O que se conhece sobre o nível de ruído produzido por submarinos?

Por Eugene Miasnikov, 1995-98

Um submarino em movimento⁽²¹⁾ é uma fonte de ruído cujas características tornam possível não só detectá-lo contra o fundo dos ruídos naturais do oceano, mas também revelar sua localização, velocidade e, em geral, identificá-lo. Existem vários mecanismos que provocam a irradiação de ruído do submarino, que são mais ou menos prevalentes, dependendo da banda de freqüência, velocidade e profundidade do submarino. Entre estes mecanismos estão a vibração do casco, planta de propulsão, hélices e ruído de fluxo (ruído hidrodinâmico).

O nível de ruído do submarino ou o nível de fonte (SL) é a intensidade do som em uma determinada faixa de frequência a uma distância de um metro do submarino na direção do receptor.⁽²²⁾

Na prática, o SL é medido em unidades logarítmicas ou decibéis (dB) em relação a uma intensidade padrão. A Marinha Russa geralmente leva o padrão para ser o limiar de audibilidade (uma onda de som plana de uma intensidade de 20 Pa – Pascals). Na Marinha dos EUA o SL é definido a uma distância de 1 jarda (1 jarda = 0,914 m) em relação à intensidade da fonte de 1 Pa. O significado quantitativo de SL, definido pelos sistemas russo e americano em uma ou outra banda de freqüência, será diferente de 27 dB.

Em regra, observa-se as seguintes regularidades no comportamento do espectro de ruído dos submarinos.

A frequência SL do espectro constitui uma mistura do espectro contínuo e discreto (“frequência linear”). A parte contínua do espectro SL é caracterizada por um máximo na área de 50-100 Hz. Em frequências superiores a 200 Hz o SL cai 6 dB quando a frequência é duplicada. Isso significa que o SL é inversamente proporcional ao quadrado da frequência.

Os componentes discretos são os sinais mais visíveis do espectro SL dos submarinos, uma vez que são detectados mesmo em baixas velocidades, quando os submarinos produzem ruído mínimo. Além disso, o agregado dos componentes discretos do espectro de ruído (o chamado “retrato acústico”), que é exclusivo para cada submarino, pode ser usado para identificar a fonte.

As linhas discretas na faixa de 0,1-10 Hz são causadas pela rotação das hélices. Esse ruído é difícil de suprimir. Além disso, o ruído da hélice pode ser ouvido no oceano a uma distância de até vários mil quilômetros, uma vez que a absorção pelas águas oceânicas nesta baixa freqüência é insignificante. O método de filtração de banda estreita da linha discreta do espectro em freqüências até vários Hz é o princípio de funcionamento básico para sistemas de sonar para detecção de longa distância.

Linhas discretas na faixa de frequência de vários Hz a várias centenas de Hertz estão associadas a vibrações do casco do submarino e do equipamento de propulsão. A linha mais característica do espectro SL é o pico em frequências de 50 e 60 Hz para submarinos russos e americanos, respectivamente, isto é, as linhas que correspondem às freqüências básicas dos geradores elétricos de submarinos.

O espectro SL de SSNs de primeira geração continha linhas discretas em freqüências, que são múltiplos de 50 e 60 Hz, ou, em outras palavras, harmônicos das freqüências básicas. Especialistas afirmam ter registrado com sucesso até 5 harmônicos de freqüências básicas. Os espectros de submarinos de quarta geração modernos, construídos no final da década de 1980, não possuem linhas discretas em freqüências superiores a 100 Hz. Isso é justificado em menor grau quando a velocidade é inferior a 8 nós [Gorbachev, 1994].

Tabela A1. O modelo do espectro SL de submarinos

Estas peculiaridades do espectro SL de um submarino permitem descrevê-los por dois parâmetros, a saber, SL a uma frequência de 1 kHz e a energia dos componentes discretos mais potentes na faixa de frequência de 5-200 Hz. A Tabela A1 mostra um modelo de SL de um submarino usando esses parâmetros.⁽²³⁾

Comentando a Tabela A1, enfatizamos que as estimativas apresentadas referem-se a movimentos a pequenas velocidades submersas de quase 4 nós (2 m/s) com o uso limitado dos mecanismos de trabalho (o chamado “modo de operação ultra-silencioso”). Neste modo, as fontes básicas de ruído são os hélices do submarino e os equipamentos de propulsão.

