管路系統(tǒng)聲學設(shè)計技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1 引 言

艦艇管路系統(tǒng)是艦艇上用于輸送各種流體介質(zhì)的管路及其附屬件、泵、監(jiān)測儀表和閥門等的總稱。它的主要任務(wù)是提供艦艇航行、戰(zhàn)斗、安全和人員生活的水、汽、油等保障。管路系統(tǒng)包括：輔機設(shè)備(泵、風機等)、調(diào)節(jié)附件(閥、節(jié)流元件)、管道(直管段、彎頭、三通等)、振動噪聲控制器件(撓性接管、消聲器、脈動壓力衰減器、彈性穿艙結(jié)構(gòu)與柔性支撐等)和聲學材料等。

在艦艇聲隱身技術(shù)中，管路系統(tǒng)振動噪聲研究具有重要意義。根據(jù)實際工程經(jīng)驗，當主動力系統(tǒng)噪聲、螺旋槳噪聲和流噪聲得到有效控制后，管路系統(tǒng)噪聲對艦艇安靜性的影響開始逐漸突出。

為了實現(xiàn)低噪聲的艦艇管路系統(tǒng)，需要建立管路系統(tǒng)振動噪聲傳遞與水下聲輻射的計算方法，研究低振動傳遞、低水下輻射噪聲的艦艇管路系統(tǒng)的空間布局和振動噪聲控制元件的布置規(guī)律，形成管路系統(tǒng)的聲學設(shè)計方法與設(shè)計規(guī)則，為艦艇管路系統(tǒng)的設(shè)計人員提供聲學專業(yè)的技術(shù)支持。

2 管路系統(tǒng)聲學設(shè)計技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

艦艇管路系統(tǒng)的聲學設(shè)計是一個綜合而復(fù)雜的問題，其涉及流體動力學、結(jié)構(gòu)動力學、聲學和彈性力學等多個學科。國外學者很早就開始這方面的研究，已經(jīng)形成了比較完整的艦艇管路系統(tǒng)聲學設(shè)計方法和振動噪聲控制技術(shù)體系。

2.1 管路系統(tǒng)聲學設(shè)計方法

目前艦艇管路系統(tǒng)聲學設(shè)計存在以下難點：首先，管路系統(tǒng)功能設(shè)計與聲學設(shè)計要求之間存在一定的沖突。帶有一定儲備的泵源參數(shù)(如流量和壓頭)的選擇通常由管路系統(tǒng)功能設(shè)計人員進行。之所以留有儲備，是考慮到管路系統(tǒng)液壓阻力計算的不精確性，以及在使用過程中由于污底和阻塞等可能引起的阻力增長等因素，一般儲備應(yīng)不小于15%～20%。但從聲學角度看，這種儲備是有害的，這將導(dǎo)致泵的振動和水動力噪聲的增加。因此，為避免過高的振動噪聲源，必須在泵源選型時考慮泵及其管路系統(tǒng)在正常工況下的液壓匹配。

其次，泵源類型繁多，其工作機理不同，振動噪聲特性也千差萬別。因此它們的振動噪聲控制設(shè)計必須具備針對性。

第三，在艦艇管路系統(tǒng)中，泵、附件和節(jié)流裝置等產(chǎn)生的振動噪聲能量沿支承和非支承件傳播。振動噪聲能量沿支承件傳播的控制可采用隔振裝置解決，但沿非支承件——工作介質(zhì)和管壁傳播的振動噪聲能量就成為管路系統(tǒng)振動噪聲控制的難點。因為沿非支承件的聲學防護元件，按可靠性的要求是不可能做到任意柔性的；再者為達到預(yù)先設(shè)計的振動噪聲控制效果，所采用的聲學防護元件在規(guī)定的頻率范圍內(nèi)須具有較大的機械阻抗和聲阻抗，同時其外形尺寸和結(jié)構(gòu)又要滿足艦艇的實際安裝條件，這幾乎是不可能的；而且,一般情況下管路系統(tǒng)的所有元件本身就是低通濾波器，即在低頻段具有零衰減；另外，在管路系統(tǒng)中沿管壁結(jié)構(gòu)和沿介質(zhì)通路傳播的振動噪聲能量會在改變流速的方向和大小的地方相互耦合、相互轉(zhuǎn)換，兩種能量傳播通路緊密關(guān)聯(lián)，構(gòu)成了一個非常復(fù)雜的力學——聲學系統(tǒng)。

