艦船管路系統(tǒng)聲振控制技術(shù)評(píng)述與聲子晶體減振降噪應(yīng)用探索

沈惠杰， 李雁飛， 蘇永生， 章林柯， 宋玉寶

(1. 海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430033；2. 海軍工程大學(xué) 艦船動(dòng)力工程軍隊(duì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430033；3. 武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，武漢 430063；4. 中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 氣動(dòng)噪聲控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽(yáng) 621000)

艦船管路系統(tǒng)聲振控制技術(shù)評(píng)述與聲子晶體減振降噪應(yīng)用探索

沈惠杰1, 2， 李雁飛1, 2， 蘇永生1, 2， 章林柯3， 宋玉寶4

(1. 海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430033；2. 海軍工程大學(xué) 艦船動(dòng)力工程軍隊(duì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430033；3. 武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，武漢 430063；4. 中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 氣動(dòng)噪聲控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽(yáng) 621000)

艦船管路系統(tǒng)的低頻振動(dòng)和噪聲控制問(wèn)題是當(dāng)前艦船設(shè)計(jì)和制造中亟待解決的重難點(diǎn)問(wèn)題和研究熱點(diǎn)。淺析了艦船管路系統(tǒng)振動(dòng)與噪聲產(chǎn)生的原因，綜述了國(guó)內(nèi)外管路系統(tǒng)減振降噪治理技術(shù)，指出當(dāng)前振動(dòng)和噪聲控制技術(shù)中存在的瓶頸問(wèn)題，結(jié)合近年來(lái)凝聚態(tài)物理領(lǐng)域新興的聲子晶體減振降噪研究，提出利用聲子晶體周期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)解決艦船管路系統(tǒng)的低頻減振降噪問(wèn)題，并對(duì)國(guó)內(nèi)外聲子晶體理論在管路系統(tǒng)的減振降噪應(yīng)用探索進(jìn)行了概述，最后給出將聲子晶體引入艦船管路系統(tǒng)低頻減振降噪仍需深入研究和探討的幾個(gè)方面問(wèn)題。

艦船管路系統(tǒng)；減振降噪；低頻；聲子晶體；周期結(jié)構(gòu)

作為艦船重要組成部分的管路系統(tǒng)，其在艦船整體中扮演著重要角色——?jiǎng)恿ο到y(tǒng)冷卻、重量補(bǔ)償和二氧化碳吸收等。它猶如艦船的“血管系統(tǒng)”，維系著艦船的生命力[1-2]。艦船管路系統(tǒng)主要由各種閥件、管路、管內(nèi)介質(zhì)、泵、濾器和熱交換器等組成，它們通常與船內(nèi)動(dòng)力機(jī)械設(shè)備、運(yùn)動(dòng)部件、殼體等直接或間接相連，因此，艦船管路系統(tǒng)在工作過(guò)程中不可避免地產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。振動(dòng)和噪聲極易沿著艦船管路系統(tǒng)在船內(nèi)傳播，這不僅造成噪聲污染，惡化工作環(huán)境，而且還可能使管路系統(tǒng)的配套或相連接設(shè)備(如往復(fù)式壓縮機(jī)、泵和閥片等)過(guò)早損壞、管路結(jié)構(gòu)及其附件產(chǎn)生疲勞破壞，嚴(yán)重時(shí)甚至使管路爆裂或系統(tǒng)失效而釀成災(zāi)難[3]。此外，艦船管路系統(tǒng)又與艦船板殼等結(jié)構(gòu)連接，而板殼尺寸較大，一但被激振便形成一個(gè)很大的輻射器，其噪聲消減困難[4]。因此，艦船管路系統(tǒng)的振動(dòng)和噪聲已嚴(yán)重影響到艦船的安靜性、安全性設(shè)計(jì)，成為艦船設(shè)計(jì)和制造中亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一[5-7]。

隨著電子技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)的迅猛發(fā)展，當(dāng)前聲納對(duì)目標(biāo)的識(shí)別和跟蹤能力大大增強(qiáng)，工作頻段趨于低頻(如拖曳式陣列聲納的工作頻率可達(dá)500 Hz以下)的方向發(fā)展，作用距離越來(lái)越遠(yuǎn)。由于中高頻振動(dòng)及其誘發(fā)的噪聲在水中衰減較快且多表現(xiàn)為船體局部的振動(dòng)和聲輻射現(xiàn)象，故而中高頻噪聲對(duì)艦船整體的聲隱蔽性能影響通常不大；而低頻噪聲不僅傳播距離遠(yuǎn)、衰減小，而且其能量主要集中在低頻段，低頻譜線特征明顯，控制難度大[8-9]。因而艦船管路系統(tǒng)的低頻聲振控制技術(shù)，成為了當(dāng)下艦船管路系統(tǒng)減振降噪的重難點(diǎn)問(wèn)題。

