消聲瓦

第二次世界大戰末期，德國海軍為了挽回敗局，減小潛艇的損失數量，開始在部分常規動力潛艇外殼加裝防聲“外衣”，以減少被敵發現的概率，並將其命名為“阿里貝里奇”。它是由厚約30毫米、內部有直徑2-5毫米圓柱形空腔的合成橡膠材料構成。

德國戰敗后，前蘇聯和英國均獲得了部分“阿里貝里奇”技術，在此基礎上，前蘇聯和英美開始分別發展各自的消聲瓦技術。經過幾十年的發展，最終形成風格各異，同時又有十分優良的吸聲、抑振效果的消聲瓦系統技術。隨著消聲瓦作用不斷被實踐所證實，現已被世界各海軍強國廣泛採用，已成為現代先進潛艇的一項重要標誌之一。

消聲瓦的關鍵材料即水下吸聲材料，它對聲波的損耗作用主要是通過材料的粘性內摩擦作用和彈性弛豫過程完成的。粘性內摩擦作用的原理就是阻尼損耗。

彈性弛豫過程的吸聲機理是：彈性吸聲材料會變形，主要是由於每個分子由球形變為橢圓形，而分子鏈本身並無變化。這種變形的特徵是有明顯的彈性滯后現象。即分子鏈由原來各鏈段紊亂排列的球形構象，向各鏈段接近同向排列的構象過渡需要一個過程。而使一個分子鏈的各鏈段完全進入與外力大小相應的新構象分佈時，需要更長的時間。

同理，除去外力作用時恢復原狀也需要一個過程。在這一過程中，變形落後於應力的變化，使得聲能轉變為熱能而損耗。通過對吸聲材料分子結構進行設計，可以達到增加粘性內摩擦和弛豫吸收的目的。潛艇表面覆蓋消聲材料是為了降低聲反射強度，達到回聲隱身的目的。

“減少敵方主動聲納探測距離”是消聲瓦的主要功能。其工作機理就是在海水與船體之間產生阻抗匹配，使得聲波能夠進入消聲瓦內，由於消聲瓦材料的阻尼作用和瓦內空腔或填充物的作用，使聲波波形發生變換，聲能轉化成熱能被消耗掉，從而使返回的聲波能量大大降低，達到減少主動聲納探測距離的目的。

消聲瓦的材料、結構、厚度以及所貼艇體的結構不同，其吸聲效果也不盡相同。據美國海軍報道，俄羅斯“颱風”級潛艇敷設了150毫米厚的消聲瓦后，可使美國MK 46和MK 48型魚雷的主動聲納的探測距離減小到30%左右。這一點在美、英海軍進行的聯合軍事訓練中得到了證實。英國裝有消聲瓦的“壯麗”號核潛艇與美軍兩艘裝有主動聲納的“鱘魚”級核潛艇進行反潛戰模擬對抗時，“鱘魚”動用了各種反潛探測器卻始終未能發現其聲納工作範圍內活動的“壯麗”號蹤跡。

在消聲瓦使用之初，人們認為消聲瓦的主要功能是吸收敵方主動聲納發出的探測波。隨著消聲瓦技術在潛艇上的廣泛應用，人們發現消聲瓦除具有吸聲功能外，同時還能抑制艇體振動，隔離內部雜訊向艇外輻射，降低本艇自雜訊，改善本艇聲納的工作條件，使本艇聲納作用距離獲得較大的提高。外界對俄羅斯“阿庫拉”級核潛艇裝備的消聲瓦的評價是：“既能吸收敵方聲納發射的聲波能量，又能吸收艇殼振動的輻射能量。”當然，這需要一定的設計水平才能實現。但是，一種消聲瓦難以同時具備良好的吸聲和隔聲性能，而且低頻吸、隔聲性能難以滿足使用要求。為了最大程度地發揮消聲瓦的作用，最大限度地降低潛艇的聲信號特徵，針對特定的頻段研製出了具有不同“專長”的消聲瓦。俄羅斯核潛艇的耐壓殼體外表面、非耐壓殼體的內表面和外表面均敷設有不同功能的消聲瓦。

