核动力潜艇静音技术难在哪里：细说常规潜艇噪声

核动力潜艇静音技术难在哪里：细说常规潜艇噪声对于潜艇来说，耳朵就是声呐。由于低频声波传播过程中衰减较慢，所以潜艇的被动声呐就要尽可能地把自己的听力范围向低频延伸。现代潜艇被动声呐的工作频段一直向下延伸到了只有几个赫兹。也就是说，对于潜艇噪音而言，最致命最可怕的其实是人耳根本听不见的次声波。几年前，有一部美国动漫大片《极地特快》，片中有这样一段故事——当圣诞老人乘坐驯鹿雪橇到来时，天真无邪的孩子能听到驯鹿脖项上清脆悦耳的挂铃声，而童心不在的大人却什么也听不见。这一情节设计看似荒诞，却可以在物理学上找到现实依据。我们知道，声波在单位时间里的振动次数称为频率，单位赫兹（Hz）。其中，人耳能够听到的声音频率范围是20—20000赫兹。在这个频率范围以上的是超声波，以下的则是次声波。通常来说，儿童的听觉最灵敏，频段范围最广，而成年人能听到的声音频率多在30—16000赫兹之间，老年人则进一步缩至50—10000赫兹。正是由于声音需要用分贝这样

来源：《世界军事》，原题：细说常规潜艇噪声，作者：尘夫

现代潜艇最关键、最致命的技术是什么？答案肯定是众口一词——降噪。但在众多军迷眼中，噪声始终是个叫人既爱又恨、欲说还休的混沌地带，而诸多认识上的误区，更是让坊间有关这一话题的讨论充满了真假莫辨的迷雾。潜艇噪声，究竟该如何看待呢？

听不见的噪音

说到噪声，必然会有一个衡量噪声大小的单位，这个单位就是分贝（dB）。和我们常见的长度单位、重量单位不同，分贝表达的是声音的相对大小。其实，声音的大小是由于空气中压力变化造成的。人们在日常生活中听到的声音实际上是空气的振动，这种空气的振动反映到人的耳膜上，就是一个压力的变化。正常的人耳能感受到的压力变化值为20个微帕斯卡，而像航天飞机起飞时引起的声压变化会高达2000000000（20亿）微帕斯卡。显然，用微帕斯卡这样的单位来衡量声音的大小实在是太麻烦了。于是，曾发明电话的科学家贝尔提出了用对数表示声压的方法，并定义20微帕斯卡的声压为0分贝，这样就有了分贝这个单位。 对大多数人来说，搞清楚分贝的计算方法不是一件容易的事，在这里我们也没有必要用一大堆艰涩难懂的语言去加以解释。但有几个基本的概念必须清楚：由于采用对数表示，声压增大一倍时，我们看到的仅仅只是增加了几分贝；两个声音相加，也不是简单的分贝数相加，比如，60分贝加60分贝，只等于63 分贝。

正是由于声音需要用分贝这样一个相对复杂的单位来表示，使普通人认识和理解声音的大小似乎变得异常复杂而艰难。

那么，用分贝表示声音大小，和我们的听觉感受是一个怎样的关系呢？

• 0—20分贝，很静，几乎感觉不到；
• 20—40分贝，安静，犹如轻声细语；
• 40—60分贝，相当于室内谈话；
• 60一70分贝，有些吵闹；
• 70—90分贝，很吵；
• 90—100分贝，极为吵闹，长期会使听力受损；
• 100—120分贝，难以忍受，一分钟即可暂时致聋；
• 120分贝以上，导致听力丧失。

听起来很可怕，但实际上生活中却并没有很多人因为噪音而失聪。这是因为空气中的声音作为一种振动在传播过程中会迅速衰减。同样，潜艇的噪音在水中传播时，也会很快衰减。不过，这种衰减有一个特点，高频声音衰减得更快，而低频声音衰减起来要慢得多。

