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

СЧ   Среднечастотный  участок спектра протянулся между НЧ-областью и частотой для которой длина акустической волны равна эффективному радиусу поперечного сечения т.е. от 60-70 Гц до 1000 Гц. В этом диапазоне отклик на возбуждение обычно ограничивается одним отсеком, а остальная часть корпуса действует как экран. Большую роль в реакции корпуса на возмущающее воздействие играют собственные резонансы корпуса.

ВЧ   В высокочастотной  области каждая возбуждающая сила вызывает  колебания только малого участка  поверхности, остальная часть корпуса  является фактически бесконечным экраном.

Основная причина общей  ходовой вибрации корпуса - воздействие  осциллирующей тяги и крутящего  момента передаваемая через ГУП  на корпус (по 3-му закону Ньютона). Воздействие  поля пульсирующих давлений возникающих  в воде вблизи вращающегося винта на обшивку корпуса также является причиной ходовой вибрации и соответствующего ей звукоизлучения в воду на лопастной и кратной ей частотах.

1.4. Машинные  шумы

Это шумы корабельных систем и механизмов. Спектр шумов образуемый ими имеет  сложный характер. Он охватывает диапазон частот от 1 Гц до 160 кГц и содержит ряд дискретных составляющих, выступающих над сплошной частью спектра.

Шум основных и резервных  двигателей зависит от скорости  хода,  остальных механизмов (кроме  двухскоростных насосов) - не зависит.

     Известно, что ни один  тип машин не может создавать  абсолютно неизменную во времени  силу или крутящий момент. Обычно  имеется очень небольшая нестационарная  компонента, которая приводит к  вибрации и, следовательно, генерирует  шум. Такие нестационарные компоненты называют "разбалансами". Некоторые из разбалансов, возникающих в машинах, вызываются вращательными гидродинамическими и магнитными силами. В некоторых машинах реально получаемые спектры содержат ударные компоненты, приводящие к ускорениям механических частей или пульсации потоков жидкости.

1.4.1. Вращательный разбаланс.

Все вращающиеся системы имеют  статическую и динамическую разбалансировку. Она приводит к появлению осциллирующей  силы, частота которой равна частоте  вращения вала, и которая передается через подшипники основанию, далее фундаменту, через него корпусу. Колебания корпуса приводят к излучению звука.

1.4.2. Гидро(аэро)динамический разбаланс.

   Гидро(аэро)динамические разбалансы - это осциллирующие силы, присущие  любому осевому потоку, центробежному насосу или вентиляторам, вызываемые конечным числом лопастей или асимметричным течением. Такие разбалансы генерируют сигналы на рабочей частоте лопастей и ее гармониках. Практически всегда спектр шума насоса очень богат гармониками рабочей частоты

1.4.3. Магнитный разбаланс

Электродвигатели и генераторы испытывают небольшие осцилляции крутящего  момента, обусловленные конечным числом полюсов, неравномерностью зазоров. В виде вибраций эти флуктуации передаются на фундамент машины, а затем через корпус в воду.

1.4.4. Удары.

Удары металла о металл порождают  резкие шумовые пики, длительность которых зависит от затухания колебаний в металле.

Если удары повторяются с постоянной скоростью, как бывает в машинах с возвратно-поступательным движением и зубчатых передачах, то серия экспоненциальных импульсов порождает ряд  линейных спектральных компонент. Основная частота этого ряда определяется скоростью следования ударов.

Выше этой частоты уровень спектральных компонент падает 6 дБ на октаву. Механизмы  с возвратно-поступательным движением (поршневые насосы, поршневые компрессоры, дизели) генерируют шум, спектр которого содержит до 100 гармоник. Причиной шума являются удары поршня о стенки цилиндра. Компрессор ЭК-25А (ЭК-30) имеет частоту вращения вала 16,6 Гц (990 об/мин).

Особо следует сказать о подводном  шуме систем, работа которых сопровождается стравливанием за борт воздуха или  газов: система ЭХРВ, вакуумирования отсеков, ДУК, ВИПС, гальюн. Особенно велико шумоизлучение при сдувке баллонов вакуумирования, а также при работе системы ЭХРВ. Оно проявляется в широкой полосе частот: при сдувке баллонов вакуумирования по всему спектру, при работе ЭХРВ в УЗД и высоком ЗД.

2. ИЗМЕНЕНИЕ  ПАРАМЕТРОВ ПЕРВИЧНОГО ГИДРОАКУСТИЧЕСКОГО  ПОЛЯ.

Акустическое поле ПЛА есть результат  сложения полей  его  различных  источников, рассмотренных нами. Уровни звукоизлучения и характер  частотного спектра каждого из источников по-своему зависят от скорости движения ПЛА, глубины погружения, состава и режима работы механизмов, систем и устройств ПЛА, характера маневрирования. Рассмотрим эти зависимости.

