艦船通海管路低頻消聲技術(shù)的研究進(jìn)展

戴　俊，蘇勝利（. 海軍駐43廠軍事代表室，遼寧 葫蘆島 5004；. 武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064）

艦船通海管路低頻消聲技術(shù)的研究進(jìn)展

戴俊1，蘇勝利2
（1. 海軍駐431廠軍事代表室，遼寧 葫蘆島 125004；2. 武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064）

分析水管路低頻消聲技術(shù)的實(shí)船應(yīng)用環(huán)境，指出通海管路在聲傳播、空間布置等方面存在的特點(diǎn)以及安全性、空間布置等方面的要求。在此基礎(chǔ)上，將通海管路低頻消聲技術(shù)分為傳統(tǒng)抗性消聲技術(shù)、氣囊式消聲技術(shù)、水動力彈性板式消聲技術(shù)以及主動消聲技術(shù)等 4 個方面，結(jié)合實(shí)船環(huán)境，詳細(xì)分析各項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，指出下一步應(yīng)繼續(xù)開展的工作。

實(shí)船環(huán)境；抗性消聲；氣囊式消聲；水動力彈性板式消聲；主動消聲

0　引　言

眾所周知，艦船輻射噪聲由機(jī)械噪聲、推進(jìn)系統(tǒng)噪聲和水動力噪聲 3 部分疊加而成［1］，而機(jī)械噪聲是低航速工況下的主要噪聲源。機(jī)械噪聲主要來自于艦船內(nèi)部汽輪機(jī)、泵、發(fā)電機(jī)、推進(jìn)軸系等旋轉(zhuǎn)機(jī)械在工作過程中產(chǎn)生的不平衡或者摩擦激勵力。機(jī)械振動產(chǎn)生之后，一方面通過設(shè)備的機(jī)腳傳遞至基座，進(jìn)而引起船體結(jié)構(gòu)振動并產(chǎn)生輻射噪聲；另一方面則通過與設(shè)備相連的管路系統(tǒng)及其支吊架傳遞至艇體結(jié)構(gòu)并產(chǎn)生輻射噪聲。近年來，隨著機(jī)械設(shè)備自身研制水平的不斷提升，以及浮筏［2］、動力吸振［3］、氣囊隔振［4］等隔振技術(shù)的應(yīng)用，通過管路系統(tǒng)傳遞通道引起的輻射噪聲已經(jīng)成為機(jī)械噪聲控制的瓶頸。

管路系統(tǒng)，尤其是通海管路系統(tǒng)，機(jī)械振動不僅沿著管壁結(jié)構(gòu)經(jīng)支吊架傳遞至船結(jié)構(gòu)，還會沿著管內(nèi)的水介質(zhì)經(jīng)通?？谥苯酉蛳贤廨椛湓肼暎瑐鬟f路徑相對復(fù)雜，控制難度非常大。近年來，隨著減振接管［5］、管路彈性支吊架［6］的應(yīng)用，通過管內(nèi)水介質(zhì)傳遞通道引起的聲輻射已經(jīng)成為通海管路噪聲控制的重點(diǎn)。

前期研究表明，冷卻水泵是通海系統(tǒng)管內(nèi)流噪聲的主要來源，在管路中加裝消聲器是降低流噪聲非常有效的方法。由于水泵產(chǎn)生的流噪聲能量主要集中在泵軸頻、葉頻及其諧頻所在的中低頻段［7］，因此聲學(xué)性能優(yōu)良、又能適應(yīng)通海系統(tǒng)惡劣工作環(huán)境的通海管路低頻消聲技術(shù)一直是近年來艦船振動噪聲控制的研究熱點(diǎn)。

通海管路低頻消聲技術(shù)雖然已經(jīng)得到相關(guān)研究人員的足夠重視，但對這些研究的總結(jié)卻尚未看到。本文主要對當(dāng)前通海管路低頻消聲技術(shù)進(jìn)行梳理與分類，以實(shí)船環(huán)境為應(yīng)用背景，詳細(xì)分析各種消聲技術(shù)存在的優(yōu)缺點(diǎn)，指出下一步研究仍需開展的工作，為降低通海管路系統(tǒng)的輻射噪聲水平提供支撐。

1　通海管路低頻消聲實(shí)船應(yīng)用環(huán)境分析

艦船通海系統(tǒng)是保證艦船正常航行的重要組成部分。由于與艦船外部海水直接接觸，通海系統(tǒng)在安全性、可靠性等方面的要求均比其他系統(tǒng)高。因此，要想在通海系統(tǒng)中應(yīng)用低頻消聲技術(shù)，首先必須適應(yīng)其惡劣的工作環(huán)境。

