艦船異常噪聲振動的識別和消除研究

張國良,俞 翔，何其偉，翁雪濤,張 潛

（1.中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430033； 2.海軍工程大學(xué)，武漢 430033）

艦船異常噪聲振動雖是偶爾發(fā)生，但要找到其發(fā)生的原因并提出解決方案，這對設(shè)計(jì)、制造和使用部門的人員來說卻十分棘手，需要花費(fèi)較大的人力、物力、財(cái)力。作者在20世紀(jì)70年代末遇到了某船Ⅰ、Ⅱ艙異常響聲而無法交船。當(dāng)時701所四室剛成立總體噪聲控制組，僅有一臺B&K 2209脈沖聲級計(jì)，設(shè)備和經(jīng)驗(yàn)均不足。在邀請武漢高校及國內(nèi)相關(guān)專家?guī)椭鉀Q而無濟(jì)于事的情況下，室試航隊(duì)要求作者嘗試處理，當(dāng)時室里派了由各專業(yè)組成的10余人赴現(xiàn)場，經(jīng)過半個多月工作，該船Ⅰ、Ⅱ艙異常響聲消除，廠方得以順利交船。20世紀(jì)90年代中期，又一條船Ⅶ艙發(fā)出“吱……”異常響聲，噪聲檢測中心測試確診是螺旋槳“唱音”，提出消除方案，航行試驗(yàn)時消除了螺旋槳唱音，也消除了該船Ⅶ艙的“吱吱…”異常響聲。

這兩個實(shí)例雖然距今幾十年了，但用目前的資料和理論再進(jìn)行分析研究，由此提出識別噪聲源的“參數(shù)法”和“頻譜法”，可幫助今后解決類似問題，為消除可能產(chǎn)生的艦船異常噪聲振動提供借鑒。

1 艦船噪聲源識別的“參數(shù)法”和“頻譜法”的理論與實(shí)踐

艦船的噪聲振動所謂“異?！笔窍鄬τ凇罢！倍缘摹Ｊ紫热藗兊母杏X就“異?！?；其次，從各有效測點(diǎn)測得的噪聲振動幅值大于“正?！敝导s5 dB～10 dB以上，三是其頻譜一定發(fā)生變化。因此根據(jù)“異?！睍r的各種信息去找產(chǎn)生這些信息的“源”是關(guān)鍵，找到了“源”，消除就可以對癥下藥。盡管艦船異常噪聲振動是“偶爾的”、“特殊的”，但又一定遵循從屬艦船噪聲振動（螺旋槳、機(jī)械、水動力）三大噪聲源的規(guī)律，因此首先識別艦船三大噪聲源的方法是值得研究的。

1.1 艦船三大噪聲源識別的“參數(shù)法”

理論上艦船三大噪聲源產(chǎn)生的聲學(xué)與振動特性都與自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)、性能參數(shù)、工作狀態(tài)參數(shù)（含介質(zhì)）等有著密切關(guān)系，改變這些參數(shù)直至停止工作，就會有不同的聲學(xué)振動特性。這是識別艦船三大噪聲源的重要依據(jù)之一，稱之為“參數(shù)法”。這種“源”的聲學(xué)振動特性與“源”參數(shù)的關(guān)系可用數(shù)學(xué)表達(dá)式來表示，本文根據(jù)文獻(xiàn)[1–4]列出螺旋槳噪聲、機(jī)械噪聲、水動力噪聲的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下。

1.1.1 螺旋槳噪聲

在沒有發(fā)生空泡的螺旋槳工況下，螺旋槳聲輻射是由非空泡性質(zhì)的聲源引起的。螺旋槳向遠(yuǎn)場直接輻射下列噪聲：

（1）螺旋槳作為剛體產(chǎn)生的低頻聲音和旋轉(zhuǎn)噪聲。旋轉(zhuǎn)噪聲，是由螺旋槳葉片數(shù)的有限性和來流的圓周非均勻性引起，其頻率為葉頻f=i·n·z(i=1,2...)。具有連續(xù)輻射頻譜的旋轉(zhuǎn)噪聲是由螺旋槳上來流的紊流性引起的。

