Характеристики физических полей подводной лодки и зависимость их от скорости хода, глубины погружения, курса, района плавания

ПЛАН – КОНСПЕКТ

ТЕМА: Характеристики физических полей подводной лодки и зависимость  их от скорости хода, глубины погружения, курса, района плавания.

 

1. ИСТОЧНИКИ АКУСТИЧЕСКОГО ПОЛЯ  ПЛА.

1.1. Шумы обтекания корпуса и  потоков, образуемых движителем

1.2. Шумоизлучение гребного винта.

1.2.1. Шум вращения (лопастной звук)

1.2.2. Компоненты, обусловленные вращением  вала.

1.2.3. Профильный шум гребного  винта

1.2.4. Вихревой шум

1.2.5. Кромочный шум 

1.2.6. Резонансное шумоизлучение  лопастей.

1.2.7. Кавитационный шум

1.3. Шумоизлучение корпуса

1.4. Машинные шумы

1.4.1. Вращательный разбаланс

1.4.2. Гидро(аэро)динамический разбаланс

1.4.3. Магнитный разбаланс

2. ИЗМЕНЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПЕРВИЧНОГО  ГИДРОАКУСТИЧЕСКОГО ПОЛЯ

2.1. Изменение параметров акустического  поля ПЛА в зависимости от скорости хода

2.1.1. Малошумный режим движения

2.1.2. Движение на средних и  больших скоростях

2.2. Влияние глубины погружения  ПЛ на ее шумоизлучение

2.2.1. Факторы, определяющие зависимость  шумности от глубины погружения

2.2.2.Кавитационный шум гребного винта и критические скорости хода на различных глубинах погружения

2.2.3. Влияние глубины погружения  на шумность ПЛ на докритических  скоростях хода

2.3. Влияние состава и режима  работы механизмов, систем и устройств  на шумность ПЛ 

2.4.Сравнение шумности ПЛ при различных вариантах работы ГЭУ на скорости малошумного

2.5. Особенности шумоизлучения при  маневрировании ПЛА

3. НАПРАВЛЕННОСТЬ ШУМОИЗЛУЧЕНИЯ  ПЛА

4. ОЦЕНКА АКУСТИЧЕСКОЙ СКРЫТНОСТИ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ИСТОЧНИКИ  АКУСТИЧЕСКОГО ПОЛЯ ПЛА.

Существует более двух десятков различных источников шума. Их можно  разделить на две большие категории: гидродинамические источники, внешние  относительно корпуса корабля и  машинные источники , находящиеся внутри корпуса корабля.

Гидродинамические источники связаны либо с обтеканием корпуса корабля, либо с потоками, образуемыми движителями. Значение гидродинамических источников возрастает с ростом скорости хода ПЛА.

Машинные шумы могут быть связаны  с основным двигателем или с вспомогательными механизмами. Шумы последних преобладают в спектрах, полученных на низких скоростях и относительно независимы от скорости  движения ПЛА, в то время как шумы двигательной установки растут с увеличением скорости ПЛА.

Каждый из этих источников создает  свои характерные шумы, представляющие собой в совокупности смесь многих колебаний, различной интенсивности в широком диапазоне частот от 1 Гц до 160 кГц. При этом основная доля акустической энергии сосредоточена в диапазоне от 5 до 500 Гц.

Рассмотрим природу шумов создаваемых каждым из указанных источников.

1.1. Шумы  обтекания корпуса и потоков,  образуемых движителем.

Шум обтекания: На большой скорости (с 18 - 20 уз) возникает шум обтекания  или гидродинамический шум, обусловленный  интенсивным  вихреобразованием  в пограничном слое, обтекающей корпус воды. Пульсации давления в турбулентном слое обтекающей воды могут вызвать вибрацию  обшивки легкого корпуса. Шум обтекания имеет сплошной спектр.

Потоки набегающей воды могут вызывать:

- шумы обтекания вырезов;

- шумы обтекания выступающих частей.

Шумы обтекания вырезов (шпигаты  и кингстоны). При этом возможно возникновение  гидродинамических автоколебаний (полость  играет роль резонатора Гельмгольца). Звукоизлучение может проявляться  в спектре шума ПЛА в виде дискретной составляющей на частоте  соответствующего резонанса.

Шумы обтекания выступающих  частей (рубка, оперение, водозаборные и водоотливные устройства). На элементах  оперения, как и на лопастях гребного винта, возникают нестандартные  гидродинамические силы, создающие  широкополосный профильный, кромочный а также вихревой шумы оперения, которые значительно меньше, чем шумы винта. Гидроупругие колебания оперения ПЛА пр. 09А могут иметь дискрету на частоте 19 Гц (резонанс). Для этого явления характерно "затягивание" частоты: дискретная составляющая возникает на определенной скорости. При увеличении скорости хода частота практически не меняется, затем по достижении определенной скорости хода происходит срыв процесса, уровень колебаний резко уменьшается, дискретная составляющая практически исчезает.

