潛艇管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲控制技術(shù)的研究

王璐穎，樓京俊

(海軍工程大學(xué) 科研部，湖北 武漢 430033)

潛艇管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲控制技術(shù)的研究

王璐穎，樓京俊

(海軍工程大學(xué) 科研部，湖北 武漢 430033)

文章介紹了潛艇管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲的傳播途徑和主要的控制方法，針對(duì)管路振動(dòng)輻射噪聲中低頻線譜難以消除的問題，著重闡述了主動(dòng)控制技術(shù)在管路振動(dòng)隔離中的應(yīng)用現(xiàn)狀。并結(jié)合目前實(shí)際情況，對(duì)管路系統(tǒng)減振降噪工作提出建議。

管路系統(tǒng)；振動(dòng)隔離；主動(dòng)控制

Abstract:The transmission ways and the control technologies of vibration and noise in piping system for submarines were introduced in this paper,Then，in view of the problem that the line spectrum of the noise in low frequency is difficult to eliminate,the application status of active control technology in piping vibration isolation system was emphatically discussed.Some suggestions were provided for vibration and noise reduction in piping system combined with the practical situation.

Keywords：piping system;vibration isolation;active control

潛艇聲隱身技術(shù)通過改變、減弱或消除自身的聲特征信號(hào)，降低被敵方探測(cè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)的概率，從而顯著提高潛艇作戰(zhàn)平臺(tái)的生存能力,其已成為現(xiàn)代武器裝備建設(shè)中的研究熱點(diǎn)之一，也是一項(xiàng)系統(tǒng)工程。外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、動(dòng)力裝置選擇和減振消聲等技術(shù)措施一直貫穿在潛艇的研制和設(shè)計(jì)過程中，從而多途徑和全方位地降低潛艇輻射噪聲。

航行中的潛艇，相當(dāng)于一個(gè)復(fù)雜的水下噪聲源分布體，經(jīng)過50多年的發(fā)展，我國(guó)潛艇的噪聲大約降低了60 dB，已經(jīng)達(dá)到了安靜型水平，特別是浮筏隔振、消聲瓦、新型推進(jìn)系統(tǒng)和聲學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等技術(shù)的應(yīng)用，使?jié)撏曤[身性能上升到新臺(tái)階。

潛艇管路系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)流體介質(zhì)、流體動(dòng)力和流體信息傳輸功能的同時(shí)，總是伴隨著振動(dòng)噪聲的產(chǎn)生。管路振動(dòng)噪聲一方面影響管路系統(tǒng)的正常工作，縮短管路元件的壽命，甚至造成管路接頭松動(dòng)，引起流體泄漏和管路破損；另一方面在潛艇主、輔助動(dòng)力裝置和推進(jìn)系統(tǒng)噪聲得到有效控制之后，管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲成為了影響潛艇隱蔽戰(zhàn)術(shù)性能的主要因素。因此，隨著對(duì)潛艇聲隱身性能的要求日益提高，潛艇管路系統(tǒng)噪聲控制得到了越來越多業(yè)內(nèi)人士地關(guān)注。本文通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)和深入了解，歸納總結(jié)了潛艇管路系統(tǒng)產(chǎn)生輻射噪聲的主要原因、傳播途徑和隔振措施，并針對(duì)潛艇輻射噪聲中線譜成分是聲隱身性能主要危害且難以消除的現(xiàn)狀[1]，著重探討了主動(dòng)控制技術(shù)在潛艇管路系統(tǒng)振動(dòng)隔離中的應(yīng)用和發(fā)展前景。

1 潛艇管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲控制現(xiàn)狀

為保證航行機(jī)動(dòng)性能、生命力以及為艇員創(chuàng)造適宜的生活環(huán)境，潛艇上設(shè)置了各種專用的管路系統(tǒng)，比如潛浮系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和消防系統(tǒng)等，但這些系統(tǒng)都由設(shè)備、管段、法蘭、撓性接管等組成，并含有大量的閥件、彎頭、三通、變截面管等。管路系統(tǒng)主要通過支撐或者吊架的方式安裝在艙壁或者舷側(cè)上，流體介質(zhì)在管路中運(yùn)輸，振動(dòng)噪聲的傳播途徑主要包括:通過基座和減振系統(tǒng)傳播；通過連接機(jī)械的管路法蘭、管壁等結(jié)構(gòu)傳播；通過管路工作介質(zhì)向進(jìn)、出口管路傳播；通過管路支撐和吊架傳遞到艇體或所接觸的艙壁；通過管路系統(tǒng)向外輻射空氣噪聲。