近年來(lái)，凝聚態(tài)物理領(lǐng)域中新興的聲子晶體概念的提出引起了減振降噪研究學(xué)者的濃厚興趣。聲子晶體特有的彈性波帶隙特性能在預(yù)期頻段內(nèi)對(duì)波傳播進(jìn)行人為的調(diào)節(jié)控制，為艦船管路系統(tǒng)減振降噪的理論和技術(shù)突破提供了新的契機(jī)[10]。值得一提的是，最近的理論和實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)調(diào)節(jié)，聲子晶體可以在相當(dāng)?shù)偷念l率范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)超寬低頻帶隙[11]，這有望為當(dāng)前急需解決的艦船管路系統(tǒng)聲振控制問(wèn)題提供新的解決思路。

本文簡(jiǎn)要分析了艦船管路系統(tǒng)振動(dòng)與噪聲產(chǎn)生的原因，綜述了現(xiàn)有的管路系統(tǒng)聲振控制技術(shù)，指出了現(xiàn)有減振降噪技術(shù)存在的瓶頸問(wèn)題，并對(duì)聲子晶體在艦船管路系統(tǒng)的減振降噪應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)和展望。

1 管路聲振分析與控制

1.1 振動(dòng)分析與控制

在振動(dòng)控制問(wèn)題的解決上，首先必須了解振動(dòng)的產(chǎn)生原因和傳播機(jī)理。引起艦船管路系統(tǒng)振動(dòng)主要源自機(jī)械振動(dòng)和流致振動(dòng)兩個(gè)方面[12-13]。機(jī)械振動(dòng)是艦船管路系統(tǒng)中機(jī)電設(shè)備(如發(fā)電機(jī)組、電機(jī)、馬達(dá))、泵、移動(dòng)部件、節(jié)流裝置等產(chǎn)生的振動(dòng)。機(jī)械振動(dòng)的產(chǎn)生一般可以歸結(jié)為以下兩個(gè)主要原因：一是機(jī)電設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)振動(dòng)。如電機(jī)與泵安裝不準(zhǔn)確或長(zhǎng)期運(yùn)行磨損會(huì)使得電機(jī)軸與泵軸不在同一中心線上，引起轉(zhuǎn)動(dòng)部件不平衡進(jìn)而產(chǎn)生振動(dòng)[14]。機(jī)械設(shè)備工作引起的管路結(jié)構(gòu)振動(dòng)是其最直接和主要的振源[15]；二是管路輔件引起的振動(dòng)。譬如艦船管路系統(tǒng)經(jīng)常為調(diào)整船體的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，會(huì)突然改變系統(tǒng)中一個(gè)或幾個(gè)元件的工作狀態(tài)(控制閥的啟閉、海水泵的啟動(dòng)等)，這將造成管內(nèi)流體瞬間產(chǎn)生非常大的壓力變化并引起管壁結(jié)構(gòu)劇烈振動(dòng)[16]。流致振動(dòng)是流體運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定(如湍流及空化等)所產(chǎn)生的管壁結(jié)構(gòu)振動(dòng)。通常，以下三種情況下管內(nèi)流體會(huì)誘發(fā)結(jié)構(gòu)振動(dòng)[17]：①海水離心泵出水口的脈動(dòng)流體誘發(fā)結(jié)構(gòu)振動(dòng)；②湍流、空化現(xiàn)象等非層流態(tài)動(dòng)力行為誘發(fā)結(jié)構(gòu)振動(dòng)；③顫振等不穩(wěn)定動(dòng)力學(xué)行為導(dǎo)致結(jié)構(gòu)劇烈振動(dòng)。

對(duì)管路系統(tǒng)的振動(dòng)控制一般從振源及振動(dòng)傳遞途徑兩方面進(jìn)行。管路系統(tǒng)振動(dòng)大多是由機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生的，設(shè)法降低振源振動(dòng)是管路系統(tǒng)振動(dòng)控制的首要問(wèn)題。對(duì)于機(jī)械設(shè)備，如電動(dòng)機(jī)和離心泵等振源產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)，可以通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)部件的動(dòng)平衡找正、軸承與電動(dòng)機(jī)過(guò)盈量調(diào)整、泵軸直線度校準(zhǔn)和彈性聯(lián)軸器使用等措施減小振源對(duì)艦船管路系統(tǒng)的振動(dòng)激勵(lì)，但受限于國(guó)家的工業(yè)基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)水平，以及材料和加工工藝等條件，效果欠佳。特別是在設(shè)備使用一定時(shí)間后，振動(dòng)會(huì)更加明顯。此外，艦船工況復(fù)雜多變，這使艦船管路系統(tǒng)流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)瞬息萬(wàn)變，伴隨的流激振動(dòng)無(wú)法避免。因此，在振動(dòng)傳遞途徑上對(duì)管路系統(tǒng)實(shí)施減振隔振控制不失為一種切實(shí)可行的途徑。

