船舶振動噪聲控制技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展

古 龍，閔 捷

(1.湖北工業(yè)大學(xué) 綠色輕工材料湖北省重點實驗室，湖北 武漢，430068；2.湖北工業(yè)大學(xué) 材料與化學(xué)工程學(xué)院，湖北 武漢，430068)

0 引 言

近年來我國船舶業(yè)發(fā)展迅速，已成為世界第一造船大國，將更加注重提高艦船的安全性、舒適性等方面要求。高強(qiáng)度的噪聲不僅會對船員的身心健康造成危害，甚至?xí)绊憴C(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。對于某些軍工領(lǐng)域的特種船艦，噪聲的存在會降低其隱身效果，使其容易被敵方探測、定位、跟蹤，嚴(yán)重降低了艦船的生存力及戰(zhàn)斗力。針對船舶存在的噪聲問題，多國進(jìn)行了大量的探索。法國潛艇采用了短粗尾一體化設(shè)計、前置導(dǎo)流環(huán)、金屬橡膠隔振墊等一系列減振降噪技術(shù)。德國的F125 驅(qū)逐艦動力系統(tǒng)的設(shè)計更是處于世界領(lǐng)先的水平[1-2]。

1 船舶噪聲的來源及其危害

船舶是一種復(fù)雜的組合體結(jié)構(gòu)。船舶噪聲的特點是噪聲源多，功率較大，頻段廣、中低頻為主。船舶噪聲主要有機(jī)械設(shè)備工作運(yùn)轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的噪聲，螺旋槳引起的噪聲以及水動力噪聲。機(jī)械設(shè)備（包括主機(jī)、發(fā)電機(jī)組、中央空調(diào)等）工作時，某些元器件（齒輪等）會由于撞擊振動等原因產(chǎn)生噪聲。螺旋槳噪聲是由于螺旋槳的轉(zhuǎn)動，引起船尾不均勻流場中空泡的破裂產(chǎn)生的噪聲。水動力噪聲是快速水流不規(guī)則地作用于船體，引起船體振動產(chǎn)生的噪聲[3]。

船舶噪聲傳播方式主要有3 種：1）船舶的機(jī)械設(shè)備直接向空氣中輻射聲波，產(chǎn)生空氣噪聲；2）機(jī)械設(shè)備的振動能量由振動源部位擴(kuò)散到船舶的各個部位，然后向船體外輻射聲波，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)噪聲；3）船舶內(nèi)部結(jié)構(gòu)的振動及螺旋槳的振動等向水下輻射聲波，產(chǎn)生水下噪聲[4]。

機(jī)械設(shè)備直接或間接產(chǎn)生的空氣噪聲會影響船員的工作環(huán)境及生活質(zhì)量，使其工作效率降低。機(jī)械的振動能量由固體結(jié)構(gòu)傳播到船舶其他部位，會使某些設(shè)備長期承受交變載荷，易產(chǎn)生疲勞損壞。此外，一定強(qiáng)度的振動會使一些精密儀器無法工作。船舶產(chǎn)生的水下噪聲不僅會影響艦船的隱蔽性，而且會對海洋環(huán)境造成污染，影響海洋生物的生存[5]。因此，船舶降噪技術(shù)的研究具有重要意義。

2 船舶降噪技術(shù)的研究現(xiàn)狀

船舶噪聲產(chǎn)生的主要原因就是振動，振動和噪聲本質(zhì)上都是能量。減振降噪就是將振動的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量。目前的降噪技術(shù)，可以從聲源、振源、傳播途徑等方面采取措施，進(jìn)行隔離、吸收以達(dá)到減振降噪的目的。降噪技術(shù)根據(jù)減振降噪過程中是否加入外來能源，可分為有源降噪（主動控制技術(shù)）和無源降噪（被動控制技術(shù)）[6]。傳統(tǒng)的降噪技術(shù)多采用被動控制技術(shù)，被動控制技術(shù)能有效解決某一特定頻段的噪聲，但其不能適應(yīng)外界條件的改變，不能主動解決根本問題。主動控制技術(shù)具有很好的發(fā)展前景，但是技術(shù)還不夠成熟且成本較高，需要不斷地優(yōu)化。

