指揮室圍殼水動(dòng)力噪聲及控制技術(shù)研究綜述

章文文，徐榮武*

1 海軍工程大學(xué) 振動(dòng)與噪聲研究所，湖北 武漢 430033

2 船舶振動(dòng)噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430033

0 引 言

指揮室圍殼是為滿足潛艇在水面狀態(tài)時(shí)的指揮、觀通等需求而設(shè)置的突體結(jié)構(gòu)，內(nèi)部通常圍封耐壓指揮室和通信天線、潛望鏡、通氣管等多種升降桅桿，一般情況下，圍殼也是潛艇最大的附體結(jié)構(gòu)。

以往對(duì)圍殼的設(shè)計(jì)主要考慮的是其對(duì)潛艇阻力、操縱性等水動(dòng)力性能的影響，近年來(lái)，隨著潛艇航速的提高，圍殼部位的水動(dòng)力噪聲問(wèn)題逐漸凸顯，指揮室圍殼等水下翼型結(jié)構(gòu)的水動(dòng)力噪聲總級(jí)通常與流速的5～7 次方成正比，在高流速時(shí)，甚至是以流速的10 次方的規(guī)律增長(zhǎng)[1]。文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]分別對(duì)潛艇的水動(dòng)力噪聲進(jìn)行了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析和數(shù)值計(jì)算，結(jié)果均表明潛艇的自噪聲分布在指揮室圍殼和潛艇尾部存在2 個(gè)明顯的“駝峰”。針對(duì)圍殼部位突出的水動(dòng)力噪聲問(wèn)題，美國(guó)致力于潛艇水動(dòng)力、結(jié)構(gòu)與噪聲綜合研究的部門-水面戰(zhàn)研究中心卡德洛克分部曾專門成立先進(jìn)的圍殼研發(fā)計(jì)劃（advanced sail project），從水動(dòng)力、水動(dòng)力噪聲、復(fù)合材料技術(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等多方面對(duì)先進(jìn)的圍殼開(kāi)展了深入研究深入研究[4-6]?？梢?jiàn)，指揮室圍殼是潛艇輻射噪聲的重點(diǎn)部位。

目前，關(guān)于指揮室圍殼部位的水動(dòng)力噪聲研究已得到廣泛關(guān)注，但系統(tǒng)、全面論述圍殼水動(dòng)力噪聲機(jī)理、特性和控制技術(shù)進(jìn)展的文獻(xiàn)很少。本文將側(cè)重于指揮室圍殼水動(dòng)力噪聲的特點(diǎn)，對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)及其研究進(jìn)展進(jìn)行回顧與總結(jié)。

1 圍殼水動(dòng)力噪聲機(jī)理和特性研究

圍殼部位具有非常復(fù)雜的流動(dòng)特征。在圍殼根部，圍殼與艇體表面構(gòu)成流動(dòng)角區(qū)，致使來(lái)流邊界層容易在該區(qū)域產(chǎn)生復(fù)雜的三維分離流動(dòng)，形成由圍殼前緣向后緣流動(dòng)的“馬蹄渦”；在圍殼尾部，受逆壓梯度和黏性阻力的影響，容易發(fā)生邊界層分離和渦脫落；在圍殼頂部，由于翼型的端面效應(yīng)，當(dāng)來(lái)流與圍殼存在一定攻角時(shí)（轉(zhuǎn)向航行），容易在圍殼頂部產(chǎn)生梢渦；同時(shí)，圍殼上的各類開(kāi)孔還容易發(fā)生流激空腔振蕩。這些流動(dòng)會(huì)在圍殼表面產(chǎn)生湍流脈動(dòng)壓力，表面湍流脈動(dòng)壓力一方面會(huì)直接產(chǎn)生噪聲，另一方面又會(huì)激勵(lì)圍殼結(jié)構(gòu)振動(dòng)并輻射噪聲。

圍殼表面多種不穩(wěn)定流也使得圍殼水動(dòng)力噪聲具有多種復(fù)雜的機(jī)理。Liu 等[7]通過(guò)大渦模擬和水洞試驗(yàn)對(duì)圍殼水動(dòng)力噪聲機(jī)理進(jìn)行了研究，指出圍殼在不同類型不穩(wěn)定流激勵(lì)下產(chǎn)生的噪聲特性不同，如馬蹄渦主要貢獻(xiàn)了500 Hz 以下的低頻噪聲，尾渦主要產(chǎn)生線譜噪聲（595 Hz），而邊界層分離產(chǎn)生的噪聲則具有寬頻特性。Dowling[8]指出水動(dòng)力噪聲應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注其低頻特性，因?yàn)榈皖l噪聲容易與結(jié)構(gòu)振動(dòng)產(chǎn)生明顯的耦合，成為水動(dòng)力噪聲的主要貢獻(xiàn)部分。根據(jù)噪聲的頻率特性和產(chǎn)生機(jī)理，本文將圍殼水動(dòng)力噪聲歸納為4 類：1）圍殼表面湍流脈動(dòng)壓力的直接輻射噪聲；2）湍流脈動(dòng)壓力激勵(lì)圍殼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)進(jìn)而產(chǎn)生的輻射噪聲，也稱為二次輻射噪聲；3）圍殼開(kāi)口部位在水流作用下產(chǎn)生的流激空腔噪聲；4）當(dāng)圍殼尾部渦脫落頻率與圍殼固有頻率相近時(shí)，產(chǎn)生的渦激共振噪聲。圍殼水動(dòng)力噪聲機(jī)理如圖1 所示。其中前2 類噪聲源主要構(gòu)成圍殼水動(dòng)力噪聲的低頻寬帶分量，第3 類噪聲主要表現(xiàn)為低頻線譜分量，第4 類噪聲通常也表現(xiàn)為線譜噪聲，但在未發(fā)生共振時(shí)線譜幅值較小。由于第4 類噪聲本質(zhì)上也可以分解為第1 類和第2 類噪聲，因而，本文主要對(duì)前3 類噪聲研究進(jìn)行回顧和總結(jié)，并概述水動(dòng)力噪聲在試驗(yàn)測(cè)量方面的研究進(jìn)展。

圖 1 圍殼水動(dòng)力噪聲機(jī)理Fig. 1 The mechanism of the hydrodynamic noise of sail

1.1 圍殼直接輻射噪聲

圍殼由于突出于潛艇艇體表面，破壞了艇體表面的均勻流場(chǎng)，因此在水下航行時(shí)，圍殼表面會(huì)形成以馬蹄渦、片狀湍流邊界層、梢渦和尾流渦為代表的復(fù)雜湍流繞流，湍流中的速度、壓力和溫度等物理參數(shù)將發(fā)生近乎無(wú)規(guī)則的脈動(dòng)，這些復(fù)雜的湍流脈動(dòng)一方面會(huì)使流體介質(zhì)產(chǎn)生密度波動(dòng)，即聲波，另一方面，入射到壁面的湍流脈動(dòng)又會(huì)因壁面的存在而發(fā)生動(dòng)量損失，引起動(dòng)能向聲能的轉(zhuǎn)換，在壁面形成偶極子聲源并輻射噪聲，這種由繞流中的湍流脈動(dòng)直接輻射的噪聲稱為直接輻射噪聲。由于湍流脈動(dòng)具有隨機(jī)性，因而直接輻射噪聲通常表現(xiàn)為寬帶噪聲。

起初，湍流運(yùn)動(dòng)和噪聲似乎屬于2 個(gè)完全不相干的領(lǐng)域，很難將這兩者聯(lián)系起來(lái)，以致于早期研究人員總是把流體運(yùn)動(dòng)引起的噪聲問(wèn)題轉(zhuǎn)化為流體激勵(lì)板、殼等結(jié)構(gòu)的振動(dòng)發(fā)聲問(wèn)題。為解釋湍流發(fā)聲的機(jī)理，Lighthill[9]提出了聲比擬理論，其通過(guò)將N-S 方程左端重組為經(jīng)典聲學(xué)中的聲傳播方程，將剩余各項(xiàng)作為聲源項(xiàng)置于方程右端，用以表征湍流運(yùn)動(dòng)對(duì)聲傳播的影響。Lighthill 聲比擬方程首次在理論上將自由湍流運(yùn)動(dòng)與噪聲建立聯(lián)系，直觀地揭示了湍流中的速度脈動(dòng)、黏性應(yīng)力以及熵波動(dòng)會(huì)在流場(chǎng)中產(chǎn)生的密度波動(dòng)（即聲波），并表現(xiàn)出四極子源聲輻射特性。

但采用Lighthill 聲比擬方程還不能完全解釋圍殼繞流等繞流輻射噪聲問(wèn)題，因?yàn)槔@流噪聲場(chǎng)會(huì)受到壁面邊界的影響，而Lighthill 聲比擬方程是基于自由湍流場(chǎng)提出的。為解釋壁面影響下的湍流發(fā)聲問(wèn)題，Curle[10]將固壁邊界的湍流脈動(dòng)壓力或剪切力作為表面偶極子源，對(duì)Lighthill 聲比擬理論做了推廣，成功解釋了湍流邊界層與固壁作用的發(fā)聲問(wèn)題。Williams 等[11]進(jìn)一步考慮旋轉(zhuǎn)壁面對(duì)聲場(chǎng)的影響，運(yùn)用廣義函數(shù)法進(jìn)一步對(duì)聲比擬理論做了推廣，得到了聲比擬理論的一般形式FW-H 方程，該方程揭示了旋轉(zhuǎn)壁面與流場(chǎng)相互作用形成的噪聲成分除了有四極子源、偶極子源外，還有因壁面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的單極子源。

