艦船通海管路低頻消聲技術的研究進展

戴　俊，蘇勝利（. 海軍駐43廠軍事代表室，遼寧 葫蘆島 5004；. 武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064）

艦船通海管路低頻消聲技術的研究進展

戴俊1，蘇勝利2
（1. 海軍駐431廠軍事代表室，遼寧 葫蘆島 125004；2. 武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064）

分析水管路低頻消聲技術的實船應用環境，指出通海管路在聲傳播、空間布置等方面存在的特點以及安全性、空間布置等方面的要求。在此基礎上，將通海管路低頻消聲技術分為傳統抗性消聲技術、氣囊式消聲技術、水動力彈性板式消聲技術以及主動消聲技術等 4 個方面，結合實船環境，詳細分析各項技術的優缺點，指出下一步應繼續開展的工作。

實船環境；抗性消聲；氣囊式消聲；水動力彈性板式消聲；主動消聲

0　引　言

眾所周知，艦船輻射噪聲由機械噪聲、推進系統噪聲和水動力噪聲 3 部分疊加而成［1］，而機械噪聲是低航速工況下的主要噪聲源。機械噪聲主要來自于艦船內部汽輪機、泵、發電機、推進軸系等旋轉機械在工作過程中產生的不平衡或者摩擦激勵力。機械振動產生之后，一方面通過設備的機腳傳遞至基座，進而引起船體結構振動并產生輻射噪聲；另一方面則通過與設備相連的管路系統及其支吊架傳遞至艇體結構并產生輻射噪聲。近年來，隨著機械設備自身研制水平的不斷提升，以及浮筏［2］、動力吸振［3］、氣囊隔振［4］等隔振技術的應用，通過管路系統傳遞通道引起的輻射噪聲已經成為機械噪聲控制的瓶頸。

管路系統，尤其是通海管路系統，機械振動不僅沿著管壁結構經支吊架傳遞至船結構，還會沿著管內的水介質經通海口直接向舷外輻射噪聲，傳遞路徑相對復雜，控制難度非常大。近年來，隨著減振接管［5］、管路彈性支吊架［6］的應用，通過管內水介質傳遞通道引起的聲輻射已經成為通海管路噪聲控制的重點。

前期研究表明，冷卻水泵是通海系統管內流噪聲的主要來源，在管路中加裝消聲器是降低流噪聲非常有效的方法。由于水泵產生的流噪聲能量主要集中在泵軸頻、葉頻及其諧頻所在的中低頻段［7］，因此聲學性能優良、又能適應通海系統惡劣工作環境的通海管路低頻消聲技術一直是近年來艦船振動噪聲控制的研究熱點。

通海管路低頻消聲技術雖然已經得到相關研究人員的足夠重視，但對這些研究的總結卻尚未看到。本文主要對當前通海管路低頻消聲技術進行梳理與分類，以實船環境為應用背景，詳細分析各種消聲技術存在的優缺點，指出下一步研究仍需開展的工作，為降低通海管路系統的輻射噪聲水平提供支撐。

1　通海管路低頻消聲實船應用環境分析

艦船通海系統是保證艦船正常航行的重要組成部分。由于與艦船外部海水直接接觸，通海系統在安全性、可靠性等方面的要求均比其他系統高。因此，要想在通海系統中應用低頻消聲技術，首先必須適應其惡劣的工作環境。

1.1水與空氣中聲波特性的區別

消聲器的設計理論與實際應用最早起源于空氣管道，雖然水管路中的聲傳播和空氣管路沒有本質上的區別，水消聲器的設計依然可以沿用空氣消聲器。但兩者之間仍有不少差別需要引起重視，主要包括：

