唐懷誠(chéng), 楊旖旎, 劉 燁,2,3, 鄒明松,2,3

(1. 中國(guó)船舶科學(xué)研究中心, 江蘇 無(wú)錫 214082;2. 深海技術(shù)科學(xué)太湖實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 無(wú)錫 214082;3. 深海載人裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 無(wú)錫 214082)

0 引 言

機(jī)械噪聲是機(jī)械設(shè)備(如主機(jī)、槳軸、水泵等)激勵(lì)振動(dòng)所產(chǎn)生的噪聲,是船舶中低速航行和潛航時(shí)的主要噪聲來(lái)源[1]．增強(qiáng)船舶機(jī)械減隔振系統(tǒng)的減振降噪性能對(duì)船舶的安全性和隱身性能都具有很重要的作用．

減隔振的主要方法有消振、吸振和隔振等．消振是依靠選用低噪聲設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)的,主要涉及到低噪聲設(shè)備的選用規(guī)定,本文不進(jìn)行詳細(xì)評(píng)述．吸振和隔振的方法在船舶機(jī)械減隔振系統(tǒng)中大量應(yīng)用:隔振是在振源和受控對(duì)象之間加上子系統(tǒng),達(dá)到阻礙振動(dòng)傳遞,最終減小受控對(duì)象振動(dòng)的目的,圖1是在機(jī)械隔振系統(tǒng)中應(yīng)用最廣的浮筏隔振系統(tǒng);吸振是在受控對(duì)象上附加一個(gè)彈性子系統(tǒng),以振動(dòng)的形式抵消振源的振動(dòng),達(dá)到減少振源振動(dòng)的目的,動(dòng)力吸振器的作用機(jī)理如圖2所示．

圖1 浮筏隔振系統(tǒng)

為有效減少船舶機(jī)械設(shè)備噪聲的傳遞,學(xué)者們提出了安置隔振元件阻礙振動(dòng)傳遞的被動(dòng)隔振、引入次級(jí)振源干擾抵消主振源的主動(dòng)隔振[2]．此外,吸振技術(shù)也廣泛應(yīng)用于船舶機(jī)械系統(tǒng)的減振降噪:被動(dòng)型動(dòng)力吸振器被用于抑制窄帶振動(dòng)[3],主動(dòng)型動(dòng)力吸振器可以進(jìn)一步解決低頻振動(dòng)和寬帶振動(dòng)的控制問(wèn)題[4]．近年來(lái),為了進(jìn)一步阻礙機(jī)械噪聲的傳遞,新型材料和智能材料被廣泛應(yīng)用于船舶機(jī)械系統(tǒng)減隔振．同時(shí),學(xué)者們探討新型結(jié)構(gòu)形式以提升隔振系統(tǒng)阻礙振動(dòng)傳遞的能力．

此外,隔振系統(tǒng)可以分為線性隔振系統(tǒng)和非線性隔振系統(tǒng)．其中線性隔振系統(tǒng)指質(zhì)量保持不變, 力與位移參數(shù)成正比的隔振系統(tǒng); 其余的隔振系統(tǒng)都是非線性隔振系統(tǒng), 非線性隔振又包括阻尼非線性和剛度非線性等[5]．

在實(shí)際的工程應(yīng)用中, 常常將多種減隔振方法交叉使用于船舶機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中, 以達(dá)到更好的減隔振效果．因而, 近年來(lái)學(xué)者們開(kāi)始研究不同減隔振交叉使用的耦合影響: 如在考慮主動(dòng)隔振和被動(dòng)隔振耦合效應(yīng)的前提下, 對(duì)浮筏隔振系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)[6]的同時(shí)考慮將非線性能量匯于隔振系統(tǒng)耦合形成集成的減隔振系統(tǒng)[7]．

1 隔 振 技 術(shù)

1.1 被動(dòng)隔振

被動(dòng)隔振可以分為單層隔振、雙層隔振和浮筏隔振．它們可以看作是在振源和控制體之間布置的彈性元件,依靠機(jī)械隔振系統(tǒng)自身的質(zhì)量、剛度、阻尼等減小乃至消除振動(dòng)從機(jī)械設(shè)備、管路向船體的傳遞．這樣做的優(yōu)點(diǎn)是不消耗額外能量,不用安裝主動(dòng)控制回路,易于安裝．

其中,單層隔振是最早應(yīng)用于機(jī)器和基座之間的隔振方式,它的優(yōu)點(diǎn)是安裝簡(jiǎn)單,但在低頻段想要理想的隔振效果需要讓單層隔振器的剛度很小,承受靜載能力很差,中高頻段由于隔振器內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生駐波效應(yīng),隔振效果只在10～20 dB之間[8]．雙層隔振的減振降噪效果要優(yōu)于單層隔振,它的原理是在機(jī)器和基座之間再加入一個(gè)中間基座,其隔振效果在中低頻段可達(dá)35 dB以上,在高頻段可達(dá)50 dB以上[8]．浮筏和雙層隔振的隔振原理相同,但雙層隔振只考慮單臺(tái)設(shè)備的隔振,浮筏同時(shí)連接了多個(gè)設(shè)備,通常情況下傳統(tǒng)的浮筏隔振系統(tǒng)在中低頻段隔振效果可達(dá)到40 dB以上[9]．由于浮筏的減隔振效果較出色,近年來(lái)學(xué)者們對(duì)浮筏隔振進(jìn)行了大量研究,下文中對(duì)隔振方法的評(píng)述也主要是針對(duì)浮筏隔振的相關(guān)研究和設(shè)計(jì)．

