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(xué)院，山東青島 266199；4.中國海洋大學(xué)，山東青島 266011；5.國防大學(xué)聯(lián)合作戰(zhàn)學(xué)院，石家莊 050051）

0 引言

隨著我國海軍任務(wù)增加和戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型發(fā)展，艦艇隱蔽性面臨著新的挑戰(zhàn)。研究表明若艦艇輻射噪聲降低10 dB，被敵方聲納探測發(fā)現(xiàn)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(biāo)海區(qū)面積可擴大至原來3 倍。因此，降低艦艇輻射噪聲和聲目標(biāo)強度對其生存和作戰(zhàn)性能至關(guān)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(shù)——潛艇平臺技術(shù)》報告中還將潛艇聲隱身技術(shù)列為關(guān)鍵技術(shù)之首。

艦艇低速航行時，主機、軸系、推進器等系統(tǒng)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(shù)應(yīng)用，這些設(shè)備通過機腳、基座所致“第一聲學(xué)通道”振動噪聲已得到較好控制。此時，管路系統(tǒng)所致“第二聲學(xué)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(tǒng)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(tǒng)中泵和壓縮機等增壓設(shè)備會使管內(nèi)流體產(chǎn)生強壓力脈動，而脈動流體與管道互激耦合，容易誘發(fā)管路系統(tǒng)及其附屬管件結(jié)構(gòu)產(chǎn)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(tǒng)正常運行；另一方面管路系統(tǒng)振動噪聲會通過艇體內(nèi)外流體交換而產(chǎn)生輻射噪聲，對艇員生存環(huán)境和艦艇隱身性能構(gòu)成較大威脅。

對此，管路系統(tǒng)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(shè)備振動控制技術(shù)日趨成熟，已有學(xué)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(tǒng)振動機理十分復(fù)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(tǒng)振動激勵分析及其控制技術(shù)研究，為我國艦艇管路設(shè)計及振動噪聲控制問題提供理論依據(jù)和技術(shù)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(tǒng)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(jié)構(gòu)，包括金屬外圈、橡膠內(nèi)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(tǒng)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(jié)構(gòu)傳遞振動。由支撐基礎(chǔ)和泵等振源設(shè)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(chǎn)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(shè)備會產(chǎn)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(huán)境中，嚴重影響艦艇聲隱身能力。

（3）管內(nèi)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(xiàn)復(fù)雜的流固氣耦合振動。

艦艇管路系統(tǒng)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(tǒng)流固耦合振動，國內(nèi)外學(xué)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(jié)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(jié)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(jié)構(gòu)等有關(guān)。Joukowsky[2]提出水錘理論，為流固耦合研究奠定理論基礎(chǔ)。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(guī)律，為方程傳遞矩陣法求解提供理論基礎(chǔ)。Watanabe[5]還對流致振動進行試驗分析，并分析理論模型穩(wěn)定性。劉江偉[6]利用傳遞矩陣法建立周期附加質(zhì)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(dǎo)兩端固定式彈性支承管路振動方程，得到管路強迫振動穩(wěn)態(tài)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(shù)值解法，并分析壓力對管路流固耦合動力學(xué)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(shù)法建立管路耦合振動模型，可為復(fù)雜邊界支承管路耦合振動研究提供分析手段。

此外，工程應(yīng)用中還常采用有限元或?qū)嶒炌緩介_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(shù)值預(yù)測方法。李繼世[13]應(yīng)用Timoshenko 梁理論和能量法得到管路濕模態(tài)振動方程，基于ANSYS 軟件開展含流體因素影響的管路模態(tài)特性分析。Evans[14]、Pittard[15]用試驗法探究管道系統(tǒng)系振動特性與流體介質(zhì)流量內(nèi)在機理，為管路系統(tǒng)耦合振動研究提供了有效的技術(shù)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(shè)計流速、選用低噪聲閥門、合理設(shè)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(dāng)前，管路系統(tǒng)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(shè)計管系避免共振。調(diào)整管路支承件數(shù)量與布局，使管路系統(tǒng)固有頻率避開干擾頻率點。

（2）設(shè)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(nèi)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(chǔ)間安裝阻尼器，降低管路與基礎(chǔ)振動傳遞。

（4）采用管路包扎或外敷設(shè)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(fù)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(tǒng)，就要研制對應(yīng)的吸振器，設(shè)計較為繁瑣。因吸振器固有頻率不易調(diào)節(jié)，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(yīng)用。