1.1水與空氣中聲波特性的區(qū)別

消聲器的設(shè)計(jì)理論與實(shí)際應(yīng)用最早起源于空氣管道，雖然水管路中的聲傳播和空氣管路沒有本質(zhì)上的區(qū)別，水消聲器的設(shè)計(jì)依然可以沿用空氣消聲器。但兩者之間仍有不少差別需要引起重視，主要包括：

1）水介質(zhì)中的中、低頻聲波波長遠(yuǎn)大于空氣中的聲波；

2）水介質(zhì)中的特性聲阻抗遠(yuǎn)大于空氣介質(zhì)，兩者相差在 3 000 倍以上；

3）水介質(zhì)中的體積彈性模量約為 2.2 × 109N/m2，比空氣大 104倍以上。

1.2水中聲速特性分析

聲速作為水消聲器最重要的設(shè)計(jì)輸入，取值是否合理非常重要。相關(guān)研究表明，水中聲速具有以下特點(diǎn)：

1）聲速與水溫、水深、鹽度密切相關(guān)，其中以水溫的影響最為顯著［8］。

3）管路實(shí)際上為彈性體，當(dāng)管內(nèi)流體受到壓縮時(shí)，管壁同時(shí)要發(fā)生膨脹，此時(shí)水中聲速也會發(fā)生改變，如式（1）所示。

式中：D 為管內(nèi)徑；e 為管壁厚度；E 為管材的楊氏模量；C1為管道支撐情況的修正系數(shù)。

1.3安全性要求

艦船，尤其是水下艦船，通常會在很寬的水深范圍內(nèi)工作，這就要求水消聲器需要在很寬的壓力范圍內(nèi)都能夠正常工作。

1.4空間布置要求

艦船內(nèi)部設(shè)備、管路眾多，可供水消聲器安裝的空間十分有限，這極大限制了低頻消聲器的幾何尺寸，增加了聲學(xué)性能優(yōu)良的水消聲器的設(shè)計(jì)難度。

2　通海管路低頻消聲技術(shù)研究進(jìn)展

在上述艦船通海管路系統(tǒng)實(shí)際工作環(huán)境分析的基礎(chǔ)上，本文將對低頻消聲技術(shù)進(jìn)行分類，以實(shí)船環(huán)境為應(yīng)用背景，分析國內(nèi)外各類技術(shù)存在的特點(diǎn)。

2.1通海管路低頻消聲技術(shù)分類

與空氣介質(zhì)消聲技術(shù)類似，通海管路低頻消聲技術(shù)可分為被動消聲與主動消聲兩大類，其中被動消聲技術(shù)按照消聲原理主要分為傳統(tǒng)抗性消聲、氣囊式消聲、水動力彈性板式消聲技術(shù)等 3 大類。

2.2傳統(tǒng)抗性消聲技術(shù)

采用抗性消聲結(jié)構(gòu)進(jìn)行水管路低頻消聲是當(dāng)前最常見的做法，這主要是由于抗性消聲結(jié)構(gòu)可采用與管路一樣的金屬材料進(jìn)行加工，在可靠性和安全性方面具有無可比擬的優(yōu)勢，而且經(jīng)試驗(yàn)證明，當(dāng)管內(nèi)介質(zhì)在很寬的壓力范圍內(nèi)變化時(shí)，抗性消聲結(jié)構(gòu)依然可以取得令人滿意的結(jié)果［9］，這一點(diǎn)對于艦船設(shè)計(jì)人員來講非常關(guān)鍵。

與空氣管路類似，水管路中常見的抗性消聲結(jié)構(gòu)包括膨脹腔消聲器、Helmholtz 共振器、穿孔共振器、HQ 管等［10-12］，其中 Helmholtz 與穿孔共振結(jié)構(gòu)的主要用途就是低頻消聲。在空氣中，Helmholtz 與穿孔共振結(jié)構(gòu)的理論研究已經(jīng)較為完善［13-14］，并被廣泛用于汽車進(jìn)排氣、通風(fēng)空調(diào)等領(lǐng)域，而在水中的情況則并不如空氣中那么樂觀，主要存在以下難點(diǎn)：

1）由于水介質(zhì)為重流體，需要特別注意Helmholtz 共振腔壁彈性的影響；

2）水中聲波波長遠(yuǎn)大于空氣中的聲波，要想取得令人滿意的消聲效果，其結(jié)構(gòu)尺寸往往要設(shè)計(jì)的很大，這對空間緊湊的艦船內(nèi)部環(huán)境來講難以克服；