近年來(lái),由于受傳統(tǒng)線性隔振器的有效隔振頻率的限制,導(dǎo)致傳統(tǒng)的機(jī)械被動(dòng)隔振系統(tǒng)在低頻段的效果并不好,甚至在被動(dòng)隔振系統(tǒng)的共振頻段內(nèi)反而會(huì)放大振動(dòng)的傳遞．為應(yīng)對(duì)船舶機(jī)械系統(tǒng)振動(dòng)模態(tài)豐富、低頻激勵(lì)多的工程實(shí)際問(wèn)題,學(xué)者們提出了采用浮筏隔振系統(tǒng)新型材料或新型結(jié)構(gòu)形式的方法來(lái)增加機(jī)械系統(tǒng)被動(dòng)隔振的適用頻帶和隔振性[10]．

1.1.1 新型材料

將新型材料應(yīng)用到船舶機(jī)械系統(tǒng)減振降噪領(lǐng)域可以有效降低船舶機(jī)械減隔振系統(tǒng)的體積質(zhì)量,同時(shí)能提升其減振降噪的效果．李永勝等[11]探討了對(duì)船用水泵的筏體結(jié)構(gòu)采用復(fù)合材料(玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料)并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化,設(shè)計(jì)出的復(fù)合材料浮筏在中低頻段(10～500 Hz)的隔振效果提高了3 dB,重量降低了18%．靳帥楠等[12]發(fā)現(xiàn)鋪設(shè)聚氨酯材料以降低船首聲納平臺(tái)的機(jī)械噪聲,隔振效果可提高8 dB．

Teng等[13]提出在隔振器中填充固液混合液材料:由于隔振性能與固體單元數(shù)相關(guān),可以有效提升隔振器設(shè)計(jì)時(shí)隔振性能的精準(zhǔn)度,他們用精確積分的方法計(jì)算了幾個(gè)激勵(lì)頻率值的響應(yīng),發(fā)現(xiàn)使用120個(gè)固體單元的混合隔振器在20 Hz頻段減振效果達(dá)到15 dB,同時(shí)使維修更便捷．劉興天等[14]將負(fù)剛度梁與隔振器并聯(lián)使用,在保持隔振器的承載性能和空間大小不變的情況下,提升了隔振系統(tǒng)的低頻隔振性能．Hao和Cao[15]提出了一種具有較高承載能力和動(dòng)態(tài)剛度的單自由度零剛度振子,并給出諧波強(qiáng)迫和諧波振動(dòng)基作用下的傳振率估計(jì)公式．Li等[16]建立了浮筏隔振系統(tǒng)的高維數(shù)學(xué)模型,并使用帶有準(zhǔn)零剛度的浮筏隔振系統(tǒng),探究了不同浮筏的物理參數(shù)對(duì)船舶機(jī)械系統(tǒng)減振降噪的影響大?。?/p>

新型材料隔振不僅需要新型材料的創(chuàng)造,也需要針對(duì)艦船的具體適用場(chǎng)景對(duì)新型材料進(jìn)行力學(xué)優(yōu)化．對(duì)新型材料結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究,仍然是減振降噪的未來(lái)方向．

1.1.2 新型結(jié)構(gòu)形式

船舶機(jī)械減隔振系統(tǒng)新的結(jié)構(gòu)形式需要同時(shí)考慮耐壓和隔振雙重性能,學(xué)者們對(duì)聲傳遞路徑進(jìn)行了深入研究,并由此設(shè)計(jì)出船舶機(jī)械減隔振系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)．張華良等[17]探究發(fā)現(xiàn)浮筏的隔振性能受基座質(zhì)量、剛度和阻尼這些參數(shù)的影響很大,并據(jù)此給出了浮筏優(yōu)化設(shè)計(jì)的一般準(zhǔn)則．被動(dòng)隔振的結(jié)構(gòu)優(yōu)化思想也正是在保證安裝便捷性和結(jié)構(gòu)靜態(tài)承載能力的基礎(chǔ)上,探究隔振系統(tǒng)質(zhì)量、剛度和阻尼的最優(yōu)數(shù)值以提升其阻礙振動(dòng)傳遞的性能．

浮筏是船舶機(jī)械系統(tǒng)被動(dòng)控制中應(yīng)用最廣泛的隔振方式,學(xué)者們對(duì)筏架的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了大量研究．Machens等[18]研究了桁架結(jié)構(gòu)浮筏對(duì)船舶機(jī)械設(shè)備到船殼之間振動(dòng)傳遞的阻礙機(jī)理,發(fā)現(xiàn)桁架浮筏上的組裝接頭可有效減小機(jī)械設(shè)備向殼體傳遞的振動(dòng)．張峰等[19]提出了可將動(dòng)力吸振器置于浮筏桁架結(jié)構(gòu)中,增加了桁架衰減船舶機(jī)械設(shè)備到船殼之間振動(dòng)傳遞的性能．徐時(shí)吟[20]考慮了船舶附連設(shè)備與筏架的耦合,針對(duì)考慮附連設(shè)備的艙筏系統(tǒng)建立了整體頻響矩陣,并基于周期結(jié)構(gòu)的帶隙分布,給出了基于手性結(jié)構(gòu)的筏架設(shè)計(jì)過(guò)程．學(xué)者們根據(jù)不斷發(fā)展的建模計(jì)算思想,研究的結(jié)構(gòu)模型越來(lái)越細(xì)致、復(fù)雜,以求計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)際情況更加符合．