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

Уровни звукоизлучения и характер частотного спектра каждого из источников, как уже говорилось, по своему зависят от скорости хода ПЛА. Поэтому в зависимости от скорости изменяется соотношение вкладов отдельных источников шума в суммарные уровни подводного шума в том или  ином диапазоне частот, а характер изменения суммарных уровней акустического поля  ПЛА при изменении режима ее движения оказывается весьма сложным.

2.1.1. Малошумный  режим движения.

На скоростях хода до 6 - 7 узлов (n = 31,5 - 36 и 40,5 - 44 об/мин)  и наборе работающих механизмов в соответствии с "Инструкцией по МШРД" подводную шумность определяют работающие системы и механизмы. Максимальные уровни шумоизлучения механизмов наблюдаются в диапазоне от 20 до 200 Гц. В области более высоких частот уровни шума механизмов понижаются (величина спада спектральной плотности 9 - 12 дБ на октаву).

Для шумов, обусловленных работой  механизмов, характерно то, что  они  при изменении скорости хода не меняются или меняются незначительно, а шум  от работы ГТЗА при малых оборотах, как и шум от работы винта еще ниже шума вспомогательных механизмов. На скоростях хода более 6 - 7 уз  и до 8 уз в спектре ПШ появляются ДС с уровнями до 80 дБ на зубцовых частотах редуктора, возникающие в результате резонансных явлений.

Основными источниками шума в МШРД являются:

- блок ПТУ, включая ГТЗА и  АТГ с обслуживающими механизмами;

- система рулевой гидравлики (золотники  "Топаз");

- насосы холодильных машин;

- преобразователи ВПР и АТТ.

2.1.2. Движение  на средних и больших скоростях.

При увеличении скорости ПЛА выше 7 узлов начинают быстро возрастать уровни шума в области ИЗД и низкочастотного ЗД (до 40 Гц). На скорости 7,8 - 8,2 узла проявляется ДС зубцовой частоты редуктора (резонанс II ступени).Таким образом при выборе Vs следует избегать:

V = 4,8 - 5,6 узл  (n = 31,5 - 36 об/мин);

V = 6,4 - 7,0 узл  (n = 40,5 - 44 об/мин);

V = 7,8 - 8,2 узл  (n = 48,5 - 51 об/мин).

Наименьшие уровни ДС обусловленных  соударением зубцов 2 ступени редуктора  в диапазоне скоростей хода 7 - 7,8 узла и 8,3 - 9,1 узла. Снижение Vs < 4,3 узла не приводит к снижению ПШ.

На скорости более 8 узл. происходит также рост уровней в высокочастотной  области ЗД - выше 300 Гц. Это проявляются  шумы гидродинамического происхождения, обусловленные главным образом  работой гребных винтов. Рост этих уровней в зависимости от скорости хода (числа оборотов гребного винта) происходит по закону близкому к кубическому. Это означает, что например при удвоении скорости хода уровень возрастает на 13 дБ (в 5 раз).

При движении ПЛ на скоростях менее 0,5 Vкр (менее 12 узл на глубине 100 м) наблюдается вклад в ПШ от работы ЦНПК на малой скорости, при использовании ППУ в режиме ПЦ.

При движении с Vs > 12 узлов гидродинамические  шумы доминируют. Они маскируют шум  механизмов даже в диапазоне 40 -150 Гц. При  дальнейшем увеличении скорости хода уровни ПШ по всему спектру возрастают примерно по кубическому закону вплоть до критической скорости хода, когда начинает проявляться кавитационный шум винта, рост уровней которого в зависимости от скорости хода более резкий - в степени 8 - 10.

Из изложенного следует, что  при увеличении скорости хода ПЛ выше 7 узлов начинается быстрый рост (примерно по кубическому закону) как  приведенных уровней шумности в  звуковом диапазоне частот, так и  уровней ДС в инфразвуке и низком звуке, обусловленный работой гребного винта и другими источниками гидродинамического происхождения. Еще более резкий рост уровней сплошной части спектра в звуковом диапазоне наблюдается при достижении критической скорости хода, зависящей от глубины погружения ПЛ.

2.2. Влияние глубины  погружения ПЛ на ее шумоизлучение.

2.2.1. Факторы,  определяющие зависимость шумности  от глубины погружения.

Глубина погружения ПЛ влияет на ее шумность в двух аспектах:

- влияние глубины погружения  на ПЛ, как на источник шумоизлучения;

- влияние глубины погружения  на распространение акустического   сигнала от ПЛ как источника  сигнала до приемной антенны  системы обнаружения (ГАУ).