針對上述難點，艦艇管路系統(tǒng)聲學設(shè)計人員主要解決兩個方面問題：一是保證介質(zhì)在泵源設(shè)備流動過程中引起的振動噪聲最小化;二是控制沿管路系統(tǒng)傳播的振動噪聲能量，使振動噪聲量級在一些特定傳播點滿足設(shè)計要求。為此許多艦艇聲隱身設(shè)計強國一般將艦艇管路系統(tǒng)聲學設(shè)計分成早期和詳細兩個設(shè)計階段進行。不同的設(shè)計階段完成不同的設(shè)計內(nèi)容，使管路系統(tǒng)設(shè)計方案由粗到細，分步完成泵源選型、管路系統(tǒng)空間布置以及聲學防護元件布置等設(shè)計關(guān)鍵細節(jié)，將功能設(shè)計與聲學設(shè)計融合，逐步接近或達到設(shè)計目標。

在管路系統(tǒng)設(shè)計的早期階段，還只了解管路系統(tǒng)的粗略概貌，可運用一些經(jīng)驗公式和振動噪聲源的數(shù)據(jù)，從聲學角度初步確定管路系統(tǒng)動力參數(shù)優(yōu)化配置、流速和管徑等管系總體參數(shù)；合理選取噪聲控制措施規(guī)模，并粗略計算管路中的聲壓和管路、管路基礎(chǔ)的振動加速度。從而在初步設(shè)計階段對管路系統(tǒng)的振動噪聲有一個大致的預(yù)期并得到較合理的管路系統(tǒng)初步設(shè)計草案。包括考慮聲學因素(在正常工況下泵的動力和聲特征與系統(tǒng)特征相匹配)，確定管路的系統(tǒng)方案，選擇設(shè)備的動力參數(shù)和工作模式、節(jié)流元件以及流量等參數(shù)；按低噪聲的限定條件預(yù)定降噪規(guī)模；按減振降噪要求選擇管系元件，并對其指標限值等。

在管路系統(tǒng)設(shè)計的后期階段，就需要在早期設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，以低噪聲管路系統(tǒng)設(shè)計規(guī)則為指南確定管路的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)(空間走向和設(shè)備布置數(shù)據(jù)等)以及管路減振固定、聲學防護器件的結(jié)構(gòu)聲學參數(shù)和它們的組成、布設(shè)信息。還必須進行管路系統(tǒng)的振動噪聲傳遞和其它校核計算，最終完成低噪聲管路系統(tǒng)的設(shè)計。

在低噪聲艦艇管路系統(tǒng)設(shè)計流程中也相應(yīng)規(guī)定了這兩個設(shè)計階段的具體工作內(nèi)容和步驟。即在初步設(shè)計階段以管路系統(tǒng)原理圖為基礎(chǔ)，確定管路系統(tǒng)敷設(shè)的關(guān)鍵點和設(shè)備安裝位置，計劃管路系統(tǒng)減振降噪措施的規(guī)模，并經(jīng)管路振動噪聲工程估算方法計算復(fù)核；在詳細設(shè)計階段，完成管路系統(tǒng)敷設(shè)路線設(shè)計，采用詳細階段振動噪聲有限元方法和一些功能計算程序，確定管路系統(tǒng)詳細空間布置以及管路元件的組成清單；最后完成管路系統(tǒng)的施工設(shè)計，并形成施工文件等步驟。詳細的艦艇管路系統(tǒng)聲學設(shè)計流程見圖1。

圖1 艦艇管路系統(tǒng)聲學設(shè)計流程圖

2.2 管路系統(tǒng)振動傳遞的計算方法

研究管路系統(tǒng)振動傳遞的方法有很多，常用的有:有限元法、特征線法、傳遞矩陣法、阻抗分析法等。它們的適用條件不盡相同也各有優(yōu)缺點,且這些方法還可以互相結(jié)合產(chǎn)生混合方法。