此外,聲學(xué)黑洞結(jié)構(gòu)是近兩年船舶機(jī)械系統(tǒng)減振降噪領(lǐng)域新興的技術(shù)．作為一種新型的結(jié)構(gòu)形式,聲學(xué)黑洞結(jié)構(gòu)的作用機(jī)理最先是由Mironov[21]發(fā)現(xiàn)的,他假設(shè)一個(gè)彎曲波在理想的錐型楔形(厚度在楔形頂端完全消失)中傳播,發(fā)現(xiàn)波永遠(yuǎn)不會(huì)到達(dá)楔形頂端,這樣就可以把彎曲波困在楔形體內(nèi)部,振動(dòng)能量在尖端聚集．我們?nèi)绻诼晫W(xué)黑洞結(jié)構(gòu)中的尖端布置少量的阻尼材料消除捕獲到的噪聲,就可以很好地阻礙振動(dòng)從機(jī)械設(shè)備向船殼的傳遞[22]．基于此,Krylov[23]將聲學(xué)黑洞結(jié)構(gòu)推廣到二維,并給出了薄板鑲嵌聲學(xué)黑洞的結(jié)構(gòu)形式,最后討論了聲學(xué)黑洞結(jié)構(gòu)在工程方面的實(shí)際應(yīng)用可能．趙楠等[24]研究了浮筏上“聲學(xué)黑洞”的結(jié)構(gòu)阻礙振動(dòng)傳遞原理,探討了將傳統(tǒng)聲學(xué)黑洞改進(jìn)為“分布式”聲學(xué)黑洞以進(jìn)一步提升機(jī)械減隔振系統(tǒng)的減振降噪效果,還將應(yīng)用“分布式”聲學(xué)黑洞與普通浮筏同受某設(shè)備實(shí)測(cè)激勵(lì)載荷的作用,在10～200 Hz頻域范圍內(nèi)機(jī)械噪聲總級(jí)下降2.2 dB．現(xiàn)如今研究的聲學(xué)黑洞結(jié)構(gòu)往往在中高頻處有更好的效果,對(duì)于提升它在低頻段的減振降噪效果的研究在未來(lái)具有重大價(jià)值,能讓這種新興的被動(dòng)隔振方法更好地應(yīng)用在實(shí)際工程中．

非線性隔振器包括變阻尼隔振器和變剛度隔振器．Yang等[25]設(shè)計(jì)了一種磁流變液阻尼非線性隔振器,磁流變液阻尼非線性隔振器是依靠磁場(chǎng)作用改變黏性,從而達(dá)到變阻尼的效果;Williams等[26]設(shè)計(jì)的記憶形狀合金剛度非線性隔振器,其剛度隨溫度非線性變化,以達(dá)到自適應(yīng)控制的效果．與常規(guī)的“智能式”、自適應(yīng)式控制器不同,非線性隔振器在同樣可以針對(duì)不同頻段振動(dòng)達(dá)到最佳隔振效果的同時(shí),不需要單獨(dú)另加能量源和控制回路,在安裝空間較小的水下船舶里可以得到廣泛應(yīng)用．黎崛珉等[27]通過(guò)求解FPK方程來(lái)研究隨機(jī)激勵(lì)下非線性隔振系統(tǒng)的隔振性能,并輔以數(shù)值方法驗(yàn)證,結(jié)果表明,隨噪聲強(qiáng)度增加,非線性阻尼抑制振動(dòng)的能力更強(qiáng)．

準(zhǔn)零剛度隔振器也是一種廣泛研究的變剛度隔振器．力與變形的恒定比值定義為靜態(tài)剛度,系統(tǒng)在靜力平衡位置處產(chǎn)生微小振動(dòng)時(shí)力與變形的比值定義為動(dòng)剛度．線性隔振器的靜剛度與動(dòng)剛度相同,而準(zhǔn)零剛度隔振器在保有同等靜剛度的同時(shí),在平衡位置的動(dòng)剛度很小,因而固有頻率也趨于零,從而在不減小靜態(tài)承載能力的基礎(chǔ)上獲得了很好的低頻隔振能力[5]．Schenk等[28]考慮如何實(shí)現(xiàn)張拉結(jié)構(gòu)的零剛度模態(tài)．Carrella等[29]對(duì)一個(gè)安裝負(fù)剛度元件后由三彈簧組成的簡(jiǎn)單系統(tǒng)進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)了幾何形狀與相對(duì)剛度的關(guān)系,并給出了量化的表達(dá)式．準(zhǔn)零剛度隔振器在不減小承載能力的同時(shí)大幅增加了在低頻段的隔振性能,在減振降噪領(lǐng)域具有廣泛的使用前景．王心龍、周加喜等[30]建立了一個(gè)分段非線性的準(zhǔn)零剛度隔振系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型,并用平均法研究表明在激勵(lì)幅值較小時(shí),其具有與傳統(tǒng)準(zhǔn)零剛度隔振系統(tǒng)同樣優(yōu)秀的隔振性能,而當(dāng)激勵(lì)幅值增大后,其隔振性能又能與線性隔振系統(tǒng)相當(dāng)．

1.2 主動(dòng)隔振

主動(dòng)控制是船舶機(jī)械系統(tǒng)隔振的一種重要方法,在減小低頻噪聲方面具有重大意義．它的原理是根據(jù)接收到的被控系統(tǒng)的干擾和響應(yīng)信號(hào),通過(guò)作動(dòng)器輸出與干擾源相反的振動(dòng)并互相抵消．因而主動(dòng)隔振可以不滿足于黏彈性理論,與被動(dòng)隔振同時(shí)應(yīng)用于船舶機(jī)械系統(tǒng)的隔振在理論上是可行的．在具體應(yīng)用中,主動(dòng)控制由于有控制回路和需要獨(dú)立輸出振源,因而不便于安裝．為進(jìn)一步增加主動(dòng)控制系統(tǒng)隔振的作用范圍和安裝便捷性,學(xué)者們主要針對(duì)主動(dòng)控制作動(dòng)器和控制方法兩方面進(jìn)行了研究．

