吳崇建 ，陳志剛

1中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢430064

2船舶振動噪聲重點實驗室，湖北武漢430064

1 結(jié)構(gòu)噪聲釋義

結(jié)構(gòu)噪聲也稱結(jié)構(gòu)聲［1］，其英文名稱是Structure-borne noise或 Structure-borne sound。由于Sound的英文釋義通常具有更加寬泛的含義，因而它總是泛定義為大自然中的任何聲音，如樂器音等，而Noise多指“不需要的聲音”，如機械運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的噪聲。

1.1 結(jié)構(gòu)噪聲的雙重含義

結(jié)構(gòu)噪聲具有雙重含義［2-5］，它既是一門理論，又是結(jié)構(gòu)振動參數(shù)。

首先，“結(jié)構(gòu)噪聲”是近年來蓬勃發(fā)展、內(nèi)涵不斷豐富的一門獨立的振動聲學理論，就像“結(jié)構(gòu)動力學”、“摩擦學”和“彈性力學”一樣。該理論分析振動更深入內(nèi)核，它研究波或振動能量向結(jié)構(gòu)的注入、內(nèi)部傳導及結(jié)構(gòu)聲輻射。

其次，結(jié)構(gòu)噪聲本身還是描述結(jié)構(gòu)“振動”的表觀參數(shù)，表達結(jié)構(gòu)中因振動而產(chǎn)生的“內(nèi)生波”——約定為與結(jié)構(gòu)聲輻射SPL密切關(guān)聯(lián)的波。

1.2 結(jié)構(gòu)噪聲是“波”

結(jié)構(gòu)噪聲不是聲音而是結(jié)構(gòu)中的“內(nèi)生波”。一般地，我們將結(jié)構(gòu)噪聲釋義為結(jié)構(gòu)中與聲輻射相關(guān)的“特定波”，如圖1所示。

容易將“結(jié)構(gòu)噪聲”直譯為聲音，或理解為結(jié)構(gòu)中的振動，甚至是振動的一種記錄方式或測量表達，這些不是十分準確。結(jié)構(gòu)噪聲與水聲類似，只是介質(zhì)不同，本質(zhì)上都是研究各種形式的波動。

“結(jié)構(gòu)噪聲”與結(jié)構(gòu)強度、疲勞和裂紋擴展中關(guān)于振動的研究內(nèi)容有較大區(qū)別。空氣中的聲音叫“空氣噪聲”，水中的聲音叫“水聲”，而結(jié)構(gòu)中的“內(nèi)生波”就是“結(jié)構(gòu)噪聲”，它是這三種聲音中唯一靠耳朵聽不見的聲音。

2 結(jié)構(gòu)噪聲的核心價值

如何實現(xiàn)潛艇安靜化，已成為當下國內(nèi)外階段性的熱點。除理論綜合、措施改良這類精進化戰(zhàn)術(shù)手段之外，要想跨越輻射聲能新級差，需要新理論的頂層指導，使之成為顛覆潛艇安靜化“最后一公里”的新拐杖！過去對結(jié)構(gòu)噪聲理論上的研究不夠深入，實踐上挖掘不充分。

2.1 潛艇安靜化面臨的新級差與新挑戰(zhàn)

國際上將潛艇按照噪聲高低劃分為“高噪聲”、“低噪聲”、“安靜型”等不同類別，本文將目標聚焦于“安靜型”。放眼世界，又可以將“安靜化”劃分為3個層級：第1層級是跨進安靜型門檻；第2層級是對標德國212A、俄羅斯Amur、“卡琳娜”潛艇；第3層級是與國際最先進潛艇同場競技并保持動態(tài)領(lǐng)先。

