管路系統(tǒng)聲學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

1 引 言

艦艇管路系統(tǒng)是艦艇上用于輸送各種流體介質(zhì)的管路及其附屬件、泵、監(jiān)測(cè)儀表和閥門等的總稱。它的主要任務(wù)是提供艦艇航行、戰(zhàn)斗、安全和人員生活的水、汽、油等保障。管路系統(tǒng)包括：輔機(jī)設(shè)備(泵、風(fēng)機(jī)等)、調(diào)節(jié)附件(閥、節(jié)流元件)、管道(直管段、彎頭、三通等)、振動(dòng)噪聲控制器件(撓性接管、消聲器、脈動(dòng)壓力衰減器、彈性穿艙結(jié)構(gòu)與柔性支撐等)和聲學(xué)材料等。

在艦艇聲隱身技術(shù)中，管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲研究具有重要意義。根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)主動(dòng)力系統(tǒng)噪聲、螺旋槳噪聲和流噪聲得到有效控制后，管路系統(tǒng)噪聲對(duì)艦艇安靜性的影響開始逐漸突出。

為了實(shí)現(xiàn)低噪聲的艦艇管路系統(tǒng)，需要建立管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲傳遞與水下聲輻射的計(jì)算方法，研究低振動(dòng)傳遞、低水下輻射噪聲的艦艇管路系統(tǒng)的空間布局和振動(dòng)噪聲控制元件的布置規(guī)律，形成管路系統(tǒng)的聲學(xué)設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)規(guī)則，為艦艇管路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員提供聲學(xué)專業(yè)的技術(shù)支持。

2 管路系統(tǒng)聲學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

艦艇管路系統(tǒng)的聲學(xué)設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合而復(fù)雜的問題，其涉及流體動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、聲學(xué)和彈性力學(xué)等多個(gè)學(xué)科。國(guó)外學(xué)者很早就開始這方面的研究，已經(jīng)形成了比較完整的艦艇管路系統(tǒng)聲學(xué)設(shè)計(jì)方法和振動(dòng)噪聲控制技術(shù)體系。

2.1 管路系統(tǒng)聲學(xué)設(shè)計(jì)方法

目前艦艇管路系統(tǒng)聲學(xué)設(shè)計(jì)存在以下難點(diǎn)：首先，管路系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與聲學(xué)設(shè)計(jì)要求之間存在一定的沖突。帶有一定儲(chǔ)備的泵源參數(shù)(如流量和壓頭)的選擇通常由管路系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)人員進(jìn)行。之所以留有儲(chǔ)備，是考慮到管路系統(tǒng)液壓阻力計(jì)算的不精確性，以及在使用過程中由于污底和阻塞等可能引起的阻力增長(zhǎng)等因素，一般儲(chǔ)備應(yīng)不小于15%～20%。但從聲學(xué)角度看，這種儲(chǔ)備是有害的，這將導(dǎo)致泵的振動(dòng)和水動(dòng)力噪聲的增加。因此，為避免過高的振動(dòng)噪聲源，必須在泵源選型時(shí)考慮泵及其管路系統(tǒng)在正常工況下的液壓匹配。

其次，泵源類型繁多，其工作機(jī)理不同，振動(dòng)噪聲特性也千差萬別。因此它們的振動(dòng)噪聲控制設(shè)計(jì)必須具備針對(duì)性。

第三，在艦艇管路系統(tǒng)中，泵、附件和節(jié)流裝置等產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲能量沿支承和非支承件傳播。振動(dòng)噪聲能量沿支承件傳播的控制可采用隔振裝置解決，但沿非支承件——工作介質(zhì)和管壁傳播的振動(dòng)噪聲能量就成為管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲控制的難點(diǎn)。因?yàn)檠胤侵С屑穆晫W(xué)防護(hù)元件，按可靠性的要求是不可能做到任意柔性的；再者為達(dá)到預(yù)先設(shè)計(jì)的振動(dòng)噪聲控制效果，所采用的聲學(xué)防護(hù)元件在規(guī)定的頻率范圍內(nèi)須具有較大的機(jī)械阻抗和聲阻抗，同時(shí)其外形尺寸和結(jié)構(gòu)又要滿足艦艇的實(shí)際安裝條件，這幾乎是不可能的；而且,一般情況下管路系統(tǒng)的所有元件本身就是低通濾波器，即在低頻段具有零衰減；另外，在管路系統(tǒng)中沿管壁結(jié)構(gòu)和沿介質(zhì)通路傳播的振動(dòng)噪聲能量會(huì)在改變流速的方向和大小的地方相互耦合、相互轉(zhuǎn)換，兩種能量傳播通路緊密關(guān)聯(lián)，構(gòu)成了一個(gè)非常復(fù)雜的力學(xué)——聲學(xué)系統(tǒng)。