1.2.1 隔振作動(dòng)器

傳感器和作動(dòng)器都是船舶機(jī)械系統(tǒng)主動(dòng)控制的重要元件,分別負(fù)責(zé)傳遞控制信號(hào)和根據(jù)傳遞信號(hào)施加作動(dòng)力抵消機(jī)械設(shè)備傳遞的振動(dòng),學(xué)者們對(duì)主動(dòng)控制作動(dòng)器進(jìn)行了大量研究．主動(dòng)控制作動(dòng)器的類型有氣動(dòng)式、液壓式、電磁式和智能式(如壓電材料作動(dòng)器、磁致伸縮材料作動(dòng)器、電流變液和磁流變液作動(dòng)器)．

應(yīng)用于船舶主動(dòng)控制中的傳統(tǒng)作動(dòng)器類型主要是電磁式作動(dòng)器,電磁作動(dòng)器的原理是一永久磁鐵圍繞著固定內(nèi)線圈,對(duì)線圈施加電壓產(chǎn)生鐵芯的軸向運(yùn)動(dòng)從而產(chǎn)生作動(dòng)力．電磁作動(dòng)器根據(jù)作用機(jī)理和線圈纏繞方式可分為多個(gè)類別,如表1所示[31]．日本學(xué)者在主動(dòng)隔振系統(tǒng)中采用了液壓式作動(dòng)器也取得了良好的隔振效果[32]．液壓作動(dòng)器由液壓缸-伺服閥組成,它能夠在有限空間提供足夠的抵消振動(dòng)的位移或力,缺點(diǎn)是液壓系統(tǒng)容易成為新的噪聲源[33]．氣動(dòng)作動(dòng)器可以看作工作介質(zhì)是空氣的液壓作動(dòng)器,其優(yōu)點(diǎn)是能提供較大的作動(dòng)力、污染小等,缺點(diǎn)是作用頻帶較窄[34]．近年來(lái),智能式作動(dòng)器的發(fā)展十分迅速,這是由于采用智能材料制作傳感器、作動(dòng)器的主動(dòng)控制系統(tǒng)反應(yīng)靈敏、準(zhǔn)確度高．例如常用的壓電智能作動(dòng)器[35], 它的應(yīng)變來(lái)自于電場(chǎng)作用下由微觀粒子引起的晶體結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱, 具有遲滯效應(yīng)小、 能量可循環(huán)的特點(diǎn)．而對(duì)于磁致伸縮作動(dòng)器, 由于采用了新型合金, 其具有很強(qiáng)的應(yīng)變能力和能量密度, 因而產(chǎn)生的力和應(yīng)變較傳統(tǒng)作動(dòng)器更大[33]．

此外,學(xué)者們還對(duì)作動(dòng)器的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了優(yōu)化．Gardonio等[36]提出了半主動(dòng)控制的吸振器調(diào)諧方法,以減小船舶控制元件在低頻段彎曲模態(tài)的共振響應(yīng)．Wang等[37]提出了一種自動(dòng)搜索作動(dòng)器最佳安裝位置的控制系統(tǒng)．Hu等[38]探究發(fā)現(xiàn),增加傾斜角度和尺寸大小作為作動(dòng)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化的參數(shù),相比只將位置作為優(yōu)化參數(shù)可以顯著提升減振效果．可以看到,對(duì)于未來(lái)主動(dòng)控制作動(dòng)器的研究,涉及到學(xué)科交叉應(yīng)用的越來(lái)越多,這需要學(xué)者們了解多種學(xué)科知識(shí),善于將其他領(lǐng)域的新型發(fā)現(xiàn)應(yīng)用在減振降噪領(lǐng)域中,并根據(jù)實(shí)際工程需求運(yùn)用自身的力學(xué)和聲學(xué)知識(shí)進(jìn)行優(yōu)化．

表1 不同類別電磁作動(dòng)器的優(yōu)缺點(diǎn)[31]

1.2.2 主動(dòng)控制策略

控制策略的選擇決定作動(dòng)器產(chǎn)生的作動(dòng)力是否能正確抵消輸入的振動(dòng),這對(duì)于船舶機(jī)械系統(tǒng)主動(dòng)控制十分重要．控制策略的選擇決定主動(dòng)控制系統(tǒng)正確處理輸入信號(hào)和誤差信號(hào)并產(chǎn)生輸出信號(hào)使作動(dòng)器產(chǎn)生作動(dòng)力以抵消機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)．常用的控制策略有獨(dú)立模態(tài)空間法[39]、最優(yōu)控制法、魯棒控制法[40]、速度負(fù)反饋[41]、正位置反饋[42]、PID控制[43]、自適應(yīng)控制法等[44]．獨(dú)立模態(tài)空間法的各模態(tài)互相解耦,可以獨(dú)立地控制某一模態(tài),是主動(dòng)控制的一種重要方法[39];最優(yōu)控制法的原理[40]是在每一時(shí)刻都把當(dāng)時(shí)的系統(tǒng)狀態(tài)當(dāng)作初始狀態(tài),再通過(guò)極大值原理求解;魯棒控制法實(shí)質(zhì)是預(yù)測(cè)未來(lái)隔振系統(tǒng)的最值問(wèn)題;速度負(fù)反饋將反饋的速度信號(hào)直接發(fā)送給作動(dòng)器實(shí)施激勵(lì)[45];PID控制又稱比例-積分-微分控制,它的控制原理是根據(jù)輸出信號(hào)與設(shè)定值的偏差經(jīng)由比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)進(jìn)行控制縮小;自適應(yīng)控制就是尋找自適應(yīng)濾波器的最佳權(quán)值．