如果將10倍定義為一個級差，那么從表1可以看出，輻射聲功率PSPL≤10-4W極其微弱，今后欲達成的每一個目標都將是“刀尖上”的比拼。按表1輻射聲功率來看，從10-4～10-3W降低到10-4W以下，意味著輻射聲功率需要再降低1～2個級差，這是一個巨大的跨越！要想實現(xiàn)這一跨越，亟需新理論的支撐。從10 W到1 μW有7個級差，從“高噪聲”到“低噪聲”潛艇的過程也呈級差下降，為何唯獨現(xiàn)在需要新理論支撐？

表1 不同聲源級潛艇對應(yīng)的輻射聲功率Table 1 The source-level of different submarines and the corresponding radiated sound power

將振動能量換算為隔振量，進行粗略估算。傳統(tǒng)單層隔振的隔振量一般為10～15 dB，約可提供2～3個能量級差補償；雙層隔振的隔振量為15～30 dB，相當于3～4個級差補償；浮筏的隔振量≥35 dB，可補償4～5個級差。由此可見，即使設(shè)備振動持續(xù)降低且浮筏隔振性能進一步提高，仍無法彌補安靜化的級差缺口。

為什么不采用三級浮筏來提高隔振量？這在艦船上基本行不通，總體弊大于利（以后將另文討論）。從潛艇隱身的發(fā)展進程來看，也同樣面臨級差缺口。在第一次浪潮中，潛艇減振降噪主要是對理論的認知深化與實踐，以及隔振器、撓性接管等單項硬件帶來的“紅利”。這些單項措施伴隨著型譜拓展，實現(xiàn)了總體降噪效果的逐年提升。中外國家無一例外都在該階段耗費了相當長的時間。在第二次浪潮中，非主通道的噪聲泄漏逐漸被均衡設(shè)計和聲學質(zhì)量評估所“抹平”，推動了潛艇隱身再上新臺階。而低噪聲主輔機設(shè)備、彈性器件和隔振技術(shù)的不斷完善，使機械噪聲控制正在趨近極限。

在第三次浪潮中，潛艇發(fā)展由被動的減振降噪轉(zhuǎn)向主動作為的潛艇聲學設(shè)計，構(gòu)造優(yōu)良的“基因”成為根本。其發(fā)展面臨3個難點：一是通過提高隔振效率所帶來的增量不大。例如，俄羅斯在精細化設(shè)計中，潛艇安靜工況運行設(shè)備的安裝頻率從12 Hz下調(diào)到5 Hz，增加了有效頻寬，但預(yù)計改進增量Δ≤1～2 dB。二是在建造工藝持續(xù)、全面提升的情況下，持續(xù)精細化已接近潛力底線。三是聲輻射能量積聚的艉部，大多無法通過隔振方式降低“能量級差”。因此，試圖通過改良來降低輻射聲功率新級差已無可能，我們應(yīng)該有清醒的認識！

2.2 互補和疊加特性對安靜化的核心價值

結(jié)構(gòu)中的“波”或“振動能量流”掌控波向輻射噪聲的轉(zhuǎn)化。幾十年來，振動理論研究千變?nèi)f化，但都溯源于四階微分方程，趨勢是更加注重于對結(jié)構(gòu)內(nèi)核的研究。

式（1）中，撓度不但與質(zhì)點坐標 (x,y,z)有關(guān)，而且與時間t有關(guān)，即

以Euler-Bernoulli梁為例，式（1）退化為

與隔振這種“軟”方式相比，結(jié)構(gòu)噪聲的“互補性”和“疊加性”是其最大特點。它們貫穿于結(jié)構(gòu)噪聲的全部，成為復(fù)雜巨系統(tǒng)工程聲學新跨越過程中不可或缺的創(chuàng)新技術(shù)手段。其特點具體體現(xiàn)在：

1）相互獨立特性，可與隔振技術(shù)并用；

3）可設(shè)計成前后聚焦調(diào)諧，實現(xiàn)精準控制。

對于像潛艇這樣的復(fù)雜巨系統(tǒng)工程，疊加衰減無上限。例如可達3～20 dB，與隔振器幾乎具有同等效力！隔振器隔離振源向結(jié)構(gòu)振動的傳遞確實效率高，但是其弊端是降低了設(shè)備的靜穩(wěn)性。提升隔振效果需要彈性體更柔軟，這使其難以成為承載結(jié)構(gòu)件。另一種不現(xiàn)實的應(yīng)用是在船舶結(jié)構(gòu)中使用彈性中間層，它們無法滿足水密要求，“撓性接管”應(yīng)該是少有的例外。