針對(duì)上述難點(diǎn)，艦艇管路系統(tǒng)聲學(xué)設(shè)計(jì)人員主要解決兩個(gè)方面問題：一是保證介質(zhì)在泵源設(shè)備流動(dòng)過程中引起的振動(dòng)噪聲最小化;二是控制沿管路系統(tǒng)傳播的振動(dòng)噪聲能量，使振動(dòng)噪聲量級(jí)在一些特定傳播點(diǎn)滿足設(shè)計(jì)要求。為此許多艦艇聲隱身設(shè)計(jì)強(qiáng)國(guó)一般將艦艇管路系統(tǒng)聲學(xué)設(shè)計(jì)分成早期和詳細(xì)兩個(gè)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行。不同的設(shè)計(jì)階段完成不同的設(shè)計(jì)內(nèi)容，使管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案由粗到細(xì)，分步完成泵源選型、管路系統(tǒng)空間布置以及聲學(xué)防護(hù)元件布置等設(shè)計(jì)關(guān)鍵細(xì)節(jié)，將功能設(shè)計(jì)與聲學(xué)設(shè)計(jì)融合，逐步接近或達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

在管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的早期階段，還只了解管路系統(tǒng)的粗略概貌，可運(yùn)用一些經(jīng)驗(yàn)公式和振動(dòng)噪聲源的數(shù)據(jù)，從聲學(xué)角度初步確定管路系統(tǒng)動(dòng)力參數(shù)優(yōu)化配置、流速和管徑等管系總體參數(shù)；合理選取噪聲控制措施規(guī)模，并粗略計(jì)算管路中的聲壓和管路、管路基礎(chǔ)的振動(dòng)加速度。從而在初步設(shè)計(jì)階段對(duì)管路系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲有一個(gè)大致的預(yù)期并得到較合理的管路系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)草案。包括考慮聲學(xué)因素(在正常工況下泵的動(dòng)力和聲特征與系統(tǒng)特征相匹配)，確定管路的系統(tǒng)方案，選擇設(shè)備的動(dòng)力參數(shù)和工作模式、節(jié)流元件以及流量等參數(shù)；按低噪聲的限定條件預(yù)定降噪規(guī)模；按減振降噪要求選擇管系元件，并對(duì)其指標(biāo)限值等。

在管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的后期階段，就需要在早期設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，以低噪聲管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)則為指南確定管路的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)(空間走向和設(shè)備布置數(shù)據(jù)等)以及管路減振固定、聲學(xué)防護(hù)器件的結(jié)構(gòu)聲學(xué)參數(shù)和它們的組成、布設(shè)信息。還必須進(jìn)行管路系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲傳遞和其它校核計(jì)算，最終完成低噪聲管路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

在低噪聲艦艇管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程中也相應(yīng)規(guī)定了這兩個(gè)設(shè)計(jì)階段的具體工作內(nèi)容和步驟。即在初步設(shè)計(jì)階段以管路系統(tǒng)原理圖為基礎(chǔ)，確定管路系統(tǒng)敷設(shè)的關(guān)鍵點(diǎn)和設(shè)備安裝位置，計(jì)劃管路系統(tǒng)減振降噪措施的規(guī)模，并經(jīng)管路振動(dòng)噪聲工程估算方法計(jì)算復(fù)核；在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，完成管路系統(tǒng)敷設(shè)路線設(shè)計(jì)，采用詳細(xì)階段振動(dòng)噪聲有限元方法和一些功能計(jì)算程序，確定管路系統(tǒng)詳細(xì)空間布置以及管路元件的組成清單；最后完成管路系統(tǒng)的施工設(shè)計(jì)，并形成施工文件等步驟。詳細(xì)的艦艇管路系統(tǒng)聲學(xué)設(shè)計(jì)流程見圖1。

圖1 艦艇管路系統(tǒng)聲學(xué)設(shè)計(jì)流程圖

2.2 管路系統(tǒng)振動(dòng)傳遞的計(jì)算方法

研究管路系統(tǒng)振動(dòng)傳遞的方法有很多，常用的有:有限元法、特征線法、傳遞矩陣法、阻抗分析法等。它們的適用條件不盡相同也各有優(yōu)缺點(diǎn),且這些方法還可以互相結(jié)合產(chǎn)生混合方法。