總之，消聲瓦具有吸聲、隔聲、抑振等多種功能，可有效降低潛艇自雜訊和聲目標信號強度，是提高潛艇隱蔽性的有效裝備。

2012年，《美國聲學會志》（J. Acoust. Soc. America, 132(2012)694）刊登了中科院力學研究所王育人課題組有關水下吸聲材料的最新研究結果。性能優異的現代水下吸聲材料具有廣泛的應用前景和迫切的現實需要。亟待解決的關鍵技術問題是提高材料在寬頻範圍內的吸聲能力、保持材料在高靜水壓力下的強吸聲特性以及加強複雜環境下材料的綜合服役性能。

王育人課題組提出了一種基於局域共振吸聲基元網路化的寬頻水下吸聲材料新構想——“聲子玻璃”新型水下吸聲材料。他們利用多孔材料骨架並結合共振吸聲原理，構築了具有寬頻多模態振動模式的吸聲材料，實現了寬頻強吸聲特性，同時多孔骨架複合材料大大提高了材料的耐高靜水壓力能力。

在前期工作中，為了滿足現代水下吸聲材料對寬頻吸聲頻譜可以被任意剪裁的需要，課題組通過將二維局域共振單元與木堆結構相結合，提出了一種被稱作局域共振聲子木堆的水下吸聲材料，這種材料可以拓寬和控制吸聲頻譜。

前蘇聯生產的潛艇往往雜訊很大，這是由於當時前蘇聯的製造業與加工水平相對落後造成的。為達到在全球和美國爭霸的目的，前蘇聯對潛艇的聲隱身和減振降噪技術一直投入大量的人力物力，多年發展后，其消聲瓦技術已經非常先進，種類也比較齊全。經過二十世紀五六十年代的設計研究和反覆試驗，前蘇聯於1965年開始在潛艇上正式敷設消聲瓦，並且所有現役潛艇均敷設有消聲瓦。前蘇聯消聲瓦的基材主要是丁苯橡膠（前蘇聯是橡膠生產大國，有豐富的丁苯橡膠資源），為最大限度地達到吸聲效果，其消聲瓦一直是帶有一定聲學結構的橡膠製品。

前蘇聯的潛艇自雜訊很高，在努力將敵主動聲納下雜訊強度降低的同時，一直積極研究降低本艇自雜訊的方法，並將消聲瓦技術和浮筏技術等機械雜訊治理、袖套等管路雜訊治理這些減振降噪手段有機結合起來，效果顯著。

前蘇聯認為攻擊型潛艇與戰略核潛艇由於承擔的任務不同，在設計時，前者要突出靈活性，後者要優先考慮安靜性，為此，兩者所採用的消聲瓦技術也是有很大區別的。“阿庫拉”級攻擊型核潛艇舯部與艉部殼體均敷設了50-150mm厚的消聲瓦，艏部殼體使用的則是一種蒙皮。這種蒙皮如同海豚皮一樣，在水下航行時能起到抑制某種介質邊界層的作用，有效地減小了航行阻力。據推測，這種蒙皮是由上下兩層固態橡膠和中間的液態橡膠所組成的，能夠隨航速和壓力的變化自動進行調整。這是已經公開的該技術的唯一工程應用實例。“颱風”級是世界上最大的戰略核潛艇，整艇均敷設了100-200mm厚消聲瓦（採用陶瓷和橡膠複合構成），沒有採用蒙皮，反映了前蘇聯對攻擊型潛艇和戰略型潛艇在消聲瓦上的不同設計思路。前蘇聯的潛艇，尤其是核潛艇其外殼體很少僅敷設一種規格的消聲瓦，外銷艇除外。這是因為潛艇的各個部位對於整艇的噪音強度的貢獻均不相同，還沒有一種消聲瓦能夠包辦解決所有問題，所以同一艘潛艇（主要是核潛艇）的不同部位敷設的消聲瓦厚度差別很大，其根據在於不同厚度消聲瓦的聲學結構是不盡相同的。“塞拉”級和“阿庫拉”級核潛艇開始採用的一種新的雙層消聲瓦不僅能減小聲納的反射信號，還能降低自雜訊。這種瓦的內層是一種直徑各不相同的多孔瓦，用於消除特定頻率的聲音，外層則是整體的，用於吸收主動聲納信號，以減少主動聲自導魚雷攻擊的可能性。

前蘇聯潛艇均採用雙殼體，設計人員充分利用這一結構，在潛艇的內外殼體上均敷設了消聲瓦。外殼體敷設的消聲瓦主要是減小反射信號，內殼體的消聲瓦主要是降低本艇自雜訊，且主要敷設在雜訊較大的艙室外壁，有針對性地敷設解耦瓦、阻尼瓦或消聲器。