結(jié)構(gòu)噪聲技術(shù)可以與隔振技術(shù)疊加應(yīng)用，阻振質(zhì)量［7-8］、反射、間斷點等技術(shù)措施的應(yīng)用不受限制，不影響承載功能，表現(xiàn)出不一樣的動力學特性：

一是隔振器剛度遠小于結(jié)構(gòu)，這使得隔振技術(shù)與結(jié)構(gòu)噪聲新技術(shù)之間呈弱耦合，結(jié)構(gòu)噪聲措施表現(xiàn)出獨立性，基本上可以互補應(yīng)用。

二是通過結(jié)構(gòu)反共振點設(shè)計、精確調(diào)諧或者通帶（Pass band）、止帶（Stop band）巧妙構(gòu)成一些頻點的“塌陷區(qū)域”［9-10］（圖 2），實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)振動的精準控制。

三是結(jié)構(gòu)頻點設(shè)計的寬泛性。眾所周知，單層隔振能夠發(fā)揮作用的頻域范圍（其中f0為設(shè)備安裝頻率）。雙層隔振、浮筏比單層隔振雖然提高了隔振量，但有效頻率范圍反而縮小了！往往隔振效果提升掩蓋了頻段變窄的弊病。

一切結(jié)構(gòu)的非連續(xù)性都將產(chǎn)生衰減！

衰減具有疊加性。波沿結(jié)構(gòu)傳導，會遇到材料特性和結(jié)構(gòu)幾何尺寸的改變。每一個間斷點，入射波都將被迫完成一次反射，行進波因沿程損失、波型轉(zhuǎn)換甚至近場波衰減等多種形式而發(fā)生能量損耗，使振動能量在傳導中大幅衰減。

結(jié)構(gòu)噪聲衰減的疊加特性在簡單系統(tǒng)中表現(xiàn)不如巨系統(tǒng)充分，這為設(shè)計師提供了主動設(shè)計的空間。振動波在巨系統(tǒng)內(nèi)傳導、轉(zhuǎn)換和輻射的過程中，通過層層設(shè)防，反復(fù)穿越不連續(xù)點、線和阻尼損耗，達成疊加衰減。不難看出，波的疊加衰減并沒有嚴格意義的上限！這是復(fù)雜巨系統(tǒng)工程的先天優(yōu)勢。當然，在波傳導過程中也可能會激發(fā)有聲學缺陷的結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生“二次固體聲輻射”，設(shè)計中要避免這類異常噪聲的發(fā)生。

2.3 從表觀參數(shù)到內(nèi)核參數(shù)

結(jié)構(gòu)噪聲將結(jié)構(gòu)振動研究從表觀參數(shù)深化到內(nèi)核參數(shù)，給研究人員帶來兩個層面的深度思考：

第一個層面研究宏觀參數(shù)。就是我們能夠直接感受到的（例如振動位移、振動加速度、插入損失等），或者可以通過簡單測量感知到的東西（例如簡單振動形態(tài)等）。

第二個層面研究微觀參數(shù)。都是一些我們無法直接感知、需要深入結(jié)構(gòu)微觀世界、借助儀器并在一定條件下測量獲取的內(nèi)核參數(shù)（例如波長、波數(shù)、反射波和透射波等）；還有一些參數(shù)需要通過復(fù)雜測量或者轉(zhuǎn)換才能感知它們的存在（例如振動能量流）；更有一些參數(shù)當前只能從數(shù)學上感知并驗證它們的存在（例如近場衰減波、波型轉(zhuǎn)換、振動能量實時流動等）。

盡管如此，減振降噪與所有科學一樣，仍然遵循微觀世界決定宏觀世界的規(guī)律。我們觀察到的振動是什么？在結(jié)構(gòu)噪聲理論中，它是宏觀世界的一個表觀參數(shù)。當我們從宏觀層面轉(zhuǎn)換到微觀思考，用結(jié)構(gòu)噪聲理論研究波的微觀、內(nèi)核要素時，就能更好地將微觀與宏觀層面的東西串聯(lián)起來。例如，我們之所以研究近場衰減波e-kx（其中k為波數(shù)），是因為它掌控了波的轉(zhuǎn)換與轉(zhuǎn)換條件，提供了深入骨髓探尋微觀主導宏觀規(guī)律的新視角：如何形成水下聲輻射？結(jié)構(gòu)噪聲的衰減規(guī)律與聲輻射等。結(jié)構(gòu)噪聲理論對潛艇安靜化的貢獻，就如內(nèi)窺鏡對胃病，顯微外科對心血管疾病、腦疾病一樣，其意義無疑是巨大的。

結(jié)構(gòu)噪聲理論中存在許多似曾相識的“舊參數(shù)”，又拓展了許多新參數(shù)。因參數(shù)太多、難以讀懂，結(jié)構(gòu)噪聲也被詬病，僅內(nèi)核參數(shù)PARAic就有：

式中：Z為阻抗；M為導納；P為振動功率；σ為輻射效率；τ為傳導效率；r為反射系數(shù)；R為傳導損耗；λ為波長；k為波數(shù)；下標中的英文字母代表激勵力源，一位數(shù)代表原點，二位數(shù)代表兩點間的傳導。

隨著結(jié)構(gòu)噪聲研究的不斷完善，我們相信這些參數(shù)必定會完成從簡到繁、再從繁到簡的精進輪回。從宏觀到微觀，從表觀到內(nèi)核，由幾個表觀參數(shù)到內(nèi)核特征參數(shù)集合，需要研究者轉(zhuǎn)變思維，從微觀層面理解、掌控，在這一過程中內(nèi)核參數(shù)將不斷減少。

從結(jié)構(gòu)噪聲的視角來看，潛艇聲學設(shè)計實質(zhì)就是控制各種波的過程，但這個過程并不簡單！雖然波的種類不過區(qū)區(qū)3種：縱向波、扭轉(zhuǎn)波和彎曲波，然而正是它們不斷衍生出潛艇總聲級、低頻強線譜、中高頻“毛刺”等，并通過疊加形成潛艇輻射聲——不希望被探測到的水中聲波集合體。

如果聚焦結(jié)構(gòu)中的“波”，就會發(fā)現(xiàn)，上述3種形式的波不管在結(jié)構(gòu)上相距多遠，它們都不是完全獨立的，而是通過轉(zhuǎn)換、反射等發(fā)生關(guān)聯(lián)。當你對某個波進行分析的時候，潛艇另外一個相距較遠的波居然也可以被關(guān)聯(lián)起來，似乎很不可思議。但是，這樣一個簡單的現(xiàn)象就是結(jié)構(gòu)噪聲的魅力所在。

3 結(jié)構(gòu)噪聲顛覆已有認知

部分現(xiàn)有的研究結(jié)論可能會被結(jié)構(gòu)噪聲新認知所改寫、顛覆或者重新定義。

3.1 耐壓結(jié)構(gòu)是“聲短板”

眾所周知，由于能夠抵抗強大的海水壓力，潛艇耐壓殼體被稱為強結(jié)構(gòu)。它們結(jié)構(gòu)強度高，應(yīng)力冗余大。大深度潛艇結(jié)構(gòu)更強。這容易形成邏輯上的誤導。用結(jié)構(gòu)強度衡量，潛艇耐壓殼體是很強的結(jié)構(gòu)；但是從結(jié)構(gòu)噪聲判斷，則是較弱聲結(jié)構(gòu)：