Потоки, образуемые движителем, т.е. винтом являются причиной  шумоизлучения  гребного винта и шумоизлучения  корпуса ПЛА, вызываемого общей  ходовой вибрацией.

1.2. Шумоизлучение  гребного винта.

В спектре шума гребного винта различают:

- шум вращения (лопастной звук);

- компоненты, обусловленные, вращением  вала;

- вихревой шум;

- кавитационный шум;

- профильный шум;

- кромочный шум.

1.2.1. Шум вращения (лопастной звук).

Работа гребного винта в кильватерной струе с периферийными неоднородностями (стабилизаторы, рули) приводит к появлению осциллирующих (пульсирующих) компонент тяги и крутящего момента с частотами, кратными частоте вращения лопастей. Наличие осциллирующей тяги приводит к излучению звука с частотой вращения лопастей и ее гармониками. Осциллирующая тяга составляет 2 - 10% от постоянной тяги. Винты являются неэффективными излучателями тональных компонент с частотами лопастей, но колебания передаются корпусу и являются основной причиной его вибрации. Если частота осциллирующих сил совпадает с низкочастотным  резонансом корпуса, то могут возникнуть сильные колебания. Они не только вредны для людей и машин, но и могут излучать тональные компоненты, соответствующие частоте вращения лопастей с существенно более высоки ми уровнями звукового давления, чем излучаемые непосредственно винтом.

Шум вращения имеет линейчатый спектр и проявляется на частотах кратных  числу оборотов гребного винта и  количеству лопастей у него:

 

На спектрограмме шум вращения отражается дискретой, расположенной  в инфразвуковом диапазоне частот. С ростом скорости корабля уровни шума возрастают очень интенсивно, пропорционально кубу скоростей.

1.2.2. Компоненты, обусловленные вращением  вала.

В спектрах гребного винта возникают  также компоненты, обусловленные  вращением вала и существенно меньшего уровня по сравнению с сигналами, обусловленными движением лопастей. Их присутствие приводит к модуляции тональных сигналов соответствующих вращению лопастей, частотой вращения вала.

 

1.2.3. Профильный шум  гребного винта

Профильный шум как лопастной звук и компоненты обусловленные вращением вала, возникает вследствие гидродинамического взаимодействия лопастей гребного винта с набегающим потоком и появлением осциллирующих сил, действующих со стороны лопастей на воду и противоположно: на винт - вал - опоры вала, ГУП - корпус. Разница в том, что лопастной звук и звук на частоте вращения вала связаны с регулярными, периодическими колебаниями гидродинамических сил (и потому проявляются в спектре в виде дискретной составляющей), а профильный шум обусловлен случайным проявлением этих сил из-за временной нестабильности (нестационарности) набегающего на лопасти винта потока. Поэтому профильный шум имеет непрерывный спектр. Вместе с тем профильный шум включает  дискретную составляющую на частотах резонансов системы винт - вал - ГУП - корпус.

Профильный шум винта, как и  лопастной звук на частоте вращения, относится к низкочастотной области  спектра (до 100 - 200 Гц).

1.2.4. Вихревой шум.

Вихревой шум обусловлен образованием и срывом вихрей с лопастей и ступиц винта. При этом возникают переменные давления в вихревой дорожке и вибрации кромок лопастей винта, что приводит к характерному шумоизлучению в окружающее пространство. Частота излучения вихрей постоянно меняется, поэтому создаваемый ими шум имеет сплошной спектр с максимумом на частоте.

Как правило уровни вихревого шума невелики. Исключение составляют случаи, когда частота срыва вихрей совпадает  с собственной частотой колебаний  выходной кромки лопасти и как  следствие появляются интенсивные  автоколебания и сильный тональный звук на этой частоте, называемый "пением" гребного винта. Пение проявляется на f = 100--1000 Гц.

Для устранения "пения" достаточно заострить задние кромки лопастей винта. В процессе эксплуатации "пение" может появиться вследствие повреждения лопастей винта.

1.2.5. Кромочный шум

Кромочный шум гребного винта, в  отличие от вихревого, вызывается не сходом вихрей с задней кромки лопасти (что характерно при плохом обтекании  лопастей), а действием на заднюю кромку турбулентных вихрей натекающего на лопасть потока. Этот шум имеет сплошной спектр в том же диапазоне, что и вихревой шум.

1.2.6. Резонансное шумоизлучение лопастей.

Резонансное шумоизлучение лопастей может проявляться не только как "пение" винта, вызванное автоколебаниями при совпадении резонансных частот с частотами вихреобразования, но и как результат реакции лопастей на широкополосное возбуждение, соответствующее профильному шуму.