近年,學(xué)者們對(duì)傳統(tǒng)的船舶機(jī)械系統(tǒng)主動(dòng)控制策略進(jìn)行了進(jìn)一步改良．Soni等[46]對(duì)主動(dòng)控制提出了三元控制和四元控制兩種控制策略,并與PD控制和PID控制相比較,發(fā)現(xiàn)可以有效抑制振動(dòng)傳遞．為減小忽略高階傳遞函數(shù)所造成的閉環(huán)效應(yīng)溢出的影響,Marinangeli等[47]在傳統(tǒng)的諧振控制、調(diào)諧控制等控制策略方法的基礎(chǔ)上,提出了一種分?jǐn)?shù)階正位置反饋補(bǔ)償器．袁明等[48]在正位置控制策略的基礎(chǔ)上提出了加速度控制策略,并開(kāi)展了多模態(tài)振動(dòng)主動(dòng)控制試驗(yàn)進(jìn)行模態(tài)分析,發(fā)現(xiàn)基于加速度的控制策略能進(jìn)一步提升機(jī)械系統(tǒng)減振降噪的效果．楊晨[49]將主動(dòng)控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合,以達(dá)到控制系統(tǒng)在低頻段更好的減振效果．Kamaruzaman等[50]考慮將非線性問(wèn)題在多個(gè)點(diǎn)上使用線性最優(yōu)控制以解決非線性問(wèn)題．王俊芳等[51]提出了新的自適應(yīng)控制算法改善控制器飽和問(wèn)題,改善了隔振效果．曹斌芳[52]討論了VSSLMS算法,相較于其他LMS算法,這種算法能根據(jù)信號(hào)的強(qiáng)弱來(lái)調(diào)整步長(zhǎng)大小,從而達(dá)到在非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)中仍然可以跟蹤信號(hào)．張旻旻[53]使用FxLMS控制策略進(jìn)行自適應(yīng)噪聲主動(dòng)控制,從而消除了電聲器件聲信號(hào)和次級(jí)聲源聲延時(shí)的影響,提高了有源控制的作用精度．

由上述文獻(xiàn)可知,學(xué)者們對(duì)于控制策略的改良目標(biāo)主要在于提升控制效果、增大初始可行域和減小計(jì)算量．此外,隨著對(duì)海洋的不斷探索,船舶界與海洋工程界對(duì)工況的需求由單一變得多樣、由簡(jiǎn)單變得復(fù)雜．因而,除了對(duì)控制策略自身進(jìn)行改良,滿足工程背景新的需求也是未來(lái)控制策略研究的一個(gè)重要方向．

1.2.3 主被動(dòng)交叉耦合隔振

主被動(dòng)交叉耦合隔振的應(yīng)用背景是為了設(shè)計(jì)出一套在全頻段都具有良好隔振效果的機(jī)械減隔振系統(tǒng)．經(jīng)過(guò)學(xué)者的研究和設(shè)計(jì),被動(dòng)隔振器在中高頻段的隔振效果得到了很大提升．然而,被動(dòng)隔振器的一大缺點(diǎn)是對(duì)于低頻的隔振效果不佳——被動(dòng)隔振的隔振機(jī)理使得它在低于機(jī)械系統(tǒng)本身的固有頻率的頻段隔振效果不佳[54],甚至在固有頻率處機(jī)械減隔振系統(tǒng)反而會(huì)放大振動(dòng)．而主動(dòng)控制的應(yīng)用可以有效提升對(duì)低頻段的隔振效果,但主動(dòng)控制需要配備控制回路和能量源,需要較大的安裝空間和成本．因而學(xué)者們考慮結(jié)合主動(dòng)隔振和被動(dòng)隔振,以達(dá)到在更寬的頻段內(nèi)機(jī)械減隔振系統(tǒng)都具有良好的振動(dòng)阻礙作用．

很多學(xué)者設(shè)計(jì)了主被動(dòng)集成隔振系統(tǒng)并通過(guò)設(shè)計(jì)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)后隔振性能的提高:吳磊[54]針對(duì)船用6135柴油發(fā)電機(jī)組的減振需求,采用模塊化設(shè)計(jì)思想,將主動(dòng)控制系統(tǒng)與雙層被動(dòng)隔振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相結(jié)合進(jìn)行集成化的主被動(dòng)隔振裝置設(shè)計(jì),并測(cè)量了不同轉(zhuǎn)速工況下的柴油發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)響應(yīng),最終驗(yàn)證了主被動(dòng)集合隔振裝置的有效性．Li等[55]將非接觸式磁懸浮驅(qū)動(dòng)器集成到空氣彈簧中,采用主動(dòng)控制與被動(dòng)控制相結(jié)合的方法來(lái)進(jìn)行隔振．Niu等[6]考慮將機(jī)器控制(主動(dòng)控制)和浮筏控制結(jié)合為完全控制,以功率流的傳輸效率為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn),將之與機(jī)器控制(主動(dòng)控制)和浮筏控制相比較．此外,學(xué)者們以主被動(dòng)集成系統(tǒng)的某一物理參數(shù)為基準(zhǔn)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)．Kamaruzaman等[50]針對(duì)一個(gè)六自由度零剛度磁懸浮系統(tǒng),研究了主被動(dòng)剛度的關(guān)系,以達(dá)到隔振器阻礙振動(dòng)傳遞效果最佳,此外考慮分散PD控制策略,以解決交叉耦合的現(xiàn)象．馬召召等[56]采用電磁作動(dòng)器主動(dòng)單元與橡膠液壓被動(dòng)單元并聯(lián)結(jié)合的方式設(shè)計(jì)主被動(dòng)混合隔振器,并將自適應(yīng)控制引入到主被動(dòng)混合隔振系統(tǒng)中,以隔離船舶動(dòng)力設(shè)備產(chǎn)生的低頻線譜噪聲．還有的學(xué)者將主動(dòng)隔振與半主動(dòng)隔振相結(jié)合:Hasheminejad等[57]基于主動(dòng)和半主動(dòng)混合控制,采用由串/并聯(lián)壓電作動(dòng)器表皮層和半主動(dòng)電流變液核心層組成隔振系統(tǒng)[58]．主被動(dòng)耦合隔振除了對(duì)于力學(xué)特性的不斷研究,同時(shí)考慮了主被動(dòng)耦合隔振會(huì)造成減隔振機(jī)械系統(tǒng)體積過(guò)大,如何在不損傷或者小損傷減隔振效果的基礎(chǔ)上減小減隔振機(jī)械系統(tǒng)的體積也是一個(gè)重要的研究方向．