在圍殼直接輻射噪聲問(wèn)題中，由于不存在旋轉(zhuǎn)壁面邊界，因此不考慮單極子聲源。圍殼繞流是典型的低馬赫數(shù)流動(dòng)，Howe[12]在聲比擬理論的基礎(chǔ)上，通過(guò)渦旋理論研究表明，低馬赫數(shù)流動(dòng)中的四極子源的輻射效率很低，可以忽略不計(jì)，主要聲源是偶極子源，即壁面湍流脈動(dòng)壓力。通過(guò)聲比擬理論，可以較為清晰地解釋圍殼直接輻射噪聲主要由壁面湍流脈動(dòng)壓力決定，但聲比擬理論主要由理論公式推導(dǎo)得來(lái)，對(duì)于壁面湍流脈動(dòng)壓力是如何輻射噪聲的物理機(jī)制還難以解釋。Howe[13]對(duì)湍流脈動(dòng)壓力的聲輻射的物理機(jī)制進(jìn)行了總結(jié)：湍流脈動(dòng)根據(jù)特征值可以分解為聲波、渦波和熵波，對(duì)應(yīng)聲速的擾動(dòng)分量為聲波，對(duì)應(yīng)來(lái)流速度的擾動(dòng)分量為渦波和熵波。渦波常被用于描述湍流脈動(dòng)，熵波在等熵流動(dòng)中可以忽略。聲波與固壁邊界的相互作用是經(jīng)典的散射問(wèn)題，而當(dāng)渦波入射到固壁邊界時(shí)，由于邊界條件的限制，必須誘導(dǎo)出另外的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生反向速度以抵消入射渦波在壁面法向的分量，當(dāng)入射渦波為非穩(wěn)態(tài)（湍流脈動(dòng)本身為非穩(wěn)態(tài)的）時(shí)，會(huì)在固壁表面產(chǎn)生非定常壓力分布（聲源），從而向外輻射偶極子聲。

根據(jù)聲比擬理論，作為偶極子源的壁面湍流脈動(dòng)壓力可以通過(guò)求解N-S 方程準(zhǔn)確求得，進(jìn)而計(jì)算出流動(dòng)噪聲的聲場(chǎng)分布，這也是流動(dòng)噪聲數(shù)值預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)，但要更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)繞流直接輻射噪聲的控制，還必須將壁面湍流脈動(dòng)壓力與實(shí)際的湍流物理圖像聯(lián)系起來(lái)。Powell[14]和Howe[15]建立的渦聲理論揭示了流動(dòng)噪聲實(shí)際上與湍流中渦的結(jié)構(gòu)和尺度密切相關(guān)。雖然湍流的機(jī)理至今尚未徹底解釋清楚，也沒(méi)有準(zhǔn)確的定義，但普遍認(rèn)為湍流是包含各種大尺度渦和小尺度渦的非定常復(fù)雜流動(dòng)。Hardin[16]曾對(duì)低馬赫數(shù)下的湍流邊界層聲源進(jìn)行研究，認(rèn)為湍流邊界層的主要聲源是邊界層中大渦之間的相互作用；Kine 等[17]認(rèn)為大渦運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，并非為完全隨機(jī)的，這種具有一定規(guī)律的大渦運(yùn)動(dòng)是湍流邊界層低頻脈動(dòng)的主要原因，而小尺度渦運(yùn)動(dòng)則是高頻脈動(dòng)的主要原因。Huerre 等[18]和Mankbadi等[19]對(duì)低馬赫數(shù)流動(dòng)中大尺度湍流渦與聲輻射的關(guān)系進(jìn)行研究，證明了低馬赫數(shù)流動(dòng)中大尺度渦是主要的湍流噪聲源。

在圍殼繞流中，根據(jù)不同部位的幾何特征，有不同的大尺度渦，如圖2 所示。圍殼根部以“馬蹄渦”為主要特征；在圍殼頂部，湍流脈動(dòng)壓力主要受梢渦尺度的影響；圍殼尾部一般會(huì)伴有較強(qiáng)的渦脫落，形成尾流渦，周期性的渦脫落會(huì)對(duì)圍殼尾部產(chǎn)生較強(qiáng)的附加脈動(dòng)壓力；而在圍殼中部，邊界層主要經(jīng)歷由層流到轉(zhuǎn)捩再到完全發(fā)展為湍流邊界層的過(guò)程，該區(qū)域的湍流脈動(dòng)壓力主要由片狀邊界層決定。其中，圍殼根部的“馬蹄渦”是圍殼水動(dòng)力噪聲的突出噪聲源和振動(dòng)激勵(lì)源[20]，它的形成實(shí)際上是由于圍殼等突體結(jié)構(gòu)對(duì)來(lái)流的阻滯作用，在其上游形成逆壓梯度進(jìn)而引起艇體表面邊界層發(fā)生三維流動(dòng)分離，并在主、附體交接的角區(qū)沿突體表面卷繞，形成所謂的馬蹄渦[21]，馬蹄渦在角區(qū)附近發(fā)生卷并、集中的過(guò)程中伴隨著強(qiáng)烈的振蕩現(xiàn)象，并在表面產(chǎn)生較強(qiáng)的脈動(dòng)壓力和剪切力[22]。圍殼根部的馬蹄渦強(qiáng)度與來(lái)流攻角密切相關(guān)，Jiménez 等[23]發(fā)現(xiàn)當(dāng)攻角小于17°時(shí)，圍殼馬蹄渦的強(qiáng)度會(huì)隨攻角的增大而增大，而當(dāng)攻角大于17°時(shí)，馬蹄渦強(qiáng)度的變化趨勢(shì)則相反。由于流場(chǎng)中的大渦結(jié)構(gòu)和尺度與流動(dòng)邊界條件密切相關(guān)，因而可以通過(guò)圍殼外形優(yōu)化來(lái)減小或消除馬蹄渦、尾渦等大尺度渦強(qiáng)度，達(dá)到降低圍殼水動(dòng)力噪聲的目的，后文將對(duì)相關(guān)研究進(jìn)一步總結(jié)。

圖 2 圍殼表面渦流Fig. 2 Vortex flow on the surface of sail

1.2 圍殼二次輻射噪聲

圍殼表面的湍流脈動(dòng)壓力一方面會(huì)直接產(chǎn)生聲輻射，另一方面還會(huì)激勵(lì)圍殼結(jié)構(gòu)振動(dòng)并產(chǎn)生輻射噪聲，即二次輻射噪聲。由于指揮室圍殼為透水結(jié)構(gòu)，不需要承受靜水壓力，因而其結(jié)構(gòu)整體剛度通常小于艇體結(jié)構(gòu)剛度，受流體激勵(lì)而產(chǎn)生的振動(dòng)響應(yīng)較大，所以由圍殼結(jié)構(gòu)受激振動(dòng)產(chǎn)生的二次輻射噪聲通常是圍殼水動(dòng)力噪聲中不可忽視的噪聲分量，甚至是水動(dòng)力噪聲的主要分量[24]。

二次輻射噪聲是典型的流體-結(jié)構(gòu)-聲場(chǎng)的相互作用問(wèn)題，通常分3 個(gè)步驟進(jìn)行求解：獲得流體激勵(lì)力、計(jì)算結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)、求解結(jié)構(gòu)振動(dòng)產(chǎn)生的輻射聲場(chǎng)。在圍殼流激振動(dòng)噪聲問(wèn)題中，流體激勵(lì)力主要是圍殼表面的湍流脈動(dòng)壓力，這里需要指出的是，湍流中的脈動(dòng)壓力包含聲壓和偽聲壓2 個(gè)部分，其中聲壓是由于雷諾應(yīng)力而產(chǎn)生的密度起伏，滿足波動(dòng)方程，偽聲壓則是由于速度脈動(dòng)而產(chǎn)生的動(dòng)量起伏，滿足動(dòng)量方程。偽聲壓占湍流脈動(dòng)壓力的絕大部分能量，在二次輻射噪聲計(jì)算中，通常只將由速度脈動(dòng)引起的偽聲壓部分當(dāng)作流體激勵(lì)源[25]。

表面湍流脈動(dòng)壓力是時(shí)空變化的隨機(jī)激勵(lì)源，如何對(duì)這種面分布的激勵(lì)力進(jìn)行描述是首先需要解決的問(wèn)題，一種常用的方法是通過(guò)頻率-波數(shù)譜描述。湍流脈動(dòng)壓力的頻率-波數(shù)譜實(shí)際上是基于統(tǒng)計(jì)湍流理論和試驗(yàn)結(jié)果的一種半經(jīng)驗(yàn)方法，在求解由結(jié)構(gòu)受激振動(dòng)產(chǎn)生的二次輻射噪聲時(shí)，需要選擇合適的湍流脈動(dòng)壓力頻率-波數(shù)譜模型。俞孟薩等[24]曾對(duì)采用湍流脈動(dòng)壓力的頻率-波數(shù)譜模型計(jì)算結(jié)構(gòu)受激振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行過(guò)詳細(xì)的總結(jié)與回顧。但需要注意的是，采用湍流脈動(dòng)壓力的頻率-波數(shù)譜模型只能計(jì)算平板或圓柱殼體等簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的受激振動(dòng)聲輻射問(wèn)題，而圍殼結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其表面脈動(dòng)壓力不僅僅只來(lái)源于湍流邊界層，還有馬蹄渦、梢渦、尾部邊界層分離和渦脫落等其他湍流脈動(dòng)源，無(wú)法采用湍流邊界層脈動(dòng)壓力的頻率-波數(shù)譜模型表示，通常需要借助計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)先提取出湍流脈動(dòng)壓力作為激勵(lì)力，再對(duì)湍流脈動(dòng)壓力進(jìn)行頻率-波數(shù)譜轉(zhuǎn)換，進(jìn)而求解二次輻射噪聲。Liu 等[7]便通過(guò)大渦模擬與頻率波數(shù)譜相結(jié)合的方法，對(duì)指揮室圍殼的二次輻射噪聲進(jìn)行過(guò)數(shù)值求解。