1）水介質中的中、低頻聲波波長遠大于空氣中的聲波；

2）水介質中的特性聲阻抗遠大于空氣介質，兩者相差在 3 000 倍以上；

3）水介質中的體積彈性模量約為 2.2 × 109N/m2，比空氣大 104倍以上。

1.2水中聲速特性分析

聲速作為水消聲器最重要的設計輸入，取值是否合理非常重要。相關研究表明，水中聲速具有以下特點：

1）聲速與水溫、水深、鹽度密切相關，其中以水溫的影響最為顯著［8］。

3）管路實際上為彈性體，當管內流體受到壓縮時，管壁同時要發生膨脹，此時水中聲速也會發生改變，如式（1）所示。

式中：D 為管內徑；e 為管壁厚度；E 為管材的楊氏模量；C1為管道支撐情況的修正系數。

1.3安全性要求

艦船，尤其是水下艦船，通常會在很寬的水深范圍內工作，這就要求水消聲器需要在很寬的壓力范圍內都能夠正常工作。

1.4空間布置要求

艦船內部設備、管路眾多，可供水消聲器安裝的空間十分有限，這極大限制了低頻消聲器的幾何尺寸，增加了聲學性能優良的水消聲器的設計難度。

2　通海管路低頻消聲技術研究進展

在上述艦船通海管路系統實際工作環境分析的基礎上，本文將對低頻消聲技術進行分類，以實船環境為應用背景，分析國內外各類技術存在的特點。

2.1通海管路低頻消聲技術分類

與空氣介質消聲技術類似，通海管路低頻消聲技術可分為被動消聲與主動消聲兩大類，其中被動消聲技術按照消聲原理主要分為傳統抗性消聲、氣囊式消聲、水動力彈性板式消聲技術等 3 大類。

2.2傳統抗性消聲技術

采用抗性消聲結構進行水管路低頻消聲是當前最常見的做法，這主要是由于抗性消聲結構可采用與管路一樣的金屬材料進行加工，在可靠性和安全性方面具有無可比擬的優勢，而且經試驗證明，當管內介質在很寬的壓力范圍內變化時，抗性消聲結構依然可以取得令人滿意的結果［9］，這一點對于艦船設計人員來講非常關鍵。

與空氣管路類似，水管路中常見的抗性消聲結構包括膨脹腔消聲器、Helmholtz 共振器、穿孔共振器、HQ 管等［10-12］，其中 Helmholtz 與穿孔共振結構的主要用途就是低頻消聲。在空氣中，Helmholtz 與穿孔共振結構的理論研究已經較為完善［13-14］，并被廣泛用于汽車進排氣、通風空調等領域，而在水中的情況則并不如空氣中那么樂觀，主要存在以下難點：

1）由于水介質為重流體，需要特別注意Helmholtz 共振腔壁彈性的影響；

2）水中聲波波長遠大于空氣中的聲波，要想取得令人滿意的消聲效果，其結構尺寸往往要設計的很大，這對空間緊湊的艦船內部環境來講難以克服；

3）抗性結構的低頻特性往往非常窄，難以適應噪聲源激勵存在變化的場合。

針對上述難點，相關研究人員開展了大量有針對性的理論與試驗研究，主要包括如下幾個方面：

1）在共振腔體彈性方面，周城光等［15-17］利用聲電類比法研究了充水 Helmholtz 共振器的彈性壁對聲學特性的影響，指出腔壁彈性將使共振頻率往低頻方向移動，并進行了試驗驗證，但同時作者也指出當腔壁厚度達到一定程度時，腔壁彈性的影響將會消失。Gorin［9， 11］在 Helmholtz 共振器的設計過程中考慮了腔體連接部位的彈性對共振頻率的影響，試驗結果證明共振頻率與泵源葉頻吻合良好。袁建平等［18-19］在其試驗研究中發現理論預測共振頻率低于實測值，除了作者提到的原因之外，未考慮腔壁彈性影響也是重要原因之一。

2）在優化結構尺寸方面，最常見的是效仿空氣管路中 Selamet 的做法將連接管伸入共振腔［20］，這樣一來就有可能以較小的尺寸取得較低的共振頻率。最近，李東升等［21］基于腔壁彈性的影響規律，提出了壓力自適應低頻寬帶彈性共振消聲裝置（實用新型專利，申請號：201310295322.9），將共振腔的頂部用金屬薄板或者橡塑薄板代替，使得共振器能夠以較小的尺寸取得低頻寬帶的消聲性能。但是與本文后續將會討論的水動力彈性板式消聲器類似，這種結構缺乏試驗驗證，并且在可靠性方面仍然存在改進的空間。

3）在共振器調頻方面，空氣中關于可調頻 Helmholtz共振器的研究非常多，而在水管路中則非常少見。李赫等［22-24］提出了基于 Helmholtz 共振器與穿孔管消聲器的可調頻消聲結構，并進行了數值仿真計算與試驗測試，但試驗結果證明調頻效果并不理想，作者分析認為是試驗條件不滿足要求、消聲器加工精度不高等原因造成的。

