美國(guó)海洋測(cè)試評(píng)估中心的發(fā)展

美國(guó)海洋測(cè)試評(píng)估中心的發(fā)展

超聲波是目前海洋中唯一有效的能量形式。因此，海上噪聲對(duì)船的生存和武器裝備的性能有重大影響，是船舶偽裝的重要指標(biāo)。對(duì)潛水員來說，水中的輻射噪聲破壞了他們的平靜，幾乎致命。因此,利用水聲試驗(yàn)場(chǎng)對(duì)潛艇的水下輻射噪聲進(jìn)行測(cè)量分析,并采取相應(yīng)的減振降噪措施,是各國(guó)普遍采用的工作方式。大西洋水下測(cè)試評(píng)估中心(AtlanticUnderseaTestandEvaluationCenter,AUTEC,以下簡(jiǎn)稱評(píng)估中心)是美國(guó)東海岸最重要的潛艇水聲檢測(cè)機(jī)構(gòu)及試驗(yàn)設(shè)施。承擔(dān)著潛艇噪聲測(cè)量及水中兵器試驗(yàn)任務(wù),還承擔(dān)著反潛戰(zhàn)研究等諸多科研任務(wù)。本文對(duì)其主要設(shè)施進(jìn)行介紹,特別是潛艇水下輻射噪聲測(cè)量設(shè)施及其最新改進(jìn)作出分析,并對(duì)我國(guó)水聲試驗(yàn)場(chǎng)的建設(shè)提出建議。1海洋之舌toto評(píng)估中心主要包括2大試驗(yàn)區(qū):一處位于美國(guó)弗羅里達(dá)州東部的西棕櫚灘,主要提供測(cè)試組織,后勤保障,行政管理;另一處則位于巴哈馬群島的安德魯斯島上,島上的試驗(yàn)區(qū)占地約2.25km2,海上試驗(yàn)場(chǎng)位于“海洋之舌”(TOTO)海域。“海洋之舌”是位于安德魯斯島以東的一處深水海底盆地,西部是安德魯斯島,東部和南部是大面積無法航行的淺水區(qū),北部是普羅汪斯海峽,長(zhǎng)約200km,寬約37km,水深1280～2012m。該海域海底平坦,深度變化較緩,被周邊島嶼所圍繞,是1種類似“死胡同”的特殊地形,沒有大的海上航線穿過,水上航船非常稀少,船舶噪聲干擾極低。此外,由于周邊海島的屏蔽,大洋海洋背景噪聲也得到抑制。特殊的地理環(huán)境,優(yōu)越的水聲測(cè)試環(huán)境,使該海域具備非常良好的潛艇輻射噪聲測(cè)量條件。2主要輻射噪聲測(cè)試設(shè)備的分析2.1輻射噪聲測(cè)量船對(duì)潛艇及水面艦艇的輻射噪聲測(cè)量是該中心承擔(dān)的重要任務(wù)之一。早在二戰(zhàn)期間,為了對(duì)抗德軍新研制成功的音響制導(dǎo)魚水雷,英美等國(guó)就對(duì)各型數(shù)百艘艦艇進(jìn)行了上千次的輻射噪聲測(cè)量,獲得許多重要資料,對(duì)當(dāng)時(shí)的海戰(zhàn)勝利起到了重要作用。隨著潛艇降噪技術(shù)的發(fā)展,潛艇安靜性不斷提高,潛艇輻射噪聲測(cè)量變得更加重要。按美軍的潛艇使用條例,潛艇執(zhí)行遠(yuǎn)航任務(wù)之前,均需進(jìn)行輻射噪聲測(cè)試,以保證艇的安靜性。位于金斯灣的美潛艇基地,是美國(guó)戰(zhàn)略核潛艇在大西洋沿岸的重要駐泊地。該基地的潛艇執(zhí)行遠(yuǎn)航之前,一般均進(jìn)入該評(píng)估中心進(jìn)行輻射噪聲測(cè)量。該評(píng)估中心原有輻射噪聲測(cè)量任務(wù),是由“海耶斯”號(hào)測(cè)量船(TheUSNSHAYES)進(jìn)行。該船配備有移動(dòng)式輻射噪聲測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)有1套可布放高增益垂直線陣,采用體積陣形式。類似于圓周安裝的門簾形式,由多條垂直線列陣組成,采用體積陣的形式,能提高裝置的指向性,以保證測(cè)試精度。其他系統(tǒng)包括1套由水聽器、電纜、頻譜分析設(shè)備組成的移動(dòng)式測(cè)量系統(tǒng),由電池或測(cè)量船供電。校準(zhǔn)寬帶聲浮標(biāo)(AN/SQQ-58)用于遠(yuǎn)距離收集背景噪聲和水生物噪聲等。當(dāng)執(zhí)行測(cè)試任務(wù)時(shí),測(cè)量船前往位于TOTO灣南部的高爾夫球頭位置。測(cè)量船與被測(cè)艦艇會(huì)合,布放測(cè)量水聽陣,進(jìn)行定位通信及海洋背景噪聲測(cè)定及裝置標(biāo)校后,被測(cè)艦艇按約定航線及航路,通過移動(dòng)式測(cè)量系統(tǒng)附近,測(cè)量船記錄并對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析。