1) 有限元法

有限元法是近似求解一般連續(xù)體問題的數(shù)值方法。從物理方面看：它是用僅在單元結(jié)點上彼此相連的單元組合體代替待分析的連續(xù)體。通過單元的特性分析求解整個連續(xù)體的特性。從數(shù)學方面看：它是使一個連續(xù)的無限自由度問題變成離散的有限自由度問題，使問題大大簡化。一經(jīng)求解出單元未知量，就可以利用插值函數(shù)確定連續(xù)體上的場函數(shù)。顯然，隨著單元數(shù)目的增加，解的近似程度將不斷得到改進。如果單元是滿足收斂要求的，近似解將收斂于精確解[1]。空間管系計算的有限元方法就是基于梁理論，利用微分方程的精確解代替多項式的插值函數(shù)，從而一個復(fù)雜系統(tǒng)用少數(shù)幾個單元就可模擬。

許多學者運用有限元法對充液管道系統(tǒng)的振動特性進行了分析,他們或者將有限元法用于求解流體方程，或者用于求解結(jié)構(gòu)方程，或者對整個模型運用有限元法。目前有限元法已廣泛應(yīng)用于管路系統(tǒng)振動噪聲的研究，且已經(jīng)成為管路系統(tǒng)模態(tài)分析和動力響應(yīng)分析的一種常用方法。EVERSTINE[2]對管路系統(tǒng)分別采用梁模型和殼模型，借助有限元分析軟件Nastran對一平面單彎充液管路系統(tǒng)和三維充液管路系統(tǒng)進行了計算分析，證明了低頻下管路梁模型的有效性;JAMNIA等[3]利用ANSYS研究了流固耦合作用對液體波在管路系統(tǒng)中傳播及反射的影響;LAVOOIJ，TIJSSELING[4]將有限元法與特征線法結(jié)合起來分析系統(tǒng)的響應(yīng)；OLSON等[5]對直管與管內(nèi)流體的耦合振動的有限元法進行了綜述,著重闡述采用梁單元計算管道流固耦合問題的基本思路。

2) 特征線法

特征線法是一種時域差分方法,它把偏微分方程轉(zhuǎn)化為常微分方程，然后在距離—時間平面內(nèi)沿特征線進行積分。由于其理論基礎(chǔ)是有限差分法，在計算時需要劃分網(wǎng)格，因此網(wǎng)格劃分的好壞直接影響計算結(jié)果。特征線法主要用于在時域內(nèi)計算壓力波與軸向應(yīng)力波的傳播。WIGGERT等[6]考慮了空間管道系統(tǒng)中典型管單元的五族波，涉及14個狀態(tài)分量，列出14個運動微分方程，同樣是利用特征線法進行了求解。這五族波分別是：管壁和流體介質(zhì)的軸向壓縮波(兩族)；管壁橫向剪切波(一族)；梁的橫向彎曲振動波(一族)；管壁的扭轉(zhuǎn)波(一族)。

3) 傳遞矩陣法

傳遞矩陣法特別適合像管路系統(tǒng)這樣的復(fù)雜鏈式結(jié)構(gòu)。其基本思想是首先將系統(tǒng)離散成有限個單元，然后建立單元的分析模型；在模型的基礎(chǔ)上將單元兩端的狀態(tài)向量用矩陣方程的形式聯(lián)系起來；得到了每個單元的傳遞矩陣就可以得到整個系統(tǒng)的傳遞關(guān)系，這樣就可以對系統(tǒng)進行分析。BICKFORD等[7]用傳遞矩陣法分析了平面曲梁的振動，其中考慮了轉(zhuǎn)動慣量、剪切變形和軸線可伸縮性的影響；SATO等[8]用傳遞矩陣法分析了Euler-Bernoulli梁的振動；同年，IRIE等[9]利用Timshenko梁模型對輸流管道振動和穩(wěn)定性問題的傳遞矩陣法進行了推導(dǎo)；LESMEZ和WIGGERT等[10]對空間管道系統(tǒng)振動的傳遞矩陣法做了開創(chuàng)性工作，以充液管系耦合振動的14方程模型為基礎(chǔ)，在推導(dǎo)過程中采用分離變量法，同時將管路進行分段。將法蘭、支撐、彎管、閥門等管路系統(tǒng)元件以及管路系統(tǒng)空間布置關(guān)鍵點都作為節(jié)點來考慮。每一個管單元有場傳遞矩陣[T]i和兩端的狀態(tài)向量{Z}i-1，{Z}i，它們之間的關(guān)系為:

