[科普中国]-发射噪声过程

发射噪声过程是一类非常重要的随机过程，发射噪声模型是对系统影响的累加，这种影响开始的时刻是随机的，持续的时间也是随机的，它在物理、天文、工业、经济等不同的领域有着广泛的应用，特别讨论了发射噪声过程在金融和保险理论中的应用。

概念发射噪声过程亦称散粒(效应)噪声过程一种随机泊松过程，是描述物理学的发射噪声现象的一类滤过泊松过程。随机过程称为发射噪声过程，如果它可以表为发生在随机时间的点事件对一个滤波器激发所产生的脉冲响应的叠加，而这些脉冲响应有同一的样式。

固体发动机发射过程噪声测试分析研究背景导弹发射时发出的噪声由于其高声强和特殊的物理性质，对周围人员、设备和环境造成很大的危害和干扰。在此领域的理论和实验研究工作较少，研究工作更多集中在发射过程羽流流场的数值模拟上。文中开展发射过程噪声测试工作，分析发射噪声的频谱特性，以及对周围环境和模拟室内的影响。

实验方案和实验系统（1）实验方案

共设置三个测试点(图1)，在模拟船舱中放置两台声级计，测量发射时船舱内(室内)的噪声；发动机右侧野外放置一台，测量发射时的环境噪声。

（2）实验系统

噪声的采集系统由声级计、高速动态数据采集系统和计算机组成。噪声数据采集系统采用美国国家仪器公司(NI)的PCI-4452高速动 态采集卡，采集速率可达1.25Mbit/s；噪声测量设备采用ND6型脉冲精密声级计，量程为0140dB，实验前对三个声级计用标准噪声源进行校准。

校准标准为93.6dB，频率为1000Hz的正弦信号，表针示值在3.6dB时(输入输出衰减为90dB)，交流输出为0.114Vp(峰值)，直流输出为-0.406 Vp(峰值)。选定输入输出的组合衰减值a，采集到的结果的峰值为 b(测量到的电压值)，则：实际噪声(dB)=a+3.6/0.114*b噪声采集时，声级计采用交流输出，利用高速采集卡采集噪声。户外放置声级计的输入输出衰减设置为130 dB，模拟船舱内的声级计输入输出衰减设置为100 dB。

实验现象及数据分析利用上述设备对导弹进行了发射过程的噪声测量，对发射时各个测量点的结果进行详细的分析和处理。

（1）户外噪声的处理与分析

图2为导弹发射时户外测量点噪声的时域波形，横坐标为时间，纵坐标为声压级(噪声)。从噪声的时域波形可以看出，导弹发射时出现了两个峰值，第一个峰值为喷管堵盖打开和发动机工作的噪声，为131.8 dB，然后在一段时间内，噪声维持在131dB 左右；经过0.4s后，导弹羽流扫过声级计所处平面，羽流引起空气扰动产生较大噪声，持续时间约为 0.2s，峰值为 137.3 dB。从高速运动图像结果可以证实这一点，经过0.4s后，整个模拟船舱和户外声级计处于导弹羽流的强烈的直接干扰之下。

（2）模拟船舱内噪声的处理与分析

图3是导弹发射时模拟船舱内的测量点1的时域波形，图中横坐标为时间，纵坐标为声压级(噪声)。从噪声的声压级幅值同样也可以看出导弹发射时的两个噪声峰值，由于模拟船舱的隔音作用，船舱内的噪声峰值比户外有明显的降低。喷管打开为107 dB，发动机工作时的噪声维持在103 dB左右；经过0.4s后，导弹的羽流扫过模拟船舱时，噪声变大，持续时间约为0.2s，峰值为113.43 dB。

噪声信号的1/3 倍频程分析表明，户外噪声中心频率为160Hz和400Hz噪声的声压级最大；模拟船舱内中心频率为 50Hz 到 150Hz 噪声的声压级最大，中心频率为 400Hz 的噪声的声压级也较大。在采取降噪或保护措施时，可以根据噪声信号的特点采取相应的措施，对声压级较大的频带进行防护。1

水下武器发射噪声的生成及控制机械噪声、螺旋桨噪声以及流噪声是潜艇航行时的主要噪声源，被认为是破坏潜艇隐蔽性的最大杀手，受到了各国海军的高度重视，其噪声生成机理研究、噪声预报、振动噪声控制的研究都已取得了相当不错的成果。随着各种噪声控制成果的应用，潜艇的辐射噪声级正逐年下降，而发射噪声的影响正日益突出，成为降低潜艇生命力与战斗力的顽疾。发射噪声持续时间非常短，但其源级较大，会为敌方提供捕捉发射艇的机会，为敌方规避及对抗我方攻击武器提供时间，故降低发射噪声是发射装置设计研究必须考虑和解决的主要问题之一。掌握其噪声的产生机理并控制辐射噪声能级是潜艇结构及发射装置设计的核心问题。武器发射噪声源特性以及噪声谱相关知识是进行噪声控制的基础。要想对振动及噪声控制进行数学上的解释，必须要了解发射过程中辐射噪声产生的原理，通过对影响发射过程辐射噪声的各种因素的分析，揭示武器发射噪声的形成机理。2

