摘要：20世纪90年代以来，在形容某型潜艇性能先进时，“大洋黑洞”一词是必不可少的，有些媒体甚至称某些型号潜艇的水下噪声明显低于海洋环境噪声。这种避而不谈前提条件的表述，其实是极不科学、不严谨的。
20世纪90年代以来，在形容某型潜艇性能先进时，“大洋黑洞”一词是必不可少的，有些媒体甚至称某些型号潜艇的水下噪声明显低于海洋环境噪声。这种避而不谈前提条件的表述，其实是极不科学、不严谨的。
科学研究表明，人耳只能分辨出频率在20赫兹至20千赫兹之间的声波，因个体差异，每个人能分辨的声波频率范围不尽相同。同一个人在不同年龄段，相关差异也很明显。
有“大洋黑洞”美誉的基洛级潜艇
声波的频率范围在0.0001赫兹至1万亿赫兹之间，远超人耳所能分辨的范围。人们通常将频率在20千赫兹至1万亿赫兹间的声波称为超声波，将频率在0.0001 赫兹至20赫兹之间的声波称为次声波。
自然界存在的声波都有一定的频段范围。同一个物体在不同条件下，发出的声波频段范围不尽相同，如同人们压着或捏着嗓子说话，发出的声音或粗犷，或尖细，与正常说话发出的声音有明显差异一样。此外，由于多普勒效应的存在，声源与声波接收方之间发生相对运动时，接收到的声源频率也会发生变化。
对于声音，人们通常将其分成有用的声音和噪声两大类。所谓噪声，是指在特定环境下不该出现、对达成某种目的十分不利的声音。具体到海洋环境噪声，是指在探测潜艇时，除潜艇发出的噪声外，海洋中存在的其他一切声音的统称。
海洋环境噪声，可分为海洋动力噪声和海洋生物噪声两大类。海洋动力噪声，又可分为自然噪声和技术噪声。自然噪声是由海浪、洋流和风引起的，技术噪声是由舰船的机械和港口的技术装备引起的。海洋生物噪声，是由海洋生物产生的。
由于海洋环境噪声由各种海洋声源产生的噪声混合而成，因而同一海域在不同频段测量时所测得的噪声强度差异很大。即便是在同一个频段测量，白天与黑夜、海面有无强风巨浪、海水温度及盐度是否发生变化、有无渔汛或大型海洋生物群聚、有无船舶经过，测出的海洋环境噪声强度都大不同，更遑论不同海域的噪声强度了。
由此可见，当人们用海洋环境噪声与潜艇静音性能做比较时，科学严谨的表述应是，言明具体海域、时间、浪高、温度级别、水深，以及有无渔汛的情况下，用工作在哪个频段上的仪器测量出的噪声等级。
潜艇的噪声按测量位置不同，分为辐射噪声和自噪声两种。潜艇辐射噪声，是指由离开潜艇艇体的水听器接收到的，由潜艇上的机械运转和潜艇运动产生并辐射到水中的噪声。潜艇自噪声，是指由安装在潜艇艇体上的全向水听器接收到的，由潜艇自身动力装置、设备和艇体运动引起的噪声。对潜艇而言，辐射噪声会影响其隐蔽性，而自噪声主要影响的是潜艇上的声呐探测能力。
潜艇使用泵推取代螺旋桨已成为发展趋势
与海洋环境噪声类似，潜艇的辐射噪声主要由机械噪声、推进器噪声及流体噪声组成。机械噪声是由艇上各种机械设备、管路系统产生的噪声，主要包括潜艇航行的主机（柴油机、主电机、由核反应堆驱动的汽轮机等）、变速箱、配套推进传动装置（如轴系等），以及辅助设备在运行中产生振动通过底座或支架传递给艇体，激励艇体振动并向水中辐射声波而形成的。机械噪声，是潜艇低速巡航时最主要的噪声源。
目前，螺旋桨仍是应用最广泛的潜艇推进器。螺旋桨噪声，是桨叶在非均匀流场中旋转运动产生的，包括螺旋桨空泡噪声、螺旋桨转动噪声和桨叶振动噪声。为提高潜艇潜航时的静音水平，用噪声小得多的泵推取代螺旋桨已成为发展趋势。然而，泵推并不能完全消除噪声。
流体噪声，是由不规则起伏的海水作用于航行中的潜艇所产生的噪声，包括流噪声、流激振动噪声和表面空化噪声。