几年前，有一部美国动漫大片《极地特快》，片中有这样一段故事——当圣诞老人乘坐驯鹿雪橇到来时，天真无邪的孩子能听到驯鹿脖项上清脆悦耳的挂铃声，而童心不在的大人却什么也听不见。这一情节设计看似荒诞，却可以在物理学上找到现实依据。我们知道，声波在单位时间里的振动次数称为频率，单位赫兹（Hz）。其中，人耳能够听到的声音频率范围是20—20000赫兹。在这个频率范围以上的是超声波，以下的则是次声波。通常来说，儿童的听觉最灵敏，频段范围最广，而成年人能听到的声音频率多在30—16000赫兹之间，老年人则进一步缩至50—10000赫兹。

对于潜艇来说，耳朵就是声呐。由于低频声波传播过程中衰减较慢，所以潜艇的被动声呐就要尽可能地把自己的听力范围向低频延伸。现代潜艇被动声呐的工作频段一直向下延伸到了只有几个赫兹。也就是说，对于潜艇噪音而言，最致命最可怕的其实是人耳根本听不见的次声波。

R级比海狼更安静？

看到这个标题，很多人会吓一跳。R级是苏联二战后研发的第一代常规潜艇，它的中国国产型号就是大名鼎鼎的33型潜艇；而海狼级则是美国最先进的核动力攻击潜艇。要说老旧的R级比海狼级更安静，可能谁也不相信。

别急，且听我慢慢道来。

关于潜艇噪音，坊间流传最广的一个说法是：俄罗斯最先进的核潜艇噪声大约为100分贝左右，与美国的洛杉矶级攻击型核潜艇大体相当；而美国最先进的海狼级核潜艇的噪声只有95分贝，已经接近于海洋90分贝的背景噪声，所以安静性极高。

笔者大学学习的恰是潜艇工程专业，在网上看到这个说法之后，让我想起了当年课堂上老师讲过的一段内容：当年他曾经对R级潜艇进行过噪声测试，在低速航行的情况下，R级的噪声大约是70多分贝。如此说来，R级潜艇岂不是比海狼级更加安静？而且安静的还不是一点半点，20分贝，意味着R级的噪音比海狼级要低了几倍。

出现这种结果并不奇怪。首先，访问流言的可信程度本身就成问题。潜艇的噪声水平，对于任何一国海军来说，都是绝密中的绝密，岂可轻易拿出示人。记得大学课程中，老师能够拿出的潜艇噪声数据少得可怜，而且全部都是二战前后的老潜艇，老师还一再表示，潜艇噪声数据极难获得，能够公开拿出来的只有这一点点。

其次，潜艇所处工况不同，噪音值差距巨大。95分贝究竟是海狼级潜艇多大航速下、什么工况下的噪声值？不知道。如果拿海狼级高速时的噪声与R级低速时的噪声相比较，结果肯定是南辕北辙。至于90分贝的海洋背景噪声，也没有任何条件。恶劣海况和风平浪静时，海洋背景噪音岂能一致？

再次，测量标准和测景方法的不同，结果也是无法对比的。空气中测量噪声相同，水声测量也要定义一个0分贝值，这时的0分贝是按照测量使用的声呐灵敏度定义的。换句话说，不同灵敏度的测量仪器，0分贝的定义点是不一样的。说句与此稍有关联的题外话：潜艇安静性的提高仅仅有利于隐蔽吗？告诉你吧！还有一个更大的收益，就是声呐的性能会大幅提高。同产老式的33型潜艇和035型潜艇最初使用的是同样的声呐，但由于035艇更加安静，所以声呐的探测距离大幅提高。水声测量的仪器实际上也是声呐，所以，不同标准下的测量环境不同，结果也会有不小的差异。

艇员的悄悄话

在反映潜艇战的国际电影中，一到关键时刻，艇员们个个屏住呼吸，大气不敢处，就连指挥员下达命令都尽量降低声调，放慢语速。其实，这要么是导演故意制造紧张气氛，要么是艇员心理因素作怪。因为艇员说话的声音要想透过艇内的空气、潜艇壳体传播到海水中，早已被衰减得听不见了。倒是艇内对艇体的敲击可能更加致命。但谁会闲得没事敲击艇体呢？还真有这样的主儿，那就是潜艇内部机器运转产生的机械振动。

