本文选自期刊《机电设备》2025年第4期
作者：杨宝峰，韩强
来源：中海油深圳海洋工程技术服务有限公司 上海船舶研究设计院
摘要
摘要：为解决多波東系统在船舶应用中面临的气泡干扰、声速波动及安装兼容性等技术难题，提升测深精度与系统可靠性，阐述多波束系统的技术原理、系统构成以及面临的技术应用难点，在此基础上研究多波束的布置和安装，并结合实船项目总结出多波束应用的优化设计方法和措施，为多皮束系统技术在船舶领域的应用提供指导。
以上3种安装方式为目前的主流安装方式，各有优点和缺点，具体应用时还须结合不同的船型和应用场景综合考虑。综上所述，多波束的布置和安装中应尽量避免边界水层的影响，将多波束的换能器布置在船壳前1/4船长段，另外，多波束换能器的安装布置还应考虑船舶噪声振动的影响，尽量远离机舱等噪声源舱室。
四、多波束系统在船舶中的应用及优化
以某项目船为例，该船首部配置了一套全海深多波束系统。考虑到码头吃水限制，该多波束系统采用嵌入式平底安装，这种安装方式对船舶首部的线型和多波束布置的要求最高，也最具有代表性。在项目执行过程中，从总体布置和艏部线型优化设计入手，结合多种辅助措施进行改进。通过数值模拟和实际测试，优化收发阵列的布置。最后进行布线和设备安装，确保多波束声呐系统的稳定性和可靠性。以下是项目实施过程中的主要设计技术手段和优化措施。
（1)多波東系统应尽量靠船首布置，避开湍流区，同时远离振动噪声最严重的机舱区域。须注意的是，由于安装方式为嵌入式，因此多波束系统必须安装在船底的平直段区域，见图5
（2)利用CFD进行数值模拟，对艏部线型进行有针对性的优化，使艏部线型更加平稳光滑，且艏部船体外壳流场能最大限度避开船
底多波束所处区域，见图6和图7
根据优化后的线型，在中国船舶科学研究中心进行全海深多波束流线试验，对优化后的线型进行试验验证。图8为流线试验结果。由图8可知，试验结果与CFD模拟结果相近。
（3)在艏部的侧推开口增设液压侧推盖板，避免在船舶航行时侧推管隧两侧产生气泡，降低对多波束的影响。艏侧推的管隧开口会导致艏部船体外壳不光顺，使湍流产生大量气泡且被推进船壳下，最后混合入边界水层，这最有可能为换能器带来气泡问题。只能在船舶设计期间解决这一问题，通过CFD模拟分析海水流场，设计合理的艏部线型(包括光顺侧推管隧口)，选择声学换能器合理的安装位置和安装型式来避免气泡和噪声对声学设备的影响。目前仍无任何技术手段能量化侧推盖板对声学探测设备的改善效果，但可以确定的是，艏部侧推封盖的安装可有效改善船体外板的光顺度，有效改善气泡流场，见图9.
（4）在多波束周围及其前部区域，船底外板整体采用厚20 mm的钢板，避免由于板厚差异带来的外板不平整。并且，此区域中还要对接焊缝打磨平整，避免产生气泡。外板展开图见图10，其中L为船长。
（5）机舱、伸缩推舱和侧推舱应铺设减振阻尼材料，以减小机舱主机、伸缩推和侧推振动对多波束的影响。
（6）取消多波束前部的船底焊接标记符号，主要是减少多波束区域的异物凸起，保证多波束所在区域船底外板光顺。同时，在多波束周围区域船底涂防海生物油漆，以避免海蛎子等海洋生物附着。
五、结论
本文通过理论分析、CFD数值模拟及实船试验，系统验证了多波束换能器的优化布置方案:将换能器置于船首1/4船长段的边界流层稀薄区(A区)，结合艏部线型光顺优化与20 mm厚外板处理，可使船底气泡层厚度减少约30%，测深误差从±0.5 m降至±0.2 m。该成果揭示了船体流场与声波传播的耦合作用机理，证实了嵌入式安装方式在码头吃水受限场景下的工程可行性。
尽管艏侧推液压盖板的安装显著改善了气泡流场，但当前技术手段仍无法量化评估盖板对声学探测的具体改善幅度。此外，在极端海况(如浪高>4 m)下，表层气泡层对多波束的干扰机制仍需进一步研究。
相较于Kongsberg Martme与ATLAS HYDROGRAPHIC提出的安装通用性原则，本文首次将侧推开口流场优化纳入多波束布置体系，通过“线型优化-结构强化-减振处理”的组合措施，形成了针对全海深多波束的嵌入式安装技术方案，填补了实船应用中气泡抑制的工程化研究空白。
本文在理论层面建立了船体气泡层厚度与测深误差的量化关联模型，为多波束安装的流体力学分析提供了新方法;实际应用中某项目船的实践表明，优化后的多波束系统在3 000 m水深作业时，测量效率提升了40%，能为深海探测船、工程船舶的设备选型与安装提供了可复制的技术范式。
后续的研究工作可从以下3个方面入手:（1)开展侧推盖板不同开度下的气泡流场粒子图像测速技术试验，建立声学干扰量化评估模型;（2)探索智能材料在多波東换能器表面的应用，研究其抗气泡附着与降噪性能;（3)扩展研究范畴至特种船舶(如极地破冰船)，分析冰海环境对多波束测量的影响机制。
参考文献
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