第二次世界大戰後，英國國力逐漸衰落，英國海軍的潛艇更新換代速度很慢。消聲瓦技術的研究雖然起步很早，但發展水平遠遠落後於前蘇聯。英國海軍於20世紀70年代中期曾在“丘吉爾”號核潛艇上進行消聲瓦的敷設試驗，此後在“敏捷”級的“壯麗”號和“君權”號艇的改裝期間都敷設了消聲瓦，粘貼方法與前蘇聯潛艇相似，雖取得了很好的效果，但是消聲瓦的粘貼和脫落問題一直困繞著英國海軍，其潛艇在出海歸來時消聲瓦往往都會脫落大半。所以，在“特拉法爾加”級核潛艇和“支持者”級常規潛艇上敷設消聲瓦時採用了纏繞技術，但似乎效果也並不理想，“支持者”級潛艇也存在大面積的脫落現象。英國海軍已放棄先預製消聲瓦，再通過粘合劑在實艇敷設的工藝，而直接採用實艇現場澆注成型技術，其消聲瓦的基材是聚氨脂。

美國的消聲瓦技術研究起步很晚，是在前蘇聯將消聲瓦、浮筏等一系列聲隱身和減振降噪技術在潛艇上成功應用之後，特別是“東芝事件”后，前蘇聯有效地解決了螺旋槳加工製造技術，使其潛艇的雜訊水平接近美國潛艇。美國憑藉其先進的科研技術和雄厚的工業及經濟基礎，且獲得了英國的消聲瓦相關技術，迅速地發展起來。美國海軍艇體結構與前蘇聯潛艇不同，採用單殼體結構，潛艇自雜訊情況與前蘇聯潛艇也不相同。因此，消聲瓦設計並不完全相同。美國潛艇的消聲瓦除了降低本艇的雜訊強度、降低本艇的聲輻射水平、減小本艇的航行阻力這三點設計思路與前蘇聯一致外，還有防污與有效提高本艇聲納工作效能的功能。美國海軍於1988年在“洛杉磯”級核潛艇“聖胡安”號上首次敷設了消聲瓦，這種消聲瓦是由聚氨脂和玻璃纖維組成的雙層鋁板固定式吸聲結構。單層消聲瓦能降低自雜訊25分貝，雙層消聲瓦可降低40分貝左右。其消聲瓦敷設還借鑒了太空梭隔熱瓦的敷設工藝。美國還在積極研究自控系統介質邊界層控制，類似於前蘇聯的“蒙皮技術”，據說採用的還是聚氨脂材料，以降低本艇水動力雜訊和減小水下航行阻力。該項技術將在實艇進行應用，並會領先於俄羅斯。

日本也投入了大量的人力物力進行消聲瓦的研究工作，並且進行了實艇敷設。但它的消聲瓦技術相對於美俄還處於起步階段。最新下水的潛艇水線部分消聲瓦依然保留加壓工裝，可見日本還沒有很好解決消聲瓦的粘貼問題。

法國海軍也一直獨立進行消聲瓦技術的研究。該國海軍最早研究的消聲瓦是採用混凝土外覆橡膠的方式，消聲瓦基材為聚硫橡膠，消聲瓦結構和敷設方法尚未公開。

澳大利亞的消聲瓦技術是根據本國海洋特點和海軍的實際情況獨立發展起來的，非常適應澳洲特殊的海洋條件，並且本身還具有防污功能。另外，澳大利亞還開發出消聲瓦的計算機設計軟體。

由於使用消聲瓦技術可以顯著提高潛艇隱蔽性，因而受到世界各海軍強國的高度重視。消聲瓦技術主要包括消聲瓦本體技術、安裝技術以及瓦與艇總體的匹配技術。

消聲瓦本體技術主要包括消聲瓦材料、吸聲結構的設計及製造技術，如何採用合適的材料、設計合理的結構以達到最佳效果，是消聲瓦本體研究的難題。

前面已經談到，不同厚度、材料和結構的消聲瓦的效果不盡相同，即使同樣的消聲瓦，貼在不同處，效果也不相同。隨著減振降噪技術的發展，消聲瓦與艇體總體匹配技術也不斷提高。俄羅斯不同的潛艇敷設消聲瓦的厚度不同，同一條潛艇不同部位敷設的消聲瓦也不相同。前蘇聯海軍V級“共青團員”號核潛艇的艏部外殼使用了“皮膜塗層”，而舯、艉部外殼則採用了100毫米以上厚度的消聲瓦；“阿庫拉”級核潛艇也採用了這種方法。俄羅斯對消聲瓦的“巧用”是其潛艇隱身性能夠取得重大進展的關鍵，也是其消聲瓦技術處於世界領先的表現。