Факторы, влияющие на шумность ПЛ в  зависимости от глубины погружения:

- кавитация гребных винтов;

- изменение эффективности ПГП  при изменении статического давления;

- обжатие корпуса ПЛ при погружении  и соответствующее изменение  напряженного состояния системы:  механизм - амортизация - корпус ПЛ, приводящее к изменению эффективности  амортизирующих конструкций;

- изменение упругих свойств  гибких вставок в трубопроводах,  связанных с забортной водой;

- изменение резонансных свойств  цистерн и емкостей, связанных  с забортной средой и имеющих  воздушную подушку;

- изменение нагрузки насосов  забортной воды из-за изменения напора и возможности их кавитации.

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

Наиболее значимым фактором влияющим на шумность ПЛ в источнике, является кавитация гребных винтов. Зависимость критической скорости от глубины погружения Вам известна. В соответствии со ст. 173 РКНШ ПЛ-80 Критическая скорость ПЛ, есть скорость, при которой по данным  измерений ПШ во внешнем ГАП в соответствии с РКНШ ПЛ-80 уровень кавитационного шума гребных винтов становится равным уровню шума механизмов, т.е. уровню шумов некавитационного происхождения. Vкр определяется в соответствии с РКНШ ПЛ-80 по значениям уровня шумности в диапазоне  частот 10 - 30 кГц. На ПЛА на предкавитационных скоростях хода подводный шум в звуковом и ультразвуковом диапазонах частот определяется как правило высокочастотным широкополосным некавитационным шумом гребного винта (кромочный, вихревой шум и резонансный шум лопастей).

Зависимость критической скорости от глубины погружения может быть построена по результатам испытаний ПЛ на различных глубинах погружения. Эта зависимость может быть построена по данным измерений на одной глубине (например - 100 м) с помощью приближенной формулы:

 

 

где:Vкро - критическая скорость на глубине Но.

     Полезно на графике  Vкр иметь кривую 0,8Vкр. В диапазоне  скоростей  более 0,8Vкр и  до Vкр наиболее сильным образом  проявляется модуляция кавитационного  шума лопастной частотой и  частотами кратными f л, что позволяет  определить число оборотов ГВ и классифицировать ПЛ.

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

 На малошумных скоростях  хода основным источником ПШ  являются системы и механизмы.  Глубина погружения влияет на  эффективность амортизирующих конструкций и резонансные свойства элементов систем и трубопроводов, имеющих связь с забортной средой.

Эффективность противогидроакустических покрытий при глубинах более 100 м  уменьшается из-за их обжатия. С ростом глубины на каждые 100 м в диапазоне глубин 100 - 400 м эффективность покрытия "Плавник - 78" снижается на 3 - 4 дБ. При этом подводный шум возрастает в частотном диапазоне эффективной работы покрытий f>100 - 200 Гц. В диапазоне f<100Гц где внешние покрытия имеют несущественный эффект этот фактор практически не сказывается.

Увеличение глубины погружения ухудшает эффективность виброизоляции  блока ПТУ, который имеет связь  с забортной водой через циркуляционные трассы в которых с увеличением  Рзаб и обжатия корпуса происходит ужесточение виброизолирующих гибких вставок в трубопроводах и ЦТ ЦТ и  падает их эффективность. При этом неопорные связи практически  выключают  из работы мягкие опорные амортизаторы блока, обладающие высокой эффективностью. По расчетам на глубине 300м акустический контакт виброактивного блока массой 600т осуществляется практически только через неопорные связи. (В настоящее время внедряются виброизолирующие вставки с самокомпенсацией распорных усилий, которые менее критичны к действию забортного давления.) С другой стороны увеличение глубины погружения создает условия для бескавитационной работы насосов забортной воды, если они имеют повреждение лопастей.

В целом, оценивая влияние глубины  погружения на шумоизлучение ПЛ на малошумных скоростях, следует считать, что с ростом глубины можно ожидать увеличение шума механизмов из-за падения эффективности противогидроакустических покрытий и амортизационных конструкций в системах забортной воды.

В диапазоне скоростей хода выше малошумной (7 узлов), но ниже критических  по кавитации, основными источниками шума являются лопастной звук и профильный шум гребного винта в инфразвуке и широкополосный некавитационный шум гребного винта в звуковом диапазоне. Эти составляющие шумоизлучения не зависят от глубины погружения.

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

Все ранее сказанное относилось к спецификационному составу  и режиму работы ГЭУ, ВМ, систем и  другого оборудования, обеспечивающему  движение ПЛ с заданной скоростью  хода.

Состав и режим работы технических средств ПЛ могут  изменяться в связи со следующими обстоятельствами: