俞孟薩，林 立

（1.中國船舶科學(xué)研究中心 船舶振動噪聲重點實驗室，江蘇 無錫 214082；2.中國艦船研究院，北京 100076）

船舶水下噪聲研究三十年的基本進展及若干前沿基礎(chǔ)問題

俞孟薩1，林 立2

（1.中國船舶科學(xué)研究中心 船舶振動噪聲重點實驗室，江蘇 無錫 214082；2.中國艦船研究院，北京 100076）

三十年來，船舶水下噪聲研究取得了顯著的進展，同時也面臨新的需求和挑戰(zhàn)。文章從船體結(jié)構(gòu)振動和聲輻射、低噪聲設(shè)備、管路系統(tǒng)振動和噪聲、隔振及聲振隔離方法、聲學(xué)材料和元器件、推進器及推進軸系聲學(xué)特性、水動力噪聲、聲吶自噪聲、聲目標(biāo)強度、聲學(xué)測量方法等十個方面，簡要回顧和梳理了船舶水下噪聲研究取得的主要進展及進一步的發(fā)展方向，并提出了若干前沿的基礎(chǔ)性問題。

水中目標(biāo)；目標(biāo)回波；脈沖包絡(luò)起伏

0 引 言

三十年來，國內(nèi)船舶水下噪聲研究針對機械噪聲、推進器噪聲和水動力噪聲，從振動和噪聲產(chǎn)生機理、計算方法、控制技術(shù)及測量方法等多個層面，開展了大量的研究，基本沒有借鑒，更沒有可以照樣畫的“葫蘆”，從無到有，從簡到難，三十年的發(fā)展及整整一代人的努力，我們?nèi)〉昧四男┻M步？隨著噪聲控制要求的提高，船舶水下噪聲控制需要強調(diào)噪聲源與傳遞途徑控制并重、機械噪聲與推進器噪聲和水動力噪聲控制并重、主要噪聲源控制與次要噪聲源及瞬態(tài)噪聲源控制并重、低航速噪聲控制與中高航速噪聲控制并重、輻射噪聲與聲吶自噪聲控制并重，面對這些新的挑戰(zhàn)，我們又應(yīng)該如何應(yīng)對?跟蹤超材料及金屬水、聲學(xué)黑洞等新概念、新技術(shù)的發(fā)展，我們是否需要更多更深層的思考？

本文從船體結(jié)構(gòu)振動和聲輻射、低噪聲設(shè)備、管路系統(tǒng)振動和噪聲、隔振及聲振隔離方法、聲學(xué)材料和元器件、推進器及推進系統(tǒng)聲學(xué)特性、水動力噪聲、聲吶自噪聲、聲目標(biāo)強度、聲學(xué)測量方法等十個方面，簡要回顧和梳理了船舶水下噪聲研究取得的主要進展及進一步的發(fā)展方向，并提出了若干前沿的基礎(chǔ)性問題。

1 船舶水下噪聲研究基本進展

1.1 船體結(jié)構(gòu)振動和聲輻射研究

三十年前，開始研究結(jié)構(gòu)耦合振動及聲輻射，建立彈性平板耦合振動及聲輻射模型，采用有限元法、傳遞函數(shù)法、差分法等方法計算回轉(zhuǎn)體模型受點力激勵的耦合振動和聲輻射，并由小尺度模型試驗比較聲輻射方向性吻合程度；從安全性角度研究船體總振動及頻率錯開，尚未意識到船體結(jié)構(gòu)聲學(xué)設(shè)計。

目前，揭示了船體等效梁、加肋平板和圓柱殼聲輻射特征及規(guī)律，發(fā)展了三維聲彈性理論，提出了解析/數(shù)值混合法、考慮流體負(fù)載的典型結(jié)構(gòu)聲輻射效率修正公式，采用有限元+邊界元法、解析+數(shù)值法及統(tǒng)計能量法，建立了船體結(jié)構(gòu)分頻段輻射聲功率計算模型，采用實尺度及大尺度艙段試驗驗證輻射聲功率計算精度。進一步應(yīng)發(fā)展船體定量聲學(xué)設(shè)計計算數(shù)字化建模方法，針對船體低階縱向和彎曲振動模態(tài)的聲輻射特性，優(yōu)化船體結(jié)構(gòu)設(shè)計，避免出現(xiàn)船體共振及強輻射模態(tài)。

