1、引言

“海 狼”級和“弗吉尼亞”級潛艇是美國目前最先進的攻擊型核潛艇，自服役之始就被看做是攻擊型核潛艇巔峰之作，在網絡上和軍事評論界流傳着很多關於這兩種核潛 艇先進程度的描述，最多的莫過於其神奇的低噪聲隱身性能。網絡上和軍事評論界對美國這兩級最先進核潛艇低噪聲隱身性的一般評價有如下說法:輻射噪聲已經低 於海洋背景噪聲、在水下20節航行的弗吉尼亞級噪聲低過碼頭停泊的洛杉磯級別，還有直接“數據”說話說這兩級潛艇噪聲級為95dB而海洋背景噪聲為100 ——110dB等等諸如此類說法。甚至有些比較嚴肅的專業研究艦船降噪或水聲學的科技論文也不加求證和思考的引用這類數據。這些說法另普通軍迷眼花繚亂無 所適從、媚外者狂喜不已如痴如醉、愛國者妄自菲薄自怨自艾。本文通過對潛艇噪聲理論極限的分析，結合網絡上能夠找到的資料，推測“海狼”級和“弗吉尼亞” 級核潛艇真正的聲學隱身水平，與其他潛艇聲學隱身性能對比，力求打破“海狼”級和“弗吉尼亞”級核潛艇靜音神話。

2、潛艇噪聲的組成，及潛艇噪聲理論下限的物理概念

潛 艇的噪聲可以分為輻射噪聲和自噪聲兩種。其中輻射噪聲是由潛艇上的機械運轉和潛艇運動所產生的並輻射到水中的噪聲，它是由離開潛艇一段距離的水聽器接受到 的噪聲。 潛艇自噪聲是安裝在潛艇艇體某部位上的全向水聽器接收到的由於潛艇自身動力裝置﹑設備和艇體運動所引起的噪聲。對於潛艇靜音性和隱身性來說有意義的是潛艇 輻射噪聲，潛艇自噪聲主要影響自身聲納的探測能力。潛艇輻射噪聲一般由機械噪聲、螺旋槳噪聲以及水動力噪聲組成。這些噪聲分量的來源和貢獻如下：

（1） 機械噪聲：機械噪聲是由艇上各種機械設備、管路系統產生的噪聲。主要包括潛艇航行的主機（柴油機、主電機、汽輪機等），變速箱，配套推進傳動裝置（如軸系 等）一集輔助機械在運行過程中產生的振動，通過底座或支架傳遞到船體，激勵船體振動向水中輻射聲波。機械噪聲是潛艇低速巡航時最主要的噪聲源。

（2）螺旋槳噪聲：螺旋槳噪聲是槳葉在非均勻流場中旋轉運動產生的，包括螺旋槳空化噪聲、螺旋槳轉動噪聲和槳葉振動噪聲。螺旋槳噪聲是潛艇高速航行時的主要噪聲源。

（3）水動力噪聲：水動力噪聲是由不規則起伏的海水作用於航行潛艇所產生的噪聲。該噪聲包括流噪聲、流激振動噪聲和表面空化噪聲。水動力噪聲主要影響平台自噪聲，也就是對自身聲納工作有影響。

通過以上介紹可以看出，潛艇的主要輻射噪聲來源是機械噪聲和螺旋槳噪聲，而一艘潛艇只要他在運動必然必然不可避免的有流噪聲存在，那麼潛艇噪聲的理論下限的推導就基於如下假設：

某一艘以一定速度航行的潛艇，沒有任何機械噪聲和螺旋槳噪聲，艇殼沒有被流場激發振動，也不會產生表面空化，也就是只存在流噪聲。這種情況的潛艇就達到了潛艇噪聲的理論極限，除非航速為0，否則其噪聲不可能降低了。

3、潛艇噪聲理論下限的分析

（1）潛艇模型流噪聲計算

第 3節筆者已經指出了，潛艇噪聲的理論下限就是潛艇的流噪聲，流噪聲可以通過等比或縮比模型在水洞中直接測量。同時，一個十分令人振奮的情況是：流噪聲可以 通過流體有限元仿真軟件也就是CFD（Computational Fluid Dynamics）直接計算，而商用的CFD軟件種類十分的多，同時這方面的文章筆者也找到不少。此處選擇採用試驗數據齊全的 美國全附體潛艇縮比模型SUBOFF 相關的CFD流噪聲計算結果作為論據。SUBOFF 潛艇是DARPA(美國國防預研規劃署)和大衛·泰勒研究中心(DTRC)共同成立的規模龐大的 DARPA SUBOFF 研究課題。 SUBOFF 模型，尺寸比例為 1：24，縮小後的模型尺寸為艇長 4.356m，艇身最寬處為 0.508 m ，指揮台長 0.368m，上有一外凸的頂蓋。尾翼布置方式為翼型後緣位於 4.007 m 處，尾翼布局為十字型，四個尾翼剖面為 NACA0020 翼型，對稱布置。

從 數據和長寬比例上看，其線型和尺寸基本是海狼級或弗吉尼亞級的縮比，而實際上美國海軍研究部門也以此模型來對上述潛艇的噪聲進行的評估。採用商用CFD軟 件，計算該潛艇模型的輻射噪聲，計算時模型運動速度為6節，下列兩幅圖分別是潛艇模型的表面壓力場分布和折算到1米處的輻射噪聲頻譜圖。

從圖中可以看出，這種全附體潛艇模型1kHz流噪聲聲壓譜級約為70dB，總聲壓級根據計算大致為98dB左右。值得一提的是根據美國海軍研究部門公開的該模型在水洞中的實測總輻射噪聲結果約為101dB，仿真計算和實驗結果基本一致。