2.3氣囊式水消聲技術

氣囊式水消聲器的結構和工作原理與液壓系統中的蓄能器類似，目前對該項技術的研究主要見于柳貢民等［25-28］。文獻［25］給出了一典型的氣囊式水消聲器結構，如圖1 和 圖2 所示，其主管路通徑為 DN 100，管 2 和管 3 分別開有 13 mm 和 3.6 mm 的孔，穿孔率分別為 50% 和 37%。管 3 外是橡膠套 4，橡膠套和消聲器外殼 5 之間為氣腔。氣囊式消聲器的基本消聲原理是：當水動力噪聲進入該消聲器時，噪聲通過金屬孔后到達一個充有氮氣的氣囊上，由于外層金屬穿孔孔徑很小，充有氮氣的氣囊不會因為流體內壓力降低時而被吸入到內管。流體的壓力脈動致使氣囊變形，這種輕微的變形就能衰減流體的脈動，從而起到降低管路系統振動和噪聲的目的。

從已有的陸上試驗臺架測試結果可知，氣囊式水消聲器以相對較小的結構尺寸在很寬的頻率范圍內表現出優良的聲學性能，尤其是在艦船研究人員更為看重的中、低頻段，具有一定的實船應用前景。總的來講，氣囊消聲技術在實用化方面仍然存在以下工作需要進一步研究：

圖1　典型氣囊式消聲器結構Fig. 1　Typical structural diagram of gasbag water muffler

圖2　典型氣囊式消聲器實物圖Fig. 2　Typical gasbag water muffler

1）由氣囊式消聲器的消聲原理可知，為了維持良好的消聲性能，其背腔必須充有與主管內流體相同壓力的氣體，避免橡膠套承壓過大失去彈性，為此必須配備有壓力自動調節裝置，可以隨時對氣腔進行充放氣，以此維持氣腔和主管內的壓力平衡。這樣一來，氣囊式水消聲器的復雜性將大大增加，裝置可靠性也大為下降。

2）橡膠長期在海水中浸泡，容易腐蝕與老化，老化之后的橡膠體將不具備其原有的聲彈性，從而降低氣囊式消聲器的聲學性能。

3）當前氣囊式消聲器的聲學性能研究主要依賴試驗手段，理論與數值仿真的準確度尚需進一步提高。

2.4水動力彈性板式消聲技術

水動力彈性板式消聲技術來源于空氣管路中的鼓式消聲器（drum like silencer），最早由黃立錫教授發明［29-30］，并對其進行了大量的理論與試驗研究。在此基礎上，何濤等［31-32］針對水管路提出了充液背腔板式水動力噪聲消聲器的設想，并對其進行了理論計算與分析。圖3 為一矩形截面管路帶矩形背腔的彈性板式消聲器，主管路和背腔中均充滿水介質，兩者以彈性薄板隔開。其消聲機理如下：主管路上的入射聲波激勵彈性板振動，彈性板在背腔聲介質和主管聲介質的耦合作用下受迫振動并向管內輻射聲；由于彈性板在主管內的輻射聲與入射聲波幅值相當且在空間上存在相位差，矢量疊加后使得總的向下游傳播的聲波減弱，而大部分聲波反射回上游。

文獻［30］在文獻［29］的基礎上詳細分析了充液背腔板式水消聲器的彈性板及其背腔幾何尺寸和材料參數對聲學性能的影響。理論研究結果表明，這種類型水消聲器可以在尺寸較小的情況下表現出良好的低頻寬帶消聲性能，這有助于解決艦船內部空間布置十分緊湊的限制，具有一定的應用前景。

截至目前尚未從公開的文獻中見到有關該類型水消聲器的試驗驗證。不僅如此，以上述實船環境為應用背景，根據文獻［29］和文獻［30］的分析結果，彈性板式水消聲器仍然存在以下工作需要進一步研究：

1）要想使圖2 所示模型獲得 100 Hz，甚至 50 Hz以下的低頻消聲效果，其彈性板的厚度需要在 1 mm以下，這導致彈性板的結構強度難以保證。

2）彈性板與主管道的實際連接條件與理論上的固支、簡支邊界都存在不同，特別是對于圓形管道，很難保證周向均勻。

4）背腔充氣時的聲學效果要好于充水，但當艦船在水下工作時，要想使彈性板在上述厚度下仍然能夠正常工作，那么就得與氣囊式水消聲器類似，還得增加一套復雜的自適應充氣系統，這將大大增加水消聲裝置的復雜性，并降低安全性、可靠性。