2 動(dòng)力吸振技術(shù)

動(dòng)力吸振器是由振子、彈性元件和阻尼元件組成的子系統(tǒng),附加在需要減振的結(jié)構(gòu)上,其物理模型可建立為一個(gè)“質(zhì)量-彈簧-阻尼”系統(tǒng)．其中,被動(dòng)動(dòng)力吸振器減振的原理為利用子系統(tǒng)附加在主系統(tǒng)上以吸收它的振動(dòng)能量,主動(dòng)動(dòng)力吸振器減振的原理為給定一個(gè)與激勵(lì)相位相反的作動(dòng)力來(lái)抵消振源的振動(dòng),以減少傳遞到控制物上的振動(dòng)[46]．

2.1 被動(dòng)動(dòng)力吸振器

被動(dòng)動(dòng)力吸振器可以有效消除船舶機(jī)械減隔振系統(tǒng)低頻段的振動(dòng)峰值,但起作用的頻段較窄．被動(dòng)動(dòng)力吸振器可以看作附屬于受控對(duì)象的一個(gè)子系統(tǒng),具有一定的質(zhì)量、剛度和阻尼,通過(guò)附屬子系統(tǒng)的振動(dòng)重新分配一部分振源的振動(dòng),以減少受控對(duì)象的振動(dòng)[59]．因?yàn)榫€性元件具有概念簡(jiǎn)單、易于計(jì)算的特點(diǎn),被大量使用于傳統(tǒng)的動(dòng)力吸振器的阻尼元件中．但當(dāng)固有頻率偏離傳統(tǒng)動(dòng)力吸振器減振性能好的特定頻率范圍之后,傳統(tǒng)的動(dòng)力吸振器的減振性能會(huì)急速下降[60]．由于被動(dòng)吸振器的作用頻段范圍較窄,被動(dòng)吸振器一般被用于解決原主系統(tǒng)的共振問(wèn)題．

為進(jìn)一步應(yīng)對(duì)機(jī)械噪聲頻段較寬的工況,非線性吸振器應(yīng)用頻帶寬的特性越來(lái)越受學(xué)者們重視,非線性能量匯就是一種在船舶機(jī)械減隔振領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的非線性吸振器．非線性能量匯的作用機(jī)理是振源的能量單向傳遞到非線性能量匯中,受非線性能量匯中的阻尼作用抵消[61]．

雙穩(wěn)定非線性能量匯的魯棒性好,低頻段減振性能好,但質(zhì)量較大;聲學(xué)黑洞可減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量,提升結(jié)構(gòu)高頻段減振性能．Jiang等[7]研究了隔振和吸振的耦合機(jī)理,在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種非線性被動(dòng)隔振系統(tǒng),并采用諧波平衡法評(píng)價(jià),發(fā)現(xiàn)隔振和吸振被動(dòng)集成的隔振系統(tǒng)相比單一隔振系統(tǒng)具有更好的減振性能．Wang等[62]考慮結(jié)合雙穩(wěn)定非線性能量匯和聲學(xué)黑洞結(jié)構(gòu),同時(shí)提升了它在低輸入能量和高輸入能量下的減振性能．Sheng等[63]研究了影響動(dòng)力吸振器振動(dòng)控制效率的因素,為擴(kuò)寬動(dòng)力吸振器衰減帶,結(jié)合失諧效應(yīng)和聲黑洞效應(yīng),提出了新的調(diào)諧規(guī)則．孫斌等[64]針對(duì)機(jī)械設(shè)備雙頻帶激勵(lì)特點(diǎn),利用MATLAB中四階Runge-Kutta數(shù)值算法對(duì)比研究了耦合NES和線性動(dòng)力吸振器的減振效果．

非線性能量匯的減振效果很好,但是適用的能量帶寬較窄．可以和其他的隔振方式耦合適用,以期適用的工程問(wèn)題范圍更廣．

2.2 主動(dòng)動(dòng)力吸振器

在實(shí)際工況中,船舶機(jī)械系統(tǒng)往往面臨頻段寬具有多個(gè)振動(dòng)峰值、激勵(lì)頻率變化大的振動(dòng)噪聲環(huán)境,這時(shí)被動(dòng)吸振器很難達(dá)到理論上的最優(yōu)隔振效果,主動(dòng)吸振器適用于抑制寬頻段的振動(dòng),在船舶機(jī)械系統(tǒng)減振降噪方面具有非常大的意義．在作用機(jī)理方面,主動(dòng)動(dòng)力吸振器是一種有源吸振,在被動(dòng)吸振器的基礎(chǔ)上增加了作動(dòng)器,根據(jù)受到的干擾施加一個(gè)抵消振源的作動(dòng)力[65]．

