艦艇管路系統振動噪聲控制探討*

劉 洋，陳 健，楊理華，劉曉俊，張 策

（1.海軍92763部隊，遼寧大連 116041；2.海軍31432部隊，沈陽 110000；3.海軍潛艇學院，山東青島 266199；4.中國海洋大學，山東青島 266011；5.國防大學聯合作戰學院，石家莊 050051）

0 引言

隨著我國海軍任務增加和戰略轉型發展，艦艇隱蔽性面臨著新的挑戰。研究表明若艦艇輻射噪聲降低10 dB，被敵方聲納探測發現距離可縮短32%；若艦艇聲吶平臺自噪聲降低5 dB，對敵探測追蹤距離可增加60%，搜索目標海區面積可擴大至原來3 倍。因此，降低艦艇輻射噪聲和聲目標強度對其生存和作戰性能至關重要，各國海軍非常重視艦艇隱身性能。美海軍在《2000—2035年海軍技術——潛艇平臺技術》報告中還將潛艇聲隱身技術列為關鍵技術之首。

艦艇低速航行時，主機、軸系、推進器等系統輻射噪聲最為嚴重，約占總輻射噪聲70%。隨著空氣彈簧、浮筏等隔振技術應用，這些設備通過機腳、基座所致“第一聲學通道”振動噪聲已得到較好控制。此時，管路系統所致“第二聲學通道”振動噪聲問題日益凸顯。艦艇操舵、液壓、燃油及海水冷卻等管路系統包含泵、管路、接頭及馬腳等部件，常存在共振嘯叫、疲勞失效等問題。管路系統中泵和壓縮機等增壓設備會使管內流體產生強壓力脈動，而脈動流體與管道互激耦合，容易誘發管路系統及其附屬管件結構產生耦合振動噪聲，一方面會造成管路及精密儀器附件損壞，影響管路及動力系統正常運行；另一方面管路系統振動噪聲會通過艇體內外流體交換而產生輻射噪聲，對艇員生存環境和艦艇隱身性能構成較大威脅。

對此，管路系統常用撓性接管、彈性支撐及纏繞阻尼膠帶等方法抑制管路振動傳遞，但這些被動措施對管路低頻振動收效甚微。隨著機械設備振動控制技術日趨成熟，已有學者將其將其遷移至管路振動控制，取得了一定的控制效果。然而，管路系統振動機理十分復雜、特征頻率多變且安裝條件更為苛刻。因此，本文深入開展艦艇管路系統振動激勵分析及其控制技術研究，為我國艦艇管路設計及振動噪聲控制問題提供理論依據和技術支撐。

1 管路振動機理

一般來講，艦艇管路振動包括振源、傳遞路徑，具體如圖1～2 所示。圖1所示管路系統中包括水箱、葉片泵、撓性接管、支撐馬腳等部件，圖2為支撐馬腳具體結構，包括金屬外圈、橡膠內圈、橡膠隔振器和金屬支架。

圖1 管路振動噪聲危害示意圖

圖2 管路支撐馬腳

管路系統噪聲危害主要有3個方面，具體如下所示。

（1）管路相連附件結構傳遞振動。由支撐基礎和泵等振源設備振動是管路主要激勵源，特別是其與管路固有頻率重合時將會產生強烈振動，甚至引起艦艇殼體共振。

（2）流體壓力脈動所致振動。壓縮機、泵等增壓設備會產生強烈的流體壓力脈動，這些脈動壓力隨著液體傳遞至水環境中，嚴重影響艦艇聲隱身能力。

（3）管內流體渦流氣柱共振所致振動。在葉片泵、管路彎角等部位，液體因突然變換方向，可能出現復雜的流固氣耦合振動。

艦艇管路系統存在多種形式振動耦合，有流固耦合、波流耦合及波波耦合等，實際研究不考慮流體壓縮性時，可忽略后兩項影響。針對典型艦艇管路系統流固耦合振動，國內外學者已開展諸多研究，并獲得諸多研究成果。Tijsseling[1]認為管路流固耦合含泊松耦合、摩擦耦合、結合部耦合及Bourdon 耦合等。泊松耦合是指液體壓力脈動所致管路徑向縮脹運動，摩擦耦合是指流體與管路間的摩擦作用，結合部耦合是指在某些連接件處流體與管路間較強的耦合作用。從作用機理來看，前兩項是其整體固有特征，后兩項屬局部特性，與管道形狀和結構等有關。Joukowsky[2]提出水錘理論，為流固耦合研究奠定理論基礎。Skalak[3]對水錘理論進行擴展建立流固耦合4方程模型。Davidson[4]修正4 方程模型提出彎管8 方程模型揭示軸向和橫向運動規律，為方程傳遞矩陣法求解提供理論基礎。Watanabe[5]還對流致振動進行試驗分析，并分析理論模型穩定性。劉江偉[6]利用傳遞矩陣法建立周期附加質量充液管路帶隙理論模型，在未考慮流固耦合因素時研究管道入口激勵振動特性。陸春月[7]考慮泊松耦合，研究脈動激勵下豎直方向管道流固耦合振動特性。趙千里[8]考慮流動模型修正因子，推導兩端固定式彈性支承管路振動方程，得到管路強迫振動穩態表達式。安晨亮[9]提出考慮摩擦項的流固耦合14 方程傳遞矩陣模型數值解法，并分析壓力對管路流固耦合動力學行為影響。柳貢民[10]對流固耦合14 方程模型進行改進，提出彈性支撐條件下14 方程模型。馬騰[11]采用傅里葉級數法建立管路耦合振動模型，可為復雜邊界支承管路耦合振動研究提供分析手段。