1) 有限元法

有限元法是近似求解一般連續(xù)體問題的數(shù)值方法。從物理方面看：它是用僅在單元結(jié)點(diǎn)上彼此相連的單元組合體代替待分析的連續(xù)體。通過單元的特性分析求解整個(gè)連續(xù)體的特性。從數(shù)學(xué)方面看：它是使一個(gè)連續(xù)的無限自由度問題變成離散的有限自由度問題，使問題大大簡(jiǎn)化。一經(jīng)求解出單元未知量，就可以利用插值函數(shù)確定連續(xù)體上的場(chǎng)函數(shù)。顯然，隨著單元數(shù)目的增加，解的近似程度將不斷得到改進(jìn)。如果單元是滿足收斂要求的，近似解將收斂于精確解[1]?？臻g管系計(jì)算的有限元方法就是基于梁理論，利用微分方程的精確解代替多項(xiàng)式的插值函數(shù)，從而一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)用少數(shù)幾個(gè)單元就可模擬。

許多學(xué)者運(yùn)用有限元法對(duì)充液管道系統(tǒng)的振動(dòng)特性進(jìn)行了分析,他們或者將有限元法用于求解流體方程，或者用于求解結(jié)構(gòu)方程，或者對(duì)整個(gè)模型運(yùn)用有限元法。目前有限元法已廣泛應(yīng)用于管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲的研究，且已經(jīng)成為管路系統(tǒng)模態(tài)分析和動(dòng)力響應(yīng)分析的一種常用方法。EVERSTINE[2]對(duì)管路系統(tǒng)分別采用梁模型和殼模型，借助有限元分析軟件Nastran對(duì)一平面單彎充液管路系統(tǒng)和三維充液管路系統(tǒng)進(jìn)行了計(jì)算分析，證明了低頻下管路梁模型的有效性;JAMNIA等[3]利用ANSYS研究了流固耦合作用對(duì)液體波在管路系統(tǒng)中傳播及反射的影響;LAVOOIJ，TIJSSELING[4]將有限元法與特征線法結(jié)合起來分析系統(tǒng)的響應(yīng)；OLSON等[5]對(duì)直管與管內(nèi)流體的耦合振動(dòng)的有限元法進(jìn)行了綜述,著重闡述采用梁?jiǎn)卧?jì)算管道流固耦合問題的基本思路。

2) 特征線法

特征線法是一種時(shí)域差分方法,它把偏微分方程轉(zhuǎn)化為常微分方程，然后在距離—時(shí)間平面內(nèi)沿特征線進(jìn)行積分。由于其理論基礎(chǔ)是有限差分法，在計(jì)算時(shí)需要?jiǎng)澐志W(wǎng)格，因此網(wǎng)格劃分的好壞直接影響計(jì)算結(jié)果。特征線法主要用于在時(shí)域內(nèi)計(jì)算壓力波與軸向應(yīng)力波的傳播。WIGGERT等[6]考慮了空間管道系統(tǒng)中典型管單元的五族波，涉及14個(gè)狀態(tài)分量，列出14個(gè)運(yùn)動(dòng)微分方程，同樣是利用特征線法進(jìn)行了求解。這五族波分別是：管壁和流體介質(zhì)的軸向壓縮波(兩族)；管壁橫向剪切波(一族)；梁的橫向彎曲振動(dòng)波(一族)；管壁的扭轉(zhuǎn)波(一族)。

3) 傳遞矩陣法

傳遞矩陣法特別適合像管路系統(tǒng)這樣的復(fù)雜鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。其基本思想是首先將系統(tǒng)離散成有限個(gè)單元，然后建立單元的分析模型；在模型的基礎(chǔ)上將單元兩端的狀態(tài)向量用矩陣方程的形式聯(lián)系起來；得到了每個(gè)單元的傳遞矩陣就可以得到整個(gè)系統(tǒng)的傳遞關(guān)系，這樣就可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析。BICKFORD等[7]用傳遞矩陣法分析了平面曲梁的振動(dòng)，其中考慮了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、剪切變形和軸線可伸縮性的影響；SATO等[8]用傳遞矩陣法分析了Euler-Bernoulli梁的振動(dòng)；同年，IRIE等[9]利用Timshenko梁模型對(duì)輸流管道振動(dòng)和穩(wěn)定性問題的傳遞矩陣法進(jìn)行了推導(dǎo)；LESMEZ和WIGGERT等[10]對(duì)空間管道系統(tǒng)振動(dòng)的傳遞矩陣法做了開創(chuàng)性工作，以充液管系耦合振動(dòng)的14方程模型為基礎(chǔ)，在推導(dǎo)過程中采用分離變量法，同時(shí)將管路進(jìn)行分段。將法蘭、支撐、彎管、閥門等管路系統(tǒng)元件以及管路系統(tǒng)空間布置關(guān)鍵點(diǎn)都作為節(jié)點(diǎn)來考慮。每一個(gè)管單元有場(chǎng)傳遞矩陣[T]i和兩端的狀態(tài)向量{Z}i-1，{Z}i，它們之間的關(guān)系為:

