Источники акустического поля корабля

Акустическое поле широко используется в стационарных, корабельных и авиационных системах обнаружения и классификации целей, а также в системах самонаведения и неконтактных взрывателях минно-торпедного оружия. Поэтому большое внимание уделяется с одной, стороны снижению шумности корабля, а другой – разработке эффективных способов анализа сигнала и совершенствованию измерительной техники.

Подводный шум корабля, его спектр, как известно, определяется следующими составляющими

· Шум гребных винтов.

· Общая и местная вибрация корпуса.

· Шум машин и механизмов.

· Шум в системах.

· Аэрогидродинамический шум.

Гребной винт излучает широкополосный шум с наличием дискретных составляющих в инфразвуковом диапазоне на частоте вращения вала и лопастной частоте:

где – частота вращения вала, обороты в минуту; – количество лопастей винта. Тонкий (узкополосный) анализ показывает наличие дискретных составляющих на вышеуказанных частотах, которые обусловлены гидродинамической неуравновешенностью и неравномерным потоком по окружности. Помимо дискретных составляющих при работе винта получается широкополосный вихревой и кавитационный шум. Нарушение сплошности жидкости при вращении лопастей сопровождающееся образованием полостей (каверн), заполняемых паром, называется кавитацией. Понятие «кавитас» – пустота ввел У Фруд.

Итак, понижение давления приводит к образованию каверн. Форма и размеры каверн определяются степенью кавитации. Колебание и захлопывание (разрушение) сопровождается звукоизлучением. На засасывающей стороне лопасти наблюдается разрушение поверхности в виде многочисленных углублений.

Гидродинамическое возбуждение вызывает механические вибрации лопастей. В частности, может возникать «пение» винта, вызываемое вибрацией лопастей на резонансной частоте. На некоторых скоростях хода она иногда приводит к значительным уровням шумов.

При любом движении твердого тела в жидкости (в том числе и корабля) происходит излучение акустических волн. Сущность явления такова: в обтекающем корпус корабля потоке воды возникает возмущенный переходный слой, так называемый «пограничный слой», в котором поток воды становится турбулентным, тогда как вне этого слоя он остается ламинарным. Возникающее в пограничном слое турбулентное течение вызывает вибрации обшивки корпуса и прилегающих к ним элементов набора (в частности, вибрации обшивки корпуса между шпангоутами). В отдельных случаях может наступить явление автоколебаний. Резонансы корпусного набора подчеркивают некоторые составляющие инфразвуковых шумов. Вибрации порождают шум, который излучается в воду и передается по набору корпуса корабля. Этот шум называется гидродинамическим.

Другой категорией гидродинамического шума является шум от подводных выступов корпуса, оставляющих позади себя струю, которая может создать шум или вызвать вибрацию других частей обшивки корпуса, Особенно сильный шум такого рода, создают выступы, имеющие недостаточно обтекаемую форму, такие как: лаги, кронштейны и т.д.

При малых скоростях шум не имеет решающего значения, Вообще спектр шумообтекания имеет сплошной характер, поскольку размеры вихрей и их частоты носят нерегулярный характер, однако имеется максимум для большей части вихрей.

В общем случае полный шум является суперпозицией спектров (рис. 20).

Рис. 20. Условный спектр шума корабля

1 – дискретная составляющая на частоте вращения вала; 2 – лопастная дискретная составляющая; 3 – вихревой шум винта; 4 – кавитационный шум винта; 5 – шум обтекания корпуса; 6 – шум машин и механизмов.

Суммарные спектры шумов имеют хорошо выраженный максимум, как правило, в диапазоне , обусловленный спектром излучения и условиями распространения звука в океане. В области частот () спектр очень неровен, с наличием дискретных составляющих; частоты вращения вала, лопастные частоты; частоты колебаний машин, корпуса и частоты колебаний, вызванных вращением винтов.

В области более высоких частот спектр более ровен, по форме он похож на непрерывный. Спад спектрального уровня составляет примерно на октаву.

Максимум излучаемой энергии приходится в диапазоне до .

Вибрация машин и механизмов

Как установлено выше, вибрации и шум машин и механизмов существенно влияют на спектр подводного шума корабля. Вибрации ложные по своей структуре, зависят от многих факторов, в том числе от грамотной эксплуатации техники и в значительной степени определяют стабильность акустических характеристик корабля.