隨著計(jì)算機(jī)性能和CFD 理論的快速發(fā)展，諸如大渦模擬（LES）等數(shù)值模擬方法已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)在有限的計(jì)算機(jī)資源下對(duì)湍流脈動(dòng)進(jìn)行準(zhǔn)確求解。目前，對(duì)二次輻射噪聲的數(shù)值求解通常是將流場(chǎng)計(jì)算和聲場(chǎng)計(jì)算分開(kāi)進(jìn)行，即先通過(guò)CFD 數(shù)值求解得到結(jié)構(gòu)表面的湍流脈動(dòng)壓力，再將表面湍流脈動(dòng)壓力作為彈性結(jié)構(gòu)的激勵(lì)力，計(jì)算結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)和聲輻射。實(shí)際上，圍殼二次輻射噪聲在數(shù)值模擬求解的過(guò)程中不可能完全考慮流體-結(jié)構(gòu)-聲介質(zhì)的相互耦合作用，其原因一方面是部分的耦合作用機(jī)理還不清晰；另一方面是計(jì)算機(jī)資源往往不允許。由于水介質(zhì)中的二次輻射噪聲問(wèn)題通常是低馬赫數(shù)繞流和結(jié)構(gòu)小振幅振動(dòng)問(wèn)題，故在數(shù)值模擬計(jì)算中可以只考慮單向耦合作用，即只考慮水對(duì)彈性結(jié)構(gòu)的作用，這樣可以大幅提高數(shù)值計(jì)算效率，同時(shí)也能保證較高的二次輻射噪聲計(jì)算精度。

1.3 圍殼開(kāi)口流激空腔噪聲

圍殼并非為全封閉的短翼形結(jié)構(gòu)，其頂部存在為升降桅桿而設(shè)置的開(kāi)孔，圍殼壁上通常設(shè)有通氣孔和流水孔，這些開(kāi)孔與圍殼內(nèi)部腔體相連形成開(kāi)口腔，當(dāng)圍殼表面湍流邊界層流經(jīng)這些開(kāi)孔時(shí)，會(huì)在孔口形成剪切層振蕩，引起流激空腔噪聲。流激空腔噪聲是圍殼水動(dòng)力噪聲低頻線譜分量的主要噪聲源。

所謂流激空腔噪聲是指流體流經(jīng)腔口導(dǎo)邊時(shí)，邊界層在前緣分離并在腔口形成具有振蕩特性的剪切流動(dòng)，剪切層到達(dá)腔口隨邊時(shí)，與隨邊發(fā)生碰撞并產(chǎn)生壓力脈動(dòng)，壓力脈動(dòng)向上游傳播至導(dǎo)邊又進(jìn)一步影響前緣的邊界層分離，在一定條件下剪切層擾動(dòng)形成一個(gè)閉合反饋環(huán)，產(chǎn)生單一頻率的自持振蕩[26-27]，自持振蕩還會(huì)與空腔聲模態(tài)、空腔彈性結(jié)構(gòu)模態(tài)發(fā)生多種形式的耦合共振，從而輻射強(qiáng)烈的線譜聲[28]。Rockwell 等[26]通過(guò)對(duì)眾多不同開(kāi)口、不同腔體的空腔振蕩特性進(jìn)行分析，將空腔振蕩形式分為了3 類：1）流體動(dòng)力振蕩，由剪切層固有不穩(wěn)定性和腔口處的閉合聲反饋形成，即自持振蕩；2）流體共振空腔振蕩，即腔口的自持振蕩頻率與腔內(nèi)駐波頻率發(fā)生的共振振蕩；3）流體彈性空腔振蕩，為腔口自持振蕩與空腔彈性壁面振動(dòng)發(fā)生耦合共振的振蕩形式。圖3 較為準(zhǔn)確地揭示了目前被認(rèn)可的流激空腔發(fā)聲機(jī)理，圖中的①，②，③，④分別代表腔口自持振蕩反饋環(huán)、流體共振振蕩過(guò)程、流體彈性共振振蕩過(guò)程和各種振蕩形式混合的發(fā)聲機(jī)制。

圖 3 流激空腔噪聲機(jī)理[29]Fig. 3 Mechanisms of flow-induced cavity noise[29]

空腔噪聲的研究最早始于20 世紀(jì)50 年代在轟炸機(jī)彈艙上出現(xiàn)的周期性強(qiáng)壓力脈動(dòng)問(wèn)題[30]，但以1964 年Rossister[31]提出的聲反饋模型為空腔噪聲研究的發(fā)展標(biāo)志。Rossister 針對(duì)空腔流動(dòng)開(kāi)展了大量的風(fēng)洞試驗(yàn)，認(rèn)為空腔腔口剪切層振蕩的聲反饋機(jī)制是空腔產(chǎn)生顯著線譜噪聲的主要原因，并提出了空腔剪切層自持振蕩頻率的半經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)公式，該公式成為后續(xù)空腔噪聲頻率預(yù)報(bào)的“母型”公式，眾多學(xué)者針對(duì)具體的空腔流動(dòng)問(wèn)題對(duì)Rossister 公式進(jìn)行了修正：Heller 等[32]將Rossiter公式中向上游傳播的擾動(dòng)聲波速度修正為了當(dāng)?shù)芈曀伲⒅赋鯮ossiter公式只在馬赫數(shù)大于0.8 時(shí)較為準(zhǔn)確；Bilanin 等[33]專門研究了Rossister 經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的取值問(wèn)題；國(guó)內(nèi)的張強(qiáng)[34]、朱幼君等[35]則針對(duì)低馬赫數(shù)空腔流動(dòng)，對(duì)Rossiter 公式中的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)做了進(jìn)一步修正，使空腔振蕩的頻率預(yù)報(bào)相較于Rossiter 和Heller 公式更為準(zhǔn)確。以上空腔振蕩頻率預(yù)報(bào)公式都是基于空氣介質(zhì)流動(dòng)提出的，頻率預(yù)報(bào)相對(duì)較為準(zhǔn)確。然而，關(guān)于水介質(zhì)當(dāng)中的空腔自持振蕩頻率預(yù)報(bào)研究則很少，Howe[36]曾對(duì)極小馬赫數(shù)下的空腔和開(kāi)口線譜噪聲進(jìn)行了研究，這對(duì)水中空腔噪聲頻率預(yù)報(bào)研究具有一定的借鑒意義。

流激空腔噪聲的特點(diǎn)在于，即使在較低流速下，也會(huì)有腔口剪切層自持振蕩發(fā)生，并輻射線譜噪聲；而當(dāng)自持振蕩與空腔共振頻率接近時(shí)，線譜噪聲幅值會(huì)驟然增加。Elder[37]最早對(duì)空腔自持振蕩輻射的線譜噪聲和空腔共振時(shí)輻射的線譜噪聲進(jìn)行了區(qū)分，并分別稱之為“剪切純音”（shear tone）和“空腔純音”（cavity tone），其中剪切純音在很寬的流速范圍下都會(huì)發(fā)生，而空腔純音只在有限的幾個(gè)流速范圍內(nèi)發(fā)生。大量研究表明，空腔共振模態(tài)主要發(fā)生在最大尺度方向。Sarohia等[38]根據(jù)空腔長(zhǎng)度L 與深度D 的比值將空腔劃分為深腔和淺腔，當(dāng) L/D＞1 時(shí)稱為淺腔，L/D＜1 時(shí)稱為深腔，淺腔通常在流向的聲模態(tài)發(fā)生空腔共振，而深腔常在深度方向的聲模態(tài)發(fā)生共振。East[39]和Heller 等[32]通過(guò)試驗(yàn)研究，分別建立了深腔和淺腔的空腔共振頻率預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)公式。對(duì)于水中空腔流動(dòng)，馬赫數(shù)通常很小，而聲波波長(zhǎng)較長(zhǎng)，腔口發(fā)生的自持振蕩頻率很難接近空腔聲模態(tài)頻率（除非空腔尺度很大而開(kāi)口尺度很?。?。實(shí)際上，水中空腔流動(dòng)仍然存在共振線譜噪聲，這是因?yàn)樵谒?，流體介質(zhì)與空腔壁存在較強(qiáng)的彈性耦合，會(huì)降低空腔聲模態(tài)頻率。袁國(guó)清[29]和高巖等[40]對(duì)此類水中彈性腔的耦合共振問(wèn)題進(jìn)行了研究，證明彈性壁會(huì)降低空腔聲模態(tài)頻率，從而更容易發(fā)生流激空腔共振。