{Z}i=[T]i{Z}i-1

(1)

其中,

(2)

節(jié)點(diǎn)i處的狀態(tài)向量為：

(3)

每一個(gè)節(jié)點(diǎn)也有點(diǎn)傳遞矩陣。這樣，管系的總體場(chǎng)傳遞矩陣可以用每個(gè)管單元的場(chǎng)傳遞矩陣與節(jié)點(diǎn)的點(diǎn)傳遞矩陣連乘得到。整個(gè)管系的傳遞矩陣方程為:

Zn=TnPn-1Tn-1-…-T2P1T1Z

(4)

然后根據(jù)管端的邊界條件得到系統(tǒng)的頻率方程。這種方法可以考慮泊松耦合與連接耦合，對(duì)于解決空間管系振動(dòng)噪聲問題不失為一種較好的方法。但是在實(shí)際應(yīng)用中還有許多問題需要解決：譬如管路的各種元件如何得到它們的傳遞矩陣，特別像泵、閥門這樣的有源元件如何用傳遞矩陣描述其傳遞特性;復(fù)雜的管路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如多分支管系等等。

4) 阻抗分析法

阻抗分析法與傳遞矩陣法的形式是類似的，按照管道系統(tǒng)的構(gòu)成劃分成若干單元，每個(gè)單元的端面用速度和力構(gòu)成的矢量作為其狀態(tài)向量。這樣，單元場(chǎng)矩陣的元素是阻抗參數(shù)。該方法也是一個(gè)適用方法。用阻抗法分析空間管路系統(tǒng)的振動(dòng)與聲傳播問題，其狀態(tài)向量只要10個(gè)分量就可以了。蔡亦剛[11]在這方面作了一些基本的研究，他選擇流體的壓力P(x,t)和流量Q(x,t)作為基本狀態(tài)量，將管路系統(tǒng)看成是R、L、C、G回路，利用電傳輸線理論，推導(dǎo)出流體傳輸管道動(dòng)態(tài)特性的基本方程,建立二輸入和二輸出的四端口網(wǎng)絡(luò)基本關(guān)系式，最后寫成矩陣形式：

(5)

式中,Zc(s)=[Z(s)/Y(s)]1/2，而Z(s)=R+Ls,Z(s)為串聯(lián)阻抗；Y(s)=G+Cs,Y(s)為并聯(lián)導(dǎo)納。

式(5)中若壓力乘以管內(nèi)流體截面積，流量除以管內(nèi)流體截面積，則可以轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的阻抗分析法。若給定輸入,自然可求得系統(tǒng)的輸出。

式(5)表示的阻抗分析法在形式上為頻域傳遞矩陣法，特點(diǎn)是引入復(fù)阻抗，包括機(jī)械阻抗和聲阻抗。它們是與充液管道部件的幾何參數(shù)、流體與結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)有關(guān)的。對(duì)于幾何形狀規(guī)則的管道元件，其機(jī)械阻抗和聲阻抗可以通過解析法推導(dǎo)出,而復(fù)雜管件只能通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得。

2.3 管路系統(tǒng)振動(dòng)傳遞的計(jì)算軟件

一些軟件業(yè)發(fā)達(dá)且艦艇隱身設(shè)計(jì)技術(shù)先進(jìn)的西方國(guó)家均有各自的管路系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析專用軟件。目前管路系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析的專用軟件主要由美國(guó)開發(fā)，如有限元分析軟件ALGOR中的PipePak模塊和管路應(yīng)力分析軟件CAESARⅡ。ALGOR的管道應(yīng)力分析模塊PipePak是一個(gè)管道設(shè)計(jì)和分析工具。模塊中包含了美國(guó)、英國(guó)和歐盟的管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。PipePak可以對(duì)管路系統(tǒng)進(jìn)行線性靜態(tài)應(yīng)力、固有頻率(模態(tài))、響應(yīng)譜、頻率響應(yīng)、時(shí)間歷程等常規(guī)分析。CAESARⅡ也是一個(gè)管路系統(tǒng)應(yīng)力分析軟件,載荷包括重力、壓力、溫度、地震以及其它靜、動(dòng)態(tài)載荷，同時(shí)該軟件中所帶的管路標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范還包含美國(guó)海軍規(guī)范中關(guān)于艦艇管路系統(tǒng)的內(nèi)容。