圖3　水動力彈性板消聲器原理圖Fig. 3　Sketch of hydrodynamic plate-silencer

2.5主動消聲技術

由于低頻噪聲的波長較長，因此對低頻噪聲的控制通常是困難的，且花費也高，在許多情況下甚至是不可能的［33］。如果僅考慮用被動噪聲控制技術，對于波長較長的低頻噪聲的控制須用大的消聲器和重質封裝結構，這在很多場合，尤其是艦船內部幾乎是不允許的。為此，在20世紀30年代國外就有人提出了主動噪聲控制（Active Noise Control，ANC）的設想，其基本設想是人為發出次級噪聲控制來原始噪聲，達到消除原始噪聲的目的。

近年來，隨著信號處理、智能材料等技術的進步，主動噪聲控制技術正逐步從理論研究向實用化推進。Fuller，Brevart，Kartha 及 Kiyar 等［34-37］相繼對充液管路振動噪聲主動控制開展了大量的理論研究，提出了在亥姆霍茲共振器內部添加 1～3 部壓電式作動器等多種控制措施，并在實驗室理想環境下進行了驗證。Maillard 開展了關于主動控制船舶充液管路管路壓力脈動（由泵工作引起）控制的理論與試驗研究，設計了一種安裝在管路外表面的非插入壓電式作動器來控制管內流體脈動，如圖5 所示。而在國內，管路振動噪聲有源控制技術的研究多見于空氣管道，關于充液管道則較少涉及。

圖4　Maillard 研究的主動控制裝置Fig. 4　ANC equipment by Maillard

研究表明，ANC 技術在低頻消聲方面具有被動消聲技術難以比擬的優勢，如結構尺寸較小，能夠隨時跟蹤聲源激勵頻率的變化等。然而，正如參考文獻指出的那樣，通海管路系統內部的聲波激勵及聲傳遞特性遠比實驗室環境復雜，艦船內部環境也遠比實驗室惡劣，這會大大提升 ANC 技術的復雜程度，并降低其可靠性。總的來講，ANC 技術在實用化方面仍然存在以下工作需要進一步研究：

1）通海管路內部由海水泵產生的聲功率級遠大于空氣管道，要想取得良好的消聲效果，必須進一步次級聲源的功率強度；

2）次級聲源的低頻性能仍需進一步提高，以適應當前低頻消聲的需求；

3）次級聲源的耐壓性能仍需進一步提高，以滿足水下艦船通海管路嚴苛的工作壓力要求；

4）ANC 技術控制算法的穩定性仍需進一步改進，以適應艦船通海管路系統內部聲源激勵多且復雜的特點；

5）由于充液管路流固耦合現象的存在，管內結構振動波與壓力脈動波之間存在相互轉化，控制效果往往難以令人滿意。

3　結　語

本文首先分析了艦船通海管路在噪聲源激勵、聲傳播等方面的特點，指出了低頻消聲技術在實船應用時所應具備的安全性、可靠性以及空間適應性要求。然后，從消聲原理出發，將國內外現行的水管路頻消聲技術分為傳統抗性消聲技術、氣囊式水消聲技術、水動力彈性板式消聲技術以及主動消聲技術等 4 個方面，結合實船環境，詳細分析了各項技術的優缺點，指出下一步仍應繼續開展的工作，為我國艦船通海管路系統振動噪聲控制研究提供有益的支撐。

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Research progress of low frequency noise attenuation techniques for sea-connected pipes in naval vessel

DAI Jun1， SU Sheng-li2
（1. The Navy Military Representative Office in 431 Shipyard， Huludao 125004， China；2. Wuhan Second Ship Design and Research Institute， Wuhan 430064， China）

The application environment of hydrodynamic and low frequency noise attenuation techniques in naval vessel is analyzed at first in this paper， which points out the characteristics of sound propagation and excitation， requirements of safety and size in sea water piping system. Then， hydrodynamic and low frequency noise attenuation techniques， including traditional reactive silencer， gasbag silencer， elastic plate silencer and ANC， are analyzed in detail. The advantage and disadvantage of all kinds of these techniques is presented in this paper， which indicates the work to be carried out in the future.

environment of naval vesselreactive silencer；gasbag silence；elastic plate silencer；ANC

TB535

A

1672-7619（2016）05-0007-05

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.05.002

2015-02-26

戴俊（1985-），男，工程師，主要從事艦船動力裝置振動噪聲控制研究。