要说常规潜艇内部的头号噪声源，非柴油机莫属。柴油机活寒的剧烈往复运动，会产生强烈的震动，关于这一点，见过小四轮拖拉机的读者一定有深刻的体会。所以潜艇用的柴油机，不光要马力大、体积小、重量轻，更重要的是要能安静运行。在国际展会上，德国制造的柴油机可以放在红地毯上安静地工作，甚至不影响隔壁人休息。德国潜艇何以行销全球，一台柴油机的差距足见分晓。当然，光靠柴油机本身降噪还远远不够。另一个有效的办法是将柴油机在潜艇内“隔离”起来，不让振动传出艇外。柴油机振动传出艇外的途径有两个：其一，一些老艇采用一根轴联结柴油机、发电机、电动机和螺旋桨的直接传动方式，会将柴油机的振动噪声，通过轴系直接传至艇外。所以，新型常规潜艇几乎清一色采用间接传动方式，柴油机只连接发电机，发出电能驱动主电机转动螺旋桨，这样一来，便切断了轴系这个振动传播途径；其二，柴油机的振动还会通过机座传至艇体，解决的办法是使用减震浮阀将柴油机与艇体隔离开来。柴油机的振动经过减震浮阀便会大大衰减。

潜艇内部的第二大噪音源是辅机，所谓辅机是辅助机械的简称。虽然只是辅助机械，可是噪音也不小，最典型的就是空气压缩机。潜艇的一些操作要用到高压气，比如上浮时要用高压气把压在水仓中的海水排出艇外。高压气平时装在几十个高压气瓶中，使用中损耗的高压气，要用空气压缩机补充到气瓶中。我们装修房子时常会使用一些小型的气动工具，如射钉枪。装修中用的电驱动小型空压机，噪音之大，能把整栋楼都震得嗡嗡响，经常遭到左邻右舍的抗议。因此，大家便可想见潜艇辅机噪声有多么可怕。解决辅机噪音的法宝也是减震浮阀，先进的常规潜艇中，辅机舱的甲板就是一大块减震浮阀。

看来减震浮法真是个好玩意儿，那它又是个什么东西呢？其实它不过就是下面安满了弹簧的一块大板子，板子越重减震效果越好。甚至还可以用两层板子和两层弹簧，构成双层减震浮法。不过双层减震浮阀的体积重量都很大，这也算是为了降噪付出的代价吧。

奇怪的螺旋桨

读者有时候会在图片中看到一些潜艇航行时尾部推进器的桨叶居然露出了水面，一定会觉得很奇怪。试想，如果潜艇处于水面航行状态，这种螺旋桨设计未免效率太低了吧？水面舰艇可见不到这种情况。

其实，这也是噪音惹的祸。潜艇的噪声源除了内部的机械振动外，还有外部的水动力噪声。螺旋桨是产生水动力噪音的大户。如何降低螺旋桨的噪声呢？ 一个简单的想法是：转速越低肯定噪声越低。在一些专业资料中可以看到，潜艇螺旋桨正常航速下的转速每分钟只有几十到几百转，远远低于水面舰艇的转速。可转速低推力不够怎么办？加大尺寸。所以在一些先进潜艇的介绍时，我们常常能看到“采用低速大直径螺旋桨”的说法。

现实中，潜艇航速与噪声之间并非简单的线性关系，而是到达某个阈值，即最大静音航速，又称临界航速后，噪音陡增。这种情况源于空化现象——螺旋桨在水中旋转，叶片表面和顶端会产生负压区。内侧一面因压力小、沸点低，由此形成的大量气泡就会爆裂，发出一种很响的噪声，这就是所谓空泡噪声。航速越高，潜深越浅，就越易产生空泡噪声。解决这个问题的办法：一是降低转速；二是增加桨叶的面积，把负压分散开来。于是，潜艇螺旋桨直径不断增大的同时，桨叶数量也不断增加，目前，是否应“7叶大倾斜螺旋桨”已成为检验常规潜艇先进性的重要指标。不过，问题并未到此结束。