O modo “ultra-silencioso” é usado por submarinos apenas conforme necessário. A velocidade do submarino nas patrulhas de combate geralmente não excede a chamada velocidade de “baixo ruído máximo” que equivale a quase 8 nós (4 m/s). O nível de origem a esta velocidade pode exceder o SL em um modo “silencioso” em 5-10 dB (veja a Figura A1)

Figura A1.1. Dependência do Source Level (SL) da velocidade do submarino

Muitas vezes, para completar as missões atribuídas, os submarinos devem realizar viagens de longa distância. Os SSNs (Submarinos Nucleares de Ataque) russos e americanos viajam a distâncias de vários milhares de milhas até as zonas de patrulha. A fim de aumentar a sua eficiência operacional,⁽²⁴⁾ submarinos em trânsito movem-se a uma velocidade máxima que garante a furtividade submarina. Geralmente, esta velocidade não excede 15 nós (7,5 m/s). A esta velocidade, predomina o ruído de fluxo (o chamado ruído hidrodinâmico). O ruído de fluxo depende fortemente da velocidade do submarino, e geralmente o SL é proporcional à velocidade aumentada para a sexta potência. Isso significa que a duplicação da velocidade aumentará o SL em 18 dB. Sugeriu-se que um submarino em trânsito seja 15-20 dB mais ruidoso do que um no modo “silencioso”.

Também é necessário observar que o nível de ruído de um submarino específico não permanece constante. Durante a vida útil, os submarinos se desgastam e seus mecanismos se tornam desequilibrados. É a opinião dos especialistas que, durante a sua vida operacional, o nível de ruído dos submarinos cresce em média 5 dB.

Embora o programa de construção de submarinos tenha sido, após a Segunda Guerra Mundial, tenha tido prioridade tanto nos EUA como na URSS, os construtores navais americanos deixaram os russos para trás sobre a questão de garantir a furtividade dos submarinos. Durante os anos 1960, os fatores subjetivos causaram o atraso. A Marinha russa estava mais interessada em submarinos de alta velocidade do que nos furtivos [Parkhomenko, 1993].

A segunda geração de submarinos soviéticos foi menos barulhenta, mas o progresso na diminuição da assinatura dos SSBN foi alcançado pela indústria de construção naval soviética apenas durante a década de 1980 com o surgimento do projeto do submarino estratégico 667 BDRM.

Durante este período, foram introduzidas novas tecnologias que resultaram em uma melhoria de ordem de magnitude na precisão das engrenagens de fabricação para o conjunto de engrenagens da turbina principal, eixos e hélices. Uma diminuição significativa do nível de ruído também foi alcançada com a aplicação de métodos ativos de supressão de ruído para submarinos.

O principal motivo era que a Rússia estava atrasada nos EUA nas tecnologias de fabricação. Em particular, de acordo com o testemunho dos especialistas, melhorar a tolerância do tamanho de uma engrenagem dentada no conjunto principal de engrenagens de turbina do submarino (GTZA) em 0,1 a 0,01 mm permitiu uma redução do SL do submarino em 3 a 4 ordens de grandeza (30-40 dB).

No entanto, existiam causas objetivas que, em princípio, limitavam as possibilidades de construção naval doméstica. Ao contrário dos SSBN norte-americanos, os SSBN russos são de casco duplo, com reatores duplos e eixos duplos. Este design garante grande confiabilidade, mas, inevitavelmente, leva a um sacrifício à furtividade do submarino [Parkhomenko, 1993].