3）抗性結(jié)構(gòu)的低頻特性往往非常窄，難以適應(yīng)噪聲源激勵存在變化的場合。

針對上述難點(diǎn)，相關(guān)研究人員開展了大量有針對性的理論與試驗(yàn)研究，主要包括如下幾個方面：

1）在共振腔體彈性方面，周城光等［15-17］利用聲電類比法研究了充水 Helmholtz 共振器的彈性壁對聲學(xué)特性的影響，指出腔壁彈性將使共振頻率往低頻方向移動，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，但同時(shí)作者也指出當(dāng)腔壁厚度達(dá)到一定程度時(shí)，腔壁彈性的影響將會消失。Gorin［9， 11］在 Helmholtz 共振器的設(shè)計(jì)過程中考慮了腔體連接部位的彈性對共振頻率的影響，試驗(yàn)結(jié)果證明共振頻率與泵源葉頻吻合良好。袁建平等［18-19］在其試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)理論預(yù)測共振頻率低于實(shí)測值，除了作者提到的原因之外，未考慮腔壁彈性影響也是重要原因之一。

2）在優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸方面，最常見的是效仿空氣管路中 Selamet 的做法將連接管伸入共振腔［20］，這樣一來就有可能以較小的尺寸取得較低的共振頻率。最近，李東升等［21］基于腔壁彈性的影響規(guī)律，提出了壓力自適應(yīng)低頻寬帶彈性共振消聲裝置（實(shí)用新型專利，申請?zhí)枺?01310295322.9），將共振腔的頂部用金屬薄板或者橡塑薄板代替，使得共振器能夠以較小的尺寸取得低頻寬帶的消聲性能。但是與本文后續(xù)將會討論的水動力彈性板式消聲器類似，這種結(jié)構(gòu)缺乏試驗(yàn)驗(yàn)證，并且在可靠性方面仍然存在改進(jìn)的空間。

3）在共振器調(diào)頻方面，空氣中關(guān)于可調(diào)頻 Helmholtz共振器的研究非常多，而在水管路中則非常少見。李赫等［22-24］提出了基于 Helmholtz 共振器與穿孔管消聲器的可調(diào)頻消聲結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了數(shù)值仿真計(jì)算與試驗(yàn)測試，但試驗(yàn)結(jié)果證明調(diào)頻效果并不理想，作者分析認(rèn)為是試驗(yàn)條件不滿足要求、消聲器加工精度不高等原因造成的。

2.3氣囊式水消聲技術(shù)

氣囊式水消聲器的結(jié)構(gòu)和工作原理與液壓系統(tǒng)中的蓄能器類似，目前對該項(xiàng)技術(shù)的研究主要見于柳貢民等［25-28］。文獻(xiàn)［25］給出了一典型的氣囊式水消聲器結(jié)構(gòu)，如圖1 和 圖2 所示，其主管路通徑為 DN 100，管 2 和管 3 分別開有 13 mm 和 3.6 mm 的孔，穿孔率分別為 50% 和 37%。管 3 外是橡膠套 4，橡膠套和消聲器外殼 5 之間為氣腔。氣囊式消聲器的基本消聲原理是：當(dāng)水動力噪聲進(jìn)入該消聲器時(shí)，噪聲通過金屬孔后到達(dá)一個充有氮?dú)獾臍饽疑?，由于外層金屬穿孔孔徑很小，充有氮?dú)獾臍饽也粫驗(yàn)榱黧w內(nèi)壓力降低時(shí)而被吸入到內(nèi)管。流體的壓力脈動致使氣囊變形，這種輕微的變形就能衰減流體的脈動，從而起到降低管路系統(tǒng)振動和噪聲的目的。

從已有的陸上試驗(yàn)臺架測試結(jié)果可知，氣囊式水消聲器以相對較小的結(jié)構(gòu)尺寸在很寬的頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)出優(yōu)良的聲學(xué)性能，尤其是在艦船研究人員更為看重的中、低頻段，具有一定的實(shí)船應(yīng)用前景?？偟膩碇v，氣囊消聲技術(shù)在實(shí)用化方面仍然存在以下工作需要進(jìn)一步研究：

圖1　典型氣囊式消聲器結(jié)構(gòu)Fig. 1　Typical structural diagram of gasbag water muffler

圖2　典型氣囊式消聲器實(shí)物圖Fig. 2　Typical gasbag water muffler

1）由氣囊式消聲器的消聲原理可知，為了維持良好的消聲性能，其背腔必須充有與主管內(nèi)流體相同壓力的氣體，避免橡膠套承壓過大失去彈性，為此必須配備有壓力自動調(diào)節(jié)裝置，可以隨時(shí)對氣腔進(jìn)行充放氣，以此維持氣腔和主管內(nèi)的壓力平衡。這樣一來，氣囊式水消聲器的復(fù)雜性將大大增加，裝置可靠性也大為下降。