{Z}i=[T]i{Z}i-1

(1)

其中,

(2)

節(jié)點i處的狀態(tài)向量為：

(3)

每一個節(jié)點也有點傳遞矩陣。這樣，管系的總體場傳遞矩陣可以用每個管單元的場傳遞矩陣與節(jié)點的點傳遞矩陣連乘得到。整個管系的傳遞矩陣方程為:

Zn=TnPn-1Tn-1-…-T2P1T1Z

(4)

然后根據(jù)管端的邊界條件得到系統(tǒng)的頻率方程。這種方法可以考慮泊松耦合與連接耦合，對于解決空間管系振動噪聲問題不失為一種較好的方法。但是在實際應(yīng)用中還有許多問題需要解決：譬如管路的各種元件如何得到它們的傳遞矩陣，特別像泵、閥門這樣的有源元件如何用傳遞矩陣描述其傳遞特性;復(fù)雜的管路拓撲結(jié)構(gòu)如多分支管系等等。

4) 阻抗分析法

阻抗分析法與傳遞矩陣法的形式是類似的，按照管道系統(tǒng)的構(gòu)成劃分成若干單元，每個單元的端面用速度和力構(gòu)成的矢量作為其狀態(tài)向量。這樣，單元場矩陣的元素是阻抗參數(shù)。該方法也是一個適用方法。用阻抗法分析空間管路系統(tǒng)的振動與聲傳播問題，其狀態(tài)向量只要10個分量就可以了。蔡亦剛[11]在這方面作了一些基本的研究，他選擇流體的壓力P(x,t)和流量Q(x,t)作為基本狀態(tài)量，將管路系統(tǒng)看成是R、L、C、G回路，利用電傳輸線理論，推導(dǎo)出流體傳輸管道動態(tài)特性的基本方程,建立二輸入和二輸出的四端口網(wǎng)絡(luò)基本關(guān)系式，最后寫成矩陣形式：

(5)

式中,Zc(s)=[Z(s)/Y(s)]1/2，而Z(s)=R+Ls,Z(s)為串聯(lián)阻抗；Y(s)=G+Cs,Y(s)為并聯(lián)導(dǎo)納。

式(5)中若壓力乘以管內(nèi)流體截面積，流量除以管內(nèi)流體截面積，則可以轉(zhuǎn)化為標準的阻抗分析法。若給定輸入,自然可求得系統(tǒng)的輸出。

式(5)表示的阻抗分析法在形式上為頻域傳遞矩陣法，特點是引入復(fù)阻抗，包括機械阻抗和聲阻抗。它們是與充液管道部件的幾何參數(shù)、流體與結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)有關(guān)的。對于幾何形狀規(guī)則的管道元件，其機械阻抗和聲阻抗可以通過解析法推導(dǎo)出,而復(fù)雜管件只能通過實驗測得。