無空泡螺旋槳產(chǎn)生聲壓值為

即主要為葉頻分量。

（2）螺旋槳作為有限剛度物體產(chǎn)生的聲輻射。這與葉片振動的固有頻率和振型有關(guān)。這種輻射的特征是，窄帶頻譜內(nèi)存在與這些頻率對應(yīng)的高強(qiáng)度離散分量，即“唱音”。

（3）當(dāng)螺旋槳產(chǎn)生空泡時

螺旋槳空化噪聲譜特性

式中：n——螺旋槳轉(zhuǎn)速；

z——螺旋槳葉片數(shù)；

m——諧波數(shù)；

r——距螺旋槳距離；

Q——相位；

Qˉs——初始相位；

X——幅值；

Am——m諧波幅值；

ρ——海水密度；

G連(ω)——連續(xù)譜成份；

G線(ω)——線譜成份;

1.1.2 機(jī)械噪聲

主、輔機(jī)振動通過基座傳至船殼板，并向水中輻射噪聲，形成水下噪聲場的聲壓分布

式中：P(R,θ,φ)——極坐標(biāo)表示的聲壓分布；

ω——角頻率；

ρ——?dú)んw周圍海水密度；

u0——速度幅值(與主輔機(jī)參數(shù)及工作狀態(tài)有關(guān))；

k——波數(shù),k=；c：聲速；

F(kz)——振型函數(shù)；

Hm(1)()——m階第1類漢克函數(shù)；

1.1.3 水動力噪聲

艦船航行時湍流誘發(fā)振動輻射噪聲有：

（1）湍流壓力譜

式中：ρ0——液體密度；

δ——湍流附面層厚度；

u0—自由流速（與艦船的航行方向、航行速度，海區(qū)海流速度、海流方向有關(guān)）；

δ?——排擠厚度；；

（2）湍流誘發(fā)振動輻射水噪聲聲功率

式中：Mf——撓性波馬赫數(shù)Mf=ω/ω′c；

ω′c——重合角頻率，，d：艦船殼體厚度；

H(ω)——結(jié)構(gòu)響應(yīng)；

c0——液體聲速；

可以看出螺旋槳噪聲、機(jī)械噪聲、水動力噪聲的聲壓、聲功率、頻譜與“源”參數(shù)之間的關(guān)系。應(yīng)該指出的是，在三大噪聲源識別的工程實(shí)踐中，大部分的“參數(shù)”并不能操縱改變，只有少量“參數(shù)”能操縱改變，例如在識別螺旋槳噪聲源中只能“停轉(zhuǎn)”和按檔改變轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向。

1.2 “參數(shù)法”的實(shí)例

艦船異常噪聲振動實(shí)例的現(xiàn)象為：

（1）某船水上航行超過l0節(jié)后，在I、Ⅱ艙聽到明顯的“轟轟聲”，上船人員都感到“異?！?，而這時I、Ⅱ艙并沒有輔機(jī)工作僅有Ⅴ艙二臺柴油機(jī)及相應(yīng)輔機(jī)工作。

（2）有效測點(diǎn)比“正?！敝蹈叱? dB（A）～10 dB（A）以上，振動加速度級也高出5 dB以上，頻譜發(fā)生明顯變化。

（3）結(jié)論：某船發(fā)生異常噪聲振動。

1.2.1 方法的選取

無論是“參數(shù)法”還是“頻譜法”識別噪聲源都要選擇或確定一種適宜的噪聲振動測試方案，選擇一般的噪聲振動測量方案很難識別噪聲源，這就是“異?！钡碾y題之一。用一般的理論分析就更難識別噪聲源，即使花費(fèi)很長時間，花費(fèi)很多人力物力也會毫無效果。因此認(rèn)真研究找到適合實(shí)船的識別噪聲源噪聲振動測量方法成為消除異常噪聲振動的關(guān)鍵。