Os mísseis balísticos baseados no mar da Rússia diferem dos mísseis americanos por suas maiores dimensões e, consequentemente, maior peso. Como resultado, o deslocamento de submarinos estratégicos russos tornou-se maior, apesar de um menor número de mísseis serem acomodados.⁽²⁵⁾

Os dados quantitativos sobre os níveis reais de ruído dos submarinos de combate são altamente secretos. No entanto, uma análise da literatura técnica disponível não reservada nos permite estimar seu nível de ruído.

Em particular, foram publicadas informações sobre o nível de ruído dos submarinos a diesel durante a Segunda Guerra Mundial. [Urick, 1983]. Esta geração de submarinos pode ser referida como “ruidosa”, pois em baixas freqüências, o SL excedia 125-145 dB a velocidades de 4-10 nós (2-5 m/s).

Algumas estimativas do nível de ruído dos submarinos diesel-elétricos das décadas de 1960-1980 também foram feitas por participantes da conferência russo-americana sobre guerra antissubmarino nas águas costeiras (ver Figura A1.2). Embora os regimes, a partir dos quais essas características de ruído foram tomadas, não são, em regra, especificados pelos autores, no entanto, pode ser proposto que os dados estejam relacionados a submarinos (PL) trabalhando em modos “ultra-silenciosos”. Em particular, de acordo com as estimativas fornecidas, o SL do submarino de design diesel 887 (Kilo) está em conformidade com submarinos “silenciosos”.

Figura A1.2 Estimativas do Sound Level de Submarinos Diesel: 1, 2 – Submarinos da Segunda Guerra Mundial em 10 e 6 nós respectivamente [Urick, 1983]; 3 – Projeto do submarino russo 641, Sound Level a 50 Hz, velocidade de 2 nós Lebed’ko, 1994]; 4 – Submarino Alemão Type 209 (IKL), Sound Level estimado de componentes discretos do espectro a uma velocidade de 8 nós [Gorbachev, 1994]; 5 – Submarinos diesel modernos de países do Terceiro Mundo [Mit’ko, 1994]; 6 – Projeto do submarino russo 887, Sound Level a 50 Hz [Lebed’ko, 1994]

A Figura A1.3 abaixo mostra o espectro de ruído para um submarino a diesel de um dos projetos desenvolvidos durante a década de 1980 pela empresa alemã IKL. Este gráfico corresponde bem às suposições feitas neste artigo sobre o caráter do espectro de ruído e sobre a dependência dos Sound Level da velocidade do submarino. É fácil ver que, com velocidades correspondentes a 2 e 5 nós (1 e 2,5 m/s), o SL de um submarino a diesel também está localizado dentro da faixa submarina “silenciosa”.

Figura A1.3. Espectros de Sound Level para os submarinos a diesel IKL sob vários modos de operação

A informação sobre o nível de ruído dos submarinos nucleares é praticamente inexistente na literatura aberta. No entanto, especialistas afirmam repetidamente que o nível de ruído de um submarino nuclear é maior do que o de um submarino movido a diesel⁽²⁶⁾.

Este fato pode ser explicado por várias razões. Primeiro, como um submarino a diesel, um submarino nuclear pode funcionar a uma velocidade mínima, utilizando as células de armazenamento (baterias). No entanto, o reator nuclear do submarino continua funcionando e essa é uma fonte adicional de ruído. Em segundo lugar, o deslocamento dos submarinos nucleares geralmente excede, por várias vezes, o deslocamento dos diesel, e isso requer uma maior relação potência/peso. Em nossos cálculos, supusemos que, dentro de um modo “silencioso”, a diferença no nível de ruído entre submarinos nucleares estratégicos e submarinos a diesel, desenvolvidos ao mesmo tempo, é de 10 dB.

Ainda existe uma suposição que fizemos associada ao Sound Level em frequências discretas e a uma frequência de 1kHz dentro de um determinado espectro de ruído para um submarino. Como mostrado pela análise do SL de submarinos a diesel, a potência dos componentes discretos mais poderosos do espectro excede a potência na faixa de 1Hz a uma frequência de 1 kHz em quase 20 dB. Este é provavelmente o padrão seguido por espectros de ruído de submarinos nucleares.

