果吸声瓦的材料、结构、厚度以及所贴艇体的结构不同，其吸声效果也不尽相同。据美国海军报道，俄罗斯“台风”级潜艇敷设了150毫米厚的吸声瓦后，可使美国MK 46和MK 48型鱼雷的主动声纳的探测距离减小到30%左右。这一点在美、英海军进行的联合军事训练中得到了证实。英国装有吸声瓦的“壮丽”号核潜艇与美军两艘装有主动声纳的“鲟鱼”级核潜艇进行反潜战模拟对抗时，“鲟鱼”动用了各种反潜探测器却始终未能发现在其声纳工作范围内活动的“壮丽”号踪迹。

在吸声瓦使用之初，人们认为吸声瓦的主要功能是吸收敌方主动声纳发出的探测波。随着吸声瓦技术在潜艇上的广泛应用，人们发现吸声瓦除具有吸声功能外，同时还能抑制艇体振动，隔离内部噪声向艇外辐射，降低本艇自噪声，改善本艇声纳的工作条件，使本艇声纳作用距离获得较大的提高。外界对俄罗斯“阿库拉”级核潜艇装备的吸声瓦的评价是：“既能吸收敌方声纳发射的声波能量，又能吸收艇壳振动的辐射能量。”当然，这需要一定的设计水平才能实现。但是，一种吸声瓦难以同时具备良好的吸声和隔声性能，而且低频吸、隔声性能难以满足使用要求。为了最大程度地发挥吸声瓦的作用，最大限度地降低潜艇的声信号特征，针对特定的频段研制出了具有不同“专长”的吸声瓦。俄罗斯核潜艇的耐压壳体外表面、非耐压壳体的内表面和外表面均敷设有不同功能的吸声瓦。

总之，吸声瓦具有吸声、隔声、抑振等多种功能，可有效降低潜艇自噪声和声目标信号强度，是提高潜艇隐蔽性的有效装备3。

应用发展中国2012年，《美国声学会志》（J. Acoust. Soc. America, 132(2012)694）刊登了中科院力学研究所王育人课题组有关水下吸声材料的最新研究结果。性能优异的现代水下吸声材料具有广泛的应用前景和迫切的现实需要。目前亟待解决的关键技术问题是提高材料在宽频范围内的吸声能力、保持材料在高静水压力下的强吸声特性以及加强复杂环境下材料的综合服役性能。

王育人课题组提出了一种基于局域共振吸声基元网络化的宽频水下吸声材料新构想——“声子玻璃”新型水下吸声材料。他们利用多孔材料骨架并结合共振吸声原理，构筑了具有宽频多模态振动模式的吸声材料，实现了宽频强吸声特性，同时多孔骨架复合材料大大提高了材料的耐高静水压力能力。

在前期工作中，为了满足现代水下吸声材料对宽频吸声频谱可以被任意剪裁的需要，课题组通过将二维局域共振单元与木堆结构相结合，提出了一种被称作局域共振声子木堆的水下吸声材料，这种材料可以拓宽和控制吸声频谱4。

前苏联前苏联生产的潜艇往往噪声很大，这是由于当时前苏联的制造业与加工水平相对落后造成的。为达到在全球和美国争霸的目的，前苏联对潜艇的声隐身和减振降噪技术一直投入大量的人力物力，多年发展后，其吸声瓦技术已经非常先进，种类也比较齐全。经过二十世纪五六十年代的设计研究和反复试验，前苏联于1965年开始在潜艇上正式敷设吸声瓦，并且所有现役潜艇均敷设有吸声瓦。前苏联吸声瓦的基材主要是丁苯橡胶（前苏联是橡胶生产大国，有丰富的丁苯橡胶资源），为最大限度地达到吸声效果，其吸声瓦一直是带有一定声学结构的橡胶制品。

前苏联的潜艇自噪声很高，在努力将敌主动声纳下噪声强度降低的同时，一直积极研究降低本艇自噪声的方法，并将吸声瓦技术和浮筏技术等机械噪声治理、袖套等管路噪声治理这些减振降噪手段有机结合起来，效果显著。

