0 引　言

水下航行器的隐身性是其在海战场对抗环境下最基本的战技术性能，其中声隐身性能则是决定其隐身性的关键。水下航行器声隐身性能包含自身的声场辐射和对抗声探测设备的声散射场辐射。现有的公开研究文献指出，若水下航行器声散射场强度降低10 dB，则被声呐探测发现的距离可缩短32％；更进一步，若我方声呐平台自噪声降低5 dB，则对水下目标的探测追踪距离可增加60%，搜索目标海区面积可扩大到原来的3倍。隐身性能差的水下航行器将难以及时完成其的作战使命，造成无法估量的损失。由此可见，降低水下目标散射声场对水下航行器自身生存力和作战力的重要性。水下航行器的声隐身性能历来被认为是头等重要的问题^[1-12]。

国际上对水中目标识别技术十分重视，在理论和实验方面均进行了长期不懈的研究，多采用专家系统和模板匹配的方式进行水中目标识别，且特征库已建到个体，甚至可以识别到具体的型号，并已装备于现役声呐。如美国“海狼”级攻击型核潜艇，“拉菲特”级、“俄亥俄”级弹道导弹核潜艇等分别装备BQQ-SD综合声呐系统、BQQ-3 目标性质识别声呐和 AN/BQQ-6 综合声呐系统。主动声呐是检测安静型水下目标、各种水雷目标的有效手段，也是今后相当长一段时间内水下目标检测技术的一个主要发展方向。对于低噪声目标检测，无论是主动还是被动工作方式，所使用的频率都在向低端移动。一般将1000 Hz左右定义为中频工作频率，100～1000 Hz定义为低频工作频率。目前主动工作频率已明显向低频/甚低频段移动，因此，有效水下航行器的低频声散射声已成为当下的研究热点。战术模型中，常采用被敌发现概率作为评估水下航行器隐身性的重要指标，它刻画了水下航行器在活动海区内被敌搜索到的可能性^[13-19]。但传统模型中，采用较为简单的算法，没有考虑敌、我双方的复杂对抗环境对战场态势的影响，给出的被发现概率指标也不是十分科学。

基于敌方潜艇使用艇载声呐探测我水下航行器时的假想情况，综合考虑海战场对抗环境，计算了水下球形壳体目标的声散射特性，并通过在壳体外敷设粘弹性材料阻尼层降低水下目标声散射强度，改善水下目标的声隐身性能。在有无敷设粘弹性材料阻尼层的水下球形壳体的声散射特性研究基础上，对传统水声对抗特性评价模型进行改进，给出了一种海战场环境中水下航行器水声对抗特性评价方法。

1 敌反潜潜艇搜索航行器的数学模型

在面积为 $ {S_c} $ 的区域内，敌反潜潜艇使用单种声呐搜索时，航行器被发现概率为^[20]：

$ {p_{sn}} = 1 - \exp \left( { - \frac{{{u_{sn}}{N_c}{T_n}}}{{{S_c}}}} \right) 。$

(1)

式中： $ {N_c} $ 为面积为 $ {S_c} $ 的区域内同时进行搜索的敌方潜艇数量，由于多艘敌方潜艇时，还涉及到编队搜索策略问题，情况较复杂，本文仅讨论单艘敌方潜艇，即取 $ {N_c} = 1 $ 时的情况； $ {T_n} $ 为敌潜艇搜索航行器所持续的时间； $ {u_{sn}} $ 为敌反潜潜艇使用声呐的搜索效率，单艘敌方潜艇搜索航行器时

$ {u_{sn}} = 2{d_{sn}}{v_c}{P_k}{K_{sn}}。$

(2)

式中： $ {d_{sn}} $ 为敌潜艇声呐对我潜艇的探测距离； $ {v_c} $ 为敌潜艇搜索时的速度，可依靠经验估计； $ {P_k} $ 为与进入声呐作用区内保持接触的概率（取值0.8～0.9）； $ {K_{sn}} $ 为航行器处于能被敌潜艇声呐搜索到位置的时间与 $ {T_n} $ 的比值。

$ {K_{sn}} = \frac{{\displaystyle\sum\limits_{i = 1}^n {{t_{ind}}} }}{{{T_n}}}。$

(3)

式中： $ {t_{ind}}{\text{ }}\left( {i = 1,2, \cdots ,n} \right) $ 为航行器在 $ {T_n} $ 时间内，第i次处于能被敌声呐探测到的位置的持续时间。

由式(1)～式(3)可得航行器的被发现概率为：

$ {p_{sn}} = 1 - \exp \left( { - \frac{{2{d_{sn}}{v_c}{P_k}\left( {\displaystyle\sum\limits_{i = 1}^n {{t_{ind}}} } \right)}}{{{S_c}{\text{ }}}}} \right) 。$

(4)

2 水下目标声散射特性仿真 2.1 模型介绍

工程中水下航行器大部分可简化为类球体或椭球体结构腔体，以球体结构为例进行仿真计算。模型几何结构如图1所示，球形钢壳内部为空气，外侧敷设粘弹性阻尼层，阻尼层外部为水。其内部声学结构截面示意图，如图2所示。