艦船管路系統(tǒng)通常與船內(nèi)動(dòng)力機(jī)械設(shè)備、殼體等相連接，是機(jī)械設(shè)備工作產(chǎn)生的振動(dòng)能量傳遞到船體結(jié)構(gòu)的第二通道。因此，在技術(shù)可行的條件下，可以首先考慮在動(dòng)力設(shè)備與管系之間串接撓性接管。撓性接管由于其有良好的隔振、抗沖擊性能，可以較為有效地隔離動(dòng)力設(shè)備機(jī)械振動(dòng)能量向管系的傳遞[18]。其次，管路與船殼體、隔板之間的安裝采用橡膠減振器(減振馬腳)或彈性吊架[19]，以衰減、隔離管系的振動(dòng)能量，避免管系振動(dòng)能量直接傳遞到艦船板殼等結(jié)構(gòu)并引起后者產(chǎn)生更加嚴(yán)重的振動(dòng)和噪聲輻射。同時(shí)，在非高溫的管路段，還可以在管路表面粘貼或涂上黏彈性高阻尼材料。彈性高阻尼材料具有內(nèi)損耗、內(nèi)摩擦大的特點(diǎn)，能有效耗散管路振動(dòng)能量，同時(shí)對(duì)管路噪聲還具有一定的消聲作用[20]。還應(yīng)注意的是，在管路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安裝時(shí)，應(yīng)盡量避免急彎頭及減小彎頭的轉(zhuǎn)彎角度，提高管路固有頻率，以降低脈動(dòng)壓力幅值，抑制管路振動(dòng)。此外，管路系統(tǒng)的減振隔振技術(shù)還有管壁結(jié)構(gòu)不連續(xù)設(shè)計(jì)[21-22]、安裝動(dòng)力吸振器[23]、附加阻振質(zhì)量[24]等。管壁的不連續(xù)可以產(chǎn)生阻抗失配，使振動(dòng)彈性波部分被反射或被抑制掉，有一定的減振降噪效果；安裝動(dòng)力吸振器可以吸收衰減某一窄段頻率的結(jié)構(gòu)振動(dòng)；阻振質(zhì)量對(duì)彎曲聲波有較好的反射作用，可以阻礙管路振動(dòng)傳遞、在一定程度上降低結(jié)構(gòu)振動(dòng)及聲輻射。

1.2 噪聲分析與控制

艦船管路系統(tǒng)噪聲主要來(lái)自管壁結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲和管內(nèi)流噪聲。艦船管路的結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲由管壁結(jié)構(gòu)振動(dòng)引起。對(duì)結(jié)構(gòu)噪聲控制主要通過(guò)抑制管壁結(jié)構(gòu)振動(dòng)進(jìn)行消減。管內(nèi)流噪聲則是由流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的不穩(wěn)定會(huì)引起的，管內(nèi)噪聲在沿著管路系統(tǒng)傳播過(guò)程中，一部分能量通過(guò)管壁向外輻射，一部分通過(guò)進(jìn)出口處舷側(cè)閥直接向水中輻射。噪聲在管內(nèi)流體介質(zhì)中傳播不僅衰減小而且傳播距離遠(yuǎn)，在管口總輻射噪聲中，管路流噪聲影響最大。

流噪聲聲源主要有泵流噪聲、閥門(mén)噪聲以及流動(dòng)激聲等[25]。首先是泵流噪聲。泵在吸、排水配流過(guò)程泵葉片間液體通過(guò)泵舌時(shí)流量會(huì)發(fā)生脈動(dòng)變化，造成流體速度分布不均、壓力脈動(dòng)變化產(chǎn)生流噪聲。此外，泵運(yùn)轉(zhuǎn)中還可能存在汽蝕噪聲、低頻壓力脈動(dòng)以及低頻脈動(dòng)喘振等噪聲[26]。這些泵內(nèi)流體噪聲在30赫茲到幾千赫茲頻率范圍內(nèi)均有頻譜峰值存在，但噪聲能量主要集中在低頻段。其次是閥門(mén)噪聲[26]。閥門(mén)在啟閉過(guò)程中將在短時(shí)間內(nèi)造成管內(nèi)流體壓力的急劇降低或升高，產(chǎn)生水錘噪聲，而且閥門(mén)的節(jié)流作用將使經(jīng)過(guò)閥門(mén)的流體發(fā)生流速突升、壓力驟降，以致于閥門(mén)后部產(chǎn)生氣穴噪聲。通常，閥門(mén)噪聲表現(xiàn)為高頻寬帶特征。再者是流動(dòng)激聲，其主要由不定常流中柯氏加速度造成的渦激聲及其“分布不均”的流體動(dòng)能造成的聲場(chǎng)所構(gòu)成[27-28]。