由于艦船異常噪聲振動產(chǎn)生時人們的感覺與儀器測量基本一致，因此在碼頭考察和跟船出海時，為了方便，不必?cái)y帶很多儀器。

根據(jù)碼頭和出海的考察，結(jié)合識別艦船三大噪聲源的“參數(shù)法”和“頻譜法”，經(jīng)過理論分析，決定采用“參數(shù)法”，即對螺旋槳、機(jī)械、水動力噪聲源逐個開啟，并測量識別噪聲源。然后通過I、Ⅱ艙沿縱向及垂向多個測點(diǎn)的噪聲振動測量值的空間分布確定“源”的部位。

1.2.2 工程應(yīng)用

由于該船無論在水面或者水下，只要10節(jié)航行時都在I、Ⅱ艙發(fā)生異常噪聲與振動，因此確定船在水面航態(tài)時來識別噪聲源。

1.2.2.1 該船異常噪聲振動的產(chǎn)生與主機(jī)及配套輔機(jī)工作與否無關(guān)

（1）在碼頭系泊雙機(jī)充電時，柴油機(jī)、主電機(jī)及配套輔機(jī)工作，I、Ⅱ艙沒有異常噪聲振動。

（2）當(dāng)船滑行時，柴油機(jī)、主電機(jī)及配套輔機(jī)停止工作，I、Ⅱ艙仍存在有異常噪聲與振動。

1.2.2.2 某船異常噪聲振動的產(chǎn)生與軸系工作與否無關(guān)

（1）實(shí)測軸系扭振屬正常允許范圍。

（2）當(dāng)船滑行時，軸系停止工作，I、Ⅱ艙依然存在異常噪聲振動。

（3）當(dāng)船倒車后退時，軸系工作，I、Ⅱ艙不存在異常噪聲振動。

1.2.2.3 某船異常噪聲振動的產(chǎn)生與螺旋槳工作與否無關(guān)

螺旋槳工作時，隨著其旋轉(zhuǎn)引起的周圍水壓力作周期性變化，這就使得作用于船體或附體表面上的水壓力發(fā)生周期變化，從而引起船體振動，即螺旋槳的“表面力”作用。這種“表面力”主要集中于螺旋槳上方船體，等于螺旋槳直徑平方的面積上。

另外，由于船艉伴流的存在（流場不均勻），隨著螺旋槳的旋轉(zhuǎn)，螺旋槳葉片所受到的阻力、升力亦發(fā)生周期性變化，從而形成周期性的變化力和力矩，通過軸和軸承傳到船體，引起軸系和船體的振動，這部分力稱為“軸承力”。從激起船體垂直與水平振動來看，“表面力”是主要的。在雙槳船上，“表面力”比“軸承力”大很多。觀察表明，雖然I、Ⅱ艙出現(xiàn)異常噪聲振動，但在船艉幾個艙室（主輔機(jī)艙、軸系艙、螺旋槳上方）并未發(fā)現(xiàn)“異?！?。

（1）當(dāng)船進(jìn)車航行在10節(jié)，就開始在I、Ⅱ艙出現(xiàn)異常噪聲振動，并隨著航速的增高而加劇。但當(dāng)以同樣的航速倒退時，I、Ⅱ艙并未出現(xiàn)“異?！?，這說明前進(jìn)與倒退時，流場發(fā)生變化使得異常噪聲振動產(chǎn)生與消失。

（2）當(dāng)船滑行時，主機(jī)、軸系、螺旋槳等停止工作，I、Ⅱ艙異常噪聲振動依然存在。

1.2.2.4 某船異常噪聲振動是由湍流誘發(fā)振動引起

根據(jù)湍流誘發(fā)振動的特點(diǎn)，對照某船異常噪聲振動的實(shí)際狀況可以看出：

（1）湍流誘發(fā)振動的產(chǎn)生與船舶主機(jī)、輔機(jī)、螺旋槳、軸系等是否工作無關(guān)，而與改變流場特性的船舶航速大小有關(guān)。