1.2 低噪聲設(shè)備聲學(xué)性能研究

三十年前，尚未明確提出低噪聲設(shè)備研發(fā)思想，設(shè)備設(shè)計著眼于功能實現(xiàn)，振動和噪聲量級普遍偏高；開始在風(fēng)機和齒輪箱殼體上敷貼阻尼材料降低振動；設(shè)備振動采用振動烈度表征，尚未開展機械設(shè)備振動和聲源表征參數(shù)及測量方法研究。設(shè)備振動和噪聲產(chǎn)生機理處于旋轉(zhuǎn)頻率等特征頻率分析層次。

目前，低噪聲設(shè)備已轉(zhuǎn)向兼顧功能實現(xiàn)與聲學(xué)性能的優(yōu)化設(shè)計，突破了低噪聲葉輪或葉片、內(nèi)流道、殼體結(jié)構(gòu)等聲學(xué)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)，輔機設(shè)備振動量級明顯降低，并建立了自由速度、動態(tài)激勵力、聲源強度及內(nèi)阻等設(shè)備振動和聲源特性測量方法。進一步應(yīng)以聲學(xué)設(shè)計為主導(dǎo)，引入新原理與新技術(shù)及先進的精密加工和安裝工藝，從機腳振動、流體動力噪聲及空氣噪聲三方面降低激勵強度，發(fā)展以高功率密度、小型輕量化及高可靠性為標(biāo)志的安靜型設(shè)備。

1.3 管路系統(tǒng)振動和噪聲研究

三十年前，尚未認(rèn)識到管路系統(tǒng)對艦船噪聲的影響，只有建筑行業(yè)提出通風(fēng)管路系統(tǒng)噪聲控制方法可供借鑒。管路系統(tǒng)設(shè)計完全取決于滿足功能需求，以滿負(fù)荷工況參數(shù)選取設(shè)備，系統(tǒng)功率配置冗余過大，導(dǎo)致振動和噪聲過高。管路系統(tǒng)設(shè)計從位移補償角度配置具有一定隔振作用的管接頭，沒有認(rèn)識到管路需要彈性支撐。

目前，考慮到管路系統(tǒng)的基本要素，建立了適用于低噪聲與水力性能配置的管路系統(tǒng)振動與噪聲傳遞計算方法及軟件；管路系統(tǒng)設(shè)計已轉(zhuǎn)向兼顧功能實現(xiàn)與聲學(xué)性能的優(yōu)化設(shè)計。進一步應(yīng)優(yōu)化組合管路系統(tǒng)，校核計算水力性能及振動與噪聲，降低功率需求，減小冗余，并合理設(shè)計管路及配置附件和節(jié)流裝置，實現(xiàn)低振動和低噪聲的最佳工作點。

1.4 隔振及聲振隔離方法研究

三十年前，部分設(shè)備單層隔振安裝，采用動態(tài)力傳遞率衡量隔振效果；剛剛起步研究雙層隔振，采用剛體模型及隔振器剛度計算隔振效果，尚未提出浮筏隔振及主動隔振概念，也沒有艇內(nèi)結(jié)構(gòu)隔振和舷間振動與噪聲隔離的概念。

目前，已建立了浮筏系統(tǒng)振動傳遞計算方法及軟件，浮筏隔振技術(shù)得到普遍應(yīng)用，筏架結(jié)構(gòu)也逐漸從小型板架發(fā)展到大型空間筏架；采用電磁作動器等方式，突破了主動隔振及主被動混合隔振的關(guān)鍵技術(shù)；基于波型轉(zhuǎn)換和聲阻抗失配等概念，提出了隔振基座、減振鋪板及舷間聲振隔離方法。進一步應(yīng)由分散隔振向空間集成隔振發(fā)展、由被動隔振向主被動聯(lián)合隔振發(fā)展，提高設(shè)備及管路系統(tǒng)的集成隔振效果；并充分利用基座、鋪板及舷間結(jié)構(gòu)，由單層面的隔振向多層面的聲振隔離發(fā)展，增加機械系統(tǒng)傳遞途徑的降噪量。