對(duì)艦船管路系統(tǒng)噪聲進(jìn)行控制的基本途徑一般也是從噪聲源的控制和噪聲傳播途徑控制入手。控制流噪聲聲源可以采用和設(shè)計(jì)低噪聲泵、低噪聲閥門(mén)等。然而，由于離心泵本身的結(jié)構(gòu)特性、閥門(mén)等控制元件功能特點(diǎn)以及我國(guó)制造和加工工藝基礎(chǔ)條件限制，泵和閥門(mén)等引發(fā)的噪聲源只能在一定程度上減小，不可能完全消除。而且工程實(shí)際中，驅(qū)動(dòng)液體流動(dòng)的動(dòng)力源往往很難維持在一個(gè)穩(wěn)定的工況下工作，不定常流很常見(jiàn)。一些設(shè)備即使在額定功率下穩(wěn)定工作，由于其本身的性質(zhì)，也很難產(chǎn)生定常流速。此外，即使是定常運(yùn)動(dòng)，其在流動(dòng)過(guò)程中也容易由于邊界黏滯摩擦、管道流向變化、截面突變等外界因素干擾而形成湍流、流動(dòng)分離、流動(dòng)失穩(wěn)等不定常流動(dòng)。再加之艦船工況多變，泵、閥門(mén)等突然啟閉(產(chǎn)生水錘噪聲)而引發(fā)的噪聲難以避免。在這種情況下，在流噪聲傳播途徑上對(duì)其進(jìn)行控制變得十分必要而且可行。

目前艦船管路流噪聲傳播控制措施主要有以下幾種：①在管道中布置彈性接頭、波紋管等元件[21-22]。通過(guò)結(jié)構(gòu)不連續(xù)對(duì)入射波進(jìn)行波反射，使部分反射波直接反射回去或與入射波、透射波發(fā)生相互干涉而達(dá)到減振降噪的目的；②安裝消聲彎頭[29]。消聲彎頭一方面能將部分聲能反射回去而起到消聲作用，一方面能使旁管與主管的聲波在某些頻率段產(chǎn)生180°的相位差而產(chǎn)生相消干涉消聲。為實(shí)現(xiàn)利用較短的消聲彎頭就能達(dá)到相消干涉效果，常用慢波速材料制成消聲彎頭。如用聚乙烯材料制成的消聲彎頭接入管路后，傳遞損失能在一定的頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高達(dá)8 dB的衰減。不過(guò)，消聲彎頭同時(shí)也是一個(gè)噪聲源，管內(nèi)流動(dòng)的液體會(huì)在旁支節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生再生噪聲；③在閥后安裝節(jié)流板孔。節(jié)流孔板一方面可起到抗性消聲的作用，另一方面分擔(dān)了閥門(mén)一部分壓力降，使閥門(mén)節(jié)流援降減小，從而降低了管內(nèi)流體流經(jīng)閥門(mén)產(chǎn)生的噪聲；④減少管路急彎頭、支管，用以減小流體方向、狀態(tài)的突然變化而產(chǎn)生的噪聲，并在管壁外敷設(shè)阻尼材料吸收并耗散振動(dòng)能量[20]；⑤在管道中安裝管道消聲器[30-31]。在管路系統(tǒng)中噪聲源傳播下游位置加裝消聲器不僅可以有效吸收和衰減流噪聲，而且通過(guò)計(jì)算優(yōu)化改變消聲器的安裝位置，可以獲得最小的管路輸入阻抗，使泵出口的壓力脈動(dòng)降到最低。值得一提的是，在泵和閥門(mén)等主要噪聲源下游依次安裝短彈性連接管和消聲器，能取得較好的流噪聲吸收效果。此外，對(duì)于若干譜線特征特別明顯的噪聲，可以基于聲波的疊加原理，在管路內(nèi)人為地發(fā)射一個(gè)與原聲場(chǎng)強(qiáng)度相同但是相位相反的聲場(chǎng)，使它與原聲場(chǎng)發(fā)生相消干涉消聲，亦可以達(dá)到消聲的目的[32]，也即管道主動(dòng)消聲技術(shù)。

在這些噪聲控制方法中，安裝管路消聲器是目前應(yīng)用最廣泛，效果最顯著的一種方法。在艦船管路系統(tǒng)中引入消聲器，可以降低管路系統(tǒng)中的流噪聲。研究表明，在艦船舷間管路通?？谔幖友b消聲器，可以有效地抑制、隔離艦船管路系統(tǒng)的噪聲向艦外輻射。

1.3 總結(jié)評(píng)述

振動(dòng)源和噪聲源的控制是艦船管路系統(tǒng)聲振控制中最積極、最徹底的治本措施。目前的技術(shù)水平和條件決定了大多數(shù)機(jī)器設(shè)備產(chǎn)生的振動(dòng)及噪聲仍然較大，這使得在振動(dòng)和噪聲的傳播路徑上采取控制措施變得十分必要而且切實(shí)可行。當(dāng)前管路系統(tǒng)聲振傳播控制研究雖取得了一定進(jìn)展，但仍存在諸多不足。

在振動(dòng)傳遞控制上：如安裝減振馬腳和彈性吊架等減振技術(shù)常受船內(nèi)空間限制，難以奏效，而減振馬腳和彈性吊架太軟則減振效果不明顯，太硬則難以對(duì)中低頻振動(dòng)進(jìn)行減振；貼覆阻尼材料雖對(duì)中高頻振動(dòng)衰減較好，但對(duì)低頻衰減效果較差；接入撓性接管，過(guò)軟的接管則有可能產(chǎn)生諧振，出現(xiàn)壓力振蕩現(xiàn)象，過(guò)硬的撓性軟管則中低頻振動(dòng)控制效果欠佳，并且撓性接管的長(zhǎng)度一般都較短，短的撓性接管隔振減振能力十分有限；而附加阻振質(zhì)量實(shí)現(xiàn)低頻振動(dòng)抑制需要較大質(zhì)量，這大大增加了管路的額外質(zhì)量。