2.1 被動控制技術(shù)

被動控制技術(shù)具有成本低、設(shè)備簡單、不需要使用外部能源等優(yōu)點。被動控制技術(shù)是通過附加裝置的阻尼或者改變結(jié)構(gòu)自身的力學(xué)性能等實現(xiàn)減振降噪。常見的被動控制技術(shù)有隔聲技術(shù)、吸聲技術(shù)、隔振技術(shù)等。隔聲技術(shù)是噪聲控制的常用技術(shù)，當(dāng)聲波在傳播過程中，遇到某種表面時，一部分聲波被反射，另一部分能夠透過表面繼續(xù)傳播，從而降低噪聲。如鋼板能反射部分聲波，并且與聲波的頻率無關(guān)。蔡文佳等[7]對船舶艙室空調(diào)通風(fēng)管路進(jìn)行隔聲包覆，通過對比實驗，得出了平均隔聲量與隔聲面密度有關(guān)，密度越大，平均隔聲量越大的結(jié)論。

吸聲技術(shù)是當(dāng)噪聲源發(fā)出的聲波遇到某些特性的吸聲材料或結(jié)構(gòu)時，部分聲波能夠被吸收掉，使得產(chǎn)生的混響聲降低。國內(nèi)外常見的有消聲瓦、吸聲陶瓷、吸聲涂層等。目前，我國吸聲技術(shù)的研究與國外的水平相當(dāng)，生產(chǎn)的多孔皮革纖維棉板材等吸聲材料已經(jīng)出口美國等多個國家[8]。

隔振技術(shù)是利用彈性支承使系統(tǒng)降低對外加激勵起響應(yīng)的能力，將振動源與基體之間的剛性連接轉(zhuǎn)化為彈性連接，可以減小振動能量的傳遞。常見的隔振技術(shù)有浮筏隔振裝置、雙層隔振裝置等，雙層隔振裝置簡圖及浮筏隔振裝置簡圖如圖1 所示。隔振技術(shù)也可以稱為阻尼減振技術(shù)，阻尼是由于材料自身內(nèi)部的原因所造成能量損耗，阻尼的基本原理是將受激振的能量轉(zhuǎn)化為其他形式的能量（如熱能）消耗[9]。常用的阻尼減振技術(shù)有系統(tǒng)阻尼以及材料阻尼等。

圖 1 雙層隔振裝置簡圖和浮筏隔振裝置簡圖Fig.1 Schematic diagram of double layer vibration isolation device and diagram of floating raft vibration isolation device

2.1.1 表面涂層技術(shù)

利用表面涂層技術(shù)降噪是被動控制技術(shù)的一種方法。表面涂層技術(shù)是通過對結(jié)構(gòu)表面涂敷某種材料，對表面性能進(jìn)行優(yōu)化，賦予結(jié)構(gòu)某種性能，涂層因其特殊的性能而被廣泛應(yīng)用。對于某些造成強(qiáng)烈振動的構(gòu)件，由于形狀尺寸等因素的影響，使得減振降噪技術(shù)受到限制。近年來，隨著工業(yè)技術(shù)以及材料科學(xué)的快速發(fā)展，新工藝新材料的出現(xiàn)，為船舶的減振降噪提供了新的思路和方法。

吳延巖等[10]制備了三原相TiZrN 和兩原相TiN/ZrN高阻尼涂層。通過有限元分析，建立模型，計算并分析損耗因子，得出在基體上涂敷涂層后阻尼能力增強(qiáng)，減振效果明顯，但沒有進(jìn)行定量分析，因此無法確定每一種減振源對整個涂層系統(tǒng)的阻尼能力或具體數(shù)值。可以通過DMA 和DMTA 的測試研究涂層系統(tǒng)的阻尼和溫度以及應(yīng)變的關(guān)系，進(jìn)一步豐富阻尼理論。