1.5 聲學(xué)材料和元器件研究

三十年前，已有少量型號和規(guī)格的隔振器，低頻性能差，隔振器性能以固有頻率為表征參數(shù)，通過測量靜剛度換算動剛度。阻尼材料品種單一，參照工業(yè)噪聲控制方法，在局部基座結(jié)構(gòu)上敷設(shè)阻尼材料。消聲瓦尚未開展研究，未意識到管路水動力噪聲消聲器；水聲管測量剛剛起步，采用脈沖法測量反聲系數(shù)，尚未認(rèn)識到溫度等環(huán)境參數(shù)對測量精度及穩(wěn)定性的影響。

目前，建立了聲學(xué)覆蓋層定量聲學(xué)設(shè)計方法，聲學(xué)覆蓋層已應(yīng)用于實艇；研制了不同類型和載荷的隔振器、撓性接管及水動力噪聲消聲器等元器件，突破主動控制動力吸振器關(guān)鍵技術(shù)，進一步探索高靜低動非線性低頻隔振器；建立了加載或加壓狀態(tài)下隔振器機械阻抗、撓性接管機械阻抗和聲阻抗及消聲器聲阻抗測量方法、聲學(xué)覆蓋層吸隔聲系數(shù)及聲阻抗測量方法。聲學(xué)覆蓋層應(yīng)進一步擴展低頻性能，元器件應(yīng)由基本型向高性能型提升，降低適用頻率范圍、增加適用載荷，并發(fā)展新型器件，提高耐高溫、耐輻射等環(huán)境適應(yīng)性，擴展隔振器中高頻機械阻抗、撓性接管聲振耦合阻抗測量方法。

1.6 推進器及推進系統(tǒng)聲學(xué)特性研究

三十年前，螺旋槳以抑制空化為主要設(shè)計目標(biāo)，采用圓柱體卡門渦街概念解釋螺旋槳“唱音”機理，在水洞外掛水箱中測量螺旋槳模型輻射噪聲；螺旋槳導(dǎo)管敷設(shè)阻尼材料抑制輻射噪聲；未提出船體與軸系耦合振動及聲輻射概念，采用無限大平板振動和聲輻射概念，解釋艉部低頻線譜噪聲產(chǎn)生的原因，遭遇“吻合頻率”以下無聲輻射的悖論。

目前，揭示了螺旋槳低頻線譜和寬帶連續(xù)譜噪聲、中高頻寬帶噪聲及槳—軸—艇耦合振動及聲輻射機理，空化和唱音問題已基本不復(fù)存在，推進器設(shè)計從早期提高推進效率及抑制空化，發(fā)展到推進效率與低噪聲兼顧、大側(cè)斜螺旋槳與船體線型一體化的聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計。在循環(huán)水槽中聲陣測量推進器模型中高頻噪聲。進一步應(yīng)發(fā)展槳—軸—艇耦合振動及聲輻射控制的綜合優(yōu)化設(shè)計，深入發(fā)展其它新型推進器的噪聲預(yù)想與控制技術(shù)，擴展聲陣中低頻測量范圍。

1.7 水動力噪聲研究

三十年前，水動力噪聲的理解停留在偶極子或四極子概念層面，線型與水動力噪聲的關(guān)系也只有基本的定性認(rèn)識，尚未認(rèn)識到要從聲學(xué)角度優(yōu)化船體線型；剛剛起步研究湍流邊界層脈動壓力基本特性及流水孔線型優(yōu)化。聲學(xué)與流體專業(yè)常常從概念上爭論湍流邊界層脈動壓力是聲還是偽聲，試驗測量往往也分不太清兩者的基本特征。

目前，已掌握邊界層轉(zhuǎn)捩、湍流邊界層脈動壓力模型及剪切層振蕩與空腔耦合共振和水動力噪聲產(chǎn)生機理，基本建立了一套從船體線型、水動力參數(shù)到水動力噪聲的計算方法及軟件，可以對船體線型及水動力布局進行聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計，初步建立了湍流邊界層脈動壓力頻率-波數(shù)譜測量方法。進一步需研究輕殼體及空腔開口和突出體流激噪聲控制方法，重點突破大尺度模型水動力噪聲測量技術(shù)。

1.8 聲吶自噪聲研究

三十年前，聲吶罩一般采用不銹鋼透聲窗，其聲學(xué)設(shè)計單一強調(diào)透聲性，罩內(nèi)局部布置吸聲尖劈；剛剛起步研究聲吶罩線型及結(jié)構(gòu)與噪聲的關(guān)系，概念較模糊；采用小尺度模型試驗比較不銹鋼與玻璃鋼聲吶罩的噪聲差別；采用球殼模型計算分析湍流邊界層脈動壓力激勵的聲吶自噪聲。