2.3 管路系統(tǒng)振動傳遞的計算軟件

一些軟件業(yè)發(fā)達且艦艇隱身設(shè)計技術(shù)先進的西方國家均有各自的管路系統(tǒng)動力學分析專用軟件。目前管路系統(tǒng)動力學分析的專用軟件主要由美國開發(fā)，如有限元分析軟件ALGOR中的PipePak模塊和管路應(yīng)力分析軟件CAESARⅡ。ALGOR的管道應(yīng)力分析模塊PipePak是一個管道設(shè)計和分析工具。模塊中包含了美國、英國和歐盟的管道設(shè)計標準。PipePak可以對管路系統(tǒng)進行線性靜態(tài)應(yīng)力、固有頻率(模態(tài))、響應(yīng)譜、頻率響應(yīng)、時間歷程等常規(guī)分析。CAESARⅡ也是一個管路系統(tǒng)應(yīng)力分析軟件,載荷包括重力、壓力、溫度、地震以及其它靜、動態(tài)載荷，同時該軟件中所帶的管路標準規(guī)范還包含美國海軍規(guī)范中關(guān)于艦艇管路系統(tǒng)的內(nèi)容。

而我國目前還沒有成熟可靠的和完善的計算工具來對艦艇管路系統(tǒng)的振動噪聲進行模擬計算。在管路系統(tǒng)動態(tài)特性分析軟件開發(fā)中，一方面，由于國內(nèi)計算機的應(yīng)用水平與國外發(fā)達國家的差距較大；另一方面，我國對管路系統(tǒng)元件的振動噪聲特性數(shù)據(jù)掌握不夠，尤其是艦艇管路系統(tǒng)振動噪聲源特性數(shù)據(jù)的積累較少，到目前為止國內(nèi)相關(guān)研究大多采用通用有限元軟件來進行模擬計算。

盡管國內(nèi)外對艦艇管路系統(tǒng)動態(tài)特性進行研究的模型和方法相差不大，但我國學者利用這些模型和方法，僅僅是開展了一些零散的艦艇管路系統(tǒng)聲學設(shè)計理論方面的研究工作，尚未形成一套完整的、成熟可靠的艦艇管路系統(tǒng)聲學設(shè)計方法。

隨著造船工業(yè)計算機應(yīng)用水平的不斷提高，艦艇的管路系統(tǒng)設(shè)計也采用了計算機輔助設(shè)計技術(shù)。一般的計算機輔助設(shè)計的主要應(yīng)用是進行三維設(shè)計，而美國海軍已經(jīng)在使用更為先進的計算機技術(shù)——“基于模擬的設(shè)計”(將計算機直觀顯示、計算機輔助設(shè)計和數(shù)值分析這3種技術(shù)結(jié)合到一起的計算機技術(shù))來設(shè)計艦艇管路系統(tǒng)。采用這一技術(shù)，在計算機輔助設(shè)計階段不僅可以對管路系統(tǒng)的三維布置進行設(shè)計，還可以對包括管路系統(tǒng)的振動噪聲性能在內(nèi)的流體特性、適裝性、重量、成本等設(shè)計參數(shù)加以分析評估[12]。在對管路系統(tǒng)的振動噪聲性能進行評估時，通過使用一定的判據(jù)來判斷管路系統(tǒng)能否滿足聲學設(shè)計要求。

國內(nèi)艦船研制領(lǐng)域雖然也注意了緊跟世界造船業(yè)的先進技術(shù)，在艦船研制過程中引入了三維設(shè)計技術(shù)，但目前的應(yīng)用還處于起步階段。近年來，國內(nèi)艦船研制領(lǐng)域在引進、消化以及自行開發(fā)的基礎(chǔ)上，大力開展了三維設(shè)計的研究開發(fā)工作，并將相關(guān)成果應(yīng)用于型號產(chǎn)品研制中，進行了艦船包括管系設(shè)計在內(nèi)的三維綜合布置設(shè)計研究工作[13]。但是由于我國現(xiàn)階段相關(guān)基礎(chǔ)還很薄弱，可利用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)有限，較多具體的技術(shù)細節(jié)問題還有待進一步深入研究，因此還不足以在管路系統(tǒng)三維設(shè)計中考慮聲學因素，還無法全面地、系統(tǒng)地開展艦艇管路系統(tǒng)聲學設(shè)計。

比較美國海軍已進行的艦艇管路系統(tǒng)設(shè)計的經(jīng)驗和做法可以發(fā)現(xiàn)，美國在對其艦艇管路系統(tǒng)進行設(shè)計時，艦艇管路系統(tǒng)的聲學性能僅是設(shè)計時考慮的一個方面，其管路系統(tǒng)的設(shè)計評估已趨向綜合集成。這也將是今后我國艦艇管路系統(tǒng)設(shè)計發(fā)展的方向。