国外研究机构有论文称，西方典型核潜艇水下航速在12节以下时发出的噪声，由核反应堆、水泵、变速箱发出的机械噪声为主体。当水下航速在12至18节时，螺旋桨空泡噪声便超过各种机械噪声，成为潜艇噪声的主要组成部分。当水下航速超过18节时，巨大的流体噪声又盖过机械噪声和螺旋桨空泡噪声。由此可见，对同一艘潜艇在一定距离上用同一频段测量时，潜艇的航速不同，所测得的噪声强度会有很大差异。潜艇航速一定时，在同等距离上用不同频段测量，结果也会天差地别。对同一艘潜艇，使用同一频段在不同距离上测量，因海水会吸收声波能量，测量距离越远则测得的噪声强度越低。
因此，在描述潜艇噪声水平时，不讲清潜艇实际航速、测量频段和测量距离，直接给出数值是没有实际意义的。事实上，哪怕是性能较落后的潜艇，若在水下只用电池驱动推进器，让潜艇保持能维系操纵能力的最低航速，也未必比马力全开、在水下“飙车”的先进静音核潜艇的噪声水平高。
潜艇真实的噪声水平无疑是核心机密，甚至连测试条件各国都语焉不详。若仔细观察不难发现，目前流传的有关潜艇尤其是核潜艇的噪声水平数值，鲜有官方披露，因此权威性令人质疑。
鉴于声波实际频段十分宽广，像二战时期那样全凭声呐兵的耳朵去分辨声源显然无法满足现代海战的需求。随着计算机及其他精密测量仪器的出现，令声呐工作频段不再局限于人耳所能分辨的范围。现代主动声呐的工作频段大体在3千赫兹至97千赫兹之间，而被动声呐工作频段下限要低得多，在3赫兹至97千赫兹之间。
潜艇表面铺设的消声瓦
声波在水中传播时其蕴含的能量会不断被海水吸收，造成声压强度减弱，因而频率越高的声波在水中传播时能量衰减率越高。因此，无论是主动声呐还是被动声呐，在同等功率的情况下，选择的工作频段越低则其探测距离越远。但在同等技术条件下，频段越低的声波，其探测精度相对越低。要想在这种情况下提高探测精度，只能加大声呐接收阵的孔径，而这势必受到舰艇尺寸的严重制约，往往“心有余而力不足”。
不仅如此，鱼群、密集的浮游生物都会让声波产生散射。海洋中存在大量散射体，声波碰到这些散射体，会导致声能在各个方向上重新分配，即产生散射波，其中汇聚到声呐换能器基阵的散射波声强总和称为混响。由产生混响的散射体的性质不同，混响又分为体积混响、海面混响和海底混响。海洋中存在的混响现象，会对主动声呐的性能造成极大的负面影响。
声波在海水中的传播速度，与海水的温度、盐度及压力等因素有关。其中任何一个参数的改变都会导致声速的变化，从海平面到3000米的深度，水压引起的声速变化值约为50米/秒。海水温度若相差25℃，由此引发的声速变化值约为80米/秒。海水由于受太阳辐射加热及海面混合等因素影响，其温度的垂直分布一般呈分层结构。在海面以下100至200米，经常会出现温度和密度急剧变化的一个水层-温跃层。其上方是薄暖水层，下方是厚冷水层。当夏季洋面被太阳辐射加热后，上层海水的温度比下层高，主动声呐换能器基阵发射的声波束就会发生折射，从海面弯向海底，就有可能发生前方潜艇近在咫尺，主动声呐却测不到的现象。除非把换能器基阵上仰一定角度，才能探测到潜艇。冬季北方海区上层海水的温度比下层低，主动声呐发射的波束就会弯向海面。若潜艇此时躲在温跃层下的厚冷水层，声呐就得将换能器基阵下俯一定角度才能探测到。
此外，声呐对潜艇的探测效果还受海洋内波的影响。海洋内波，是发生在海水内部的水流波动，学名叫“内惯性重力波”，简称“内波”。内波的波浪振幅在十几米至几十米之间，波速在1米/秒以下，波长为几百米至几十千米。在内波频发的海域，潜艇发出的噪声强度会因内波的存在而急剧衰减，从而大幅增强潜艇的隐蔽性。