對(duì)于影響流激空腔振蕩和聲輻射特性的因素，除L/D 以外，還有來(lái)流邊界層厚度[41-43]、開(kāi)口形狀[44-45]、來(lái)流攻角[46]、空腔幾何外形[47-49]等因素。此外，朱習(xí)劍等[50]認(rèn)為，指揮室圍殼的空腔結(jié)構(gòu)為突出式空腔，應(yīng)區(qū)別于飛機(jī)彈倉(cāng)、船體上流水孔等陷落腔結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行研究。但無(wú)論何種結(jié)構(gòu)、何種形狀的空腔，腔口的剪切層振蕩是流激空腔噪聲的激勵(lì)源，腔口的聲反饋環(huán)是自持振蕩形成的必要條件，正如Blake[51]所指出的，控制空腔共振最有效的方法首先是降低或消除腔口剪切層的發(fā)展，其次是破壞或阻擋反饋環(huán)的形成，當(dāng)無(wú)法做到這些時(shí)，那么就要盡量避免流激空腔共振發(fā)生。

1.4 水動(dòng)力噪聲計(jì)算與測(cè)量

對(duì)水動(dòng)力噪聲的計(jì)算和測(cè)量是揭示水動(dòng)力噪聲機(jī)理和特性以及對(duì)其進(jìn)行有效治理的2 個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在水動(dòng)力噪聲計(jì)算方面，李環(huán)等[52]和王春旭等[53]進(jìn)行了較為詳細(xì)的綜述，限于文章篇幅，本文不再贅述。針對(duì)水動(dòng)力噪聲測(cè)量的實(shí)驗(yàn)研究，目前主要有水筒測(cè)量、拖曳模測(cè)量、大尺度自航模測(cè)量和浮體測(cè)量等試驗(yàn)方法。

水筒測(cè)量是一種比較成熟且常用的水動(dòng)力噪聲測(cè)試方法，它需要保持測(cè)試模型在水筒內(nèi)不動(dòng)，利用水筒內(nèi)的循環(huán)水流與測(cè)試模型形成相對(duì)運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行水動(dòng)力噪聲測(cè)量。這種測(cè)量方法的主要優(yōu)勢(shì)是可以對(duì)流速、壓力等水力參數(shù)精確調(diào)整，同時(shí)方便利用激光多普勒測(cè)速（LDV）、粒子成像測(cè)速（PIV）等技術(shù)對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行觀察。在用水筒測(cè)量水動(dòng)力噪聲時(shí)，水聽(tīng)器可置于水筒內(nèi)用于測(cè)量模型的水動(dòng)力噪聲。Li 等[54]和黃橋高等[55]直接將水聽(tīng)器置于水筒內(nèi)，分別測(cè)量了水面船和回轉(zhuǎn)體水下航行器縮比模型的水動(dòng)力噪聲，并較為準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)了實(shí)尺度下的水動(dòng)力噪聲。更為常用的水筒測(cè)量方法是將水聽(tīng)器置于與水筒工作段相連接的外部水箱中，這要求與外部水箱連接的水筒壁具有良好的透聲性。Abshagen 等[56]通過(guò)外置水聽(tīng)器的水筒測(cè)量方法，對(duì)平板的流噪聲進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果與拖曳模的測(cè)量結(jié)果相近。用水筒測(cè)量水動(dòng)力噪聲往往也存在諸多限制，首先是受限于水筒工作段尺寸，無(wú)法對(duì)較大尺度模型開(kāi)展水動(dòng)力噪聲試驗(yàn)，而更為重要的限制因素是狹小密閉的水筒內(nèi)往往存在強(qiáng)烈的混響，水筒內(nèi)的背景噪聲甚至?xí)蜎](méi)所要測(cè)量的水動(dòng)力噪聲。減少這些限制影響的一個(gè)有效措施就是增大水筒的工作段尺寸。世界各大先進(jìn)空泡水筒（循環(huán)水槽）也確實(shí)是在朝這個(gè)方向發(fā)展，如中國(guó)船舶科學(xué)研究中心的循環(huán)水槽工作段截面尺寸達(dá)到了 2.2 m×2.0 m[57]，這也是國(guó)內(nèi)目前最大的循環(huán)水槽。德國(guó)漢堡水池大型空泡水筒工作段的截面尺寸為 2.8 m×1.6 m，美國(guó)海軍水面戰(zhàn)研究中心的William B Morgan 大型空泡水筒的工作段截面尺寸更是達(dá)到了 3.05 m×3.05 m[58]。當(dāng)水筒的背景噪聲過(guò)于強(qiáng)烈時(shí)，一般通過(guò)測(cè)量模型的表面脈動(dòng)壓力來(lái)對(duì)水動(dòng)力噪聲進(jìn)行評(píng)估。袁國(guó)清[29]采用這種測(cè)量表面脈動(dòng)壓力的方法在重力水筒內(nèi)對(duì)由空腔繞流引起的水動(dòng)力噪聲進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

拖曳模測(cè)量是通過(guò)低噪聲拖曳裝置帶動(dòng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谒貎?nèi)以一定的速度運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而對(duì)模型產(chǎn)生的水動(dòng)力噪聲進(jìn)行測(cè)量，相較于水筒測(cè)量方法，拖曳模測(cè)量對(duì)模型尺度的限制以及受背景噪聲的影響都要小得多。拖曳模測(cè)量水動(dòng)力噪聲通常是在專門的拖曳水池中進(jìn)行。Gao 等[59]在拖曳水池中通過(guò)固定位置的單點(diǎn)水聽(tīng)器，對(duì)水面船模型進(jìn)行了水動(dòng)力噪聲測(cè)量，并利用短時(shí)傅里葉變換將測(cè)量的時(shí)域噪聲信號(hào)映射至?xí)r間-頻率域，有效識(shí)別出了水動(dòng)力噪聲分量。Haimov 等[60]在拖曳水池中將由4 個(gè)水聽(tīng)器組成的圓周陣列與螺旋槳一同固定到拖曳架上，使水聽(tīng)器陣與螺旋槳保持相對(duì)位置固定，進(jìn)而對(duì)螺旋槳噪聲進(jìn)行了測(cè)量。戴紹仕等[61]利用脈動(dòng)壓力傳感器對(duì)陷落式空腔內(nèi)部的脈動(dòng)壓力進(jìn)行測(cè)量，在拖曳水池內(nèi)對(duì)不同功角下的流激空腔振蕩特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。當(dāng)對(duì)水動(dòng)力噪聲試驗(yàn)環(huán)境有特殊要求時(shí)，拖曳模測(cè)量水動(dòng)力噪聲也可以在其他類型的水域中進(jìn)行。Abshagen 等[62]在研究湍流邊界層脈動(dòng)壓力和水動(dòng)力噪聲的關(guān)系時(shí)，因需要盡可能降低海洋背景噪聲以及測(cè)量裝置噪聲的影響，故選擇在1 000 m水深的挪威松恩海峽開(kāi)展拖曳模水動(dòng)力噪聲試驗(yàn)，并將拖曳模置于 100 ～150 m 水深區(qū)間，通過(guò)線型等距分布的水聽(tīng)器陣列對(duì)拖曳模水動(dòng)力噪聲進(jìn)行了測(cè)量。

浮體測(cè)量是Haddle 等[63]于上世紀(jì)60 年代最早提出一種水動(dòng)力噪聲測(cè)量方法。它是將試驗(yàn)浮體模型從深水湖底自由釋放，完全利用其自身的浮力，而無(wú)需利用任何動(dòng)力裝置推動(dòng)浮體沖向水面，進(jìn)而測(cè)量浮體模型在上浮過(guò)程中產(chǎn)生的水動(dòng)力噪聲。由于幾乎完全消除了機(jī)械噪聲的影響，可以顯著提高水動(dòng)力噪聲測(cè)量的準(zhǔn)確性，且浮體模型通?？梢赃_(dá)到較高的上浮速度，因此浮體測(cè)量十分有利于中、高速水下航行體的水動(dòng)力噪聲測(cè)量。美國(guó)和俄羅斯等國(guó)專門建設(shè)了浮體測(cè)量試驗(yàn)基地，如俄羅斯克雷洛夫中央船舶研究所早在上世紀(jì)60 年代就設(shè)計(jì)建造了深水浮體測(cè)量基地，專門用于測(cè)量水下航行器的水動(dòng)力噪聲，其浮體最高上浮速度可超過(guò)22 m/s[64]；美國(guó)在位于愛(ài)達(dá)荷州的本德奧瑞湖潛艇水聲試驗(yàn)區(qū)也專門規(guī)劃了浮力艇試驗(yàn)區(qū)，通過(guò)使大比例實(shí)艇自浮模型從300 m 水深的湖底自由加速上浮升至湖面，專門用于潛艇艇首和指揮室圍殼部位的水動(dòng)力噪聲測(cè)量試驗(yàn)[65]。國(guó)內(nèi)針對(duì)浮體測(cè)量水動(dòng)力噪聲的試驗(yàn)研究相對(duì)較少。陳燦[66]采用了浮體測(cè)量方法相似的原理，通過(guò)測(cè)量球形體在湖上無(wú)動(dòng)力下沉過(guò)程中的水動(dòng)力噪聲，對(duì)球形體的水動(dòng)力噪聲特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。張翰欽等[67]則將潛艇指揮室圍殼縮比模型縛于浮力回轉(zhuǎn)體上進(jìn)行自由上浮試驗(yàn)，通過(guò)測(cè)量表面脈動(dòng)壓力，對(duì)開(kāi)孔圍殼的流激振蕩現(xiàn)象進(jìn)行了研究。目前，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有建成專門的浮體測(cè)量試驗(yàn)平臺(tái)，但鑒于其在水動(dòng)力噪聲試驗(yàn)方面的顯著優(yōu)勢(shì)，建成專門的浮體測(cè)量試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)進(jìn)一步探明水動(dòng)力噪聲機(jī)理、降低水下航行器在中、高航速下的水動(dòng)力噪聲等具有積極的意義。