一般潛艇測(cè)量深度約100m左右,以最大限度地降低海面風(fēng)浪對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。移動(dòng)式輻射噪聲測(cè)試系統(tǒng)具有使用靈活,成本較低的優(yōu)點(diǎn),但也存在著牽涉人員過多、作業(yè)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、受自然環(huán)境影響較大的不足。隨著潛艇輻射噪聲水平的不斷降低,對(duì)輻射測(cè)量的要求也不斷提高,該移動(dòng)式輻射噪聲測(cè)試系統(tǒng),已難以滿足更高的要求。實(shí)際上,盡管TOTO灣海域相對(duì)遼闊,但也不是所有的海域都具備良好的輻射噪聲測(cè)量條件,移動(dòng)式的輻射噪聲測(cè)試也通常只布放在特定的海域。為了提高水下輻射噪聲的測(cè)試效率和精度,美國(guó)開始固定式的水下輻射噪聲測(cè)試系統(tǒng)的建設(shè),并將原有“海耶斯”號(hào)測(cè)量船退役。2.2水下輻射噪聲測(cè)量方法為了維持該試驗(yàn)場(chǎng)對(duì)潛艇的水下測(cè)試能力,提高水聲測(cè)試能力,2005年,美國(guó)開始在大西洋水下測(cè)試及評(píng)估中心建設(shè)新的固定式水下輻射噪聲測(cè)量系統(tǒng)。2008年4月到8月,由美國(guó)海軍水面戰(zhàn)研究中心主持,美國(guó)海軍水下戰(zhàn)研究中心等單位協(xié)助,在TOTO灣南部建成了新型半永久式水聲測(cè)量系統(tǒng)(STAFAC)。該系統(tǒng)水聽器陣與美海軍東南阿拉斯加水聲試驗(yàn)場(chǎng)的水聽器陣類似,由水下輻射噪聲測(cè)試系統(tǒng)、水下實(shí)時(shí)導(dǎo)航及通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)接線盒、水下傳輸電纜組成、錨泊裝置等幾部分組成。2.2.1雙拾遺框架式水聽器陣STATIC的水下輻射噪聲測(cè)試系統(tǒng)包括2條長(zhǎng)約300m的大型水下直線陣,核心測(cè)量裝置為2個(gè)大型雙圓錐框架式水聽器陣(HGMS),每個(gè)雙圓錐框架式水聽器陣包括12根直線陣,每個(gè)直線陣內(nèi)封裝有40個(gè)水聽器,12根直線陣在圓框架內(nèi)采用類似雙圓錐的形式布置,單根直線陣可根據(jù)損壞情況進(jìn)行更換,整個(gè)陣的使用壽命約3～5年。采用這種雙圓錐框架式水聽器陣,能提高對(duì)艇體表面輻射噪聲進(jìn)行定位分析,有利于噪聲源的查找及定位工作。此外,采用空間體積陣的形式,大大提高了裝置的指向性,也降低了背景噪聲對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,有利于對(duì)安靜型潛艇的測(cè)量。2.2.2水下通信及導(dǎo)航潛艇的水下輻射噪聲測(cè)試,要求精確測(cè)量輻射噪聲測(cè)試系統(tǒng)與被測(cè)艇間的相對(duì)位置,以便對(duì)輻射噪聲的量級(jí)進(jìn)行換算。STATIC安裝有6個(gè)水下通信及導(dǎo)航模塊,以保證測(cè)試方與被測(cè)艇的水下實(shí)時(shí)通信和導(dǎo)航。6個(gè)模塊由1根長(zhǎng)26km的海底電纜連接在一起,并連接到位于大型海底接線盒上。2.2.3錨裝置的固定STATIC測(cè)量裝置布放處水深約1300m,但為了保證噪聲測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性,測(cè)量系統(tǒng)離被測(cè)潛艇過遠(yuǎn),因此不可能完全安裝于海底,必須通過相應(yīng)的錨裝置固定。STATIC通過1套錨裝置為測(cè)量系統(tǒng)提供了相對(duì)穩(wěn)定的位于約水下200m處的“虛擬海底”,保證了測(cè)量裝置的穩(wěn)定,并保證必要時(shí)可以將測(cè)量裝置提升到水面進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)。實(shí)時(shí)處理的數(shù)據(jù)通過1套位于約40m水深海底接線盒與主干電纜連接,并一起通過約250km外的測(cè)量指揮中心。3為中國(guó)超聲考場(chǎng)建設(shè)的照明3.1抗混合式和固定方式并存,提高測(cè)量精度和效率目前,世界各國(guó)在大力發(fā)展安靜型潛艇的同時(shí),也非常重視潛艇輻射噪聲測(cè)試技術(shù)的發(fā)展和測(cè)量系統(tǒng)的建設(shè)。