2.1.2 阻尼涂層

阻尼涂層是在基體表面涂敷阻尼材料，利用阻尼材料的特殊性能，將振動機(jī)械能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量（如熱能等），使結(jié)構(gòu)系統(tǒng)恢復(fù)至受激前的形態(tài)。常見的阻尼涂層有自由阻尼結(jié)構(gòu)、被動約束阻尼結(jié)構(gòu)以及智能約束阻尼結(jié)構(gòu)等。自由阻尼結(jié)構(gòu)的阻尼機(jī)理是由于阻尼涂層與基體的彈性模量不同，使形變滯后于應(yīng)力變化，阻尼層和基體會產(chǎn)生不一致的變形，在阻尼層和基體的交界面形成局部變形區(qū)域，不一致的變形會干擾時間域，增大應(yīng)力應(yīng)變的差角，提高結(jié)構(gòu)的阻尼性能[11]。自由阻尼結(jié)構(gòu)的單層涂層具有操作簡便，成本較低等優(yōu)點，但其減振效果不理想，在使用時一般需涂敷較多的阻尼材料。

被動約束阻尼結(jié)構(gòu)是由阻尼層和約束層2 部分組成。阻尼層的材料為粘彈性材料。當(dāng)外力作用于粘彈性材料時，其彈性性能表現(xiàn)為分子鏈被拉伸（儲存能量過程）；粘性性能表現(xiàn)為鏈端滑動不能恢復(fù)原狀（消耗能量過程）。阻尼層的材料應(yīng)滿足以下特性：具有較高的損耗因子峰值，同時具有較寬的損耗因子峰值。這樣才能保證阻尼涂層在較大的溫度范圍內(nèi)有較高的阻尼性能[12]。約束層的材料為彈性模量較大的材料。當(dāng)基體受到外力時，阻尼層會發(fā)生拉伸或壓縮變形，而彈性模量較大的約束層會阻止其發(fā)生形變。因此在阻尼層內(nèi)部會產(chǎn)生交變剪切應(yīng)力和應(yīng)變，消耗大量的振動機(jī)械能，自由阻尼結(jié)構(gòu)與約束阻尼結(jié)構(gòu)如圖2 所示[13]。

圖 2 阻尼涂層結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Structure diagram of damping coating

智能約束阻尼層結(jié)構(gòu)是一種新型的阻尼涂層技術(shù)，是在被動約束阻尼層結(jié)構(gòu)的研究基礎(chǔ)上，加入反饋調(diào)節(jié)機(jī)制，可以隨著振動環(huán)境的變化而調(diào)節(jié)控制。常見的智能約束阻尼層結(jié)構(gòu)有可控約束阻尼層以及主動約束阻尼層等。可控約束阻尼層是在被動約束阻尼層的約束層上局部區(qū)域加入若干壓電片作為驅(qū)動器。主動約束阻尼層是使用可控壓電材料作為約束層，以實現(xiàn)反饋調(diào)節(jié)[14]。由于其成本較高，通常在精密儀器設(shè)備中使用。智能約束阻尼層是目前國內(nèi)外研究的熱點，也是未來阻尼涂層的研究方向之一。

2.1.3 不同制備工藝對阻尼涂層降噪性能的影響

阻尼涂層的制備方法有噴涂、電沉積、物理氣相沉積等。等離子噴涂技術(shù)具有噴射離子速度高，沉積效率快等優(yōu)點。電子束物理氣相沉積制備的涂層與等離子噴涂技術(shù)制備的涂層相比，其具有熱循環(huán)壽命高，致密度高，結(jié)合能力強(qiáng)，抗氧化、抗腐蝕性能好等優(yōu)點。同時也具有制備成本高，沉積效率低，材料尺寸受限等缺點。等離子物理氣相沉積結(jié)合了等離子噴涂與物理氣相沉積2 種技術(shù)的特點，具有較高的穩(wěn)定性及沉積效率等優(yōu)點，但需要大功率、高沉積效率以及壽命更長的噴槍來降低成本[15]。Tassini N 等[16]用大氣等離子噴涂（APS）和電子束物理氣相沉積（EBPVD）制備了YSZ 陶瓷涂層，并分析對比了YSZ 涂層的阻尼機(jī)理和降噪性能，結(jié)果顯示用大氣等離子噴涂技術(shù)制備的YSZ 涂層具有更高的阻尼。