3 管路振動主動控制

被動控制方式本質(zhì)為改變管路系統(tǒng)模態(tài)頻率比、增大結(jié)構(gòu)阻尼，該方式具有減振機理明確、無能量輸入且易于實現(xiàn)等優(yōu)點，一定程度上能緩解管路振動，但其參數(shù)不能適應(yīng)環(huán)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(shè)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(tǒng)振動噪聲傳遞。Johann 設(shè)計一種通過改變控制元件參數(shù)實現(xiàn)吸振頻率可調(diào)的三維吸振器，已應(yīng)用于工程實際。Wolfel 公司設(shè)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(shè)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(shè)計如圖3所示。Maillard[19]也研制一種圓環(huán)狀壓電作動器，可在管壁上產(chǎn)生軸對稱平面波，在徑向與流體脈動反向耦合，從而實現(xiàn)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(shù)研究。

圖3 管道壓電作動器主動控制實驗

與之相比，國內(nèi)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(shè)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(shù)途徑。焦宗夏[21]對液壓系統(tǒng)節(jié)流閥開孔進行主動控制，實現(xiàn)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(diào)節(jié)磁鐵作用力實現(xiàn)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(shù)共振的主動控制問題。潘文龍[24]建立強振動環(huán)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(shè)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(xiàn)管道所致結(jié)構(gòu)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(yīng)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(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀并提出了改進建議。姜海龍[29]針對傳統(tǒng)隔振低動剛度和失穩(wěn)之間矛盾等問題，系統(tǒng)分析了主動控制技術(shù)的優(yōu)越性和未來發(fā)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(shù)研究進展和發(fā)展趨勢。

4 管路振動噪聲控制建議

艦艇管路系統(tǒng)廣泛與各種機械部件連接，并通過馬腳等附屬器件固結(jié)與艦船殼體。因此，管路系統(tǒng)振動誘因較為復(fù)雜，產(chǎn)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(shè)振動傳感器和加速度，通過頻率分析等方法獲取異常狀態(tài)下頻率信息，若為中低頻振動噪聲可能與機械設(shè)備故障密切相關(guān)，若為高頻噪聲可能與內(nèi)部流體介質(zhì)特性有關(guān)。此時，應(yīng)根據(jù)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(tǒng)，特別是不同介質(zhì)的管路系統(tǒng)不要通過相同馬腳結(jié)構(gòu)進行固結(jié)安裝，防止管路系統(tǒng)因共振產(chǎn)生復(fù)雜的流固耦合振動，降低管路系統(tǒng)振動噪聲控制效果，降低管路系統(tǒng)使用壽命。此外，在管路和機械設(shè)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(shè)備振動直接剛性傳遞至管路系統(tǒng)，進而誘發(fā)管路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)振動。

（3）管路系統(tǒng)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(shù)，降低管路系統(tǒng)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(tǒng)，有效降低閥門啟閉狀態(tài)下管路噪聲的不利影響。

（4）針對部分管路系統(tǒng)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(tǒng)主動控制技術(shù)應(yīng)用，但要以傳遞至艦艇殼體結(jié)構(gòu)上振動降低為控制目標(biāo)。這種方法控制效果較好，但可能涉及牽連工程等問題，應(yīng)用過程中需結(jié)合實際綜合考慮。

（5）隨著管路材質(zhì)技術(shù)快速發(fā)展，可以采用新型聲學(xué)材料設(shè)計管路結(jié)構(gòu)，抑制管路系統(tǒng)振動噪聲傳遞[31]。例如，美國海軍曾發(fā)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(tǒng)振動機理方面，當(dāng)前諸多管路系統(tǒng)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(tǒng)，且控制方式頻帶較窄、環(huán)境適應(yīng)能力欠佳。隨著現(xiàn)代艦艇高機動、高隱身性能發(fā)展趨勢，對管路系統(tǒng)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(tǒng)非定常流固氣多源耦合激勵，容易激起寬頻、多點管路結(jié)構(gòu)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(jié)束語

艦艇管路系統(tǒng)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(tǒng)分析了艦艇管路系統(tǒng)振動噪聲自身特性及流固耦合振動產(chǎn)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(xiàn)狀，并給出了管路系統(tǒng)振動噪聲控制建議和措施。此外，為有效實現(xiàn)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(fā)機理，揭示其結(jié)構(gòu)設(shè)計、管路布置和介質(zhì)流動等因素所致振動噪聲規(guī)律?？蔀楣苈氛駝釉肼暱刂蒲芯刻峁﹨⒖家罁?jù)，具有重要的軍事意義和應(yīng)用價值。