而我國(guó)目前還沒有成熟可靠的和完善的計(jì)算工具來對(duì)艦艇管路系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲進(jìn)行模擬計(jì)算。在管路系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析軟件開發(fā)中，一方面，由于國(guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用水平與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的差距較大；另一方面，我國(guó)對(duì)管路系統(tǒng)元件的振動(dòng)噪聲特性數(shù)據(jù)掌握不夠，尤其是艦艇管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲源特性數(shù)據(jù)的積累較少，到目前為止國(guó)內(nèi)相關(guān)研究大多采用通用有限元軟件來進(jìn)行模擬計(jì)算。

盡管國(guó)內(nèi)外對(duì)艦艇管路系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究的模型和方法相差不大，但我國(guó)學(xué)者利用這些模型和方法，僅僅是開展了一些零散的艦艇管路系統(tǒng)聲學(xué)設(shè)計(jì)理論方面的研究工作，尚未形成一套完整的、成熟可靠的艦艇管路系統(tǒng)聲學(xué)設(shè)計(jì)方法。

隨著造船工業(yè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用水平的不斷提高，艦艇的管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)也采用了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)。一般的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的主要應(yīng)用是進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，而美國(guó)海軍已經(jīng)在使用更為先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)——“基于模擬的設(shè)計(jì)”(將計(jì)算機(jī)直觀顯示、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和數(shù)值分析這3種技術(shù)結(jié)合到一起的計(jì)算機(jī)技術(shù))來設(shè)計(jì)艦艇管路系統(tǒng)。采用這一技術(shù)，在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)階段不僅可以對(duì)管路系統(tǒng)的三維布置進(jìn)行設(shè)計(jì)，還可以對(duì)包括管路系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲性能在內(nèi)的流體特性、適裝性、重量、成本等設(shè)計(jì)參數(shù)加以分析評(píng)估[12]。在對(duì)管路系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲性能進(jìn)行評(píng)估時(shí)，通過使用一定的判據(jù)來判斷管路系統(tǒng)能否滿足聲學(xué)設(shè)計(jì)要求。

國(guó)內(nèi)艦船研制領(lǐng)域雖然也注意了緊跟世界造船業(yè)的先進(jìn)技術(shù)，在艦船研制過程中引入了三維設(shè)計(jì)技術(shù)，但目前的應(yīng)用還處于起步階段。近年來，國(guó)內(nèi)艦船研制領(lǐng)域在引進(jìn)、消化以及自行開發(fā)的基礎(chǔ)上，大力開展了三維設(shè)計(jì)的研究開發(fā)工作，并將相關(guān)成果應(yīng)用于型號(hào)產(chǎn)品研制中，進(jìn)行了艦船包括管系設(shè)計(jì)在內(nèi)的三維綜合布置設(shè)計(jì)研究工作[13]。但是由于我國(guó)現(xiàn)階段相關(guān)基礎(chǔ)還很薄弱，可利用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)有限，較多具體的技術(shù)細(xì)節(jié)問題還有待進(jìn)一步深入研究，因此還不足以在管路系統(tǒng)三維設(shè)計(jì)中考慮聲學(xué)因素，還無法全面地、系統(tǒng)地開展艦艇管路系統(tǒng)聲學(xué)設(shè)計(jì)。

比較美國(guó)海軍已進(jìn)行的艦艇管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)和做法可以發(fā)現(xiàn)，美國(guó)在對(duì)其艦艇管路系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，艦艇管路系統(tǒng)的聲學(xué)性能僅是設(shè)計(jì)時(shí)考慮的一個(gè)方面，其管路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)評(píng)估已趨向綜合集成。這也將是今后我國(guó)艦艇管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)發(fā)展的方向。

2.4 管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲控制技術(shù)