其一，潛艇耐壓結(jié)構(gòu)阻抗與120 mm磚墻阻抗相當。Cremer等［11］研究指出耐壓結(jié)構(gòu)仍不足夠強（圖3），它和現(xiàn)代高層建筑的分隔墻相比還要弱一些，是“聲學短板”。現(xiàn)代建筑的分隔墻通常為隔音性能更加優(yōu)異的中空磚，其厚度H≥300 mm。讀者不妨敲擊墻壁，親自體驗一下聲傳導對隔壁房間的影響。

其二，海水介質(zhì)的存在進一步惡化了聲學性能。潛艇浸沒在海水介質(zhì)中，結(jié)構(gòu)聲輻射ρc與介質(zhì)聲阻抗ρ0c0呈線性比例關(guān)系。由于ρc?ρ0c0，結(jié)構(gòu)噪聲轉(zhuǎn)變?yōu)樗曇瓤諝庵懈咝У枚啵?/p>

以上兩點表明，潛艇耐壓結(jié)構(gòu)（也包括輕殼體）受激勵轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛渎暤男时茸≌瑝Ρ谝叩枚啵≡噲D通過增加鋼板厚度來提高聲學性能的辦法并不總是可取。需要對強結(jié)構(gòu)就是低噪聲的觀念重新梳理定位，強結(jié)構(gòu)會增加傳導，需要研究傳導、轉(zhuǎn)換和聲輻射這三者之間的平衡設(shè)計并將其作為控制途徑。

3.2 算不準與測不到

一個引子：按結(jié)構(gòu)振動理論，船體結(jié)構(gòu)在低頻段可視為箱型梁。當船體結(jié)構(gòu)剛度很大、阻尼β→0時，自然預(yù)期船艉到船艏之間的結(jié)構(gòu)噪聲傳導很大，振動可以傳導到很遠的距離而無衰減。有限元計算也支持這樣的結(jié)論。然而令人驚奇的是，許多情況下振動衰減仍然很大。測試結(jié)果令我們無法釋懷。

為何衰減遠超理論預(yù)期？

近20年來，我們一直試圖測量出潛艇航行中的“手風琴模態(tài)”（即縱向模態(tài)），但未能如愿。是因為振動響應(yīng)近乎衰減到零？還是因為激勵處于安全閾值之下，未激發(fā)出足夠的結(jié)構(gòu)響應(yīng)而測不到［12］？目前雖無定論，但實船下算不準、測不到的現(xiàn)象卻真實存在。

按照結(jié)構(gòu)噪聲理論，船體結(jié)構(gòu)中的許多加強筋、肋骨或橫艙壁，阻斷了船體結(jié)構(gòu)中波傳導的連續(xù)性，每一根筋或肋骨會反射、衰減一部分入射能量，船體結(jié)構(gòu)因此獲得一個很大的累積凈衰減。衰減量顯然超過了對損耗因子β（或以結(jié)構(gòu)比例阻尼代替）的預(yù)判。潛艇中大量的設(shè)備扮演了“動力吸振器”的角色。這兩種原因?qū)е鹿こ讨胁▊鲗П豢焖偃趸１M管在結(jié)構(gòu)有限元計算中考慮了材料損耗因子β，但當結(jié)構(gòu)離散為板、塊、薄壁單元時，并不能完全表達反射、輻射阻帶來的損耗衰減［13］，這樣的衰減在結(jié)構(gòu)振動中甚至不被懷疑就被“正確”地忽略了。

還有一種解釋就是“Anderson 定域效應(yīng)”［14］。譚路等［15］對“Anderson定域效應(yīng)”結(jié)合周期結(jié)構(gòu)開展了有意義的探討。研究指出，對一類結(jié)構(gòu)當損耗因子β=0時，波也會快速衰減。