（2）湍流誘發(fā)振動與引起流場特性變化的船舶航向有關(guān)。當(dāng)船進(jìn)車航行10節(jié)以上就有異常噪聲振動，而相同航速倒車時就沒有出現(xiàn)“異?！?。當(dāng)船轉(zhuǎn)向時，異常噪聲振動將減小。因此，湍流誘發(fā)振動與船舶航行時的流場、流向、流速或者說與船的航向、航速等有密切關(guān)系。

（3）該船湍流誘發(fā)振動產(chǎn)生的異常噪聲振動隨航速增高而加劇，但部位并不隨航速而改變。

1.2.2.5 某船異常噪聲振動“源”部位的診斷

（1）首先通過人員的“感受”從I艙慢慢走向Ⅲ艙，由于艙室基本屬于混響聲場，加上“感受”的分辨力不高，很難確定在哪個部位。

（2）利用2209聲級計(jì)的A聲級縱向、垂向空間分布及振動加速級的縱向、垂向空間分布最大值交叉法確定“源”的位置。

（3）B&K2209脈沖聲級計(jì)實(shí)測A聲級、振動加速度級的空間分布：

i空氣噪聲測量：

縱向：從I艙艏端至Ⅱ艙與Ⅲ艙隔壁，距鋪板1 m高度每三檔肋骨測一點(diǎn)，A聲級最大值在36#肋骨附近。

垂向：在Ⅰ、Ⅱ艙隔壁36#附近從頂至艙底，實(shí)測A聲級最大值在艙底。

ii振動測量

縱向：測點(diǎn)對應(yīng)空氣噪聲每三檔肋骨在鋪板上用磁鐵吸附測量，最大加速度級也在36#肋骨附近。

垂向：在36#肋骨附近從頂?shù)脚摰祝瑢?shí)測最大振動加速度級在艙底。

（4）診斷：在36#肋骨附近底部及船外殼是湍流誘發(fā)振動“源”部位。

船進(jìn)塢后發(fā)現(xiàn)該區(qū)域的1#壓載水艙蓋板已震裂脫開。

1.3 艦船三大噪聲源識別的“頻譜法”

艦船螺旋槳噪聲、機(jī)械噪聲、水動力噪聲的頻率分布或頻譜各有其特征，因此如何系統(tǒng)地研究各自產(chǎn)生的頻率分布或頻譜也是識別三大噪聲源的重要依據(jù)，稱之為“頻譜法”。

2003年之前有關(guān)資料公布的潛艇各航速下噪聲源分布圖如圖1所示。圖1詳細(xì)地說明潛艇各航速下的螺旋槳和機(jī)械噪聲源隨頻率分布，未含水動力噪聲源。

圖1 潛艇各航速下的噪聲源分布

法國SHOM組織在2012年2月1日報(bào)告中公布的艦船輻射噪聲三大噪聲源:螺旋槳噪聲、機(jī)械噪聲、水動力噪聲典型頻率范圍如圖2所示。其中螺旋槳噪聲包括空泡噪聲、唱音、周期性葉片聲；機(jī)械噪聲包括軸系噪聲（含摩擦聲）、渦輪機(jī)噪聲、渦輪機(jī)葉片聲、齒輪傳動系統(tǒng)噪聲、柴油機(jī)噪聲、輔機(jī)噪聲、發(fā)動機(jī)傳動裝置噪聲等；水動力噪聲包括船體湍流附面層壓力波、湍流噪聲、附體周圍形成的水動力噪聲。

利用圖1、圖2可以初步區(qū)分艦船三大噪聲源，特別是圖2將螺旋槳噪聲、機(jī)械噪聲、水動力噪聲組成的各部分噪聲頻率范圍也已列出，為找“源”提供重要依據(jù)。但是從圖2也可以看出，三大噪聲源頻率范圍還存在重疊的區(qū)域，因此通過頻率范圍進(jìn)行初步的判別后，還需要根據(jù)不同噪聲源的頻譜結(jié)構(gòu)進(jìn)行最終的識別。