一般來說,管路振動(dòng)和噪聲控制的方法可分為兩類：

1) 抑制振動(dòng)和噪聲源；

2) 在振動(dòng)和噪聲傳播途徑中采取隔離措施。

隔振措施又分管路振動(dòng)和結(jié)構(gòu)噪聲的控制措施及管路流體噪聲控制措施。

管路系統(tǒng)的振動(dòng)與噪聲源包括各類泵、風(fēng)機(jī)以及壓縮機(jī)等,由于其工作原理上的特點(diǎn),它們不僅直接激勵(lì)管壁結(jié)構(gòu)，還使管路內(nèi)的流體的壓力和流量產(chǎn)生脈動(dòng)并以波的形式傳播,由此激發(fā)整個(gè)管系振動(dòng)。因此降低管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲源是一種從根本上控制振動(dòng)噪聲水平的方法，但由于低噪聲泵和風(fēng)機(jī)等機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)與制造現(xiàn)狀的限制，實(shí)際工作中大都還是依靠隔振措施，即加裝振動(dòng)噪聲控制元件的方法來達(dá)到噪聲控制技術(shù)指標(biāo)。

目前工程實(shí)際中，艦艇上的管路系統(tǒng)主要以功能設(shè)計(jì)為目標(biāo)。根據(jù)管路輸送流體介質(zhì)的壓力、流量來確定管路的材質(zhì)、管徑，并按與其相連的機(jī)械設(shè)備的幾何形狀、位置以及安裝空間來確定管路系統(tǒng)的走向及其支承布置；同時(shí)艦艇上的管路系統(tǒng)數(shù)目眾多，在十分有限的空間中相互交錯(cuò)，形成了錯(cuò)綜復(fù)雜的管網(wǎng)。這些因素決定了艦艇的管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲控制設(shè)計(jì)是多種矛盾相互妥協(xié)的結(jié)果。

為減少各類機(jī)械設(shè)備通過管壁通路傳遞的結(jié)構(gòu)噪聲,可在管路中設(shè)置隔振元件[14]。隔振元件一般指各種類型的隔振器、撓性接管、彈性吊架以及不同材質(zhì)的隔振墊等。例如,在泵出口到管系之間插入一段撓性接管或金屬管波紋管等,以達(dá)到隔振效果。另外可利用沿管壁敷設(shè)阻尼材料耗散掉沿管壁傳播的振動(dòng)能量，這種措施在管路減振中也得到了普遍應(yīng)用。

管路系統(tǒng)內(nèi)部除了結(jié)構(gòu)噪聲外,還有另一種很重要的噪聲——流噪聲。流噪聲是由于管路系統(tǒng)中泵源的流量或壓力脈動(dòng),閥的突然動(dòng)作產(chǎn)生的流量突變(沖擊),或其他外界干擾(如負(fù)載變化)而引發(fā)的,并由此誘發(fā)管路振動(dòng)。流體噪聲的產(chǎn)生機(jī)理主要與振動(dòng)源和系統(tǒng)阻抗有關(guān)。振動(dòng)源一般指產(chǎn)生流量或壓力脈動(dòng)的流體機(jī)械,或流體機(jī)械(如閥)的突然動(dòng)作也會(huì)產(chǎn)生流量或壓力脈動(dòng)(典型的如水擊現(xiàn)象)。系統(tǒng)阻抗包括流體管道本身的阻抗(與管道的材質(zhì)與幾何尺寸,以及流體介質(zhì)的物理特性有關(guān))和負(fù)載阻抗兩部分。當(dāng)管路系統(tǒng)的阻抗?jié)M足諧振條件,即使振動(dòng)源的干擾很小(如壓力脈動(dòng)的幅值很小),也會(huì)在管路系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生諧振,引起流體壓力或流量的劇烈振蕩,造成管路系統(tǒng)嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)振動(dòng)和噪聲。在實(shí)際的管路系統(tǒng)中,壓力和流量的脈動(dòng)或沖擊不可能完全沒有,所以擬采取的控制措施應(yīng)避免引起諧振，同時(shí)盡可能減小系統(tǒng)中壓力和流量的脈動(dòng)(或振蕩)的幅值。

減小振動(dòng)源的影響主要是減小管路系統(tǒng)中機(jī)械設(shè)備工作所產(chǎn)生的壓力、流量或沖擊?？稍诠苈废到y(tǒng)方案設(shè)計(jì)階段泵、壓縮機(jī)選型時(shí)重點(diǎn)考慮此項(xiàng)指標(biāo),在滿足基本技術(shù)要求或犧牲某些技術(shù)要求的前提下盡可能選擇所輸出的流量和壓力脈動(dòng)小的泵、壓縮機(jī)。