水下噪声的产生与传播希尔方程描绘了声的产生问题，从发声机理的角度给出了声音产生过程的数学解释。根据波动方程与希尔方程就可以从生成机理上进一步研究水下噪声源的问题。声波的传播是弹性介质(气体、液体和固体)中传播的压力、应力、质点运动等的一种或多种变化。在流体介质中，引起非平稳压力场的任何过程都会产生声波。而引起非平稳压力场的物理过程包括界面的振动或脉动、作用在流体的非平稳力、流体的湍流运动以及振荡的温度。每种噪声源在微观上都可以归结为某1阶多极子声源，至少在数学上可以如此简化。舰艇、潜艇和鱼雷辐射噪声以及水下武器发射噪声的许多重要声源是流体动力性质的，与通过航行器或穿过管道的流体运动有关。流体动力源可按主要发声机理来分类：表征为单极子的体积变化，表征为偶极子的振荡力和小物体的振动运动，以及表征为四极子的自由湍流。

武器发射噪声的产生与传递由于水下武器发射过程持续时间较短，一般在数秒内就完成了发射，因此发射噪声属于瞬态噪声的范畴。其突出特点就是成分复杂、持续时间非常短，而噪声能量较大，大大影响了潜艇的隐蔽性。

（1）水下发射武器噪声源

潜艇在水下发射武器时噪声源比较多，传统上可以分为三大类: 机械噪声，流体噪声以及空化噪声。机械噪声包括机械冲击噪声、振动噪声与摩擦噪声。冲击噪声是由于运动部件之间因加速或减速时相互冲击而产生的噪声，以及由于工质做功对固定部件(发射管及其气水缸)反作用力产生的噪声；机械振动噪声是发射过程中，其他噪声源传递到发射管管体、潜艇艇壳等部件的振动引起的；摩擦噪声是发射过程中机械零件之间互相高速运动，彼此摩擦而产生的。以气动液压平衡式发射装置为例，主要机械噪声源包括鱼雷离艇时与发射管之间挤碰引起的噪声，发射过程中气、液缸活塞与各自缸体相互作用引起的噪声，汽缸活塞在行程末端与黄铜缓冲片的撞击声，由于发射冲击力的作用引起的结构噪声，发射水流引起的管口附近壳体的结构振动噪声，以及各种运动组件与接触面之间的摩擦噪声等。流体噪声包括气动噪声及海水流动噪声。发射过程中一个非常重要的噪声源是高压空气注入气缸或发射管内产生的较强喷注噪声。以高压气作为发射工质的发射装置，发射完毕后气缸内气体排到舱室内，由于流体中气体与固体边界之间相互作用会发出较强辐射噪声；海水流动噪声是由于在发射过程中水流的突然加速或减速造成的水流之间、水流与周围固体边界之间产生的水击噪声；发射过程中高压空气与海水运动都会产生紊流噪声，它是流体在紊流流动中由于介质振动而引发的噪声。空化噪声是由于在发射过程中，因发射水流在流道口下游的局部区域形成负压，当负压低于当地空泡压力时会产生空泡现象，从而生成空泡噪声。

（2）气动型武器喷注噪声及冲击噪声

就某型武器发射装置而言，其工作时的主要噪声源包括发射过程喷注噪声、发射过程冲击激励引起的结构噪声以及管口喷流噪声。高压气体进入气缸时的喷注噪声是武器发射过程中重要的噪声源之一，高压气进入气缸中压力急剧升高，这种压力迅速变化生成的噪声即喷注噪声。作用于气缸头和活塞顶部引起捶击作用，激励了冲击结构噪声。喷射气流会激起气缸壁与活塞的结构振动，同时加压海水也会激起液缸壁的结构振动，这些结构振动传递会产生较大的噪声。对这类噪声的控制应该关注气瓶与气缸之间的管路及控制阀件的改进。

发射结束到回程阶段，要重点考虑活塞组件的减速缓冲问题以及气缸内气体排入舱室的消音问题。活塞组件在发射末端水缸活塞以一定速度惯性前行，依靠水缸特形孔的设计利用流体进行一定的缓冲, 配合紫铜垫片完成缓冲。可以考虑进一步优化缓冲设计思路，增加缓冲的效果，减少刚性接触。由于采用的动力方式为高压气做功，且作用时间短，排气噪声的产生是不可避免的。但进一步优化高压气体排入舱室时的消音设计，可以降低排气噪声，除了取得对外辐射降噪效果外还可以实现对艇员工作环境的改善。

研究结论发射噪声是影响武器发射时平台声隐身性能的重要因素，对武器攻击效果及平台生存能力产生重大影响。总体来讲，发射噪声源包括三类：机械噪声，流体噪声以及空化噪声。控制武器发射噪声是提高装备战斗力的重要途径之一，因而研究发射噪声的生成机理意义重大。研究初步分析了水下武器发射噪声的产生及传播，对武器发
射时管口区域产生的噪声进行了初步探讨，但还有待进一步深入研究。3

本词条内容贡献者为:

李雪梅 - 副教授 - 西南大学