上述5條傳播途徑之間相互影響，而且沿管壁、管內(nèi)介質(zhì)和管路吊架傳播的振動(dòng)是最主要的噪聲來源。為衰減振動(dòng)向艇體傳遞，在管路系統(tǒng)聲學(xué)設(shè)計(jì)和安裝過程中通常采用減振降噪措施。具體措施主要有如下3個(gè)方面。

1)控制管路系統(tǒng)噪聲源。盡可能選用振動(dòng)量級(jí)較小的水泵、油泵和空壓機(jī)等設(shè)備以及低噪聲管路元件，設(shè)備上艇之前進(jìn)行振動(dòng)檢測(cè)且要達(dá)到規(guī)定要求。同時(shí)注重基座設(shè)計(jì)、設(shè)備安裝及設(shè)備與管路連接時(shí)的相互耦合作用，避免產(chǎn)生較大的振動(dòng)。

2)控制管路系統(tǒng)振動(dòng)的傳遞。首先，在設(shè)計(jì)之初，對(duì)管路系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)特性分析，防止管路系統(tǒng)的固有頻率接近源設(shè)備的激勵(lì)頻率，出現(xiàn)共振現(xiàn)象。其次，潛艇管路系統(tǒng)中采用大量的撓性接管和彈性支撐結(jié)構(gòu)來降低管路振動(dòng)向管壁的傳遞。撓性接管根據(jù)材料不同可分為金屬撓性接管和橡膠撓性接管兩大類，一般安裝在源設(shè)備的流體進(jìn)出口附近，用作隔振設(shè)備的各種進(jìn)出管路的過渡聯(lián)接，起到補(bǔ)償位移以及隔離管路振動(dòng)的作用，具體如圖1所示。管路系統(tǒng)在艙內(nèi)布置時(shí)，每間隔一段距離都會(huì)在支撐或者懸吊結(jié)構(gòu)處采取彈性墊層的方式，降低管路與艙壁之間的連接剛度，阻礙彈性波向艙壁的傳遞，有時(shí)在支撐結(jié)構(gòu)與基座之間還會(huì)插入隔振元件，進(jìn)一步增強(qiáng)隔振效果，具體如圖2所示。

圖1 海水管路撓性接管

圖2 管路系統(tǒng)隔振示意圖

另外，管路系統(tǒng)中通常還會(huì)采用阻尼外包覆或內(nèi)涂的方式增加彈性波在固體介質(zhì)傳播中的能量損耗以及吸收一部分的彈性波能量，抑制管路振動(dòng)向管壁的傳遞。

3)控制管路系統(tǒng)流噪聲和管口聲輻射。壓力脈動(dòng)、湍流或空泡現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致管路系統(tǒng)產(chǎn)生流噪聲，流噪聲可通過通?？谥苯酉蚝Ｋ休椛?，潛艇管路系統(tǒng)一般會(huì)采用儲(chǔ)液容器或者脈動(dòng)壓力衰減器等降低脈動(dòng)壓力，通海管路出口往往會(huì)布置消聲器，控制空氣噪聲直接向海水中傳播。