學(xué)者們也將新型材料應(yīng)用于動(dòng)力吸振器的主動(dòng)控制中,以期船舶機(jī)械系統(tǒng)獲得更好的吸振性能:基于比例積分主動(dòng)控制策略,Kassem等[66]設(shè)計(jì)了一種復(fù)合材料吸振器,能有效抑制環(huán)向振蕩．

在實(shí)際應(yīng)用中,常常將動(dòng)力吸振器安裝在船舶隔振系統(tǒng)中,以更好地阻礙振動(dòng)傳遞:Rasid等[67]基于傳感器融合法,考慮將主動(dòng)動(dòng)力吸振器引入到主動(dòng)隔振系統(tǒng)中,以得到更高的性能．其中主動(dòng)動(dòng)力吸振器在低頻段作為傳感裝置,高頻段作為控制裝置,以更好地輔助主動(dòng)控制機(jī)械系統(tǒng)減振降噪．

由于主動(dòng)吸振器仍然考慮使用作動(dòng)器產(chǎn)生作動(dòng)力的方式來(lái)提升減隔振效果,可以借鑒參考主動(dòng)隔振的研究成果,甚至與主動(dòng)隔振系統(tǒng)集成耦合后使用．

2.3 新型動(dòng)力吸振器

主動(dòng)動(dòng)力吸振器雖然吸振效果好,但成本較高,體積較大,新型動(dòng)力吸振器在具有抑制寬頻段多峰值能力的同時(shí)成本和體積都比主動(dòng)動(dòng)力吸振器?。畬W(xué)者們嘗試將智能材料應(yīng)用于動(dòng)力吸振器的研究上或設(shè)計(jì)出自適應(yīng)的半主動(dòng)動(dòng)力吸振器．它們的作用機(jī)理是可以調(diào)整吸振器的質(zhì)量剛度等物理參數(shù),從而改變自身的固有頻率,使得半主動(dòng)動(dòng)力吸振器可以根據(jù)主系統(tǒng)激勵(lì)頻率的變化達(dá)到實(shí)時(shí)最優(yōu)的隔振效果．新型動(dòng)力吸振器相較被動(dòng)動(dòng)力吸振器具有調(diào)整頻段寬,適用于變頻激勵(lì)的特點(diǎn);相較于主動(dòng)動(dòng)力吸振器可以節(jié)省作動(dòng)器的安裝空間,在安裝便捷性上具有更大優(yōu)勢(shì),適用于安裝空間小的工況．

楊志榮等[68]結(jié)合智能材料磁變流體,提出了一種新型船用磁流變體吸振器,并探究了它的固有頻率改變規(guī)律,固有頻率的變化與電流的變化成正相關(guān),與溫度的變化成負(fù)相關(guān),初始溫度(15 ℃)下施加8 A電流,吸振器移頻可達(dá)到27.5 Hz．李浩田等[69]提出了一種空氣-磁流變液半主動(dòng)動(dòng)力吸振器,它的機(jī)理是通過(guò)空氣彈簧實(shí)現(xiàn)可變剛度,通過(guò)磁流變液阻尼器實(shí)現(xiàn)可變阻尼．負(fù)剛度動(dòng)力吸振器在低頻區(qū)沒(méi)有傳統(tǒng)動(dòng)力吸振器的減振效果好,因而邢昭陽(yáng)等[70]根據(jù)on-off控制策略,設(shè)計(jì)出一種控制回路,使得吸振器隨著不同頻段的干擾改變負(fù)剛度k的數(shù)值,從而綜合傳統(tǒng)吸振器和負(fù)剛度模型的優(yōu)點(diǎn),在寬頻段內(nèi)抑制振動(dòng)．王田[71]基于形狀記憶合金、光滑不連續(xù)振子和磁流變液,設(shè)計(jì)了一種具有非線性的變頻變阻尼半主動(dòng)動(dòng)力吸振器,并將加速度作為評(píng)價(jià)吸振器的力傳遞率指標(biāo),發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)溫度和電流強(qiáng)度來(lái)改變剛度、阻尼等參數(shù)以達(dá)到針對(duì)寬頻段仍有良好的減振效果．Kecik[72]采用壓電材料和磁致伸縮材料設(shè)計(jì)一種可以回收能量的動(dòng)力減振器．它的機(jī)理是:壓電系統(tǒng)受外力作用變形,當(dāng)使用磁致伸縮材料時(shí),不僅會(huì)產(chǎn)生電流和電壓,同時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng),電磁系統(tǒng)又將剩余的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能．李凱翔等[73]設(shè)計(jì)出根據(jù)追蹤傳感器主系統(tǒng)上實(shí)時(shí)的頻率變化自動(dòng)調(diào)節(jié)自身固有頻率的自適應(yīng)動(dòng)力吸振器．

半主動(dòng)吸振器的優(yōu)勢(shì)在于增加了自身吸振效果較好的頻段范圍,同時(shí)不需要安裝能量源,能有效減小吸振系統(tǒng)的安裝體積．將新型材料和新型結(jié)構(gòu)形式應(yīng)用于半主動(dòng)吸振器,使其自適應(yīng)更靈敏準(zhǔn)確,是減振降噪的一個(gè)重要方向．