（2）實際潛艇流噪聲分析

由 於理論計算的潛艇模型是縮比模型，實際潛艇的表面積遠大於模型潛艇，也就是流噪聲要遠大於縮比模型計算結果。我們在這裡再做一個讓步的假設，即：實際潛艇 流場分布和表面壓力分布與模型潛艇完全一致，其流噪聲總聲源級僅與輻射面積有關。這種假設之所以是讓步，是因為顯而易見大型的物體在運動時，周圍流體的繞 流難度增大，流場不均勻性要大於其縮比模型的計算結果，其流噪聲也要高於縮比模型總源級加上輻射面積引起的差值。

聲 學中如果一個物體表面壓力場一定，那麼其輻射的總聲功率與其面積成正比。縮比模型是1:24，那麼其表面積比為1:24^2=1:576。那麼由表面積引 起的聲源級提高為10lg(576)=27dB，由此計算真實潛艇在6節航速下，總流噪聲聲源級為101+27=128分貝，其1kHz輻射譜級因為 97dB。根據流噪聲理論和實驗結果，在縮比模型放大到實際模型尺寸情況下，流噪聲的總源級基本不會發生變化，但低頻段噪聲會抬高，高頻段噪聲會降低。根 據此情況，對1kHz譜級修正6dB，那麼真實潛艇在6kn條件下的流噪聲總源級為128dB，1kHz譜級為91dB。

通過以上分析可知，一艘長度24*4.356=104m，寬度12.2m的潛艇，在6kn狀態航行時，如假設其僅有流噪聲，則其輻射噪聲總聲源級理論下限為128dB，1kHz譜級理論下限為91dB。

4、“海狼”級和“弗吉尼亞”級真實噪聲級估計，與其他潛艇噪聲的對比

通 過第三節的計算我們可以看出，6kn航行的潛艇噪聲總源級的理論下限是128dB，1kHz譜級下限是91dB，那麼流傳的“海狼”級和“弗吉尼亞”級噪 聲級95dB就應該是1kHz譜級這樣才比較合理，在1kHz譜級為95dB的情況下，根據一般潛艇噪聲頻譜模型，則該潛艇的總聲源級為135dB。這個結論也符合國內水聲學和潛艇降噪領域關於潛艇安靜型技術水平的判斷。

同時根據國外文獻對蘇聯/俄羅斯和中國潛艇噪聲強度的描述與海狼級作對比，國外文獻描述如下：

Designer                   SL in 5-200Hz                       SL in 1kHz               Speed

Delta III                            125-130                        105-110                    4

Delta IV                            120                               100                          4-8  

Typhoon                          125                               105                          4-8

Victor III                           130                               110                           4

Akula                                118（110）                    98（90）             4-8  

093                                  130-135                       110-115                     4

094                                  120                              100                           4-8

Kilo 877                            128                              108                           4

Kilo 636                            118                              98                             4

此處AKula級潛艇噪聲的原始描述（括號內）由於也低於了理論極限，因此此處不予採信，真實情況應該是括號外的估計值。另外，美國有報道中國的091級核潛艇噪聲為160dB，此處認為其描述的是200Hz以下頻帶級，那麼對應的1kHz譜級為125dB。

同時根據計算和分析推測的美國潛艇的真實噪聲情況情況如下：

Designer                   SL in 5-200Hz                       SL in 1kHz               Speed

688I                                 130                              115                           6-8  

海狼級                                 115                              95                            6    

弗吉尼亞級                         115                               95                            6    

此 處需要注意的是由於只計算了6kn航速下的流噪聲理論值，因此本文僅給出6kn條件下的美國潛艇真實噪聲情況，在高速情況下美國潛艇的噪聲也一定會同樣增 高，雖然海狼級號稱靜音航速可以達到20kn，但那只是螺旋槳不空化的上限，並不是其95dB@1kHz的噪聲值可以保持到20kn，實際上20kn情況 下，即使是海狼級其噪聲也將達到115dB@1kHz，將與低速航行下的Victor III 級相當。

由 以上對比可以看出，雖然美國潛艇在噪聲級上確實比其他國家核潛艇低，但並沒有飛躍性的提高，同時受到理論噪聲極限的限制，潛艇噪聲實際上也不可能無限制的 降低。美國潛艇的噪聲實際上已經被控制的十分接近理論值了，其他各國也要向其學習，首先將能夠控制的機械噪聲和螺旋槳噪聲降低到最小。

結束語

通 過以上分析、仿真和論證，“海狼”級或“弗吉尼亞”級固然是世界頂級的先進潛艇，其安靜性已經基本達到了理論極限，但與其他國家潛艇相比，其聲學隱身的領 先程度並沒有想象的那麼巨大，對水聲學探測也沒有顛覆性的挑戰。軍事愛好者和專業人士應該對其性能保持清醒的頭腦和理性的認識，不能人云亦云，空造神話， 這對分析國內外軍事水平，引導我國潛艇發展方向，謀劃我國反潛和潛艇戰略戰術都有着十分重要的意義。

參考資料

[1]全附體潛艇流噪聲數值計算.曾文德等，兵工學報，2010.9

[2] Nancy C. Groves, Thomas T. Huang, Ming  S. Chang. Geometric Characteristics of DARPA SUBOFF Models. David Taylor Research Center, 1989.

[3] A. J. Musker, P. R Loader, M. C. Butcher. Simulation of Submarine in Waves. ISP, vol.35, No.404, 1988.12

[4] Atkins D. J. Computational hydrodynamics for submarine—recent development. ©. International Symposium on Naval Submarine 5, 1996.10

[5]全附體潛艇的流場和流噪聲的數值模擬.盧雲濤，上海交通大學碩士學位論文，2008