由于阻尼涂層的工作環(huán)境比較苛刻，提高阻尼涂層的性能和壽命就顯得比較重要。優(yōu)化制備方法，使制備方法更加完善；研制使涂層性能得到提高的新材料以及可以替代價格昂貴材料的新材料，使涂層的應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛等，這些都是未來阻尼涂層進(jìn)一步發(fā)展的研究方向。

2.2 主動控制技術(shù)

被動控制技術(shù)對中高頻聲波有較好的降噪效果，但是對于低頻聲波的降噪，由于被動控制技術(shù)所用材料的聲衰減性能大幅下降，其降噪效果差，效率低，會造成大量的材料浪費。有學(xué)者提出用“反噪聲”消除噪聲，德國科學(xué)家Paul.Lueg 基于聲波疊加原理，提出了添加與原聲波頻率、幅值相同，但相位相差180°的人為聲波，利用干涉來抵消噪聲，其原理如圖3所示[17]。添加外來能源來控制噪聲的方法叫做主動控制技術(shù)。主動控制技術(shù)可以根據(jù)設(shè)定的控制規(guī)律動態(tài)的調(diào)整系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，達(dá)到消除噪聲的目的。主動吸振技術(shù)是在振動源中加入動力吸振器，利用電子技術(shù)主動跟蹤振動源，并產(chǎn)生與振動源相反的振動，以此降低振動源的振動。常用的有可調(diào)頻式和非可調(diào)頻式主動動力吸振器。主動隔振技術(shù)是在受控對象與振源之間加入次級振源，使其產(chǎn)生的振動抵消振源的振動，降低受控對象對振源激勵的響應(yīng)。該技術(shù)已應(yīng)用在英國“特拉法爾加”級核潛艇以及美國“洛杉磯”級核潛艇，該技術(shù)的降噪效果非常明顯[18]。主動控制技術(shù)的出現(xiàn)，解決了許多被動控制技術(shù)難以解決的問題，尤其是低頻噪聲，有著非常顯著的效果。但是單一的使用主動控制技術(shù)降噪，會存在功耗大、效率低等缺點。

2.3 混合振動控制技術(shù)

傳統(tǒng)的被動控制技術(shù)用于中高頻振動，主動控制技術(shù)用于低頻振動，顯示出優(yōu)異的減振降噪效果，但是主、被動控制技術(shù)也都有各自的局限性。因此，將主、被動控制技術(shù)結(jié)合使用成為各國的研究熱點。通過大量的研究，荷蘭TNO TPD 研制了一種新的控制技術(shù)，混合振動控制技術(shù)。混合振動控制技術(shù)是將主動控制技術(shù)（作動器）和被動控制技術(shù)（被動隔振器）同時應(yīng)用于被控構(gòu)件，被動隔振器用于分離中高頻振動，同時作動器進(jìn)行主動控制，衰減低頻線譜振動[19]，對低頻振動和高頻振動都有很強(qiáng)的隔離能力。

圖 3 Leug 原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of Leug principle

主動振動控制技術(shù)及被動振動控制技術(shù)按其相對作用大小可以分為主從方式和并列方式，研究最多的是以被動振動控制為主的主從方式。常見的有主動振動控制與阻尼耗能相結(jié)合以及主動振動控制與基礎(chǔ)隔振相結(jié)合等。李彥等[20]提出了一種集合磁懸浮作動器與氣囊被動隔振器的磁懸浮-氣囊主被動混合隔振裝置。在磁懸浮-氣囊主被動混合隔振理論基礎(chǔ)上，研制出了具有體積小、功耗低等優(yōu)點的磁懸浮作動器，有效解決了混合隔振裝置存在的穩(wěn)定性、沖擊性等難題。混合振動控制技術(shù)具有效率高、頻段廣等優(yōu)點，但是存在系統(tǒng)承載能力、作動器性能、穩(wěn)定性等問題。混合振動控制技術(shù)還需要不斷優(yōu)化。