由此可见，若某国潜艇能充分利用复杂海况，那即便身处敌方声呐有效作用范围，仍有可能让敌方声呐变成“睁眼瞎”。
对主动声呐而言，其朝搜索方向发射声呐波，通过测量接收到的声呐回波世时间延后值及声呐回波强度，能倒推出目标潜艇各项运动参数。因此，主动声呐探测效果与目标潜艇自身静音水平并无直接关联。但被动声呐就不同了，其探测效果与潜艇自身静音水平相关，还受其他因素影响。若删繁就简，可用一个方程式概略地表述为：DT=SL-TL+DI-NL。其中，DT是指被动声呐检测阈值，可将其理解为被动声呐在距目标潜艇一定距离上测得的对方噪声水平。SL代表目标潜艇实际辐射噪声水平，TL是指目标潜艇对外辐射噪声在水中传播中的能量损耗，DI代表被动声呐接收基阵的增益，NL是指被动声呐所在平台自身的噪声强度。
美国海狼级潜艇的声呐
从这个概略方程式不难看出，即便刨除海洋环境噪声及一些特定海况的影响，被动声呐测出的目标潜艇噪声水平也未必是该潜艇在一定航速下的真实辐射噪声。其中，目标潜艇对外辐射噪声在传播过程中的损失公式可用T L = 2 0 \lg ( R ) + \alpha R 。其中，R为距离，α为介质吸收率。对于1千赫兹的声信号，通常将海水吸收率α算作0.1分贝/千米。在被动声呐检测阈值方程式中其他变量保持不变的情况下，若对目标潜艇的探测距离为10千米，当目标潜艇实际辐射噪声强度降低3分贝，实际探测距离就缩短为7千米，降幅为30％。若对目标潜艇的探测距离为100千米，当目标实际辐射噪声强度降低3分贝后，实际探测距离就降为85千米左右，降幅为15％。
由此可见，“打铁还需自身硬”。若己方被动声呐性能足够强悍，探测距离足够远，那么目标潜艇降低自身辐射噪声强度带来的隐蔽性收益就越低。换言之，就算目标潜艇降噪工作做得到位，能让某型被动声呐探测距离缩短到几乎没有战术价值的程度，若己方研发出性能大幅提升的新一代被动声呐，照样能让目标潜艇无所遁形。
显而易见，这并非说现代潜艇采取的各种降噪措施没有多大意义，只是意义不像宣传的那么夸张。例如，给潜艇表面覆盖消声瓦，不仅能削弱艇内噪声辐射到艇外的声波强度，压缩敌方被动声呐侦测距离，还能在一定程度上吸收敌方主动声呐波的能量，造成敌方解算距离时出现较大偏差。经消声瓦吸能削弱后的主动声呐回波，很有可能淹没于各种海洋环境噪声中，因能量太低而被主动声呐后端计算机自动过滤掉。
至于将螺旋桨换成泵推、给围壳增加填角或干脆将围壳设计成类似轿车的复杂低阻曲面、给发动机增加单层或双层减震浮筏、为核潜艇研发自然循环核反应堆和全电传动技术，都能在一定程度上降低潜艇辐射噪声强度，利于提高隐蔽性。然而，这些技术措施都不可能彻底消除噪声。
理论上讲，未来潜艇可以应用主动反相噪声抵消技术，即潜艇主动发射与自身辐射噪声源强度相同、相位相反的声音，从而抵消辐射噪声，达到“以声消声”的效果。不过，这项前沿技术距成熟应用距离尚远，主要原因有二：一是潜艇噪声组成复杂，难以精确掌握其波形。尤其是流体噪声的产生有诸多不确定性，只能通过布置在艇体表面的测量传感实时监测。二是研究表明，主动反相噪声抵消系统的发射源距其要抵消的噪声源至少得保持在1/6波长范围内，也就是说，艇体表面每个位置都得遍布主动反相噪声抵消系统的发射源，这恐怕很难做到。一旦做不到，两股强度相同、相位相反的声音相互叠加后，可能会在某些方位上减弱噪声强度甚至完全消除噪声，但在某些方位上却有可能成倍增强噪声强度，反而弄巧成拙。
综上所述，主被动声呐侦测也好，潜艇努力降噪也罢，相互间的“斗法”无疑会促进技术水平的提升，因而“龙争虎斗”也势将持续下去。
来源：军师军茶利