此外，工程應用中還常采用有限元或實驗途徑開展管路特性研究。王武[12]采用三維流固耦合有限元方法，建立較為準確的管道振動特性數值預測方法。李繼世[13]應用Timoshenko 梁理論和能量法得到管路濕模態振動方程，基于ANSYS 軟件開展含流體因素影響的管路模態特性分析。Evans[14]、Pittard[15]用試驗法探究管道系統系振動特性與流體介質流量內在機理，為管路系統耦合振動研究提供了有效的技術手段。

2 管路振動被動控制

管路振動不可避免，一般可通過降低管路設計流速、選用低噪聲閥門、合理設計支吊架、避免使用直角彎管和大角度變截面管等方式獲得一定控制效果，但仍難以滿足振動控制需求。當前，管路系統及其附件振動控制方式主要分為5類，具體如下所示。

（1）合理設計管系避免共振。調整管路支承件數量與布局，使管路系統固有頻率避開干擾頻率點。

（2）設計流體緩沖器及衰減器。在管路中安裝壓力脈動衰減器，降低管路內脈動激勵幅值，但其衰減流體脈動時也會造成靜壓損失，故使用受到限制。

（3）使用彈性管段和減振管材。在管路中采用撓性管接頭，降低振動沿管壁傳遞效果。在管路與基礎間安裝阻尼器，降低管路與基礎振動傳遞。

（4）采用管路包扎或外敷設阻尼材料。管路包扎是通過在管路外包扎吸聲、隔聲材料來降低管路振動噪聲，但須注意溫度等因素對阻尼材料性能的影響，同時考慮到施工復雜度等問題。

（5）采用動力吸振裝置。動力吸振是一種對安裝條件依賴較少的減振方法，但在其固有頻率和管路工作頻率相同時，減振效果才較為明顯。對于不同管路系統，就要研制對應的吸振器，設計較為繁瑣。因吸振器固有頻率不易調節，多用于定頻振動場合，一定程度上限制了多工況條件下的應用。

3 管路振動主動控制

被動控制方式本質為改變管路系統模態頻率比、增大結構阻尼，該方式具有減振機理明確、無能量輸入且易于實現等優點，一定程度上能緩解管路振動，但其參數不能適應環境變化、控制頻帶較窄、變頻振動控制效果不佳。研究表明主動控制能有效控制沿管路傳遞源激振動[16]，已在機械設備振動控制方面獲得較好控制效果。

英國國防局研制了有源控制管道接頭，能有效抑制管路系統振動噪聲傳遞。Johann 設計一種通過改變控制元件參數實現吸振頻率可調的三維吸振器，已應用于工程實際。Wolfel 公司設計ADD Pipe 管路主動吸振器，也用于化工廠輸液管路振動控制。CheerJ[17]采用非侵入式壓電堆控制裝置對管路振動和聲輻射進行控制，最高可獲得30 dB 振動控制效果。Kartha[18]設計一種壓電作動器Helmholtz 共振腔，也可有效降低管路流體脈動，實驗臺架設計如圖3所示。Maillard[19]也研制一種圓環狀壓電作動器，可在管壁上產生軸對稱平面波，在徑向與流體脈動反向耦合，從而實現管路流體脈動控制。此外，俄羅斯、德國、加拿大等國家均在其艦艇上開展有源控制技術研究。