對(duì)于因閥的突然開啟或關(guān)閉,造成流量或壓力的沖擊和振蕩(如水擊現(xiàn)象),并導(dǎo)致較大的管系振動(dòng)噪聲，其通常的解決方法是合理設(shè)計(jì)閥的啟閉過程和時(shí)間或采取分步關(guān)閥的措施來抑制壓力沖擊,以使由水擊產(chǎn)生的壓力沖擊最小。

對(duì)振動(dòng)源所采取的措施只能部分地減小其所產(chǎn)生的流量或壓力脈動(dòng),而不能予以完全消除，因此還可借助調(diào)整系統(tǒng)阻抗的方法，來避開振動(dòng)源的流量或壓力脈動(dòng)的主頻率,避免發(fā)生諧振。調(diào)整系統(tǒng)阻抗的方法很多，如改變管段長(zhǎng)度,改變管截面尺寸,改變?cè)惭b位置,加裝可變阻抗的控制元件等都可以改變系統(tǒng)源阻抗。因此在設(shè)計(jì)管路系統(tǒng)時(shí),可采用阻抗分析的方法,先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行阻抗優(yōu)化,選取最佳的元件結(jié)構(gòu)和參數(shù),有效地減小或消除系統(tǒng)可能出現(xiàn)的壓力脈動(dòng)。

然而在實(shí)際的管路系統(tǒng)中,要根本消除振動(dòng)源的脈動(dòng)是極其困難的,而調(diào)整系統(tǒng)的阻抗特性(如改變管長(zhǎng)和元件結(jié)構(gòu)等)又要受系統(tǒng)合理設(shè)計(jì)的限制(如系統(tǒng)正常運(yùn)行工況，控制元件安裝空間、方位等),因此,在管路系統(tǒng)中加裝消振或?yàn)V波元件來衰減或吸收流量壓力脈動(dòng)，也不失為一個(gè)工程上較實(shí)用的措施，其實(shí)質(zhì)也是調(diào)整管路系統(tǒng)的阻抗特性。目前在流體工程中,特別是流體管路系統(tǒng)中使用的消振、濾波元件,主要有各種形式的濾波器、蓄能器和孔板等。

2.5 國(guó)內(nèi)管路系統(tǒng)聲學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)水平及差距

鑒于管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲控制技術(shù)研究的理論意義與工程應(yīng)用價(jià)值的重要性與迫切性，國(guó)內(nèi)艦艇減振降噪領(lǐng)域的研究人員在低噪聲管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理論和方法研究方面開展了許多研究工作，解決了若干工程問題，取得了一些進(jìn)展，縮小了與國(guó)外先進(jìn)研究水平的差距。

近年來國(guó)內(nèi)已立項(xiàng)開展了一些艦艇管路噪聲控制技術(shù)研究課題，建成了管路噪聲試驗(yàn)平臺(tái)，開展了管路系統(tǒng)總體布置與聲學(xué)特性測(cè)試技術(shù)研究，形成了管路噪聲研究體系。通過這些理論與試驗(yàn)研究，理清了管道噪聲研究要解決的關(guān)鍵問題和思路，建立了管路系統(tǒng)振動(dòng)及聲傳播計(jì)算技術(shù)的框架，找到了管系動(dòng)力特性計(jì)算與管系元器件的實(shí)測(cè)阻抗數(shù)據(jù)結(jié)合方法，從而為用管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲控制技術(shù)與控制器件的全面研究奠定了基礎(chǔ)。

但由于認(rèn)識(shí)不足，研究深度不夠，我國(guó)至今在艦艇管路系統(tǒng)聲學(xué)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的技術(shù)積累有限，已成為艦艇聲隱身技術(shù)發(fā)展的瓶頸，導(dǎo)致我國(guó)至今沒有成熟可靠的艦艇管路系統(tǒng)聲學(xué)仿真計(jì)算軟件和聲學(xué)設(shè)計(jì)的能力；缺少艦艇管路系統(tǒng)聲學(xué)設(shè)計(jì)手段和判據(jù)；目前船舶行業(yè)正在推廣應(yīng)用的先進(jìn)的管路系統(tǒng)三維設(shè)計(jì)技術(shù)還無法考慮聲學(xué)因素，即管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員還不具備在進(jìn)行管路功能設(shè)計(jì)的同時(shí)考慮聲學(xué)設(shè)計(jì)的能力；沒有可供選擇的、標(biāo)準(zhǔn)的控制元件；管路振動(dòng)噪聲控制元件的聲學(xué)特性參數(shù)掌握不夠；管路元件聲學(xué)優(yōu)化布置及管路系統(tǒng)聲學(xué)試驗(yàn)等方面的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范尚未完善。這些都使得我國(guó)艦艇與世界艦艇先進(jìn)國(guó)家相比在管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲控制技術(shù)方面存在較大差距。