在噪聲傳播控制上：如主動(dòng)控制技術(shù)雖可以對(duì)低頻噪聲進(jìn)行較好控制，但其研究還處于理論及試驗(yàn)研究階段，且控制復(fù)雜度高，有效消聲頻段較窄；普通消聲器的外形尺寸和結(jié)構(gòu)或是低頻消聲頻帶過(guò)窄(如共振腔式消聲器雖然可以在較低頻帶內(nèi)對(duì)流噪內(nèi)傳播進(jìn)行衰減抑制，但其消聲頻帶窄)，或是消聲頻率過(guò)高(如擴(kuò)張式消聲器雖然在中高頻段內(nèi)消聲效果較為明顯，但其低頻消聲效果受船內(nèi)空間嚴(yán)格限制，效果有限)，仍難以滿足艦船管路系統(tǒng)噪聲的低頻寬帶控制要求。

此外，現(xiàn)有的管路振動(dòng)和噪聲控制技術(shù)研究相對(duì)獨(dú)立開(kāi)展，管路系統(tǒng)聲振耦合效應(yīng)考慮較少，少有管路系統(tǒng)的減振降噪綜合控制技術(shù)。然而工程實(shí)際的艦船管路系統(tǒng)在艦船空間內(nèi)分布復(fù)雜、走向曲繞、附加管路輔件數(shù)量眾多，管壁結(jié)構(gòu)振動(dòng)與管內(nèi)流噪聲在傳播過(guò)程中相互耦合：一方面管壁振動(dòng)會(huì)引起結(jié)構(gòu)噪聲并沿管內(nèi)流體介質(zhì)傳播；另一方面管內(nèi)流噪聲也會(huì)引起管壁結(jié)構(gòu)振動(dòng)?？梢哉f(shuō)，艦船管路系統(tǒng)是一個(gè)典型的多源強(qiáng)耦合系統(tǒng)，振動(dòng)和流噪聲相互耦合，互為激勵(lì)源。對(duì)艦船管路系統(tǒng)的振動(dòng)和噪聲傳播進(jìn)行控制，需要對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)和流體噪聲兩方面同時(shí)著手，才能達(dá)到效果。因此，當(dāng)前仍迫切需要發(fā)展管路的聲振綜合控制技術(shù)和低頻減振降噪技術(shù)，借助現(xiàn)代管路系統(tǒng)聲振傳播整體性能預(yù)報(bào)仿真計(jì)算技術(shù)和管路聲振實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)，推進(jìn)實(shí)現(xiàn)管路系統(tǒng)減振降噪由“治理技術(shù)”向“設(shè)計(jì)技術(shù)”的管路系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)。

2 聲子晶體與減振降噪

2.1 聲子晶體概況

聲子晶體特有的帶隙特性能對(duì)相應(yīng)頻率內(nèi)的彈性波傳播進(jìn)行衰減抑制，這為工程結(jié)構(gòu)的減振降噪提供了新的技術(shù)途徑。聲子晶體一般指一類(lèi)人工結(jié)構(gòu)單元經(jīng)周期有序排列構(gòu)成的具有彈性波帶隙、定向傳播、負(fù)折射與聲聚焦、聲吸收等特性的材料/結(jié)構(gòu)[33]，它是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域中晶體概念在彈性波意義下的延伸，是在光子晶體研究的基礎(chǔ)上提出的一個(gè)新的物理概念。

聲子晶體的典型結(jié)構(gòu)特征是其周期性結(jié)構(gòu)，如圖1所示。圖1中(a)、(b)和(c)分別對(duì)應(yīng)一維、二維和三維聲子晶體周期結(jié)構(gòu)。受聲子晶體內(nèi)部周期結(jié)構(gòu)的作用，彈性波在聲子晶體中傳播時(shí)，由于入射波、反射波和傳遞波之間相互耦合作用得到增強(qiáng)而形成特殊的色散關(guān)系，色散曲線之間的頻率范圍因彈性波無(wú)法傳播而被稱為帶隙(也稱為波止帶、禁帶或阻帶[34-35])，如圖2能帶結(jié)構(gòu)圖和頻響圖中的灰色帶所示；在帶隙外，彈性波可以自由無(wú)衰減地傳播(不考慮材料阻尼情況下)，如圖2中圖2中灰色帶以外區(qū)域所示，因此稱為通帶。

(a)(b)(c)

圖1 各維聲子晶體結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.1 Schematic diagram of phononic crystals of various dimensions