2.4 管路系統(tǒng)振動噪聲控制技術(shù)

一般來說,管路振動和噪聲控制的方法可分為兩類：

1) 抑制振動和噪聲源；

2) 在振動和噪聲傳播途徑中采取隔離措施。

隔振措施又分管路振動和結(jié)構(gòu)噪聲的控制措施及管路流體噪聲控制措施。

管路系統(tǒng)的振動與噪聲源包括各類泵、風機以及壓縮機等,由于其工作原理上的特點,它們不僅直接激勵管壁結(jié)構(gòu)，還使管路內(nèi)的流體的壓力和流量產(chǎn)生脈動并以波的形式傳播,由此激發(fā)整個管系振動。因此降低管路系統(tǒng)振動噪聲源是一種從根本上控制振動噪聲水平的方法，但由于低噪聲泵和風機等機械設(shè)備的設(shè)計與制造現(xiàn)狀的限制，實際工作中大都還是依靠隔振措施，即加裝振動噪聲控制元件的方法來達到噪聲控制技術(shù)指標。

目前工程實際中，艦艇上的管路系統(tǒng)主要以功能設(shè)計為目標。根據(jù)管路輸送流體介質(zhì)的壓力、流量來確定管路的材質(zhì)、管徑，并按與其相連的機械設(shè)備的幾何形狀、位置以及安裝空間來確定管路系統(tǒng)的走向及其支承布置；同時艦艇上的管路系統(tǒng)數(shù)目眾多，在十分有限的空間中相互交錯，形成了錯綜復(fù)雜的管網(wǎng)。這些因素決定了艦艇的管路系統(tǒng)振動噪聲控制設(shè)計是多種矛盾相互妥協(xié)的結(jié)果。

為減少各類機械設(shè)備通過管壁通路傳遞的結(jié)構(gòu)噪聲,可在管路中設(shè)置隔振元件[14]。隔振元件一般指各種類型的隔振器、撓性接管、彈性吊架以及不同材質(zhì)的隔振墊等。例如,在泵出口到管系之間插入一段撓性接管或金屬管波紋管等,以達到隔振效果。另外可利用沿管壁敷設(shè)阻尼材料耗散掉沿管壁傳播的振動能量，這種措施在管路減振中也得到了普遍應(yīng)用。

管路系統(tǒng)內(nèi)部除了結(jié)構(gòu)噪聲外,還有另一種很重要的噪聲——流噪聲。流噪聲是由于管路系統(tǒng)中泵源的流量或壓力脈動,閥的突然動作產(chǎn)生的流量突變(沖擊),或其他外界干擾(如負載變化)而引發(fā)的,并由此誘發(fā)管路振動。流體噪聲的產(chǎn)生機理主要與振動源和系統(tǒng)阻抗有關(guān)。振動源一般指產(chǎn)生流量或壓力脈動的流體機械,或流體機械(如閥)的突然動作也會產(chǎn)生流量或壓力脈動(典型的如水擊現(xiàn)象)。系統(tǒng)阻抗包括流體管道本身的阻抗(與管道的材質(zhì)與幾何尺寸,以及流體介質(zhì)的物理特性有關(guān))和負載阻抗兩部分。當管路系統(tǒng)的阻抗?jié)M足諧振條件,即使振動源的干擾很小(如壓力脈動的幅值很小),也會在管路系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生諧振,引起流體壓力或流量的劇烈振蕩,造成管路系統(tǒng)嚴重的結(jié)構(gòu)振動和噪聲。在實際的管路系統(tǒng)中,壓力和流量的脈動或沖擊不可能完全沒有,所以擬采取的控制措施應(yīng)避免引起諧振，同時盡可能減小系統(tǒng)中壓力和流量的脈動(或振蕩)的幅值。