A Tabela A2 mostra estimativas de SL de submarinos estratégicos russos. Estas estimativas foram publicadas pela primeira vez pelo autor do presente trabalho no artigo “Sobre a dissimulação de cruzadores submarinos russos” (Military Journal, Bulletin Postfactum, nº 21, 1994, p.6-9). [Também publicado como “Submarinos Estratégicos de Mísseis Balísticos da Rússia: Segurança de Detecção”, Military Journal, Postfactum Analytical Series, N 21, 1994, p. 5-7] Os dados na tabela atual diferem um pouco do que foi publicado anteriormente. Sugerimos que o nível de ruído dos SSNs de primeira e segunda geração fosse um pouco alto demais.

Os níveis de ruído dos submarinos de mísseis soviéticos de primeira geração (projetos AV-611, 629), evidentemente, eram da mesma magnitude que os submarinos da Segunda Guerra Mundial⁽²⁷⁾.

O diâmetro dos hélices desses submarinos era relativamente pequeno, então, mesmo em baixas velocidades, os submarinos trabalhavam em um modo de cavitação barulhenta. Também é bem conhecido que submarinos de mísseis balísticos de primeira geração não foram especialmente desenvolvidos para acomodar esses mísseis.

Submarinos de mísseis eram na verdade submarinos de ataque de torpedos com compartimentos de mísseis “inseridos neles”. Diminuir o ruído dos submarinos não era o critério básico para o planejamento de submarinos. A propósito, notamos que nossa estimativa de 5-10 dB excede o SL do submarino projeto 641 (veja a Figura A1.2) que foi desenvolvido no final dos anos 50.

O SSBN projeto 658 (Hotel) foi desenvolvido praticamente em paralelo com o submarino 629 (Golf). Havia muito pouca experiência na operação de plantas nucleares. O submarino principal desta série 658 ​​se juntou ao serviço no final de 1960 – dois anos após o primeiro SSN soviético “K-3” ter sido testado. Portanto, a diferença em SL de 10 dB em comparação com o submarino de mísseis projeto 629 parece suficientemente “razoável”.

Table A2. Estimativas de nível de ruído (Sound Level) de SSBNs russos

Assumimos que, via de regra, os níveis de ruído de cada SSBN recém projetado diminuem em 5 dB em comparação com o anterior. No entanto, certas exceções foram feitas. É provável que o SL do portador de mísseis estratégicos 667B (Delta) e o 667 BD (Delta II) fossem comparáveis. Isto apesar do fato de que o submarino nuclear 667 BD (Delta II) foi desenvolvido 3 anos depois e teve um deslocamento maior.

Também houve diferenças no tamanho do deslocamento e na relação potência/peso dos submarinos de mísseis estratégicos 667 BDR (Delta II) e 941 (Typhoon). Embora na literatura aberta note-se que depois de entrar no serviço da Marinha Russa o design pesado SSBN 941 (Typhoon) foi o mais silencioso submarino estratégico [Kostev, 1994], sugerimos que seu SL coincidisse com os limites de ruído mais baixos do projeto do SSBN estratégico 667 BDR (Delta III).

Notamos que nossas estimativas de SL para os submarinos 941 (Typhoon) e 667 BDRM (Delta IV) são 8-13 dB mais altas do que o submarino 877 (Kilo) diesel-elétrico que foi desenvolvido ao mesmo tempo.

A Tabela A2 mostra, para comparação, estimativas de SL, feitas por especialistas, do SSN 971 (classificado pela Marinha Russa como “Bars” e pela OTAN como “Akula”) que está atualmente em produção. No Ocidente, acredita-se que esses submarinos superam significativamente a furtividade não só dos SSNs russos da geração anterior, mas também dos SSNs americanos modernos [Gertz, 1995]. Provavelmente, se uma nova geração de submarinos de mísseis estratégicos russos for construída, eles não serão muito mais barulhentos do que os SSN “Bars”.

No gráfico abaixo, a evolução do nível de ruído relativo das classes de submarinos russos e americanos de propulsão nuclear.

Na tabela abaixo, para fins de comparação, os níveis de ruído em dB de sons subaquáticos de banda larga produzidos pela natureza.