目前聲子晶體的帶隙形成機(jī)理大體上可分為布拉格散射和局域共振兩種帶隙機(jī)理。相應(yīng)地，聲子晶體被分為布拉格和局域共振聲子晶體兩種類(lèi)型。布拉格聲子晶體一般由散射體周期有序地嵌埋于基體材料中構(gòu)成，散射體和基體可以為不同的材料/結(jié)構(gòu)。其帶隙產(chǎn)生的主要原因是周期元胞中的入射波、反射波和傳遞波之間相互耦合，并在若干頻段內(nèi)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，從而阻止相應(yīng)頻率的彈性波繼續(xù)向前傳播。局域共振型聲子晶體周期結(jié)構(gòu)分布形式與布拉格散射型類(lèi)似，不同的是局域共振型的散射體一般由“軟彈性材料”附加或包覆于“硬質(zhì)材料”構(gòu)成。該散射體的物理等效模型可視為“彈簧-質(zhì)量”振子。局域共振帶隙的產(chǎn)生主要是各個(gè)“局域振子”在特定頻率的彈性波激勵(lì)下產(chǎn)生諧振并與基體彈性波長(zhǎng)波行波相互作用，抑制波的傳播，帶隙最大衰減峰值位置一般與單個(gè)散射體固有頻率一致。筆者認(rèn)為，帶隙機(jī)理及帶隙特性研究是聲子晶體研究的核心基礎(chǔ)內(nèi)容，帶隙是聲子晶體最重要而且應(yīng)用最廣的特性。從聲子晶體理論層次指引周期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以在預(yù)期頻段獲得彈性波帶隙，進(jìn)而人為操控彈性介質(zhì)及結(jié)構(gòu)中的波傳播，實(shí)現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)的減振降噪設(shè)計(jì)。

(a) 能帶結(jié)構(gòu) (b) 頻率響應(yīng)函數(shù)

Fig.2 Vibration characteristics of two-dimensional phononic crystals of lead/silicone rubber affirmative lattice

2.2 管系減振降噪應(yīng)用探索

管路系統(tǒng)的振動(dòng)和噪聲控制一直是動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。聲子晶體概念一提出便引發(fā)了大量學(xué)者利用彈性波帶隙對(duì)管路系統(tǒng)的減振降噪應(yīng)用探索。

在管路振動(dòng)傳遞控制應(yīng)用研究方面：丹麥Sorokin教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)，前后將充液管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)成沿軸向交替分布的復(fù)合材料周期結(jié)構(gòu)和不同彎管沿軸向陣列分布的幾何周期結(jié)構(gòu)，分別如圖3(a)和(b)所示。然后基于殼模型理論計(jì)算了周期管路中振動(dòng)能量傳遞特性，研究發(fā)現(xiàn)充液管路系統(tǒng)在某些頻段存在一些“波阻帶”現(xiàn)象[35-36]，在波阻帶頻率范圍內(nèi)，振動(dòng)能量在系統(tǒng)中傳遞將得到顯著抑制。Shen等[37]進(jìn)一步研究了三維周期復(fù)合材料管路(圖4)在不同振動(dòng)激勵(lì)下的振動(dòng)傳輸特性。研究表明，在三維空間彎管情況下，周期管路依然保持了其原有的帶隙特性，如圖5所示。Ruzzene等[34]從充液/浸液圓柱殼模型出發(fā)，將管壁設(shè)計(jì)成主/被動(dòng)周期結(jié)構(gòu)，研究了帶隙對(duì)振動(dòng)能量的抑制作用和帶隙調(diào)節(jié)機(jī)理。溫激鴻等[38-39]進(jìn)一步豐富和發(fā)展了聲子晶體理論在充液管路系統(tǒng)的減振隔振研究，他們將聲子晶體的布拉格散射和局域共振兩種帶隙機(jī)理引入管路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中(如圖6所示)，較為系統(tǒng)地研究了周期管路的布拉格帶隙機(jī)理、參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)律以及布拉格帶隙和局域共振帶隙的耦合條件，并在較低頻率范圍內(nèi)獲得了振動(dòng)強(qiáng)衰減帶隙，如圖7所示。

(a) 復(fù)合材料周期管路結(jié)構(gòu)

(b) 周期彎管結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 周期管路結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.3 Structure sketch of the periodic pipe

圖4 三維周期復(fù)合材料管路結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 三維周期復(fù)合材料管路振動(dòng)頻率響應(yīng)函數(shù)

除此之外，還有相當(dāng)一部分學(xué)者，通過(guò)在管壁以一定間隔距離加環(huán)肋[40]、質(zhì)量環(huán)[41]或安裝彈性支撐形成周期結(jié)構(gòu)[42-43]，同樣也可獲得了彈性波帶隙，以抑制管路振動(dòng)能量傳遞。

(a)

(b)

Fig.6 Sketch of a periodic pipe structure based on the coupled mechanism of Bragg and locally-resonant gaps

圖7 布拉格和局域共振耦合機(jī)理周期管路頻響函數(shù)

Fig.7 Vibration response function of a periodic pipe with the coupled mechanism of Bragg and locally-resonant types

圖8 聲學(xué)短管周期管路聲透射特性曲線

Fig.8 Sound transmission characteristics of the pipe with short acoustic pipe attached periodically

不過(guò)當(dāng)時(shí)他未能對(duì)這個(gè)現(xiàn)象進(jìn)行深入描述，只給出了一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這些研究是早期利用周期結(jié)構(gòu)進(jìn)行管路噪聲傳播控制研究的最初應(yīng)用探索。