減小振動源的影響主要是減小管路系統(tǒng)中機械設(shè)備工作所產(chǎn)生的壓力、流量或沖擊。可在管路系統(tǒng)方案設(shè)計階段泵、壓縮機選型時重點考慮此項指標,在滿足基本技術(shù)要求或犧牲某些技術(shù)要求的前提下盡可能選擇所輸出的流量和壓力脈動小的泵、壓縮機。

對于因閥的突然開啟或關(guān)閉,造成流量或壓力的沖擊和振蕩(如水擊現(xiàn)象),并導(dǎo)致較大的管系振動噪聲，其通常的解決方法是合理設(shè)計閥的啟閉過程和時間或采取分步關(guān)閥的措施來抑制壓力沖擊,以使由水擊產(chǎn)生的壓力沖擊最小。

對振動源所采取的措施只能部分地減小其所產(chǎn)生的流量或壓力脈動,而不能予以完全消除，因此還可借助調(diào)整系統(tǒng)阻抗的方法，來避開振動源的流量或壓力脈動的主頻率,避免發(fā)生諧振。調(diào)整系統(tǒng)阻抗的方法很多，如改變管段長度,改變管截面尺寸,改變元件安裝位置,加裝可變阻抗的控制元件等都可以改變系統(tǒng)源阻抗。因此在設(shè)計管路系統(tǒng)時,可采用阻抗分析的方法,先對系統(tǒng)進行阻抗優(yōu)化,選取最佳的元件結(jié)構(gòu)和參數(shù),有效地減小或消除系統(tǒng)可能出現(xiàn)的壓力脈動。

然而在實際的管路系統(tǒng)中,要根本消除振動源的脈動是極其困難的,而調(diào)整系統(tǒng)的阻抗特性(如改變管長和元件結(jié)構(gòu)等)又要受系統(tǒng)合理設(shè)計的限制(如系統(tǒng)正常運行工況，控制元件安裝空間、方位等),因此,在管路系統(tǒng)中加裝消振或濾波元件來衰減或吸收流量壓力脈動，也不失為一個工程上較實用的措施，其實質(zhì)也是調(diào)整管路系統(tǒng)的阻抗特性。目前在流體工程中,特別是流體管路系統(tǒng)中使用的消振、濾波元件,主要有各種形式的濾波器、蓄能器和孔板等。

2.5 國內(nèi)管路系統(tǒng)聲學設(shè)計技術(shù)水平及差距

鑒于管路系統(tǒng)振動噪聲控制技術(shù)研究的理論意義與工程應(yīng)用價值的重要性與迫切性，國內(nèi)艦艇減振降噪領(lǐng)域的研究人員在低噪聲管路系統(tǒng)設(shè)計的理論和方法研究方面開展了許多研究工作，解決了若干工程問題，取得了一些進展，縮小了與國外先進研究水平的差距。

近年來國內(nèi)已立項開展了一些艦艇管路噪聲控制技術(shù)研究課題，建成了管路噪聲試驗平臺，開展了管路系統(tǒng)總體布置與聲學特性測試技術(shù)研究，形成了管路噪聲研究體系。通過這些理論與試驗研究，理清了管道噪聲研究要解決的關(guān)鍵問題和思路，建立了管路系統(tǒng)振動及聲傳播計算技術(shù)的框架，找到了管系動力特性計算與管系元器件的實測阻抗數(shù)據(jù)結(jié)合方法，從而為用管路系統(tǒng)振動噪聲控制技術(shù)與控制器件的全面研究奠定了基礎(chǔ)。

但由于認識不足，研究深度不夠，我國至今在艦艇管路系統(tǒng)聲學設(shè)計領(lǐng)域的技術(shù)積累有限，已成為艦艇聲隱身技術(shù)發(fā)展的瓶頸，導(dǎo)致我國至今沒有成熟可靠的艦艇管路系統(tǒng)聲學仿真計算軟件和聲學設(shè)計的能力；缺少艦艇管路系統(tǒng)聲學設(shè)計手段和判據(jù)；目前船舶行業(yè)正在推廣應(yīng)用的先進的管路系統(tǒng)三維設(shè)計技術(shù)還無法考慮聲學因素，即管路系統(tǒng)設(shè)計人員還不具備在進行管路功能設(shè)計的同時考慮聲學設(shè)計的能力；沒有可供選擇的、標準的控制元件；管路振動噪聲控制元件的聲學特性參數(shù)掌握不夠；管路元件聲學優(yōu)化布置及管路系統(tǒng)聲學試驗等方面的標準和規(guī)范尚未完善。這些都使得我國艦艇與世界艦艇先進國家相比在管路系統(tǒng)振動噪聲控制技術(shù)方面存在較大差距。