2.2 仿真流程

对水下壳体进行声散射特性分析时，首先需要划分声学计算网格，然后基于有限元软件Actran建立声散射计算模型，设置合适的计算边界条件，分别计算弹性球壳和敷设覆盖层弹性壳的散射声场，并将其计算结果与理论解进行比较。图3为基于有限元计算方法的分析流程。

2.3 基于Actran的声散射分析

建立声散射计算分析有限元网格模型，如图4所示。单元及属性如下：

1）钢壳

三角形壳单元，总数2364，单元尺度80 mm；

2）粘弹性阻尼层

实体壳单元，总数2364，单元尺度80 mm；

3）内部空气

四面体网格，总数36163，单元尺度80 mm；

4）外部水介质

棱柱体网格，总数55075，单元尺度80 mm；

5）无限元

面网格，总数2364，单元尺度80 mm。

设置相关材料属性如表1所示。其中，f为频率，单位Hz。

将球壳外部的流体外边界定义为无限元，以便实现无反射边界条件的模拟以及辐射声功率的自动统计。在无限元外侧即空间位置（0，0，−30）施加平面波单位声载荷，如图5所示。

根据仿真结果计算壳外声场中有限距离内任意点声压值（包括散射声压和入射声压），计算频率范围0～5000 Hz。考核以通过球心沿声波入射反向距壳外表面15 m处目标强度作为评价指标，定义为：

$ TS(r) = 20 \times {\log _{10}}\left( {r\frac{{\left| {{p_{sc}}\left( r \right)} \right|}}{{\left| {{p_{in}}\left( r \right)} \right|}}} \right) 。$

(5)

其中：p_sc(r)为r处的散射声压；p_in(r)为入射声压。

3 计算结果分析

考虑弹性光壳和弹性光壳上面敷设覆盖层2种情况下，在若干频率点处的声散射声压场，如图6和图7所示。其中图6为540 Hz处（即目标强度曲线峰值处）的声散射声压云图。显然，在平面波入射下，敷设粘弹性阻尼材料层的声压场比弹性光壳均匀得多。同是球形目标后的平面波声场，敷设粘弹性阻尼材料层的声场干扰程度明显小于弹性光壳情况。

图8为弹性光壳和壳体上面敷设覆盖层2种情况下的目标强度曲线。可以看出：分别为图中虚线和点实线所示，最大目标强度出现在500 Hz附近，最小目标强度出现在1340 Hz附近；在1340 Hz以上频率，目标散射强度曲线略有上升趋势，并在若干频率点附近出现散射值峰谷；在弹性光壳上面敷设覆盖层后，目标强度在整个分析频段都有一定的降低（个别频段除外），平均降低4 dB左右，特别是低频段的目标强度有了较大的衰减，最大衰减值可达10 dB。同时，目标强度低谷略向低频偏移。

将仿真计算结果代入式(4)，并假设敌潜艇活动区域的面积 $ {S_c} $ ＝5 000 nm²，其搜索时速度 $ {v_c} $ ＝10 kn，进入其声呐作用区内保持接触的概率 $ {P_k} $ =0.8，被敌声呐探测到的持续时间累计为 $ \displaystyle\sum\limits_{i = 1}^n {{t_{ind}}} $ ＝5 h，计算可得不同频率下钢壳敷设阻尼层前后被发现概率降低值，结果如图9所示。可以看出，分析频率0～5000 Hz范围内，在水下目标钢结构光壳上面敷设阻尼覆盖层后，目标的被探测概率在整个分析频段都有一定的降低（个别频段除外），平均降低了2.5194% 。

但本方法在低频段，其被探测特性还会有所增加，原因是粘弹性阻层材料层对低频段声波的吸声能力有限，难以对500 Hz以下的声波进行有效吸收。另一方面，敷设覆盖层增加水下声目标的尺寸，加大了被敌探测概率，使得目标强度总体略向低频偏移。粘弹性阻层材料在超低频段的声散射场消减性能，还需要持续的探索研究。

4 结　语

在航行器表面敷设弹性阻尼层可以提高其声隐身性能，但传统模型大部分是通过计算其声散射特性或被敌发现概率作为评价指标，没有考虑到海战场复杂对抗环境下其对战场态势的影响，给出的评价指标也不是十分科学。本文计算分析水下球形壳体结构敷设粘弹性阻尼层前后的声散射特性，提出一种基于海战场对抗环境下水下航行器声隐身特性的评估模型，分析评估了其声隐身性能。

研究表明在球形壳体外敷设粘弹性材料阻尼层后，被发现概率在分析频段内大部分均有一定程度的降低，特别是在500～1000 Hz频段有较大程度的减小。分析结果说明，敷设粘弹性阻尼层可以在一定程度上降低水下目标的被发现概率，改善了水下目标在海战场对抗环境下的隐身性能。但由于目标强度会略向低频偏移，后期将进一步探索粘弹性阻层材料在更低频段的声散射场消减性能，使其更有工程应用价值。