目前，發(fā)展了以透聲為主的玻璃鋼、鈦合金聲吶罩透聲窗，在聲吶罩非透聲界面及周邊船體結(jié)構(gòu)上分別敷設(shè)吸聲尖劈和阻尼材料，有效控制了低航速狀態(tài)的中高頻聲吶自噪聲；建立了一套艏部及舷間聲吶自噪聲的水動力噪聲分量計算及低噪聲聲吶罩線型設(shè)計方法，并提出透聲窗空間濾波的降噪概念。進一步應(yīng)研究低噪聲與透聲性及強度兼容的復(fù)合結(jié)構(gòu)透聲窗、低頻耐壓隔聲和吸聲材料。

1.9 聲目標(biāo)強度研究

三十年前，起步研究剛性圓柱體和球體高頻聲反射亮點模型、平板聲散射計算方法及特征，尚未考慮雙層殼體結(jié)構(gòu)共振聲散射，也沒有敷設(shè)消聲瓦降低聲目標(biāo)強度的概念。

目前，建立了復(fù)雜殼體結(jié)構(gòu)聲散射模型，揭示了共振聲散射機理，形成了中高頻聲目標(biāo)強度預(yù)報方法及軟件，采用船體線型修整和敷設(shè)消聲瓦，有效控制了中高頻聲目標(biāo)強度。進一步應(yīng)建立考慮內(nèi)外殼體及舷間結(jié)構(gòu)的低中頻聲目標(biāo)強度計算模型，突破低中頻聲目標(biāo)強度試驗驗證的關(guān)鍵技術(shù)，優(yōu)化材料與結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)，抑制共振聲散射，有效降低低中頻段聲目標(biāo)強度。

1.10 聲學(xué)測量方法研究

三十年前，采用單水聽器測量準(zhǔn)遠場輻射噪聲及通過特性，振動測量以船體總振動及設(shè)備振動烈度為主，尚未提出噪聲源分離及識別等概念。

目前，基于單水聽器和矢量傳感器，建立了航行輻射噪聲準(zhǔn)遠場測試方法，實現(xiàn)了輻射噪聲與振動"同時基"測量，初步建立了中高頻機械噪聲源定位與識別技術(shù)，測量儀表及規(guī)模、布放與機動方式全面提升。進一步應(yīng)由船載布放式單點測量，向船載布放式聲陣測量、進一步向固定式聲陣測量方向發(fā)展。

2 若干前沿基礎(chǔ)問題

為了持續(xù)推進船舶水下噪聲研究，進一步擴展水下噪聲控制的技術(shù)基礎(chǔ)，針對船舶水下噪聲計算、控制及測量的發(fā)展需要，提出若干前沿基礎(chǔ)性問題。

（1）結(jié)構(gòu)聲輻射與聲散射：復(fù)雜結(jié)構(gòu)時空隨機激勵聲輻射模型、組合結(jié)構(gòu)低中頻聲振耦合及傳遞模型、船體結(jié)構(gòu)聲學(xué)優(yōu)化及低頻和次聲噪聲控制、周期結(jié)構(gòu)帶隙效應(yīng)及弱輻射、模糊結(jié)構(gòu)及超材料聲輻射、復(fù)雜結(jié)構(gòu)低頻共振聲散射、輻射與散射聲場耦合增強；

（2）體分布聲源聲輻射與聲傳播：淺海低頻聲傳播特性及截止效應(yīng)、海洋波導(dǎo)空間體分布聲源表征及聲傳播模型和規(guī)律、復(fù)雜海洋環(huán)境下結(jié)構(gòu)聲輻射及聲傳播模型、海洋環(huán)境下聲源與傳播聲場時空相關(guān)性演變；

（3）聲源與聲場及其反演：反射界面條件下非共形面近場聲全息及聲源重構(gòu)、海洋波導(dǎo)空間遠場聲場的聲陣測量及聲源反演、海洋背景噪聲淹沒下聲源特征提取與測量、海洋波導(dǎo)空間次聲輻射聲場測量、有限空間聲場測量及聲源反演、有限空間聲源分離與識別；

（4）動力學(xué)與振動耦合建模：軸承油膜動力學(xué)與轉(zhuǎn)軸和基座振動耦合模型、齒輪嚙合沖擊與振動耦合模型、轉(zhuǎn)/定子電磁場相互作用及其與振動耦合模型；