隨著近年來(lái)聲子晶體應(yīng)用探索的逐步深入，基于聲子晶體理論的管路系統(tǒng)噪聲傳播控制應(yīng)用探索研究工作逐步增多。Fang等[46]研究了波導(dǎo)管中周期附加亞波長(zhǎng)Helmholtz共鳴器的聲波帶隙特性，并揭示了這種聲壓帶隙的產(chǎn)生機(jī)理，指出在聲壓帶隙對(duì)應(yīng)的頻率范圍內(nèi)，該周期管內(nèi)流體介質(zhì)具有等效的負(fù)材料特性(如負(fù)體積模量)。Wang等[47]設(shè)計(jì)了周期附加亞波長(zhǎng)Helmholtz共振器的一維波導(dǎo)管，計(jì)算了無(wú)限周期波導(dǎo)管的能帶結(jié)構(gòu)和有限周期波導(dǎo)管的聲透射曲線。研究結(jié)果表明，周期附加亞波長(zhǎng)Helmholtz共振腔的聲波導(dǎo)管能在較寬頻率段上對(duì)聲波傳播產(chǎn)生較強(qiáng)衰減作用，而且頻率范圍可以通過(guò)Helmholtz共振腔的幾何參數(shù)進(jìn)行調(diào)控；進(jìn)一步，他們還研究了這種周期結(jié)構(gòu)波導(dǎo)管的等效體積模量和等效密度。同年，Boudouti等[48]基于格林函數(shù)法和連續(xù)介質(zhì)的表面響應(yīng)理論，研究了周期附加Fano共鳴器的管路系統(tǒng)聲帶隙特性，并給出了此種結(jié)構(gòu)的聲透系數(shù)解析表達(dá)式以及分析了Fano共鳴器數(shù)目對(duì)聲波衰減帶隙的影響。Lee等[49-50]研究了周期設(shè)計(jì)旁支短管和共振腔的波導(dǎo)管的聲透射帶隙特性(圖9)，初步探討了帶隙對(duì)應(yīng)頻率范圍內(nèi)的等效負(fù)楊氏模量、負(fù)密度特性，解釋了聲子晶體管聲波帶隙的產(chǎn)生機(jī)理。最近，Li等[51]在研究周期附加Helmholtz共振腔的周期管路中發(fā)現(xiàn)(結(jié)構(gòu)示意圖如圖10(a)所示)，該周期管路中存在的布拉格帶隙和局域共振帶隙可以通過(guò)參數(shù)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)精確耦合，如圖10(b)所示，從而在低頻段形成一條超寬強(qiáng)衰減聲波帶隙以控制管路系統(tǒng)低頻噪聲傳播。

圖9 旁支短管周期設(shè)計(jì)的波導(dǎo)管聲透射特性曲線

Fig.9 Sound transmission characteristics of the waveguide pipe with short-branch pipe attached periodically

總之，上述聲子晶體的減振降噪應(yīng)用研究探索，或從本身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)，或從附加子結(jié)構(gòu)(如局域振子、Helmholtz共鳴器等)出發(fā)，探索了不同周期結(jié)構(gòu)形式的聲子晶體結(jié)構(gòu)在充液管路的減振降噪應(yīng)用探索研究。研究結(jié)果驗(yàn)證了聲子晶體帶隙理論在管路系統(tǒng)減振降噪的可行性。這些研究為艦船管路系統(tǒng)聲振控制問(wèn)題奠定了理論基礎(chǔ)，有望為艦船管路系統(tǒng)的減振降噪提供一條切實(shí)可行的技術(shù)途徑。

(a)

(b)

Fig.10 Wave attenuation constant and schematic diagram of the pipe with Helmholtz resonance attached periodically

3 結(jié)論和建議

艦船管路系統(tǒng)的振動(dòng)和噪聲已嚴(yán)重影響到艦船的安靜性、安全性設(shè)計(jì)，減振降噪需求迫切, 特別是低頻振動(dòng)和噪聲。低頻振動(dòng)和噪聲能量大、傳播距離遠(yuǎn)、特征譜線明顯、控制難度大，且在傳播中相互耦合，聲振綜合控制困難，已成為當(dāng)前艦船管路系統(tǒng)聲振控制技術(shù)中的重難點(diǎn)問(wèn)題之一。由于機(jī)械設(shè)備在使用過(guò)程中的磨損、老化，以及復(fù)雜多變的艦船工況，機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)振動(dòng)和流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)突變引發(fā)的流激振動(dòng)等振源和噪聲源問(wèn)題無(wú)法避免，故而在振動(dòng)和噪聲傳播途徑上對(duì)管路系統(tǒng)進(jìn)行減振降噪不失為一條切實(shí)可行的途徑。

當(dāng)前管路系統(tǒng)傳播途徑上的減振降噪技術(shù)雖取得了長(zhǎng)足發(fā)展，但仍存在諸多不足，如低頻振動(dòng)和噪聲的有效治理和控制，是當(dāng)前眾多減振降噪技術(shù)中的瓶頸問(wèn)題。而在聲振傳播整體性能預(yù)報(bào)、減振降噪綜合控制和管路系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)等方面，研究欠缺，有待深入。