2）橡膠長期在海水中浸泡，容易腐蝕與老化，老化之后的橡膠體將不具備其原有的聲彈性，從而降低氣囊式消聲器的聲學(xué)性能。

3）當(dāng)前氣囊式消聲器的聲學(xué)性能研究主要依賴試驗(yàn)手段，理論與數(shù)值仿真的準(zhǔn)確度尚需進(jìn)一步提高。

2.4水動力彈性板式消聲技術(shù)

水動力彈性板式消聲技術(shù)來源于空氣管路中的鼓式消聲器（drum like silencer），最早由黃立錫教授發(fā)明［29-30］，并對其進(jìn)行了大量的理論與試驗(yàn)研究。在此基礎(chǔ)上，何濤等［31-32］針對水管路提出了充液背腔板式水動力噪聲消聲器的設(shè)想，并對其進(jìn)行了理論計(jì)算與分析。圖3 為一矩形截面管路帶矩形背腔的彈性板式消聲器，主管路和背腔中均充滿水介質(zhì)，兩者以彈性薄板隔開。其消聲機(jī)理如下：主管路上的入射聲波激勵彈性板振動，彈性板在背腔聲介質(zhì)和主管聲介質(zhì)的耦合作用下受迫振動并向管內(nèi)輻射聲；由于彈性板在主管內(nèi)的輻射聲與入射聲波幅值相當(dāng)且在空間上存在相位差，矢量疊加后使得總的向下游傳播的聲波減弱，而大部分聲波反射回上游。

文獻(xiàn)［30］在文獻(xiàn)［29］的基礎(chǔ)上詳細(xì)分析了充液背腔板式水消聲器的彈性板及其背腔幾何尺寸和材料參數(shù)對聲學(xué)性能的影響。理論研究結(jié)果表明，這種類型水消聲器可以在尺寸較小的情況下表現(xiàn)出良好的低頻寬帶消聲性能，這有助于解決艦船內(nèi)部空間布置十分緊湊的限制，具有一定的應(yīng)用前景。

截至目前尚未從公開的文獻(xiàn)中見到有關(guān)該類型水消聲器的試驗(yàn)驗(yàn)證。不僅如此，以上述實(shí)船環(huán)境為應(yīng)用背景，根據(jù)文獻(xiàn)［29］和文獻(xiàn)［30］的分析結(jié)果，彈性板式水消聲器仍然存在以下工作需要進(jìn)一步研究：

1）要想使圖2 所示模型獲得 100 Hz，甚至 50 Hz以下的低頻消聲效果，其彈性板的厚度需要在 1 mm以下，這導(dǎo)致彈性板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度難以保證。

2）彈性板與主管道的實(shí)際連接條件與理論上的固支、簡支邊界都存在不同，特別是對于圓形管道，很難保證周向均勻。

4）背腔充氣時(shí)的聲學(xué)效果要好于充水，但當(dāng)艦船在水下工作時(shí)，要想使彈性板在上述厚度下仍然能夠正常工作，那么就得與氣囊式水消聲器類似，還得增加一套復(fù)雜的自適應(yīng)充氣系統(tǒng)，這將大大增加水消聲裝置的復(fù)雜性，并降低安全性、可靠性。

圖3　水動力彈性板消聲器原理圖Fig. 3　Sketch of hydrodynamic plate-silencer

2.5主動消聲技術(shù)

由于低頻噪聲的波長較長，因此對低頻噪聲的控制通常是困難的，且花費(fèi)也高，在許多情況下甚至是不可能的［33］。如果僅考慮用被動噪聲控制技術(shù)，對于波長較長的低頻噪聲的控制須用大的消聲器和重質(zhì)封裝結(jié)構(gòu)，這在很多場合，尤其是艦船內(nèi)部幾乎是不允許的。為此，在20世紀(jì)30年代國外就有人提出了主動噪聲控制（Active Noise Control，ANC）的設(shè)想，其基本設(shè)想是人為發(fā)出次級噪聲控制來原始噪聲，達(dá)到消除原始噪聲的目的。