（5）腔室聲彈流耦合與共振：腔室聲場與彈性結(jié)構(gòu)相互作用及聲輻射、內(nèi)流道渦流與葉片相互作用、葉片尾渦與彈性聲腔耦合共振、腔口流體剪切振蕩與彈性聲腔耦合共振及線譜噪聲、管束尾渦相互作用及彈性聲腔耦合共振；

（6）時空隨機激勵與動載荷：回轉(zhuǎn)體邊界層轉(zhuǎn)捩時空隨機激勵、流動分離時空隨機激勵、逆壓梯度流動及彈性表面湍流邊界層脈動壓力頻率-波數(shù)譜模型、水膜欠潤滑摩擦激勵、轉(zhuǎn)/定子相互作用及多向流動激勵、空化及空化流統(tǒng)計聲源模型、擴散聲場和湍流邊界層面激勵源模擬與合成；

（7）瞬態(tài)激勵與噪聲：電流突變誘發(fā)瞬態(tài)電磁場及振動、液壓系統(tǒng)切換瞬態(tài)沖擊及噪聲控制、偏航分離流動引起的推進器噪聲、節(jié)流器件流動分離及噪聲控制;

（8）低頻聲振隔離與噪聲控制：靜壓環(huán)境低頻吸聲與隔聲、板殼結(jié)構(gòu)中低頻振動傳遞隔離、復(fù)合結(jié)構(gòu)及其低頻阻尼、低頻減隔振及器件、超材料及金屬水結(jié)構(gòu)聲振隔離；

（9）聲吶自噪聲與探測：復(fù)合結(jié)構(gòu)透聲窗空間濾波及降噪、聲吶自噪聲主成分分離、聲吶自噪聲空間分布及相關(guān)性、聲場相關(guān)性與聲吶基陣探測性能；

（10）主動與智能控制：主動控制寬帶吸隔聲及阻尼、聲學(xué)智能材料與結(jié)構(gòu)、聲場主動控制及聲屏蔽、主動控制潤滑、流場及流動激勵主動控制。

3 結(jié) 語

未來十年到二十年，船舶水下噪聲研究的問題更多、難度更大、交叉性更強。為了有效推進船舶水下噪聲研究的發(fā)展和深入，一方面需要更加注重基礎(chǔ)性問題的研究，注重理論性問題的認(rèn)識，把握水下噪聲的物理本質(zhì)及基本特征，另一方面需要更加深入和全面借助試驗驗證和計算分析，不斷發(fā)展船舶水下噪聲的計算、控制及測量的新方法和新技術(shù)。

[1]陳奕宏,劉竹青,熊紫英.船舶螺旋槳噪聲預(yù)報方法綜述[C]//第十五屆全國水下噪聲學(xué)術(shù)討論會論文集.中國鄭州, 2015:15-21.

[2]范 軍.聲目標(biāo)強度預(yù)報與控制技術(shù)研究[C]//第十五屆全國水下噪聲學(xué)術(shù)討論會論文集.中國鄭州,2015:22-29.

[3]劉文帥.國內(nèi)外艦船噪聲測試分析技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀綜述[C]//第十五屆全國水下噪聲學(xué)術(shù)討論會論文集.中國鄭州, 2015:30-32.

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Some progresses of underwater noise of ships in the recent thirty years and several new basic problems

YU Meng-sa1,LIN Li2
(1.National Key Laboratory on Ship Vibration and Noise,China Ship Scientific Research Center, Wuxi214082,China;2.China Ship Scientific Institute,Beijing 100076,China)

In the recent thirty years,some significant progress has beenmade in the field of underwater noise for ships,meanwhile new demands and challenges are facing now.This paper briefly reviews and sorts out the main progress achievement aswell as directions developing in the future,which includes vibration and acoustic radiation of ship structure,low noise equipments,vibration and noise of pipe systems,vibration isolation and acoustical vibration isolation,acousticmaterials and components,acoustic design of propeller and propulsion shafting,hydrodynamic noise,sonar self-noise,acoustic target strength,acoustic measurements,and so on.Above all,several new basic problems are also put forward.

underwater noise;ships;acoustic radiation;vibration

O427.5 TB56

：Adoi:10.3969/j.issn.1007-7294.2017.02.015

2016-10-09

俞孟薩（1960-），男，研究員。

1007-7294（2017）02-0244-05