Bibliografia

• [Voronin, 1995] G.P. Voronin, “The Silence of our submarines annoys not only dilettantes,” Krasnaya Zvezda, 28 January 1994, p.5
• [Gertz,1995] Bill Gertz, “The Russian Akula observed off the US’ shores,” Izvestia, 29 July 1995, p.3
• [Gorbachev,1994] V.N. Gorbachev, “The Ability of Submarines to Defend Themselves Against Naval Operations in Coastal Waters”, Paper from American-Russian Conference on Anti-Submarine Weaponry in Coastal Waters, Queenstown, USA, 20-23 June 1994
• [Kostev, 1994] G.G. Kostev, “Naval strategic forces (pages of the history of the Origin and development),” Morskoy Sbornik, N 10, 1994, p.6-12
• [Lebed’ko, 1994] V.G. Lebed’ko, “Operations against diesel submarines in coastal waters”, Paper from American-Russian Conference on Anti-Submarine Weaponry in Coastal Waters, Queenstown, USA, 20-23 June 1994
• [Mit’ko, 1994] V.B. Mit’ko, “Use of acoustic devices in coastal waters against diesel submarines”, Paper from American-Russian Conference on Anti-Submarine Weaponry in Coastal Waters, Queenstown, USA, 20-23 June 1994
• [Miasnikov, 1993] Eugene Miasnikov, “Can Russian strategic submarines survive at sea? The fundamental limits of passive acoustics”, Science and Global Security, 1994, vol. 4, p.213-251
• [Parkhomenko, 1993] V.N. Parkhomenko, “Solving the noise problem of nuclear submarines”, Morskoy Sbornik, N 2, 1993, p.36-40
• [Combat Fleets…, 1995] Combat Fleets of the World, 1995, Their Ships, Aircraft, and Armament, Naval Institute Press, 1995
• [Urick, 1983] R.J. Urick, Principles of Underwater Sound, McGraw-Hill Publishing Company, 1983 op. cit., p.350

²¹⁾ Outras discussões se aplicam a submarinos diesel-elétricos e nucleares, a menos que especificado de outra forma.

²²⁾ Às vezes, na Marinha Russa, é utilizada uma escala de referência, na qual o SL é medido a uma distância de 50 m.

²³⁾ Em nosso artigo anterior, usamos um conjunto diferente de parâmetros para descrever os modelos de SL de submarinos “barulhentos”, “silenciosos” e “muito silenciosos” [Miasnikov, 1993]. Os tons mais poderosos (contendo energia máxima) em frequências próximas a 30 e 300 Hz, respectivamente, foram escolhidos em espectros de ruído gerados por submarinos. O SL, que corresponde a 30 Hz no “antigo” conjunto de parâmetros, coincide com os dados da segunda coluna (5-200 Hz) da Tabela A1. O outro parâmetro (nível SL para 300 Hz) é na verdade 10 dB menor que os dados na mesma coluna.

²⁴⁾ Aqui, “eficiência operacional” é definida como a fração do tempo gasto por um submarino, enquanto em patrulha em uma determinada área com relação a todo o ciclo, o que inclui o trânsito em ambos os sentidos, revisões e preparação da tripulação submarina entre missões de patrulha.

²⁵⁾ SSBNs do projeto 941 (“Typhoon”) são bem conhecidos como os maiores submarinos do mundo. Eles tem 1,5 vezes o deslocamento de um SSBN americano da classe “Ohio”. Cada míssil R-39 de um SSBN russo pesa 90 toneladas. Em comparação, o peso de um míssil “Trident-II” é de 57 t [Combat Fleets, 1995].

²⁶⁾ Ver, por exemplo, Voronin (1995).

²⁷⁾ Os submarinos projeto AV-611 representam a modernização do projeto 611, desenvolvido em 1943-49. Submarinos de mísseis do projeto 629 foram desenvolvidos no final dos anos 1950 com base nos primeiros projetos do pós-guerra.

FONTE: The Center For Arms Control, Energy, and Environmental Studies at MIPT