2 圍殼水動(dòng)力噪聲控制技術(shù)進(jìn)展

圍殼水動(dòng)力噪聲控制主要從3 個(gè)方面開(kāi)展：降低流體激勵(lì)力、降低圍殼結(jié)構(gòu)受激振動(dòng)響應(yīng)、降低聲輻射效率。在降低流體激勵(lì)力方面，主要是通過(guò)開(kāi)展圍殼的水動(dòng)力外形優(yōu)化來(lái)降低馬蹄渦、梢渦和尾渦等大尺度渦強(qiáng)度，如填角設(shè)計(jì)、線型優(yōu)化、開(kāi)孔設(shè)計(jì)等；在降低圍殼結(jié)構(gòu)受激振動(dòng)方面，主要涉及開(kāi)展圍殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高整體或局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，如加強(qiáng)圍殼結(jié)構(gòu)布置和尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)；在降低聲輻射效率方面，主要涉及材料的使用，如在圍殼表面涂覆柔性阻尼材料、采用復(fù)合材料建造圍殼等。

2.1 填角設(shè)計(jì)

填角是圍殼前緣與艇體過(guò)渡連接的一段具有一定弧度的結(jié)構(gòu)，主要用于減弱或消除圍殼根部由前緣向下游發(fā)展的馬蹄渦，其外形如圖4 所示。

采用填角設(shè)計(jì)來(lái)控制馬蹄渦的發(fā)展最早出現(xiàn)于空氣動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域。Devenport 等[68-69]最先利用填角對(duì)機(jī)翼馬蹄渦進(jìn)行了控制研究，并指出填角在高度等于翼型厚度、長(zhǎng)度等于弦長(zhǎng)時(shí)抑制馬蹄渦的效果最好。Simpson[21]研究指出首部填角可降低繞流邊界層中的逆壓梯度，抑制邊界層分離，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)在零攻角下消除主、附體結(jié)合部位的馬蹄渦。Zess 等[70]對(duì)應(yīng)用于汽輪機(jī)葉片上填角的最佳消渦尺寸進(jìn)行了研究，認(rèn)為當(dāng)填角高度為邊界層厚的1 倍、長(zhǎng)度為邊界層厚2 倍的尺度下，消除馬蹄渦效果最好。

在圍殼馬蹄渦控制研究中，Gorski[71]最先對(duì)填角的渦控效果進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)圍殼填角能有效降低圍殼前緣的逆壓梯度，進(jìn)而消除馬蹄渦的產(chǎn)生；Seil 等[72]探究了圍殼與主艇體交接部位結(jié)合外形對(duì)表面渦流和阻力的影響，結(jié)果表明在圍殼首部加裝填角能減弱馬蹄渦強(qiáng)度，同時(shí)也能降低阻力；Toxopeus 等[73]通過(guò)數(shù)值模擬研究了抑制圍殼根部馬蹄渦的最佳填角尺度，認(rèn)為填角在長(zhǎng)度等于圍殼翼型剖面半弦長(zhǎng)、高度為弦長(zhǎng)的15%時(shí)效果最佳；Lin 等[74]和張楠等[75]通過(guò)大渦模擬的數(shù)值計(jì)算方法，分別對(duì)圍殼加裝填角后的輻射噪聲和表面脈動(dòng)壓力進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明填角可使圍殼的輻射噪聲和表面脈動(dòng)壓力分別降低2～5 dB和～26.7 dB。

圖 4 “弗吉尼亞”級(jí)核潛艇的圍殼填角[76]Fig. 4 The sail fillet on the Virginia-class SSN[76]

從填角設(shè)計(jì)相關(guān)文獻(xiàn)和圍殼填角技術(shù)的實(shí)際工程應(yīng)用來(lái)看，填角是一種行之有效的圍殼根部馬蹄渦控制技術(shù)，但關(guān)于圍殼填角的最佳消渦尺寸還沒(méi)有較為統(tǒng)一的定論，相關(guān)的公開(kāi)研究資料也很少，需要做進(jìn)一步的研究。

2.2 “薄翼”形圍殼設(shè)計(jì)

為減小航行阻力，現(xiàn)代潛艇圍殼普遍采用流線型的翼型剖面設(shè)計(jì)，但關(guān)于圍殼翼型剖面厚度（即圍殼寬度）與水動(dòng)力噪聲的關(guān)系鮮有公開(kāi)的文獻(xiàn)。而在氣動(dòng)噪聲領(lǐng)域中，翼型結(jié)構(gòu)厚度與噪聲的關(guān)系已經(jīng)有一定的研究結(jié)論，即在一定范圍內(nèi)，機(jī)翼的相對(duì)厚度（翼型最大厚度與弦長(zhǎng)之比）越小，產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲越小。劉大偉等[77]對(duì)NACA0008，NACA0010 和NACA0012這3 種不同厚度的對(duì)稱翼型進(jìn)行了氣動(dòng)噪聲仿真與試驗(yàn)，結(jié)果表明，隨著機(jī)翼厚度的增加，氣動(dòng)噪聲也隨之增加。卓文濤等[78]通過(guò)改變NACA0012對(duì)稱翼型的相對(duì)厚度和最大厚度位置對(duì)翼型進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果表明在一定相對(duì)厚度范圍內(nèi)，機(jī)翼厚度越小，產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲越小。

潛艇圍殼和飛機(jī)機(jī)翼具有相似的外形，認(rèn)為翼型剖面厚度對(duì)其各自的流體動(dòng)力噪聲應(yīng)具有類似的影響，僅有的幾篇相關(guān)文獻(xiàn)也印證了這一點(diǎn)。Crepel[79]曾對(duì)西方國(guó)家潛艇主要采用的“薄翼”型圍殼和前蘇聯(lián)潛艇主要采用“飛機(jī)座艙”型圍殼進(jìn)行了比較，指出薄翼型圍殼設(shè)計(jì)更有利于噪聲性能。Joubert[80]在澳大利亞新型潛艇外形設(shè)計(jì)的建議上也指出，更薄的圍殼外形更有利于圍殼的噪聲性能和阻力性能。可見(jiàn)，如何將圍殼外形設(shè)計(jì)得更“薄”極有可能成為圍殼低噪聲設(shè)計(jì)的一個(gè)新方向。

在工程應(yīng)用上，美國(guó)“弗吉尼亞”級(jí)核潛艇圍殼很好地體現(xiàn)了薄翼型圍殼的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，如圖5～圖6 所示。相比其前級(jí)艇“洛杉磯”級(jí)和“海狼”級(jí)，“弗吉尼亞”級(jí)核潛艇圍殼剖面的相對(duì)厚度明顯減小[81]，且在該型潛艇圍殼側(cè)壁對(duì)應(yīng)的每根桅桿位置處，均設(shè)有若干可拆檢修板，此設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)在圍殼外部對(duì)桅桿進(jìn)行檢修，從而省去了圍殼內(nèi)部檢修空間，有利于減小圍殼厚度。

2.3 圍殼線型優(yōu)化

指揮室圍殼線型是決定圍殼表面脈動(dòng)壓力和尾部旋渦脫落的主要因素，對(duì)前面所提到的第1，2，4 類噪聲均有直接影響?，F(xiàn)代潛艇指揮室圍殼普遍采用水平剖面為對(duì)稱翼型的設(shè)計(jì)，但在沿垂向高度的變化上，則差異較大。美國(guó)“弗吉尼亞”、“海狼”級(jí)等核潛艇的圍殼采用的是直壁式圍殼線型，這類圍殼的水平剖面幾乎不沿高度變化；英國(guó)“機(jī)敏級(jí)”、德國(guó)212 型、澳大利亞“柯林斯”級(jí)等潛艇的圍殼則是斜壁式，其水平剖面線型的弦長(zhǎng)和半寬隨高度的增加而減小，通常這樣的線型設(shè)計(jì)是為了使圍殼根部與潛艇上層建筑能較為平滑地過(guò)渡連接；還有一類是以俄羅斯“北風(fēng)之神”為代表的潛艇圍殼，這類圍殼采用的是倒斜壁式，即水平剖面弦長(zhǎng)隨高度的增加而增大。

圖 5 美國(guó)3 型核潛艇圍殼頂部視圖[81]Fig. 5 Top views of sails of three U.S. SSN[81]

圖 6 “弗吉尼亞”級(jí)核潛艇圍殼上的檢修板[82]Fig. 6 Detachable service boards on the sail of Virginia-class SSN[82]