圖3 管道壓電作動器主動控制實驗

與之相比，國內研究在這方面起步較晚，研究水平仍有差距，尤其在艦艇管路振動噪聲控制方面還有諸多工作。李玩幽[20]設計一種能跟蹤頻率變化的電磁吸振器，開展管路振動半主動控制研究，為管路振動控制提供了新的技術途徑。焦宗夏[21]對液壓系統節流閥開孔進行主動控制，實現液壓管路流體脈動實時控制。胡杰[22]研制一種黏彈性電磁動力吸振器，通過調節磁鐵作用力實現振動主動控制。張錯鋒[23]研究輸流管路在脈動激勵作用下參數共振的主動控制問題。潘文龍[24]建立強振動環境下液壓管道流固耦合振動減振模型，仿真表明主動減振可有效減小管道橫向振動。馬騰[25]提出一種V 型吸振裝置，并基于Fx-LMS 控制算法開展管道振動控制實驗研究。王震[26]設計一種主動動力吸振器并開展管道振動控制研究，能減弱管道低頻振動。孫運平[27]還采用慣性式作動器對障板振動進行控制，實現管道所致結構輻射聲抑制。這些裝置雖有一定控制效果，但也在輸出力、集成度等方面仍有改進空間，一定程度上限制了其工程應用。對此，王璐穎[28]針對管路中低頻線譜振動難以消除的問題，介紹了主動控制技術應用現狀并提出了改進建議。姜海龍[29]針對傳統隔振低動剛度和失穩之間矛盾等問題，系統分析了主動控制技術的優越性和未來發展趨勢。王迎春[30]分析了船舶低頻線譜噪聲傳遞路徑，闡述了主動控制技術研究進展和發展趨勢。

4 管路振動噪聲控制建議

艦艇管路系統廣泛與各種機械部件連接，并通過馬腳等附屬器件固結與艦船殼體。因此，管路系統振動誘因較為復雜，產生振動噪聲時治理難度相對較大，一般可從以下幾個方面實施控制。

（1）在管路連接機械處和管路中故障位置，合理布設振動傳感器和加速度，通過頻率分析等方法獲取異常狀態下頻率信息，若為中低頻振動噪聲可能與機械設備故障密切相關，若為高頻噪聲可能與內部流體介質特性有關。此時，應根據振動噪聲表征特點，逐步分析管路振動噪聲故障并排除。

（2）管路在安裝過程中，要注意相鄰管路系統，特別是不同介質的管路系統不要通過相同馬腳結構進行固結安裝，防止管路系統因共振產生復雜的流固耦合振動，降低管路系統振動噪聲控制效果，降低管路系統使用壽命。此外，在管路和機械設備連接過程中，要注意使用撓性接管進行連接，盡量抑制機械設備振動直接剛性傳遞至管路系統，進而誘發管路系統結構振動。

（3）管路系統中盡量選用直管進行流體傳遞，減少彎管、異型管等形式使用頻數，降低管路系統沖擊所致噪聲影響。在管路中閥門安裝位置，盡量使用管路包裹和彈性隔離式馬腳安裝固定管路系統，有效降低閥門啟閉狀態下管路噪聲的不利影響。

（4）針對部分管路系統振動噪聲明顯，而被動控制效果不佳的情況?？梢圆捎霉苈废到y主動控制技術應用，但要以傳遞至艦艇殼體結構上振動降低為控制目標。這種方法控制效果較好，但可能涉及牽連工程等問題，應用過程中需結合實際綜合考慮。

（5）隨著管路材質技術快速發展，可以采用新型聲學材料設計管路結構，抑制管路系統振動噪聲傳遞[31]。例如，美國海軍曾發明一種“超疏水”油漆式涂層材料，其吸聲性高達91%，具有極強的吸聲性能，可有效降低管路甚至艦艇振動噪聲傳遞。

（6）在管路系統振動機理方面，當前諸多管路系統和邊界條件相對簡單，流固耦合主要適用于常壓、常速管路系統，且控制方式頻帶較窄、環境適應能力欠佳。隨著現代艦艇高機動、高隱身性能發展趨勢，對管路系統在高速、高壓工況下振動噪聲特性也提出了更高的要求。為此，針對艦艇管路系統非定常流固氣多源耦合激勵，容易激起寬頻、多點管路結構共振或大幅強迫振動等問題，還需亟需深入開展研究工作。

5 結束語

艦艇管路系統振動噪聲包含頻帶寬、強度大，容易暴露艦艇位置信息并影響艇員身心健康。對此，本文系統分析了艦艇管路系統振動噪聲自身特性及流固耦合振動產生機理，詳細論述了被動振動控制及主動控制等方面研究現狀，并給出了管路系統振動噪聲控制建議和措施。此外，為有效實現艦艇管路振動控制，還需深入研究充液管路流固耦合振動噪聲誘發機理，揭示其結構設計、管路布置和介質流動等因素所致振動噪聲規律?？蔀楣苈氛駝釉肼暱刂蒲芯刻峁﹨⒖家罁?，具有重要的軍事意義和應用價值。