3 結(jié)論與展望

本文詳細回顧了艦艇管路系統(tǒng)振動噪聲傳遞的理論、計算方法以及控制技術(shù)。從目前國內(nèi)外對管路系統(tǒng)的研究可以看出，相對簡單的管路系統(tǒng)振動噪聲傳遞特性研究日漸成熟；由于某些控制元件的理論模型難于得到，同時缺乏可靠的成熟的試驗手段，因而對包含多種管路控制元件的復(fù)雜管路系統(tǒng)還有待進一步深入研究。

研究管路系統(tǒng)振動噪聲傳遞的計算方法有多種，各有各的優(yōu)缺點，且都有各自的適用范圍。怎樣更好地綜合地應(yīng)用這些方法也是值得去研究的。通用的有限元方法在管道振動領(lǐng)域仍是一個好方法，但是針對艦艇管路系統(tǒng)的特殊性以及工程適用性，該方法還存在一些不足。而將有限元法與阻抗分析方法相結(jié)合來研究復(fù)雜管路系統(tǒng)振動噪聲傳遞特性是一種工程可行的計算方法。目前面臨的問題是如何使這種方法能更有效地、更精確地計算預(yù)報各種復(fù)雜管系的振動與聲的傳遞問題。這將有賴于實驗技術(shù)與理論模型和計算方法的緊密結(jié)合。

艦艇管路系統(tǒng)振動噪聲控制技術(shù)在優(yōu)先對振動噪聲源控制和有效控制振動噪聲的傳播途徑的基礎(chǔ)上，還要進行綜合考慮，從整體的效能出發(fā)，做到功能設(shè)計與聲學設(shè)計互相兼容、互相平衡。

針對國內(nèi)在艦艇管路系統(tǒng)聲學設(shè)計方面存在的差距，我們應(yīng)在以下幾個方面開展更深入、更細致的研究。

1) 管路系統(tǒng)聲學特性測試技術(shù)。大力開展泵、閥與風機的振動噪聲源特性的測量理論與測量規(guī)范、管路噪聲控制器件機械阻抗與聲阻抗測試技術(shù)、管內(nèi)工作介質(zhì)流噪聲測試等技術(shù)研究；通過這一系列管路系統(tǒng)元件振動噪聲特性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的研究與積累，將極大地豐富和支撐艦艇管路系統(tǒng)聲學設(shè)計軟件的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

2) 管路系統(tǒng)聲學設(shè)計方法與設(shè)計規(guī)則。開展艦艇管路系統(tǒng)振動噪聲傳遞與水下聲輻射的計算方法和預(yù)報軟件的研究;同時進行管路系統(tǒng)噪聲控制器件的布置規(guī)律研究，形成我國艦艇低噪聲管路系統(tǒng)設(shè)計的原則與規(guī)范。

3) 低噪聲輔機設(shè)備與管路系統(tǒng)振動噪聲控制元件。主要研究內(nèi)容包括低噪聲泵、閥與風機的聲學設(shè)計技術(shù);管路系統(tǒng)振動噪聲控制元件的聲學設(shè)計技術(shù)。

4) 管路系統(tǒng)聲學設(shè)計評估技術(shù)。重點研究艦艇管路系統(tǒng)聲學設(shè)計及建造聲學質(zhì)量評估方法，建立評估參數(shù)體系。

5) 低噪聲管路系統(tǒng)施工建造工藝。主要研究如何在建造過程中實現(xiàn)管路系統(tǒng)聲學設(shè)計的目標，保證建造質(zhì)量與聲學防護效果的施工工藝。

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