近年來，很多國(guó)內(nèi)外學(xué)者在管路系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)階段以及管路系統(tǒng)安裝工藝流程方面做了很多工作，比如Lig等[2]全面研究了管路系統(tǒng)的振動(dòng)功率流、撓性接頭功率、振動(dòng)傳輸途徑等問題，并提出一些振動(dòng)控制方法；Ryu等[3]研究了不同管路參數(shù)，包括管路質(zhì)量比、結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)、不同彈性支撐對(duì)懸臂式輸液管路的振動(dòng)和動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性等問題；He等[4]利用有限元方法建立管路系統(tǒng)等效梁結(jié)構(gòu)，計(jì)算了管路系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲，提出了管路低噪聲配置方法；孫凌寒等[5]利用阻抗綜合法分析了彈性支撐結(jié)構(gòu)布置間距、布置位置、布置數(shù)量、剛度等參數(shù)對(duì)管路振動(dòng)固有特性的影響，并提出了管路系統(tǒng)低噪聲安裝工藝方法。

上述措施大都屬于傳統(tǒng)的被動(dòng)式減振降噪方法，雖然能很好的隔離管路振動(dòng)，但對(duì)于低頻振動(dòng)控制效果甚微，為更好地隔離潛艇低頻段線譜成分，增強(qiáng)聲隱身性能，管路系統(tǒng)振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

2 管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲主動(dòng)控制技術(shù)

與大型機(jī)械設(shè)備振動(dòng)主動(dòng)控制方法不同，管路系統(tǒng)激勵(lì)源種類繁多，主動(dòng)吸振器需要控制的特征頻率復(fù)雜而多變，需要控制的振動(dòng)方向也至少有2個(gè)，并且安裝環(huán)境苛刻。因此，滿足潛艇管路系統(tǒng)的主動(dòng)吸振器必須具有自適應(yīng)調(diào)頻、出力大、線性度好、體積小，且能多向吸振的特點(diǎn)。有研究表明，主動(dòng)控制技術(shù)可將沿管路傳遞的振動(dòng)噪聲衰減20 dB以上[6]。

圖3 瑞典非浸入式管路主動(dòng)吸振器

圖4 德國(guó)充液管路三維吸振器

圖5 德國(guó)ADD Pipe管路主動(dòng)吸振器

圖6 基于音圈電機(jī)的管路吸振器

相比歐美發(fā)達(dá)國(guó)家管路系統(tǒng)振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)的研究起步相對(duì)較晚，并且理論研究水平差距還較大。例如國(guó)內(nèi)某研究所提出了一種基于音圈電機(jī)的管路吸振器結(jié)構(gòu)，如圖6所示。雖然通過吸振實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了其具備一定的寬頻吸振效果，但是和國(guó)外相比，還存在輸出力不足、集成化程度不高、工程化程度較低等差距，一直制約該產(chǎn)品在實(shí)艇上的應(yīng)用。

研制適合潛艇管路系統(tǒng)低頻振動(dòng)噪聲控制的主動(dòng)吸振器，難點(diǎn)主要集中在自適應(yīng)調(diào)頻多向吸振器的主動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)以及多自由度主動(dòng)減振控制算法設(shè)計(jì)兩個(gè)方面，為突破上述兩項(xiàng)核心技術(shù)，國(guó)內(nèi)有學(xué)者提出利用電磁作動(dòng)器作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并采用基于自適應(yīng)濾波的前饋FxLMS算法對(duì)作動(dòng)器進(jìn)行控制，該項(xiàng)技術(shù)也正處于研發(fā)階段。

3 結(jié)束語

目前，為降低管路系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲，我國(guó)在管路系統(tǒng)的方案論證、設(shè)計(jì)、施工建造、安裝、維護(hù)保養(yǎng)等環(huán)節(jié)都采取一定的舉措，已經(jīng)初步形成了管路系統(tǒng)動(dòng)力參數(shù)優(yōu)化配置和設(shè)計(jì)方法，制定了管路系統(tǒng)聲學(xué)設(shè)計(jì)規(guī)則，建立了管路振動(dòng)與流體聲傳遞的計(jì)算方法，并研制和應(yīng)用了管路撓性接管、管路消聲器、各種管路隔振支架等管路減振降噪元器件，但總體水平和國(guó)外先進(jìn)水平還存在一定的差距，針對(duì)未來管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲控制方法的研究趨勢(shì)，提出如下6點(diǎn)建議。