從聲學(xué)設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，圍殼線型優(yōu)化的主要目的是使圍殼受到的壁面湍流脈動(dòng)壓力最小，主要體現(xiàn)在水平剖面的線型設(shè)計(jì)和交接部位的外形設(shè)計(jì)這2 個(gè)方面。前者主要對(duì)圍殼表面邊界層的發(fā)展以及尾部渦脫落特性有影響，后者主要對(duì)根部馬蹄渦的生成和演化產(chǎn)生影響。但當(dāng)圍殼沒(méi)有與艇體形成過(guò)渡連接時(shí)，剖面線型則對(duì)馬蹄渦也有一定的影響。馬蹄渦的特性通常與圍殼等翼型體首部的形狀、尺寸大小密切相關(guān)，翼型體的前緣半徑越小、首部線型越尖銳，首部繞流流場(chǎng)中的逆壓梯度就越小，產(chǎn)生的馬蹄渦尺寸和強(qiáng)度也就越小[83]。Olcmen 等[84]對(duì)6 種不同突出翼型交接部位的流場(chǎng)進(jìn)行了油流顯示試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)前緣半徑小和相對(duì)厚度（最大厚度與弦長(zhǎng)之比）小的翼型產(chǎn)生的馬蹄渦相對(duì)較弱，且表面脈動(dòng)壓力較小。Wei 等[85]通過(guò)對(duì)不同形狀主體的馬蹄渦特性進(jìn)行研究，指出減少前緣鈍度可以有效抑制馬蹄渦。圍殼水平剖面線型直接決定了其周圍繞流場(chǎng)的壓力梯度分布，而壓力梯度與湍流邊界層中的壁面脈動(dòng)壓力密切相關(guān)；Cohen 等[86]通過(guò)大渦模擬分析了壓力梯度對(duì)湍流邊界層作用于壁面的脈動(dòng)壓力的影響，結(jié)果表明逆壓梯度越大，湍流邊界層產(chǎn)生壁面脈動(dòng)壓力相對(duì)越大，聲特性也越明顯，因此，圍殼的低噪聲剖面線型應(yīng)保證前緣半徑小、首部線型較為尖銳且逆壓梯度較小。李鑫等[87]提出的低噪聲翼型便具有小前緣半徑和小逆壓梯度的特點(diǎn)。

在圍殼與艇體的交接形式方面，主要有2 種設(shè)計(jì)形式：一種是圍殼前部填角，相關(guān)研究進(jìn)展已經(jīng)在2.1 節(jié)進(jìn)行描述；另一種是圍殼與艇體光滑過(guò)渡連接。Seil 等[72]曾提出一種與潛艇艇體光滑過(guò)度連接的“一體型”圍殼，這種圍殼的導(dǎo)邊和隨邊都為傾斜狀，相對(duì)于傳統(tǒng)直翼型圍殼，“一體型”圍殼與艇體形成光滑過(guò)度，抑制了結(jié)合部位的馬蹄渦，同時(shí)也增大了圍殼體積，比較適合容納更大的設(shè)備以滿足現(xiàn)代潛艇的特殊戰(zhàn)術(shù)需求[88]。英國(guó)“機(jī)敏”級(jí)核潛艇和德國(guó)212 型潛艇圍殼很好地體現(xiàn)了這種圍殼設(shè)計(jì)；王開(kāi)春等[89]對(duì)具有傾斜隨邊圍殼的水動(dòng)力噪聲進(jìn)行了數(shù)值研究，計(jì)算結(jié)果表明，傾斜隨邊布局的圍殼可以抑制尾流的擺動(dòng)，進(jìn)而降低尾流噪聲，良好設(shè)計(jì)的隨邊形狀可以降低總級(jí)達(dá)5 dB 的水動(dòng)力噪聲。此外，一種“座艙蓋”形圍殼曾吸引了廣泛關(guān)注，這種圍殼因外形酷似飛行員的座艙蓋而得名，美國(guó)水面武器研究中心的卡德洛克分部最先對(duì)該類型圍殼進(jìn)行了研究，該團(tuán)隊(duì)的研究報(bào)告指出，這種類型圍殼可以有效抑制圍殼馬蹄渦、梢渦和尾渦[4-6]；Lin等[74]和張楠等[75]分別對(duì)座艙蓋圍殼的水動(dòng)力噪聲性能進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明，“座艙蓋”圍殼可降低總聲級(jí)達(dá)9 dB 和 6 dB。但值得注意的是，雖然“座艙蓋”圍殼有較為可觀的低噪聲，但其研發(fā)至今已有20 余年，仍未見(jiàn)實(shí)際應(yīng)用。

2.4 開(kāi)口空腔噪聲控制

圍殼開(kāi)口部位由于在流體的激勵(lì)下容易發(fā)生腔口剪切層自持振蕩，并在一定條件下發(fā)生空腔共振，輻射強(qiáng)烈的線譜噪聲，因而圍殼往往成為水動(dòng)力噪聲的突出噪聲源。對(duì)于圍殼開(kāi)口的空腔噪聲控制，最直接的方法是對(duì)這些開(kāi)口進(jìn)行封閉，這在實(shí)際工程中已有所應(yīng)用，典型的如英國(guó)“機(jī)敏”級(jí)核潛艇和美國(guó)“弗吉尼亞”級(jí)核潛艇均在其圍殼頂部開(kāi)口應(yīng)用了啟閉裝置，當(dāng)桅桿需要升起時(shí)，可將啟閉裝置打開(kāi)，而在水下航行不需要升起桅桿時(shí)，啟閉裝置可以對(duì)開(kāi)口進(jìn)行封閉，如圖7 所示。

并非所有的圍殼部位開(kāi)口都適用啟閉裝置，出于安全性等方面的考慮，如流水孔、通氣孔等必須要保持常開(kāi)狀態(tài)，因而對(duì)于這些開(kāi)孔的流激空腔噪聲需要采用其他措施進(jìn)行控制。根據(jù)是否有外界能量的輸入，空腔噪聲控制可以分為主動(dòng)控制和被動(dòng)控制2 種。Cattafesta 等[92]曾對(duì)空腔噪聲的主動(dòng)控制進(jìn)行過(guò)詳細(xì)的綜述，大抵將主動(dòng)控制方法分為了4 類：一是在空腔前緣下方注入一定流量的流體（也稱次級(jí)流）[93-95]，通過(guò)外部射流減小腔口的對(duì)流速度梯度，減弱剪切層振蕩的發(fā)展；二是在空腔導(dǎo)邊布置振蕩板[96-97]，振蕩板以一定的頻率振動(dòng)而影響腔口的渦脫落，進(jìn)而減緩腔口的剪切層振蕩；三是在空腔后壁面上布置激振器[98]，干擾剪切層拍擊腔口隨邊產(chǎn)生壓力脈動(dòng)，破壞腔口剪切層自持振蕩的反饋環(huán)；四是在腔口導(dǎo)邊布置零質(zhì)量射流器[99-100]，這類控制方式與第1 類方式相近，但沒(méi)有外部流體輸入。雖然這些主動(dòng)控制方法往往能降低20 dB 以上的空腔線譜噪聲，但主動(dòng)控制機(jī)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)成熟度較低，會(huì)引入控制裝置的自噪聲，且這類主動(dòng)控制方法通常只在較高馬赫數(shù)下能實(shí)現(xiàn)較好的空腔噪聲抑制效果，對(duì)于水中流速通常為極低馬赫數(shù)（Ma＜0.01）的情況，還未見(jiàn)有空腔噪聲主動(dòng)控制方面的文獻(xiàn)，因此，對(duì)于圍殼開(kāi)口等水中空腔的噪聲控制，被動(dòng)控制方法仍不失為一種可靠、有效的途徑。

空腔噪聲的被動(dòng)控制方法通常包括2 類：改變空腔形狀和設(shè)置擾流體。Franke 等[47]通過(guò)對(duì)比48 組不同幾何外形空腔的流激振蕩特性發(fā)現(xiàn)，將導(dǎo)邊和隨邊設(shè)計(jì)成斜坡?tīng)钅苡行p弱空腔振蕩。Bolduc 等[101]和Omer 等[102]分別分析了空腔導(dǎo)邊和隨邊幾何形狀對(duì)空腔流激聲共振的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，改變隨邊幾何外形可以有效抑制流激空腔共振，但不能完全消除，而具有良好外形的導(dǎo)邊則可以完全抑制空腔聲共振的發(fā)生。寧方立等[103]提出了一種可變形狀的空腔結(jié)構(gòu)模型，這種空腔結(jié)構(gòu)可以通過(guò)調(diào)整后壁面傾斜角來(lái)抑制空腔振蕩和噪聲；Saddington 等[104]對(duì)比分析了13 種不同被動(dòng)控制措施對(duì)空腔噪聲的抑制效果，結(jié)果表明，擾流體相對(duì)于改變空腔形狀有更好的空腔噪聲抑制效果，而導(dǎo)邊擾流體的效果又優(yōu)于隨邊擾流體。用于空腔流動(dòng)控制的擾流體主要有方形、鋸齒形、三角形和圓柱形等不同的幾何外形，且通常都是置于腔口導(dǎo)邊。Shaaban 等[105]對(duì)安裝于導(dǎo)邊的方塊擾流體的空腔聲共振抑制效果進(jìn)行了研究，風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果表明，方塊擾流體有效降低了流激空腔噪聲，并使得聲共振發(fā)生速度向高速移動(dòng)；Saddington 等[106]對(duì)導(dǎo)邊鋸齒單元的空腔降噪效果進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)鋸齒單元具有抑制空腔噪聲和推遲空腔聲共振發(fā)生的作用。隨后，梁勇等[107]進(jìn)一步對(duì)鋸齒單元不同安裝角度的空腔噪聲抑制效果進(jìn)行了研究。McGrath 等[108]早在1996 年就介紹了一種在腔口導(dǎo)邊上方放置圓桿的控制裝置，不僅可以顯著抑制空腔聲共振，并且在較大的速度范圍內(nèi)控制效果明顯。Flaherty等[109]對(duì)圓桿擾流體和其他3 種擾流體的空腔聲共振控制效果進(jìn)行了對(duì)比研究，結(jié)果表明圓桿擾流體的抑振效果最好。Sarpotdar 等[110-111]的研究結(jié)果指出，圓桿擾流體對(duì)空腔共振線譜聲的抑制效果與圓桿和導(dǎo)邊之間的間距及圓桿直徑相關(guān)。Martinez 等[112-113]通過(guò)水洞試驗(yàn)分析了圓桿擾流體的作用機(jī)理，并將其總結(jié)為：圓桿將腔口剪切層向上抬升，且脫落的高頻卡門渦與剪切層內(nèi)的大尺度相干渦重組。以上被動(dòng)控制措施已被證明能有效抑制空腔噪聲，但仍然具有一定的局限性，例如改變空腔形狀在很多實(shí)際工程中不可能實(shí)現(xiàn)，安裝擾流體通常也會(huì)帶來(lái)一定的額外阻力。