近年來，隨著信號處理、智能材料等技術(shù)的進(jìn)步，主動噪聲控制技術(shù)正逐步從理論研究向?qū)嵱没七M(jìn)。Fuller，Brevart，Kartha 及 Kiyar 等［34-37］相繼對充液管路振動噪聲主動控制開展了大量的理論研究，提出了在亥姆霍茲共振器內(nèi)部添加 1～3 部壓電式作動器等多種控制措施，并在實(shí)驗(yàn)室理想環(huán)境下進(jìn)行了驗(yàn)證。Maillard 開展了關(guān)于主動控制船舶充液管路管路壓力脈動（由泵工作引起）控制的理論與試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)了一種安裝在管路外表面的非插入壓電式作動器來控制管內(nèi)流體脈動，如圖5 所示。而在國內(nèi)，管路振動噪聲有源控制技術(shù)的研究多見于空氣管道，關(guān)于充液管道則較少涉及。

圖4　Maillard 研究的主動控制裝置Fig. 4　ANC equipment by Maillard

研究表明，ANC 技術(shù)在低頻消聲方面具有被動消聲技術(shù)難以比擬的優(yōu)勢，如結(jié)構(gòu)尺寸較小，能夠隨時(shí)跟蹤聲源激勵頻率的變化等。然而，正如參考文獻(xiàn)指出的那樣，通海管路系統(tǒng)內(nèi)部的聲波激勵及聲傳遞特性遠(yuǎn)比實(shí)驗(yàn)室環(huán)境復(fù)雜，艦船內(nèi)部環(huán)境也遠(yuǎn)比實(shí)驗(yàn)室惡劣，這會大大提升 ANC 技術(shù)的復(fù)雜程度，并降低其可靠性?？偟膩碇v，ANC 技術(shù)在實(shí)用化方面仍然存在以下工作需要進(jìn)一步研究：

1）通海管路內(nèi)部由海水泵產(chǎn)生的聲功率級遠(yuǎn)大于空氣管道，要想取得良好的消聲效果，必須進(jìn)一步次級聲源的功率強(qiáng)度；

2）次級聲源的低頻性能仍需進(jìn)一步提高，以適應(yīng)當(dāng)前低頻消聲的需求；

3）次級聲源的耐壓性能仍需進(jìn)一步提高，以滿足水下艦船通海管路嚴(yán)苛的工作壓力要求；

4）ANC 技術(shù)控制算法的穩(wěn)定性仍需進(jìn)一步改進(jìn)，以適應(yīng)艦船通海管路系統(tǒng)內(nèi)部聲源激勵多且復(fù)雜的特點(diǎn)；

5）由于充液管路流固耦合現(xiàn)象的存在，管內(nèi)結(jié)構(gòu)振動波與壓力脈動波之間存在相互轉(zhuǎn)化，控制效果往往難以令人滿意。

3　結(jié)　語

本文首先分析了艦船通海管路在噪聲源激勵、聲傳播等方面的特點(diǎn)，指出了低頻消聲技術(shù)在實(shí)船應(yīng)用時(shí)所應(yīng)具備的安全性、可靠性以及空間適應(yīng)性要求。然后，從消聲原理出發(fā)，將國內(nèi)外現(xiàn)行的水管路頻消聲技術(shù)分為傳統(tǒng)抗性消聲技術(shù)、氣囊式水消聲技術(shù)、水動力彈性板式消聲技術(shù)以及主動消聲技術(shù)等 4 個方面，結(jié)合實(shí)船環(huán)境，詳細(xì)分析了各項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，指出下一步仍應(yīng)繼續(xù)開展的工作，為我國艦船通海管路系統(tǒng)振動噪聲控制研究提供有益的支撐。

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Research progress of low frequency noise attenuation techniques for sea-connected pipes in naval vessel

DAI Jun1， SU Sheng-li2
（1. The Navy Military Representative Office in 431 Shipyard， Huludao 125004， China；2. Wuhan Second Ship Design and Research Institute， Wuhan 430064， China）

The application environment of hydrodynamic and low frequency noise attenuation techniques in naval vessel is analyzed at first in this paper， which points out the characteristics of sound propagation and excitation， requirements of safety and size in sea water piping system. Then， hydrodynamic and low frequency noise attenuation techniques， including traditional reactive silencer， gasbag silencer， elastic plate silencer and ANC， are analyzed in detail. The advantage and disadvantage of all kinds of these techniques is presented in this paper， which indicates the work to be carried out in the future.

environment of naval vesselreactive silencer；gasbag silence；elastic plate silencer；ANC

TB535

A

1672-7619（2016）05-0007-05

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.05.002

2015-02-26

戴?。?985-），男，工程師，主要從事艦船動力裝置振動噪聲控制研究。