前苏联认为攻击型潜艇与战略核潜艇由于承担的任务不同，在设计时，前者要突出灵活性，后者要优先考虑安静性，为此，两者所采用的吸声瓦技术也是有很大区别的。“阿库拉”级攻击型核潜艇舯部与艉部壳体均敷设了50-150mm厚的吸声瓦，艏部壳体使用的则是一种蒙皮。这种蒙皮如同海豚皮一样，在水下航行时能起到抑制某种介质边界层的作用，有效地减小了航行阻力。据推测，这种蒙皮是由上下两层固态橡胶和中间的液态橡胶所组成的，能够随航速和压力的变化自动进行调整。这是已经公开的该技术的惟一工程应用实例。“台风”级是世界上最大的战略核潜艇，整艇均敷设了100-200mm厚吸声瓦（采用陶瓷和橡胶复合构成），没有采用蒙皮，反映了前苏联对攻击型潜艇和战略型潜艇在吸声瓦上的不同设计思路。前苏联的潜艇，尤其是核潜艇其外壳体很少仅敷设一种规格的吸声瓦，外销艇除外。这是因为潜艇的各个部位对于整艇的噪音强度的贡献均不相同，还没有一种吸声瓦能够包办解决所有问题，所以同一艘潜艇（主要是核潜艇）的不同部位敷设的吸声瓦厚度差别很大，其根据在于不同厚度吸声瓦的声学结构是不尽相同的。“塞拉”级和“阿库拉”级核潜艇开始采用的一种新的双层吸声瓦不仅能减小声纳的反射信号，还能降低自噪声。这种瓦的内层是一种直径各不相同的多孔瓦，用于吸除特定频率的声音，外层则是整体的，用于吸收主动声纳信号，以减少主动声自导鱼雷攻击的可能性。

前苏联潜艇均采用双壳体，设计人员充分利用这一结构，在潜艇的内外壳体上均敷设了吸声瓦。外壳体敷设的吸声瓦主要是减小反射信号，内壳体的吸声瓦主要是降低本艇自噪声，且主要敷设在噪声较大的舱室外壁，有针对性地敷设解耦瓦、阻尼瓦或吸声器。

英国第二次世界大战后，英国国力逐渐衰落，英国海军的潜艇更新换代速度很慢。吸声瓦技术的研究虽然起步很早，但发展水平远远落后于前苏联。英国海军于20世纪70年代中期曾在“丘吉尔”号核潜艇上进行吸声瓦的敷设试验，此后在“敏捷”级的“壮丽”号和“君权”号艇的改装期间都敷设了吸声瓦，粘贴方法与前苏联潜艇相似，虽取得了很好的效果，但是吸声瓦的粘贴和脱落问题一直困绕着英国海军，其潜艇在出海归来时吸声瓦往往都会脱落大半。所以，在“特拉法尔加”级核潜艇和“支持者”级常规潜艇上敷设吸声瓦时采用了缠绕技术，但似乎效果也并不理想，“支持者”级潜艇也存在大面积的脱落现象。英国海军已放弃先预制吸声瓦，再通过粘合剂在实艇敷设的工艺，而直接采用实艇现场浇注成型技术，其吸声瓦的基材是聚氨脂。

美国美国的吸声瓦技术研究起步很晚，是在前苏联将吸声瓦、浮筏等一系列声隐身和减振降噪技术在潜艇上成功应用之后，特别是“东芝事件”后，前苏联有效地解决了螺旋桨加工制造技术，使其潜艇的噪声水平接近美国潜艇。美国凭借其先进的科研技术和雄厚的工业及经济基础，且获得了英国的吸声瓦相关技术，迅速地发展起来。美国海军艇体结构与前苏联潜艇不同，采用单壳体结构，潜艇自噪声情况与前苏联潜艇也不相同。因此，吸声瓦设计并不完全相同。美国潜艇的吸声瓦除了降低本艇的噪声强度、降低本艇的声辐射水平、减小本艇的航行阻力这三点设计思路与前苏联一致外，还有防污与有效提高本艇声纳工作效能的功能。美国海军于1988年在“洛杉矶”级核潜艇“圣胡安”号上首次敷设了吸声瓦，这种吸声瓦是由聚氨脂和玻璃纤维组成的双层铝板固定式吸声结构。单层吸声瓦能降低自噪声25分贝，双层吸声瓦可降低40分贝左右。其吸声瓦敷设还借鉴了航天飞机隔热瓦的敷设工艺。美国还在积极研究自控系统介质边界层控制，类似于前苏联的“蒙皮技术”，据说采用的还是聚氨脂材料，以降低本艇水动力噪声和减小水下航行阻力。该项技术将在实艇进行应用，并会领先于俄罗斯。

日本、法国与澳大利亚日本也投入了大量的人力物力进行吸声瓦的研究工作，并且进行了实艇敷设。但它的吸声瓦技术相对于美俄还处于起步阶段。最新下水的潜艇水线部分吸声瓦依然保留加压工装，这表明日本还没有很好解决吸声瓦的粘贴问题。

法国海军也一直独立进行吸声瓦技术的研究。该国海军最早研究的吸声瓦是采用混凝土外覆橡胶的方式，现在用的吸声瓦基材为聚硫橡胶，吸声瓦结构和敷设方法尚未公开。

澳大利亚的吸声瓦技术是根据本国海洋特点和海军的实际情况独立发展起来的，非常适应澳洲特殊的海洋条件，并且本身还具有防污功能。另外，澳大利亚还开发出吸声瓦的计算机设计软件。