相對(duì)于潛艇的其他結(jié)構(gòu)，圍殼結(jié)構(gòu)剛度通常較小，隨著腔體彈性增加，會(huì)降低空腔聲模態(tài)頻率，增加空腔聲模態(tài)與腔口剪切層振蕩耦合共振和強(qiáng)聲輻射的可能性[40]。因此，對(duì)于圍殼開(kāi)口處的空腔噪聲控制，還應(yīng)格外注意水彈性共振，在圍殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)加強(qiáng)開(kāi)孔周圍的局部結(jié)構(gòu)剛度，并盡量減小與開(kāi)孔相連的空腔尺寸，提高空腔固有聲模態(tài)頻率，避免空腔共振的發(fā)生。

2.5 流動(dòng)控制裝置

指揮室圍殼根部由于角區(qū)流動(dòng)形成的馬蹄渦除了會(huì)在圍殼部位引起較為強(qiáng)烈的直接聲和二次聲外，還會(huì)使圍殼尾流成為以湍流脈動(dòng)、黏性效應(yīng)和漩渦運(yùn)動(dòng)為特征的復(fù)雜流場(chǎng)區(qū)域，導(dǎo)致螺旋槳盤面伴流嚴(yán)重不均勻，引起螺旋槳噪聲增大。為減弱圍殼部位馬蹄渦的發(fā)展，降低潛艇水動(dòng)力噪聲，除上述所提到的圍殼填角外，自20 世紀(jì)60 年代以來(lái)，相關(guān)學(xué)者還開(kāi)展了一系列應(yīng)用于圍殼等航行器突體部位的流動(dòng)控制裝置研究。

圍殼馬蹄渦的流動(dòng)控制裝置可分為被動(dòng)和主動(dòng)2 種。被動(dòng)流動(dòng)控制裝置主要是在圍殼導(dǎo)邊前部額外設(shè)置擾流體，或增加狹縫、凹槽，以改變圍殼根部流場(chǎng)，從而達(dá)到消除或抑制馬蹄渦的目的。三角翼是較早應(yīng)用于潛艇上的一種消渦裝置，蘇聯(lián)的“查理”級(jí)核潛艇早在1968 年就在圍殼根部前方安裝了三角翼，可以用來(lái)減弱圍殼根部位的馬蹄渦[114]。Gupta[115]對(duì)這種三角翼的消渦機(jī)理進(jìn)行了研究，認(rèn)為其主要作用機(jī)理是可以產(chǎn)生與原馬蹄渦旋向相反的的渦流，進(jìn)而減弱馬蹄渦強(qiáng)度。Théberge 等[116]則針對(duì)三角翼尺寸大小與消渦效果的關(guān)系進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。Liu 等[117-118]提出了一種應(yīng)用于圍殼側(cè)壁的消渦裝置，該裝置是一種置于圍殼兩側(cè)馬蹄渦生成與演化發(fā)展區(qū)域的長(zhǎng)方形薄片，可以明顯降低馬蹄渦強(qiáng)度。O¨lc?men等[119]設(shè)計(jì)了一種安裝于翼型體首部的圍欄裝置，這種圍欄裝置可以將馬蹄渦結(jié)構(gòu)打碎成更小的渦結(jié)構(gòu)，進(jìn)而抑制結(jié)合部位的馬蹄渦。Wang 等[120-122]提出了斜桿、四面體等幾種被動(dòng)流動(dòng)控制裝置，可以對(duì)主、附體結(jié)合部位的馬蹄渦起到一定的抑制作用，但還未在圍殼繞流場(chǎng)中驗(yàn)證其控制效果。Kang 等[123]指出可在主、附體結(jié)合部前方設(shè)置一道狹縫，該狹縫可通過(guò)引起結(jié)合部上游來(lái)流擴(kuò)散，進(jìn)而減弱馬蹄渦，但狹縫的存在同樣會(huì)帶來(lái)流激空腔噪聲問(wèn)題。主動(dòng)流動(dòng)控制裝置一般是在圍殼首部利用噴流或流吸技術(shù)，使噴流與圍殼根部結(jié)合流產(chǎn)生有益的干涉，或通過(guò)流吸抑制來(lái)流在駐點(diǎn)處卷曲成大尺度渦，從而達(dá)到消渦的目的。Thrift 等[124]采用粒子成像測(cè)速（PIV）技術(shù)研究了噴流對(duì)馬蹄渦的影響，流場(chǎng)成像結(jié)果表明，外部噴流通過(guò)改變突體前方來(lái)流在垂向的速度分布，抑制來(lái)流在突體前方駐點(diǎn)處卷曲成大尺度渦，從而抑制馬蹄渦的生成與發(fā)展。張楠等[125]在圍殼首部?jī)蓚?cè)應(yīng)用噴流技術(shù)進(jìn)行了馬蹄渦控制，結(jié)果表明，通過(guò)主動(dòng)噴流能有效減小圍殼根部的渦量，并有效改善螺旋槳盤面的入流品質(zhì)，噴流的控制效果與噴流孔的位置和噴流流量密切相關(guān)。Liu 等[126]應(yīng)用流吸技術(shù)對(duì)翼-板結(jié)合流進(jìn)行了控制研究，并在翼體前方、馬蹄渦卷曲的起始位置設(shè)置了一排流吸孔，通過(guò)控制抽吸流量，翼-板結(jié)合流中幾乎沒(méi)有成形的馬蹄渦結(jié)構(gòu)，表面脈動(dòng)壓力也顯著降低。

2.6 加強(qiáng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

圍殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的是在總體重量的約束下，使圍殼在繞流激勵(lì)下的振動(dòng)響應(yīng)最小。通過(guò)前文的分析可知，圍殼所受到的繞流激勵(lì)主要包括：表面湍流脈動(dòng)壓力、開(kāi)口剪切層振蕩和尾部渦脫落激勵(lì)。其中，表面湍流脈動(dòng)壓力是以低頻為主的連續(xù)譜激勵(lì)，而開(kāi)口剪切層振蕩和尾部渦脫落則主要為低頻線譜激勵(lì)，因而在圍殼加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要盡可能提高圍殼的整體剛度和“關(guān)鍵”局部剛度，以提高圍殼模態(tài)頻率，降低低頻振動(dòng)響應(yīng)。這里“關(guān)鍵”局部主要為開(kāi)口/開(kāi)孔周圍以及圍殼尾部，因?yàn)檫@些部位的流體激勵(lì)主要為低頻線譜激勵(lì)，要避免發(fā)生水彈性共振。

文獻(xiàn)[1]對(duì)水下翼型結(jié)構(gòu)的噪聲測(cè)試結(jié)果表明，翼型結(jié)構(gòu)的殼壁越厚，輻射聲功率越小，但對(duì)于翼型結(jié)構(gòu)的環(huán)肋，雖然使得總輻射聲功率減小，但在個(gè)別頻段，加環(huán)肋反而使聲輻射增加，這說(shuō)明在圍殼布置加強(qiáng)結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)充分考慮其對(duì)聲輻射特性的影響。一般來(lái)說(shuō)，圍殼加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的布置屬拓?fù)鋬?yōu)化問(wèn)題，如Rais-Rohani 等[127-128]就是通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化的方法對(duì)復(fù)合材料圍殼進(jìn)行加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化布置。不過(guò)，文獻(xiàn)[129] 或許可以為圍殼加強(qiáng)結(jié)構(gòu)布置提供一種新的思路，即將現(xiàn)代圍殼內(nèi)部桅桿的升降裝置設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)模塊化升降裝置，所有與桅桿升降相關(guān)的電纜、導(dǎo)軌等設(shè)備均內(nèi)置于模塊化升降裝置內(nèi)，模塊化升降裝置可以設(shè)計(jì)成剛度非常大的結(jié)構(gòu)，并直接與艇體相連，這樣就可以使以往需要圍殼結(jié)構(gòu)支撐的升降裝置轉(zhuǎn)變?yōu)閲鷼さ募訌?qiáng)結(jié)構(gòu)，不僅能減小圍殼空間體積，還有利于增加圍殼整體結(jié)構(gòu)剛度。

2.7 水聲材料技術(shù)應(yīng)用

水聲材料技術(shù)在潛艇水動(dòng)力噪聲治理中的應(yīng)用主要可以分為3 類：去耦覆蓋層技術(shù)、復(fù)合材料技術(shù)以及水聲超材料技術(shù)。其中，水聲超材料是一類新型的、且目前非常熱門的水聲材料技術(shù)，在水動(dòng)力噪聲控制領(lǐng)域具有非常好的應(yīng)用前景。水聲超材料自2000 年Liu 等[130]提出局域共振聲子晶體的概念以來(lái)，已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，但距離潛艇水動(dòng)力噪聲治理的實(shí)際應(yīng)用還有較大差距。西北工業(yè)大學(xué)的張燕妮等[131]對(duì)水聲超材料研究進(jìn)展進(jìn)行了詳盡的歸納與總結(jié)，由于篇幅有限，本文不再贅述，將主要聚焦于去耦覆蓋層和復(fù)合材料在水動(dòng)力噪聲治理方面的研究進(jìn)展進(jìn)行回顧和總結(jié)。