Для анализа спектра и выработки мер по снижению влияния подводного шума на скрытность плавания необходимо знать причины вибрации в механизмах, системах и частотные диапазоны повышенной шумности.

Несмотря на разнообразие механизмов, входящих в состав корабельной энергетической установки (КЭУ), вибрации можно разделить на вибрации механического, аэро- и гидродинамического и электромагнитного происхождения.

Вибрации механического происхождения

Вибрации механического происхождения обусловлены многочисленными причинами, в частности, остаточными неуравновешенностями роторов, дефектами механической обработки деталей вращения (шейки роторов, полумуфт и др.), подшипников и их деталей, асимметричностью жесткостей роторов в главных плоскостях изгиба, технологическими и эксплуатационными дефектами в линии вала (расцентровка, излом, прогиб вала, динамические несоосности), зубчатыми зацеплениями. Из подшипников наибольшей виброактивностью отличаются подшипники качения. Подшипникам качения свойственны разностенность, волнистость колец, овальность их шаров (цилиндров, неравномерность во времени радиального зазора, обусловленная различным положением шаров; подшипникам скольжения – отклонение формы шейки вала от формы круга и т.д.). Спектр вибрации подшипников содержит как дискретные составляющие, так и сплошную часть.

Главной причиной возникновения дискретных составляющих в спектрах вибрации механизмов и подводного шума корабля является дисбаланс вращающихся масс. Он бывает двух видов – статический и динамический и возникает обычно из-за неоднородности материала, различия в геометрических размерах роторов в пределах технологических допусков и отсутствия тепловой симметрии.

Статический дисбаланс имеет место в том случае, когда центр тяжести не лежит на геометрической оси вращения детали. В этом случае возникает центробежная сила (рис.21):

где – масса детали (ротора), – круговая частота, – эксцентриситет.

Длинный вал ротора при изгибе способствует увеличению центробежной силы (рис. 22).

При статическом дисбалансе направления вибраций в подшипниках одинаковы.

Рис. 21 Колебания диска, вызванные статической неуравновешенностью. Рис. 22 Влияние прогиба и эксцентриситета на инерциальную возмущающую силу.

Динамический дисбаланс. Во вращающихся деталях относительно большой длины даже при хорошей статической балансировке могут возникать неуравновешенные центробежные силы. Допустим, имеем две уравновешенные массы, лежащие в одной плоскости, но не на одной вертикале. При не вращающемся роторе (неработающей машине) они компенсируют друг друга, то есть статический дисбаланс не проявляется. Однако при вращении ротора возникают две центробежные силы, действующие в противоположных направлениях, т.е. образуется вращающий момент в плоскости подшипников, который создает вибрации в подшипниках. Но направление центробежных сил здесь противоположное, соответственно противоположны и реакции в подшипниках (в отличие от статического дисбаланса). Это позволяет разделять статический и динамический дисбаланс (рис. 23).

Рис, 23 Возмущающий момент, вызванный динамической неуравновешенностью ротора.

Причины повышения шумности в период эксплуатации.

Некачественный ремонт, повреждения корпуса корабля, гребных винтов, износ механизмов и различных устройств могут бить причиной повышения шумности. Кроме того, увеличение шумности вызывают:

· Механическая неуравновешенность гребных винтов и линии вала

· Неравномерный износ шеек вала, некачественная центровка и балансировка.

· Плавные погнутости гребных винтов, обнаружить которые можно лишь специальными лекалами.

· Износ зубьев в зубчатых передачах.

· Износ клапанов в двигателях внутреннего сгорания,

· Расцентровка линий валов в механизмах.

· Повреждения в обмотках электрических машин. Изменение зазоров и т.д.

· Износ вкладышей подшипников.

· Вибрации переборок, кранцев и т.д.

· Переделка обтекателей.

· Установка дополнительных устройств в обтекателях гидроакустических станций.

· Стуки клапанов гидравлических систем и т.д.

Выводы:

1. Спектр подводного шума корабля смешанный, в котором наибольшей информативностью обладают дискретные составляющие в инфразвуковом и звуковом диапазонах

2. Низкочастотные колебания распространяются на большие расстояния в океане

3. На докритических скоростях подводный шум корабля определяют вибрация машин и механизмов главной энергетической установки.