多年實(shí)測的艦船輻射噪聲、自噪聲、艙室空氣噪聲、結(jié)構(gòu)噪聲、螺旋槳噪聲、機(jī)械噪聲、水動力噪聲，艦船主、輔機(jī)平臺噪聲與振動，主、輔機(jī)單機(jī)輻射水噪聲等獲得了大量的頻譜圖并建立了數(shù)據(jù)庫，為“頻譜法”識別噪聲源提供科學(xué)依據(jù)[1]。例如內(nèi)燃機(jī)、推進(jìn)電機(jī)、通風(fēng)機(jī)和空壓機(jī)等噪聲源的頻譜如圖3所示。

從圖上可以看出，各類型設(shè)備的頻譜特征各不相同，可以用來作為噪聲源識別的依據(jù)。

圖2 艦船輻射噪聲源：螺旋槳噪聲、機(jī)械噪聲、水動力噪聲典型頻率范圍

1.4 “頻譜法”的實(shí)例

按照上述思路，根據(jù)某船艉部水聽器測得的螺旋槳噪聲譜中出現(xiàn)高出鄰近頻率14 dB的線譜，如圖4所示。

按照噪聲源識別的“頻譜法”，對照文中圖2螺旋槳噪聲頻率分布，可以確定出現(xiàn)的線譜是螺旋槳“唱音”。同時用“參數(shù)法”改變螺旋槳轉(zhuǎn)速，當(dāng)達(dá)到某轉(zhuǎn)速后就產(chǎn)生“線譜”，進(jìn)一步證實(shí)這是螺旋槳“唱音”。船進(jìn)塢后削尖槳葉，消除了螺旋槳“唱音”和Ⅶ艙“吱聲”。

2 艦船異常噪聲振動的消除

某船異常噪聲振動的產(chǎn)生是由船舶航行過程中的流場特性P(ω)，36#肋骨附近的船體結(jié)構(gòu)響應(yīng)H(ω)和該部位結(jié)構(gòu)的聲輻射特性Wac(ω)綜合作用引起。一般情況下，局部船體結(jié)構(gòu)響應(yīng)認(rèn)為是線性系統(tǒng)，但在異常振動時，其響應(yīng)及聲輻射特性可能為非線性，這時流場特性P(ω)、結(jié)構(gòu)響應(yīng)H(ω,ωn)、結(jié)構(gòu)聲輻射特性Wac(ω,ωn,ωm)，ωn、ωm是產(chǎn)生的新的頻率分量，使頻譜發(fā)生明顯變化。

從理論上消除異常噪聲振動就是改變P(ω)、H(ω)、Wac(ω)綜合的作用，但從工程角度必須考慮可能性和現(xiàn)實(shí)性。應(yīng)該指出，所有船舶航行中都不同程度地存在著湍流誘發(fā)振動和振動聲輻射，僅有極少數(shù)船舶發(fā)生異常噪聲振動，只要把“異?！毕纯?。

2.1 改變船舶航行時流場特性P(ω)

船舶一經(jīng)建成，要靠改變線型來改變航行時的流場一般是不可能的。但在營運(yùn)中改變航速與航向也能改變流場特性，從而使異常噪聲振動程度有所下降，直至某航速、或倒向航行時消除。因此，改變航向航速也算是措施之一，但這種措施代價大、有許多不便，通常不宜采用，除非在特殊情況下，（航途中發(fā)生這種異常振動與響聲）而又無別的辦法時，作為臨時措施。

理論分析表明，為了避免在新建的同類船舶上發(fā)生，可以在水池或風(fēng)筒中對船模的流場情況（特別注意在船體劇烈振動部位的流場）進(jìn)行試驗(yàn)，改變流場，使之產(chǎn)生較小的激振力，并通過實(shí)船驗(yàn)證。

2.2 改變異常振動噪聲部位的結(jié)構(gòu)響應(yīng)H(ω)