3.3 兩個重要推論

從結(jié)構(gòu)噪聲理論可以得到兩個重要推論，它們對宏觀把握潛艇聲學設(shè)計比較有價值。

推論1：流激勵圍殼引起的振動，并不能通過結(jié)構(gòu)傳導影響潛艇艉部輕結(jié)構(gòu)的聲輻射。圍殼是潛艇上最大的突出體，所受到的流激勵非常大。有觀點認為，流激勵圍殼還會引起潛艇艉部的輕殼體輻射聲。在總體設(shè)計中，自然十分關(guān)注該問題。按照結(jié)構(gòu)噪聲來理解，只要潛艇艉部上層建筑不出現(xiàn)低級設(shè)計失誤，就不會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)異常噪聲，流激圍殼很難激起相對較遠的艉部輕結(jié)構(gòu)產(chǎn)生連鎖反應(yīng)。該結(jié)論在實艇診斷測量中已被證實。

推論2：潛艇“手風琴模態(tài)”在航速范圍內(nèi)基本未被激發(fā)，呈隱性狀。潛艇圓柱殼存在兩種輻射模態(tài)：縱向振動模態(tài)和周向振動模態(tài)［16-18］。對該問題研究的時間跨度已達50余年，國內(nèi)外發(fā)表了幾百篇論文，包括美國、歐洲等解密的報告［19］，還有大量實驗驗證類文獻或數(shù)據(jù)作為支撐。這些研究認為，“手風琴模態(tài)”是高效輻射模態(tài)。既然歐美國防研究報告已做出這種論述，這個結(jié)論在中國似乎無須驗證：“手風琴模態(tài)”會輻射高等級噪聲，是潛艇低頻強線譜的禍根。

然而，從學術(shù)爭鳴的角度來講，相對合理的解釋是：模型試驗并沒有錯，因為它們是“簡單結(jié)構(gòu)”；為什么與實艇不一樣？因為實艇是“開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)”工程。錯在我們過去將簡單結(jié)構(gòu)得出的結(jié)論試圖套在復(fù)雜工程上，并理所當然地認為它們應(yīng)該一樣。在巨系統(tǒng)工程中，結(jié)構(gòu)噪聲的吸收、反射，阻振質(zhì)量和動力吸振器（隔振設(shè)備）等，會帶來巨量振動能量的累積衰減。但它們因為結(jié)構(gòu)強度思維被合理“簡化”了，從而導致錯誤。

在實艇航行中能否激發(fā)出“手風琴模態(tài)”本不該是一個很難的結(jié)論。特別是核潛艇，由于推力大、航速高，如果存在“手風琴模態(tài)”，它們一定比常規(guī)潛艇更顯性。但歐美從來沒有更正。是權(quán)當早期研究成果或縮比模型的試驗結(jié)論，還是他們明知有誤而有意誤導？

初步推論：對簡單結(jié)構(gòu)，傳導實測值與計算結(jié)果將趨于一致；而對于像潛艇這樣的復(fù)雜巨系統(tǒng)工程，傳導衰減計算值總是遠小于實艇測量值。

4 結(jié) 語

隨著技術(shù)的進步，準安靜型潛艇終將成為“過去時”。新一輪精細化與聲學質(zhì)量評估，會進一步將已有技術(shù)措施的“紅利”吃盡。安靜化跨越“新級差”單純寄希望于技術(shù)改良和挖潛已不現(xiàn)實，需要轉(zhuǎn)型升級，深入內(nèi)核的創(chuàng)新基礎(chǔ)理論將迎接“新拐點”的到來。

當前之最需，就是用結(jié)構(gòu)噪聲增加我們的思考維度！結(jié)構(gòu)噪聲研究之于中國潛艇聲學設(shè)計具有核心價值，它既是新階段的理論熱點和戰(zhàn)略支撐點，又是安靜化“最后一公里”的創(chuàng)新工具，邏輯上具備顛覆性。不理解這一點，我們就可能局限在傳統(tǒng)“漩渦”內(nèi)打轉(zhuǎn)，與世界主流發(fā)展?jié)u行漸遠。與國際并軌，才可能厘清屬于我們自己的理論創(chuàng)新邏輯。

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