像潜艇推进器这类大型金属件，由于加工精度高、难度大。一旦叶片或电机轴等旋转部件对称性没处理好，照样会因振动增大产生机械噪音。冷战期间，由于工艺落后，巡弋在大洋深处的苏联潜艇常因“动静”过大频遭美军跟踪。为此，苏联经过精心策划，以高额商业回报为诱饵，通过日本东芝公司作中间人，从挪威转购到了4台五轴联动数控铣床，使苏联掌握了大型螺旋桨空间曲面的精密加工技术，从而有效降低了潜艇推进器噪音。这就是当年著名的 “东芝机床事件”。

在水动力噪声中，还有一个可怕的杀手，它有个好听的名字“唱音”。这是由水流冲击引发螺旋桨或艇体局部共振造成的。具体表现是，在某个频段上，噪声的声压值突然剧增。作为每艘潜艇所独有的识别特征，唱音又被称为“声纹”，具有很高的情报价值。为了避免出现唱音，现代潜艇要尽可能地取消艇体表面的突出物，甚至连排水孔都要做成可启闭的。

消声瓦的秘密

说到潜艇降噪，兵器发烧友们都对消声瓦津津乐道。乍看消声瓦，不过是些贴于艇体之上傻大黑粗的橡胶块。如果仅从外部观察，我们还真瞧不出这种被各国海军视作“降噪法宝”的装备有何神奇之处。

消声瓦的工作原理并不复杂，无非是通过结构设计，使进入其内部的声能消耗掉，从而减少回波，达到降低敌方主动声呐探测距离的目的。同时，消声瓦还能隔离内部噪声向艇外辐射，抑制艇体振动，降低本艇自噪声，堪称“一瓦多用”。

但机理简单，可不代表消声瓦只是缺乏技术含量的普通橡胶块。恰恰相反，其不仅制造工艺要求高，而且在形状、构造乃至敷设方面都很有讲究。为实现最大程度衰减声波的效果，消声瓦都被做成空腔，腔壁上专门用来折射声波的楔形槽的几何尺寸则经过了反复试验。而且，根据相应的振动频率，在艇体不同部位使用的消声瓦形状也各有千秋。同时，消声瓦的敷设也是门技术，如果这一过程中出现缺胶、漏气等问题，就可能影响到潜艇的隐身性能。

常规潜艇的优势

读到文章前面的那个话题：R级比海狼更安静？可能便会有人提出这样的问题：常规潜艇与核潜艇谁的噪声更低？从理论上讲，常规艇的优势或许更大一些。

通常，常规潜艇排水量小、体积小，相对体态庞大的核潜艇来说，水动力噪声会小一些，水动力噪声的控制也要容易一些。至于艇内机械噪声，虽说常规潜艇的柴油机噪声不小，但它仅仅在通气管航行状态下才会工作，一般只占出航时间的四分之一到三分之一。而核潜艇的机械噪声源主要是传动齿轮和反应堆的循环泵，两者在航行中属于全时工作。只有极个别的先进核潜艇，采用电力传动和反应堆自然循环工作，才能把这一块噪声真正降下来。此外，核潜艇的优势在于水下长航时和高速度，因此在战术使用上与常规潜艇大不相同。前者多用追杀方式，后者多用伏击方式。所以在实战中，核潜艇常用的航速大大高于常规艇，此时单纯从噪声而言，核潜艇肯定要高一些。此时，常规艇的低航速、低噪声，虽然有利于隐蔽性，但攻击的机会要远远低于核潜艇。

早些年，国外就有过报道，美国和埃及举行海上联合演习时，埃及一艘R级常规潜艇成功突破美军反潜体系，在距美国航母不到1海里的海面上浮以示胜利。上世纪90年代，荷兰一艘服役20多年的旗鱼级常规潜艇，同样在北约军演中，单艇对抗7艘反潜舰并大获全胜。或许这也可以证明常规艇的寸有所长吧！

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