消聲瓦的實艇安裝技術是先進技術能否轉化成戰鬥力的關鍵。據報道，前蘇聯早期敷設於潛艇的消聲瓦脫落現象比較嚴重，而後解決了“粘合”問題，從了解的情況看，消聲瓦脫落現象基本杜絕。英國消聲瓦技術進展緩慢的一個重要因素是其一直未能很好解決消聲瓦脫落問題。從有關資料上公開發表的“天才”號和“支持者”號照片上可以清楚地看到這種現象。

綜上所述，提高消聲瓦材料及聲學結構設計水平，加強消聲瓦聲振特性與潛艇艇體結構聲振特性匹配研究，改進消聲瓦裝艇技術使其更加適應惡劣的海洋工作環境是將來消聲瓦技術的發展方向。隨著科學技術的飛速發展和反潛探測手段的不斷提高，消聲瓦技術也將不斷提高，對提高潛艇的隱蔽性和生存能力將會起到越來越重要的作用。

在各國海軍的消聲瓦中，當屬美俄的技術最為先進，尤其是俄羅斯，有了在前蘇聯時期雄厚的技術積澱，它的消聲瓦種類最多，裝備消聲瓦的潛艇數量也居多。英國海軍正處於更新換代時期，其最新型的“機敏”級潛艇將裝備融合最新技術的消聲瓦。從總的發展趨勢看，消聲瓦在合成材料與粘貼技術上將有新的發展。就材料而言，諸如英國海軍使用的聚氨脂材料、法國海軍的聚硫橡膠、廣泛用於聲學材料的丁基橡膠等，都是發展消聲瓦技術的很有前途的合成材料。從結構而言，美國海軍使用的玻璃纖維制雙層薄板消聲瓦，則被認為是消聲瓦未來發展的一種趨勢。以前蘇聯的系列消聲瓦為代表的其他形式的複合材料與複合聲學結構相結合的消聲瓦，由於具有優良的吸聲和減振效果，也必然是未來消聲瓦設計的重點。

在消聲瓦結構設計多樣化的同時，消聲瓦的使用日趨專用化，適於特定艇體的區域或特定頻段的專用型消聲瓦逐漸得到廣泛應用（前蘇聯對不同活動區域的潛艇敷設不同材料的消聲瓦）。要求消聲瓦既保持吸聲效果，還要使其具有減振作用，將來還會廣泛應用以降低本艇自雜訊為主要目的的“特種消聲瓦”。

消聲瓦技術已不再是一種完全獨立的領域，而是潛艇聲隱身和減振降噪技術、艇體水動力雜訊治理、艇體防污等多項技術工程綜合應用的領域。通過世界各國消聲瓦的研究與應用實例可以看出，消聲瓦的研究必須系統化、系列化，要建立並遵從一個設計原則，同時要把消聲瓦的研究與艇內機械雜訊的減振降噪等多學科的研究相結合。因為僅一種消聲瓦並不能適用於潛艇的所有部位，單憑消聲瓦也不能解決潛艇聲隱身的全部問題。另外，在積極借鑒外國先進經驗的同時，還必須立足於本國的實際特點與情況，決不能對外國的技術進行簡單生搬硬套。只研製某一種消聲瓦，不考慮其使用背景，不建立一個系統觀念，沒有一個符合國情的消聲瓦設計原則，只是一味地進行簡單模仿，其結果往往是只知其然，卻不知其所以然，消聲瓦技術的研究將會十分被動，也很難發生質的突破。

現代戰場上的主要矛盾已經從“打擊”和“抗打擊”逐步向“發現”和“抗發現”轉化。消聲瓦技術是提高潛艇隱身性能，提高其戰鬥力和生存能力的最有效措施之一。潛艇的特徵是隱蔽、突襲，在現代反潛技術高度發展的時代，沒有良好的隱身性能的潛艇是不可設想的。高性能的先進消聲瓦是必不可少的，

決不能對外國的技術進行簡單的生搬硬套。要有一個符合國情的消聲瓦設計原則，使消聲瓦技術的研究有突破性進展，提高潛艇的聲隱身性能。