改變船舶異常振動部位的結(jié)構(gòu)響應(yīng)是消除異常噪聲振動的主要措施和常用方法之一。

（1）首先檢查該部分船體殼板、管路、閥件特別是與海水接觸的殼板、管路、閥件的焊接、固定狀況。如發(fā)現(xiàn)脫焊、松動，應(yīng)該補(bǔ)焊和加固。

（2）若檢查中并未發(fā)現(xiàn)上述現(xiàn)象也應(yīng)該對與海水接觸的殼板、管路、閥件進(jìn)行加強(qiáng)。然后對艙內(nèi)振動大的殼板、管路、閥件采取適用的措施（如加固、阻尼等）。對于新建的同類船舶也應(yīng)在船體劇烈振動部位采取這些措施。甚至改變結(jié)構(gòu)型式、殼板厚度等增加剛度與阻尼。

2.3 改變異常振動部位結(jié)構(gòu)的聲輻射特性Wac(ω)

由于結(jié)構(gòu)的振動頻率、結(jié)構(gòu)參數(shù)、介質(zhì)的差異，其結(jié)構(gòu)的聲輻射特性是不一樣的。這就說明，即使對相同頻率、相同的振動能量的振動體，如果振動體的結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生變化，其聲輻射情況也不同。利用這一點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)降噪。例如對振動輻射聲的殼板加固阻尼等是降噪行之有效的方法。有些船舶的湍流誘發(fā)振動，船體殼板振動不大，但與之連接的艙內(nèi)殼板振動劇烈并產(chǎn)生異常噪聲。雖然船體殼板需加固，艙內(nèi)殼板也加固，但前者是為了改變船體結(jié)構(gòu)響應(yīng)，對湍流壓力的作用力有較大衰減；后者是為了改變振動體的聲輻射特性，降低噪聲。如果前者不采取措施，后者的措施效果也就不大明顯。只有同時采取措施，才會有明顯效果。對新建船舶，除加固外，還可適當(dāng)增加板厚。另外采用在振動部位敷設(shè)自由阻尼層或約束阻尼層，這也是寬頻帶抑振降噪的較好辦法。

圖3 艦船典型噪聲源頻譜

圖4 潛望航態(tài)某轉(zhuǎn)速下螺旋槳噪聲譜

2.4 某船消除異常噪聲振動的措施與效果

由于該船是營運(yùn)中的船舶，因而只能采取改變船舶異常振動部位的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和振動聲輻射特性的措施，其效果十分明顯，直觀感覺的異常噪聲振動消除。實(shí)測結(jié)果表明，振動加速度值下降45.4%～64.5%，艙內(nèi)噪聲級下降5 dB（A）～14 dB（A）。

3 結(jié)語

通過上面的研究和討論，總結(jié)了艦船異常噪聲識別的參數(shù)法和頻譜法，這些方法已經(jīng)通過大量實(shí)踐證實(shí)其有效性。研究表明，找到了異常噪聲振動的“源”是關(guān)鍵，而找“源”的測試方法值得探討。本文提出的“參數(shù)識別法”和“頻譜識別法”是消除艦船異常噪聲振動兩個實(shí)例的總結(jié)，可為讀者提供有益啟發(fā)。

致謝：本文撰寫過程中，中船重工第701研究所張潛負(fù)責(zé)了收集、翻譯、分析外文資料等工作，海軍某保障總師辦朱石堅(jiān)總師也對文中不妥之處進(jìn)行了修改，在此表示感謝。

[1]朱英富，張國良.艦船隱身技術(shù)[M].2版.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2015：224-237.

[2]STEPHAN Y,BOUTONNIER J M,PISTRE H.Bilan des activités anthopiques génératrices de bruit sous-marin et de leur récente évolution en France métropolitaine[J]．Demonstratio Mathematica,2012,11（1）:51-73.

[3]張國良.抑制船舶湍流誘發(fā)振動的試驗(yàn)研究[J].艦船科學(xué)技術(shù)，1985（10）：1-7.

[4]張國良，孫光甦.再論聲響方程中的聲源級與自噪聲級[J].船舶工程研究，1999（2）：40-45.