技术与问题由于使用吸声瓦技术可以显著提高潜艇隐蔽性，因而受到世界各海军强国的高度重视。吸声瓦技术主要包括吸声瓦本体技术、安装技术以及瓦与艇总体的匹配技术。

吸声瓦本体技术主要包括吸声瓦材料、吸声结构的设计及制造技术，如何采用合适的材料、设计合理的结构以达到最佳效果，是吸声瓦本体研究的难题。

前面已经谈到，不同厚度、材料和结构的吸声瓦的效果不尽相同，即使同样的吸声瓦，贴在不同处，效果也不相同。随着减振降噪技术的发展，吸声瓦与艇体总体匹配技术也不断提高。俄罗斯不同的潜艇敷设吸声瓦的厚度不同，同一条潜艇不同部位敷设的吸声瓦也不相同。前苏联海军V级“共青团员”号核潜艇的艏部外壳使用了“皮膜涂层”，而舯、艉部外壳则采用了100毫米以上厚度的吸声瓦；“阿库拉”级核潜艇也采用了这种方法。俄罗斯对吸声瓦的“巧用”是其潜艇隐身性能够取得重大进展的关键，也是其吸声瓦技术处于世界领先的表现。

吸声瓦的实艇安装技术是先进技术能否转化成战斗力的关键。据报道，前苏联早期敷设于潜艇的吸声瓦脱落现象比较严重，而后解决了“粘合”问题，从了解的情况看，吸声瓦脱落现象基本杜绝。英国吸声瓦技术进展缓慢的一个重要因素是其一直未能很好解决吸声瓦脱落问题。从有关资料上公开发表的“天才”号和“支持者”号照片上可以清楚地看到这种现象。

综上所述，提高吸声瓦材料及声学结构设计水平，加强吸声瓦声振特性与潜艇艇体结构声振特性匹配研究，改进吸声瓦装艇技术使其更加适应恶劣的海洋工作环境是将来吸声瓦技术的发展方向。随着科学技术的飞速发展和反潜探测手段的不断提高，吸声瓦技术也将不断提高，对提高潜艇的隐蔽性和生存能力将会起到越来越重要的作用3。

发展趋势在各国海军的吸声瓦中，当属美俄的技术最为先进，尤其是俄罗斯，有了在前苏联时期雄厚的技术积淀，它的吸声瓦种类最多，装备吸声瓦的潜艇数量也居多。英国海军正处于更新换代时期，其最新型的“机敏”级潜艇将装备融合最新技术的吸声瓦。从总的发展趋势看，吸声瓦在合成材料与粘贴技术上将有新的发展。就材料而言，诸如英国海军使用的聚氨脂材料、法国海军的聚硫橡胶、广泛用于声学材料的丁基橡胶等，都是发展吸声瓦技术的很有前途的合成材料。从结构而言，美国海军使用的玻璃纤维制双层薄板吸声瓦，则被认为是吸声瓦未来发展的一种趋势。以前苏联的系列吸声瓦为代表的其他形式的复合材料与复合声学结构相结合的吸声瓦，由于具有优良的吸声和减振效果，也必然是未来吸声瓦设计的重点。

在吸声瓦结构设计多样化的同时，吸声瓦的使用日趋专用化，适于特定艇体的区域或特定频段的专用型吸声瓦逐渐得到广泛应用（前苏联对不同活动区域的潜艇敷设不同材料的吸声瓦）。要求吸声瓦既保持吸声效果，还要使其具有减振作用，将来还会广泛应用以降低本艇自噪声为主要目的的“特种吸声瓦”。

吸声瓦技术已不再是一种完全独立的领域，而是潜艇声隐身和减振降噪技术、艇体水动力噪声治理、艇体防污等多项技术工程综合应用的领域。通过世界各国吸声瓦的研究与应用实例可以看出，吸声瓦的研究必须系统化、系列化，要建立并遵从一个设计原则，同时要把吸声瓦的研究与艇内机械噪声的减振降噪等多学科的研究相结合。因为仅一种吸声瓦并不能适用于潜艇的所有部位，单凭吸声瓦也不能解决潜艇声隐身的全部问题。另外，在积极借鉴外国先进经验的同时，还必须立足于本国的实际特点与情况，决不能对外国的技术进行简单生搬硬套。只研制某一种吸声瓦，不考虑其使用背景，不建立一个系统观念，没有一个符合国情的吸声瓦设计原则，只是一味地进行简单模仿，其结果往往是只知其然，却不知其所以然，吸声瓦技术的研究将会十分被动，也很难发生质的突破。

现代战场上的主要矛盾已经从“打击”和“抗打击”逐步向“发现”和“抗发现”转化。吸声瓦技术是提高潜艇隐身性能，提高其战斗力和生存能力的最有效措施之一。潜艇的特征是隐蔽、突袭，在现代反潜技术高度发展的时代，没有良好的隐身性能的潜艇是不可设想的5。