去耦覆蓋層是敷設(shè)于水下結(jié)構(gòu)外表面的一層柔性阻尼材料，主要通過(guò)特性阻抗失配以及阻尼特性，隔離水下結(jié)構(gòu)表面振動(dòng)激起的彈性壓力波向水中傳遞，并抑制結(jié)構(gòu)振動(dòng)，進(jìn)而降低水下結(jié)構(gòu)輻射噪聲[132]。去耦覆蓋層技術(shù)已較為成熟，已被應(yīng)用于潛艇機(jī)械噪聲治理中[133]。根據(jù)其主要降噪機(jī)理，若在潛艇指揮室圍殼表面敷設(shè)去耦覆蓋層，理論上也可有效抑制圍殼二次輻射噪聲和圍殼開(kāi)口流激空腔噪聲。俞孟薩[134]較早就提出過(guò)這種設(shè)想，但在實(shí)際應(yīng)用中仍存在幾個(gè)問(wèn)題：其一，去耦覆蓋層對(duì)低頻噪聲的抑制效果不佳，甚至還會(huì)增大低頻噪聲，而水動(dòng)力噪聲通常在低頻段具有主要能量。Wang 等[135]以敷設(shè)去耦覆蓋層的加筋板為對(duì)象，從理論和實(shí)驗(yàn)這2 個(gè)方面對(duì)去耦覆蓋層的這一聲學(xué)特性進(jìn)行了較為詳細(xì)的描述；Huang 等[136]對(duì)去耦覆蓋層的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一系列優(yōu)化，指出特殊構(gòu)型的對(duì)稱內(nèi)腔可大幅改善去耦覆蓋層的整體降噪效果，但對(duì)低頻噪聲（＜250 Hz）甚至還有輕微的增加，可見(jiàn)去耦覆蓋層的低頻降噪問(wèn)題仍有待解決。其二，高靜水壓會(huì)顯著降低去耦合層的隔振降噪效果，這是因?yàn)橐韵鹉z、聚氨酯等高分子聚合物為主要材料的去耦合層在高靜水壓下容易變“硬”，使阻抗失配效果降低，且高靜水壓容易使去耦合層的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大形變，進(jìn)而降低吸聲效果[137]。其三，對(duì)于表面敷設(shè)柔性去耦合層的圍殼殼板而言，在低頻時(shí)殼板-去耦合層-水可以等效為質(zhì)量-彈簧-質(zhì)量，而在其共振頻率附近反而會(huì)放大殼板的振動(dòng)和噪聲[138-139]，加厚去耦合層或采用多層結(jié)構(gòu)可以有效降低該共振頻率[140-141]，但這會(huì)使去耦合層變得厚重，進(jìn)而破壞圍殼的水動(dòng)力外形。

與去耦覆蓋層敷設(shè)于水下結(jié)構(gòu)表面的應(yīng)用方式不同，復(fù)合材料通常作為水下結(jié)構(gòu)的建造材料進(jìn)行應(yīng)用。作為復(fù)合材料技術(shù)在指揮室圍殼的一個(gè)典型應(yīng)用，曾號(hào)稱“世界最安靜潛艇”的德國(guó)212 型潛艇的指揮室圍殼便采用了以?shī)A層玻璃纖維為主的復(fù)合材料建造，且其后續(xù)的212A 型和214 型潛艇繼續(xù)沿用了復(fù)合材料圍殼[142]。美國(guó)海軍也曾在其“先進(jìn)圍殼項(xiàng)目”中對(duì)復(fù)合材料圍殼進(jìn)行了深入研究[4，127-128]，但最終卻并未應(yīng)用于其最新型的“弗吉尼亞”級(jí)核潛艇，而是僅對(duì)圍殼前端填角采用了復(fù)合材料[76]，可見(jiàn)復(fù)合材料圍殼雖具備一定的優(yōu)勢(shì)，也還存在一些局限性。相比于傳統(tǒng)金屬材料圍殼，復(fù)合材料圍殼在噪聲治理方面的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：易成型具有復(fù)雜線型的圍殼結(jié)構(gòu)，且保持很好的光順性；具有較高的阻尼特性，有利于衰減結(jié)構(gòu)振動(dòng)[143]；復(fù)合材料可設(shè)計(jì)成夾芯結(jié)構(gòu)，中間芯層可采用具有吸聲、阻尼、隔聲等聲學(xué)功能的材料，降低圍殼聲目標(biāo)強(qiáng)度[144]。復(fù)合材料圍殼的局限性主要在于整體剛度較小，容易發(fā)生流固耦合振動(dòng)。由于涉及軍事等原因，有關(guān)復(fù)合材料圍殼的公開(kāi)文獻(xiàn)非常少，但國(guó)內(nèi)外對(duì)于同樣受強(qiáng)烈湍流脈動(dòng)力作用的復(fù)合材料螺旋槳已有深入的研究，眾多研究表明，復(fù)合材料使得螺旋槳的剛度較低，容易引起較為顯著的彈性變形和流固耦合振動(dòng)[145]，因而可以推斷復(fù)合材料圍殼也存在這一問(wèn)題。雖然復(fù)合材料相較于金屬材料具有很高的比剛度和比強(qiáng)度，但其彈性模量并沒(méi)有明顯的優(yōu)勢(shì)，如以往在潛艇上使用最多的玻璃纖維加強(qiáng)復(fù)合材料的彈性模量要小于鋼材，而高模碳纖維復(fù)合材料雖然具有高于鋼材的彈性模量[146]，但阻尼小，抑振效果不佳[147]。目前，解決復(fù)合材料圍殼剛度和阻尼矛盾的方法主要有3 種：一是通過(guò)玻碳混雜纖維加強(qiáng)復(fù)合材料，以使其剛度和阻尼都達(dá)到較高水平[148]；二是合理設(shè)計(jì)加強(qiáng)纖維鋪層角度，利用復(fù)合材料的各向異性，使特定方向上的剛度和阻尼達(dá)到較好的匹配[149]；三是合理設(shè)計(jì)夾層結(jié)構(gòu)和選用芯層材料，利用芯材的高阻尼和面板以及夾層結(jié)構(gòu)的高模量形成功能互補(bǔ)[150]。

3 結(jié) 語(yǔ)

從水動(dòng)力噪聲研究的發(fā)展進(jìn)程來(lái)看，其大部分理論和工具都移植自氣動(dòng)噪聲研究，相對(duì)于氣動(dòng)噪聲，水動(dòng)力噪聲研究還較為薄弱，這主要體現(xiàn)在水動(dòng)力噪聲需要考慮流體與結(jié)構(gòu)強(qiáng)耦合的作用，而這一點(diǎn)在氣動(dòng)噪聲中通常是不考慮的。圍殼作為潛艇的噪聲突出部位，其涉及到除射流噪聲、旋轉(zhuǎn)噪聲和空泡噪聲以外的大部分水動(dòng)力噪聲問(wèn)題，因而使得圍殼水動(dòng)力噪聲的機(jī)理和特性變得非常復(fù)雜，從本文對(duì)圍殼水動(dòng)力噪聲機(jī)理的分析也可以看出，很多相關(guān)的噪聲機(jī)理仍未完全揭示清楚，這也就導(dǎo)致了圍殼水動(dòng)力噪聲治理的困難。筆者認(rèn)為，要進(jìn)一步降低圍殼部位的水動(dòng)力噪聲，還需要針對(duì)以下幾方面做進(jìn)一步研究：

1） 開(kāi)口空腔的水彈性共振機(jī)理和聲輻射特性研究。文獻(xiàn)[29，40] 的研究表明，結(jié)構(gòu)彈性對(duì)空腔共振和聲輻射具有顯著影響，但其影響規(guī)律尚不明確，開(kāi)展空腔的水彈性共振機(jī)理和輻射特性研究有助于更有效地抑制圍殼的線譜噪聲。

2） “薄翼”形圍殼設(shè)計(jì)和噪聲特性研究?！氨∫怼毙螄鷼ぴO(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是在滿足圍殼具有足夠的內(nèi)部空間以容納各類桅桿和其他設(shè)備的前提下，使圍殼的相對(duì)寬度盡可能小，從水動(dòng)力的角度不難理解，圍殼寬度越小，其表面繞流產(chǎn)生的馬蹄渦和尾渦強(qiáng)度越小，但關(guān)于圍殼相對(duì)寬度對(duì)水動(dòng)力噪聲的影響還鮮有研究。

3） 圍殼加強(qiáng)結(jié)構(gòu)布置對(duì)聲輻射的影響研究。圍殼結(jié)構(gòu)剛度是圍殼二次輻射噪聲的一個(gè)重要影響因素，而加強(qiáng)結(jié)構(gòu)布置與圍殼結(jié)構(gòu)剛度密切相關(guān)，研究圍殼加強(qiáng)結(jié)構(gòu)布置對(duì)聲輻射的影響將有助于從結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的角度降低圍殼水動(dòng)力噪聲。

4） 開(kāi)口流激空腔噪聲控制裝置設(shè)計(jì)?，F(xiàn)有的主動(dòng)或被動(dòng)空腔噪聲控制裝置幾乎都有一定的局限性，或引入新的噪聲源，或增大航行阻力，或減小開(kāi)口面積等，研究一種能有效抑制空腔噪聲，且不會(huì)影響其他性能的控制裝置仍是亟待解決的一個(gè)問(wèn)題。