Резонансное излучение лопастей, соответствующее  возбуждению типа  профильного  шума, может проявиться в виде нескольких дискретных составляющих в области от 30 до 
100-200 Гц. Это излучение можно классифицировать как часть профильного шума.

Спектр резонансного излучения  лопастей на более высоких частотах, где резонансы расположены достаточно плотно на оси частот, приближается к сплошному. Это резонансное излучение в совокупности с кромочным и  вихревым (исключая "пение") можно трактовать как широкополосный  высокочастотный шум гребного винта некавитационного происхождения.  Основная энергия этого шума заключена в области частот примерно от 200 Гц до 2 кГц.

1.2.7. Кавитационный шум

Кавитационный шум обусловлен возникновением кавитации на лопастях гребного винта  при определенной частоте его  вращения на данной глубине. Кавитация  определяется как "разрыв жидкости" или контакта - "жидкость - твердое тело", причем под разрывом понимается образование макроскопического пузыря. Кавитация связана с локальным уменьшением статического давления в жидкости. Она возникает, когда локальное статическое давление падает ниже некоторой критической величины. Кавитацию  можно рассматривать как кипение, вызванное уменьшением статического давления, а не увеличением давления паров.

Критическое давление зависит от свойств  жидкости: ее температуры, коэффициента поверхностного натяжения, количества растворенных газов и наиболее сильно, от распределения зародышей кавитации.

В большинстве практических случаев  кавитация возникает, когда локальное  статическое давление в жидкости приближается к абсолютному нулю, т.е. морская вода не может без разрыва выдерживать растягивающее напряжение. Однако это верно только потому, что она содержит множество микроскопических и субмикроскопических пузырьков, которые служат зародышами для образования кавитационных пузырей. Жидкость без зародышей способна выдерживать растягивающее напряжение более, чем в 1000атм.

Типичный кавитационный пузырь возникает у начала области кавитации  и растет, пока не достигнет границы  зоны отрицательного давления. Затем  он быстро схлопывается, если пузырь содержит остаточный газ, то прежде чем исчезнуть, он некоторое время пульсирует. Звук генерируется и во время фазы роста и в фазе схлопывания. Однако импульс давления достигает максимума во время конечной фазы схлопывания пузыря. Спектр излучения в процессе роста и схлопывания имеет сплошной характер и имеет максимум в одну - две октавы с центральной частотой несколько меньшей, чем обратная величина времени схлопывания.

Максимум кавитационного шума лежит  в полосе частот 300 - 600 Гц. Подъем спектра  перед максимумом составляет 9 дБ на октаву (при ширине полосы анализа 1 Гц), а спад уровней на частотах выше спектрального максимума равен 6 дБ на октаву. На начальной стадии кавитации максимальные уровни шума наблюдаются в ультразвуке. С развитием кавитации одновременно с ростом уровней шума происходит смещение максимума к более низким частотам, что обусловлено образованием более крупных пузырьков.

Уровень кавитационного шума значительно  превышает уровни шумов всех прочих источников и является определяющим в спектре подводного шума ПЛ. Если одна из лопастей гребного винта повреждена, то на ней  явление  кавитации возникает раньше, чем на других лопастях и кавитационный шум гребного винта будет промодулирован частотой вращения.

Субъективно модуляция  кавитационного шума гребного винта частотой вращения прослушивается как "чавканье" и свидетельствует о повреждении одной лопасти винта.

1.3. Шумоизлучение  корпуса.

Причина шумоизлучения корпуса - общая  ходовая вибрация и местная вибрация корпуса.

Рассмотрим общую ходовую  вибрацию корпуса. Корпус ПЛА имеет сложную конструкцию, в которой могут возбуждаться колебания, а следовательно он будет излучать звук в широком диапазоне частот. Большинство наиболее важных характеристик вибрации и излучения корпуса можно понять, разбивая спектр колебаний на несколько участков по частоте.

Наиболее полезными параметрами, используемыми при разбиении  спектра колебаний на участки, являются отношения длины звуковой волны  к размерам различных частей корпуса. К последним относятся: длина  корпуса, диаметр, длина отсеков, расстояние между шпангоутами и толщина обечаек корпуса.

 

НЧ   Низкочастотная область  протягивается от 1 Гц до частот, на которых длина звуковой волны  равна половине длины корпуса f = 60-70 Гц. В этой области весь корпус участвует в колебательном  движении. На низких частотах могут возникать три различных типа движения, каждый излучает звук со свойственными только ему характеристиками. Корпус может двигаться как твердое тело, т.е. с сохранением формы, и при этом колебаться под действием переменной внешней силы или вращаться вокруг своей оси. Второй тип движений - это изгибные колебания. Наконец могут возникать преимущественно продольные колебания, при которых два конца корпуса двигаются в противофазе.