3 結(jié)論與展望

本文詳細(xì)回顧了艦艇管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲傳遞的理論、計(jì)算方法以及控制技術(shù)。從目前國(guó)內(nèi)外對(duì)管路系統(tǒng)的研究可以看出，相對(duì)簡(jiǎn)單的管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲傳遞特性研究日漸成熟；由于某些控制元件的理論模型難于得到，同時(shí)缺乏可靠的成熟的試驗(yàn)手段，因而對(duì)包含多種管路控制元件的復(fù)雜管路系統(tǒng)還有待進(jìn)一步深入研究。

研究管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲傳遞的計(jì)算方法有多種，各有各的優(yōu)缺點(diǎn)，且都有各自的適用范圍。怎樣更好地綜合地應(yīng)用這些方法也是值得去研究的。通用的有限元方法在管道振動(dòng)領(lǐng)域仍是一個(gè)好方法，但是針對(duì)艦艇管路系統(tǒng)的特殊性以及工程適用性，該方法還存在一些不足。而將有限元法與阻抗分析方法相結(jié)合來研究復(fù)雜管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲傳遞特性是一種工程可行的計(jì)算方法。目前面臨的問題是如何使這種方法能更有效地、更精確地計(jì)算預(yù)報(bào)各種復(fù)雜管系的振動(dòng)與聲的傳遞問題。這將有賴于實(shí)驗(yàn)技術(shù)與理論模型和計(jì)算方法的緊密結(jié)合。

艦艇管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲控制技術(shù)在優(yōu)先對(duì)振動(dòng)噪聲源控制和有效控制振動(dòng)噪聲的傳播途徑的基礎(chǔ)上，還要進(jìn)行綜合考慮，從整體的效能出發(fā)，做到功能設(shè)計(jì)與聲學(xué)設(shè)計(jì)互相兼容、互相平衡。

針對(duì)國(guó)內(nèi)在艦艇管路系統(tǒng)聲學(xué)設(shè)計(jì)方面存在的差距，我們應(yīng)在以下幾個(gè)方面開展更深入、更細(xì)致的研究。

1) 管路系統(tǒng)聲學(xué)特性測(cè)試技術(shù)。大力開展泵、閥與風(fēng)機(jī)的振動(dòng)噪聲源特性的測(cè)量理論與測(cè)量規(guī)范、管路噪聲控制器件機(jī)械阻抗與聲阻抗測(cè)試技術(shù)、管內(nèi)工作介質(zhì)流噪聲測(cè)試等技術(shù)研究；通過這一系列管路系統(tǒng)元件振動(dòng)噪聲特性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的研究與積累，將極大地豐富和支撐艦艇管路系統(tǒng)聲學(xué)設(shè)計(jì)軟件的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。

2) 管路系統(tǒng)聲學(xué)設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)規(guī)則。開展艦艇管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲傳遞與水下聲輻射的計(jì)算方法和預(yù)報(bào)軟件的研究;同時(shí)進(jìn)行管路系統(tǒng)噪聲控制器件的布置規(guī)律研究，形成我國(guó)艦艇低噪聲管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則與規(guī)范。

3) 低噪聲輔機(jī)設(shè)備與管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲控制元件。主要研究?jī)?nèi)容包括低噪聲泵、閥與風(fēng)機(jī)的聲學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù);管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲控制元件的聲學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)。

4) 管路系統(tǒng)聲學(xué)設(shè)計(jì)評(píng)估技術(shù)。重點(diǎn)研究艦艇管路系統(tǒng)聲學(xué)設(shè)計(jì)及建造聲學(xué)質(zhì)量評(píng)估方法，建立評(píng)估參數(shù)體系。

5) 低噪聲管路系統(tǒng)施工建造工藝。主要研究如何在建造過程中實(shí)現(xiàn)管路系統(tǒng)聲學(xué)設(shè)計(jì)的目標(biāo)，保證建造質(zhì)量與聲學(xué)防護(hù)效果的施工工藝。

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