1)健全潛艇管路振動(dòng)噪聲監(jiān)測(cè)體系。通過傳感器優(yōu)化配置，結(jié)合小波分析、HHT變換等弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)，提取管路系統(tǒng)發(fā)生裂紋、腐蝕等故障時(shí)振動(dòng)信號(hào)的特征信息，再通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等智能診斷方法對(duì)管路故障的類型、位置、大小識(shí)別，實(shí)現(xiàn)對(duì)管路系統(tǒng)振動(dòng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)管路系統(tǒng)中發(fā)生故障的元件進(jìn)行及時(shí)的維修或更換，預(yù)防系統(tǒng)振動(dòng)噪聲的進(jìn)一步增大。

2)潛艇管路系統(tǒng)噪聲控制，應(yīng)分清主次，突出重點(diǎn)。特別是各管路系統(tǒng)的噪聲貢獻(xiàn)量級(jí)，比如水下使用頻繁的液壓系統(tǒng)、縱傾平衡系統(tǒng)、海水冷卻系統(tǒng)應(yīng)成為噪聲控制的重點(diǎn)。

3)注重潛艇管路系統(tǒng)修理振動(dòng)噪聲控制管理工作。將管路系統(tǒng)修理階段振動(dòng)噪聲控制工作納入到潛艇全壽命減振降噪中，研究潛艇管路系統(tǒng)修理聲學(xué)狀態(tài)檢測(cè)與評(píng)估實(shí)施方法，構(gòu)建管路系統(tǒng)修理振動(dòng)噪聲控制管理督導(dǎo)機(jī)制、試驗(yàn)條件以及拉網(wǎng)檢查制度，形成低噪聲維修規(guī)范化流程。

4)加強(qiáng)潛艇管路系統(tǒng)低噪聲安裝工藝方法的研究。目前，管路系統(tǒng)的流噪聲較為突出，需要進(jìn)一步對(duì)影響管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲的管路半徑、彈性支撐位置、彎曲半徑、閥件位置等參數(shù)開展理論和試驗(yàn)研究，形成工藝規(guī)范，提高管路系統(tǒng)安裝質(zhì)量。

5)大力開展?jié)撏Ч苈废到y(tǒng)振動(dòng)噪聲控制新方法、新技術(shù)的研究，將主動(dòng)控制、故障診斷技術(shù)、新材料、混沌控制理論等學(xué)科應(yīng)用到管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲控制工作中，實(shí)現(xiàn)多學(xué)科交叉研究，形成合力。

6)提高思想認(rèn)識(shí)，加強(qiáng)艇員維修技術(shù)培養(yǎng)。通過講課培訓(xùn)、參觀學(xué)習(xí)、實(shí)踐鍛煉等方式加強(qiáng)管路系統(tǒng)低噪聲修理人才隊(duì)伍基本素質(zhì)建設(shè)，為潛艇管路系統(tǒng)日常管理工作和創(chuàng)建管路系統(tǒng)維修方案出謀劃策。

[1] 樓京?。诨煦缋碚摰木€譜控制技術(shù)研究[D]．武漢：海軍工程大學(xué)，2006．

[2] Lig X，Paidoussis M P．Stability，double degeneracy and chaos in cantilevered pipes conveying fluid[J]．International Journal of Non-Linear Mechanics，1994，29(1)：83-107．

[3] Ryu B J，Ryu S U，Kim G H，et al．Vibration and dynamic stability of pipes conveying fluid on elastic foundations[J]．KSME International Journal，2004，18(12)：2148-2157．

[4] He Tao，Sun Yu-dong，Wu Wen-wei ，et al．Low Noise Collocation on Fluid Pipeline System[J]．Journal of ship mechanics，2015(9)：1149-1158．

[5] 孫凌寒，尹志勇．管路系統(tǒng)低噪聲安裝工藝影響因素研究[R]．潛艇低噪聲維修工藝及規(guī)范研究報(bào)告，2016．

[6] 何琳．潛艇聲隱身技術(shù)進(jìn)展[J]．艦船科學(xué)技術(shù)，2006，28(S2)：9-17．

王璐穎(1991-)，女，遼寧錦州人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)檐娛卵b備。

U674

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.05.013

2017-04-28