將聲子晶體思想引入到梁、板和充液管路等工程結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，得到具有聲波傳播和振動(dòng)傳遞衰減特性的帶隙，可以達(dá)到一些頻段減振降噪的目的。但實(shí)際的艦船管路系統(tǒng)工況遠(yuǎn)比簡(jiǎn)單的梁板類(lèi)結(jié)構(gòu)和載有靜止流體的管路要復(fù)雜得多，要實(shí)現(xiàn)工程實(shí)際的艦船管路系統(tǒng)振動(dòng)傳遞和管內(nèi)噪聲傳播的有效控制，還有以下幾個(gè)方面問(wèn)題需要進(jìn)一步研究和探討：

(1)聲振傳播整體性能預(yù)報(bào)技術(shù)。這是開(kāi)展艦船管路系統(tǒng)減振降噪綜合治理研究的基礎(chǔ)和推向工程實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵所在。它包含工程邊界、復(fù)雜工況、流固耦合和聲固耦合等條件下振動(dòng)和噪聲傳播特性計(jì)算技術(shù)。工程實(shí)際的艦船管路系統(tǒng)邊界條件復(fù)雜、工況多變，存在多振源、多聲源、流固耦合、外部載荷、液體流速、液體壓力等諸多因素的影響。目前聲子晶體理論在充液管路系統(tǒng)的減振應(yīng)用探索基本都基于理想邊界條件下展開(kāi)，考慮的工況相對(duì)簡(jiǎn)單。流固耦合方面考慮相對(duì)簡(jiǎn)單，一般只研究靜止流體情況，少有針對(duì)一定流速下周期結(jié)構(gòu)的流固耦合振動(dòng)研究。

(2)周期結(jié)構(gòu)帶隙的低頻設(shè)計(jì)和優(yōu)化。管路低頻振動(dòng)和流噪聲能量大、傳播距離遠(yuǎn)、控制難度大是當(dāng)前艦船管路系統(tǒng)聲振控制面臨的棘手問(wèn)題。當(dāng)前周期管路的減振降噪研究雖實(shí)現(xiàn)了一些結(jié)構(gòu)彈性波和聲波帶隙，但對(duì)帶隙形成機(jī)理認(rèn)識(shí)不足，低頻寬帶設(shè)計(jì)研究欠缺，有待更進(jìn)一步的研究。

(3)管路減振降噪一體化設(shè)計(jì)技術(shù)。對(duì)管路系統(tǒng)的振動(dòng)和噪聲傳播進(jìn)行控制，需要對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)和流體噪聲兩方面同時(shí)著手，才能達(dá)到效果。當(dāng)前周期管路中噪聲傳播和振動(dòng)傳遞的控制研究，基本上都是分開(kāi)考慮，少有聲振綜合控制研究。減振降噪綜合治理可充分利用周期結(jié)構(gòu)的振動(dòng)和噪聲傳播控制功能，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)周期結(jié)構(gòu)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)彈性波帶隙和聲波帶隙，達(dá)到管路系統(tǒng)聲振傳播控制的一體化設(shè)計(jì)。

以上是本文對(duì)艦船管路系統(tǒng)聲振控制技術(shù)和聲子晶體減振降噪應(yīng)用的探討研究，不足之處全當(dāng)引玉之磚，望各位同仁斧正。

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Review of sound and vibration control techniques for ship piping systems and exploration of photonic crystals applied in noise and vibration reduction

SHEN Huijie1,2, LI Yanfei1,2, SU Yongsheng1,2, ZHANG Linke3, SONG Yubao4

(1. College of Power Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China； 2. Military Key Laboratory for Naval Ship Power Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan, 430033, China；3. School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China; 4. Key Laboratory of Aerodynamic Noise Control, China Aerodynamics Research and Development Centers, Mianyang, 621000, China)

The low-frequency sound and vibration control problems for ship piping systems are key and difficult ones to be solved in current ship design and manufacturing. Here, the causes for sound and vibration of ship piping systems were briefly analyzed. The bottleneck problems of current sound and vibration control techniques were presented after reviewing foreign and domestic noise and vibration reduction techniques for piping systems. Combining with the newly developed photonic crystals (PCs) technique for noise and vibration reduction in condensed matter physics area, PCs periodic structure design technique was proposed to solve the low-frequency sound and vibration control problems for ship piping systems. The explorations for applying the PCs theory in noise and vibration reduction of piping systems at home and abroad were reviewed. Finally, several problems to be needed further studying and exploring were presented for better sound and vibration control of ship piping systems via the PCs theory.

ship piping system; noise and vibration reduction; low frequency; photonic crystals; periodic structure

國(guó)家自然科學(xué)基金(51205404；51306205)

2016-03-25 修改稿收到日期：2016-06-20

沈惠杰 男，博士，講師，1984年生

李雁飛 男，博士，1978年生 E-mail: liyanfe0862@sina.com

TH12; TH14

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.15.025