法國(guó)和意大利建設(shè)了基于近場(chǎng)聲全息技術(shù)的大型垂直線陣測(cè)量系統(tǒng);俄羅斯在遠(yuǎn)東和白海建成了固定式的大型水聲試驗(yàn)場(chǎng),研制了組合式矢量水聽器測(cè)量系統(tǒng);德國(guó)、荷蘭、丹麥、挪威等國(guó)家,在位于挪威卑爾根附近赫德爾峽灣建成了海格納斯?jié)撏曉囼?yàn)場(chǎng);美國(guó)在東南阿拉斯加的凱契根附近也建有大型固定式的水下輻射噪聲測(cè)量系統(tǒng)。固定式測(cè)量系統(tǒng)逐步取代移動(dòng)式測(cè)量系統(tǒng)。以往潛艇輻射噪聲測(cè)試系統(tǒng)多采用移動(dòng)式測(cè)量系統(tǒng),移動(dòng)式測(cè)量系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、布放靈活的優(yōu)點(diǎn),但也存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、受外界環(huán)境影響大,特別是測(cè)量精度較差的不足。隨著潛艇安靜性的提高,對(duì)測(cè)量精度的要求也不斷提高,同時(shí)也要提高測(cè)量效率,縮短測(cè)量時(shí)間。以美國(guó)為代表,各國(guó)紛紛開始固定式輻射噪聲測(cè)量系統(tǒng)的建設(shè)。如美國(guó)東南阿拉斯加水聲試驗(yàn)、挪威海格納斯水聲試驗(yàn)場(chǎng)等,均選擇水文條件較好的水域,建成了大型的綜合式水聲試驗(yàn)場(chǎng),安裝有固定式輻射噪聲測(cè)量系統(tǒng),大大提高了測(cè)量精度和效率。如美國(guó)東南阿拉斯加水聲試驗(yàn)場(chǎng),按美海軍水面作戰(zhàn)中心卡德洛克分部布雷默頓特遣隊(duì)主任的說法:“以前,由于天氣問題,測(cè)試1艘潛艇要持續(xù)3～4周時(shí)間,風(fēng)雨所產(chǎn)生的水面噪聲會(huì)干擾測(cè)量。而現(xiàn)在傳感器主要針對(duì)潛艇,測(cè)試只需1天?！?.2混凝土讓射式水噪聲噪聲法固定式水聲試驗(yàn)場(chǎng)有3個(gè)作用:一是對(duì)經(jīng)過維修、改裝、安裝新設(shè)備后的艦艇噪聲進(jìn)行測(cè)量,能發(fā)現(xiàn)艦船噪聲是否有異常;二是新造艦艇噪聲進(jìn)行測(cè)量,能證實(shí)艦艇噪聲特性滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求;三是檢查同型艦艇聲信號(hào)特征是否一致。固定試驗(yàn)場(chǎng)一般應(yīng)包括靜態(tài)試驗(yàn)場(chǎng)、航行試驗(yàn)場(chǎng)和陸上試驗(yàn)站3個(gè)部分。一般的水聲試驗(yàn)場(chǎng)的工作流程,通常是先在靜態(tài)試驗(yàn)場(chǎng)對(duì)潛艇的機(jī)械噪聲進(jìn)行測(cè)量和評(píng)估,然后再轉(zhuǎn)入航行試驗(yàn)場(chǎng)對(duì)水下航行的潛艇的整個(gè)航行條件下的噪聲進(jìn)行測(cè)量,通過對(duì)機(jī)械噪聲結(jié)果與水下航行噪聲進(jìn)行對(duì)比,分離出水動(dòng)力噪聲。陸上試驗(yàn)站除對(duì)測(cè)試工作進(jìn)行指揮和實(shí)際測(cè)量外,也可包括對(duì)測(cè)量裝置及被測(cè)艦船的后勤保障能力。3.3第三,限制水域范圍,提高輻射噪聲測(cè)量方法水聲試驗(yàn)場(chǎng)建設(shè)最主要目的是對(duì)艦艇進(jìn)行噪聲測(cè)量和分析,因此,低的環(huán)境背景噪聲是水聲試驗(yàn)場(chǎng)選擇的最主要目標(biāo)。經(jīng)過聲學(xué)標(biāo)定固定水地質(zhì)試驗(yàn)場(chǎng),應(yīng)遠(yuǎn)離飛機(jī)和船舶航線,海域的海水平靜,海流小,背景噪聲低,有良好的水文條件。挪威海格納斯試驗(yàn)場(chǎng)位于峽灣水域,周圍被大量的海島所摭蔽,阻擋大洋環(huán)境背景噪聲的影響。保證潛艇水下輻射噪聲測(cè)量進(jìn)行。但峽灣水域如果過于狹窄,除了不利于潛艇機(jī)動(dòng),也會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成不利影響。水域?qū)掗熀退钅?/p>