3 展 望

船舶減振降噪技術(shù)的核心是材料。目前艦船上大量使用的材料仍是傳統(tǒng)材料，而傳統(tǒng)材料的阻尼小，減振降噪效果差。因此，開發(fā)具有減振降噪性能的新材料就顯得至關(guān)重要。負(fù)泊松比材料以及聲子晶體材料等都是具有應(yīng)用前景的降噪材料。負(fù)泊松比材料是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的材料。當(dāng)負(fù)泊松比材料受到某一方向拉伸時，與載荷方向垂直的方向會膨脹；同理，受到壓縮時則會收縮，其表現(xiàn)正好與大多數(shù)的傳統(tǒng)材料相反，如圖4 所示[21]。負(fù)泊松比多胞結(jié)構(gòu)材料具有優(yōu)異的能量吸收特性。楊德慶等[22]設(shè)計了一種內(nèi)六角蜂窩型負(fù)泊松比材料隔振基座，研究并分析了其隔振性能，以及蜂窩胞元的寬度、高度與隔振器固有頻率、最大應(yīng)力、底部振級及振級落差的關(guān)系。負(fù)泊松比材料因其特殊的性質(zhì)而具有巨大的應(yīng)用潛能。

圖 4 拉壓載荷下的材料行為Fig.4 Material behavior under tension and compression loading

圖 5 典型二維聲子晶體能帶結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Band structure of typical two-dimension phononic crystal

聲子晶體材料是一種具有聲波（振動）禁帶特性的周期性復(fù)合材料。當(dāng)聲子晶體材料具有點缺陷時，彈性波與聲波會局限在點缺陷處；具有線缺陷時，彈性波與聲波會沿著線缺陷傳播，圖5 為典型二維聲子晶體能帶結(jié)構(gòu)圖，陰影部分為聲子晶體的禁帶[23]。聲子晶體材料具有頻率可控制、針對性強(qiáng)、尺寸小、隔振效果好等優(yōu)點，尤其是在常規(guī)阻尼材料無法產(chǎn)生效果時，聲子晶體材料具有巨大的應(yīng)用潛能。在實際中，大多數(shù)結(jié)構(gòu)都具有周期性，是由一些相同單元或相同的連接方式構(gòu)成。因此，當(dāng)振動或噪聲頻率在一定范圍內(nèi)時，可以通過設(shè)計聲子晶體材料的結(jié)構(gòu)及缺陷，使聲波處于聲子帶隙內(nèi)，聲波就可以被抑制于點缺陷或沿著線缺陷傳播。姜恒等[24]在局域共振聲子晶體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上研制了聲子玻璃，聲子玻璃是一種水下寬頻強(qiáng)吸收材料。但是聲子晶體材料存在制造難度大、可控性差的問題，因此很難根據(jù)噪聲與振動控制的需要設(shè)計出聲子晶體。聲子晶體還需要不斷完善其共振機(jī)理，解決聲波在低頻段的控制。

4 結(jié) 語

船舶減振降噪技術(shù)是一項復(fù)雜的綜合性工程。隨著船舶技術(shù)的不斷發(fā)展，聲隱身材料、動力系統(tǒng)、電子信息等新技術(shù)的應(yīng)用，船舶的降噪技術(shù)會更加多樣化。船舶降噪的材料也可能是集裝飾、防腐蝕、阻燃、防輻射等多功能的復(fù)合型材料。同時，單一的降噪技術(shù)已不能很好解決噪聲問題，因此，多學(xué)科交叉的綜合性降噪技術(shù)會越來越受到重視。此外，噪聲的利用也是一種具有應(yīng)用前景的方法，不僅能達(dá)到降低噪聲的目的，而且節(jié)能環(huán)保。這些都可能成為該領(lǐng)域的研究熱點[25]。