3 研究與計(jì)算方法

準(zhǔn)確預(yù)報(bào)機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動(dòng)噪聲對(duì)船舶的減振降噪非常重要．隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,機(jī)械噪聲預(yù)報(bào)方法在國(guó)內(nèi)外已有廣泛的研究,取得了豐富的研究成果:學(xué)者們研究了模態(tài)綜合法、頻響函數(shù)法、四端參數(shù)法、有限元方法、統(tǒng)計(jì)能量法、功率流法等方法進(jìn)行機(jī)械減隔振系統(tǒng)的建模計(jì)算．可用解析法、數(shù)值法或兩者結(jié)合的方法來(lái)計(jì)算彈性結(jié)構(gòu)振動(dòng)聲輻射,其中解析方法要求計(jì)算的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為經(jīng)典的模型,如梁、板、圓柱面、球殼等．?dāng)?shù)值方法則適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的建模計(jì)算,但隨著計(jì)算模型單元數(shù)的增加,對(duì)計(jì)算機(jī)的性能要求急速增加,計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)[74]．

3.1 理論建模與數(shù)值計(jì)算方法

學(xué)者們?；谀B(tài)的角度分析船舶機(jī)械系統(tǒng)的振動(dòng)和聲傳播問(wèn)題．模態(tài)包含固有頻率和振型等動(dòng)力學(xué)屬性,在分析機(jī)械系統(tǒng)的振動(dòng)特征時(shí),學(xué)者們常常將物理坐標(biāo)方程組轉(zhuǎn)化為模態(tài)坐標(biāo)方程組并進(jìn)行解耦,這就是模態(tài)分析方法[75]．浮筏隔振系統(tǒng)的子系統(tǒng)越多,則剛體模態(tài)越多,各階固有頻率的間隔越小,楊曉一等[75]針對(duì)這個(gè)問(wèn)題,運(yùn)用模態(tài)分析法對(duì)筏體結(jié)構(gòu)質(zhì)量和隔振器布置做出了優(yōu)化調(diào)整,使得模態(tài)固有頻率避開(kāi)共振區(qū)間．要進(jìn)行模態(tài)分析首先要進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別,學(xué)者們將模態(tài)參數(shù)識(shí)別的方法按識(shí)別域分為時(shí)域法、頻域法,近年來(lái)也有人結(jié)合頻域方法和時(shí)域方法的思想聯(lián)合求解模態(tài)參數(shù)[76]．

由于直接使用有限元法進(jìn)行筏架的建模存在計(jì)算量過(guò)大的問(wèn)題,張華良等[17]采用超單元法進(jìn)行筏架的建模．超單元法將模態(tài)綜合法與有限元法相結(jié)合,在大幅減小建模規(guī)模的基礎(chǔ)上可以保留較完整的低頻特性．李中付和華宏星[77]基于模態(tài)分析原理,提出了時(shí)頻域聯(lián)合方法,將傳統(tǒng)模態(tài)識(shí)別方法適用的激勵(lì)由白噪聲激勵(lì)拓展到了非穩(wěn)態(tài)激勵(lì),根據(jù)多自由度線性結(jié)構(gòu)響應(yīng)辨識(shí)了結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)．黃繼嗣[78]為驗(yàn)證主動(dòng)控制對(duì)低頻線譜的噪聲控制效果,開(kāi)展了管路多線譜噪聲試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明,管內(nèi)降噪效果可以達(dá)到10 dB以上．

頻響函數(shù)綜合子結(jié)構(gòu)方法是子結(jié)構(gòu)方法中的一種．首先將結(jié)構(gòu)劃分為若干子結(jié)構(gòu),得到內(nèi)點(diǎn)和連接點(diǎn)的位移與力的關(guān)系矩陣,即是頻響函數(shù)矩陣,在裝配綜合后可以得到整體結(jié)構(gòu)的頻響函數(shù)綜合矩陣．頻響函數(shù)法的優(yōu)勢(shì)在于可以直接使用試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù),消除一部分計(jì)算誤差,尤其是中高頻模態(tài)密集的頻段,頻響函數(shù)法仍然可以保證計(jì)算的準(zhǔn)確性．

薛偉敏和華宏星[79]介紹了頻響函數(shù)法解決高頻段問(wèn)題的優(yōu)勢(shì)及頻響函數(shù)法的發(fā)展;黃修長(zhǎng)等[80]配合頻響函數(shù)法,設(shè)計(jì)了靈敏分析方法,對(duì)隔振器進(jìn)行了優(yōu)化;高云劍等[81]采用頻響函數(shù)法對(duì)浮筏隔振器進(jìn)行傳遞誤差分析,并通過(guò)矩方法對(duì)傳遞誤差進(jìn)行定量分析;況成玉等[82]運(yùn)用頻響函數(shù)法評(píng)價(jià)周期性桁架浮筏在高頻段抑制振動(dòng)傳遞的性能并與傳統(tǒng)浮筏相比較,發(fā)現(xiàn)周期性桁架浮筏在高頻段能更好地抑制振動(dòng)傳遞;程世祥等[83]基于頻響函數(shù)法研究設(shè)計(jì)出周期性桁架浮筏,并進(jìn)行激振實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了其相較于傳統(tǒng)浮筏在高頻段具有更好的隔振性能．

此外,也有學(xué)者研究通過(guò)試驗(yàn)方法確定算法的輸入動(dòng)力學(xué)參數(shù),例如四端參數(shù)法．四端參數(shù)網(wǎng)絡(luò)法的原理是將復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)分解為單個(gè)黑匣子子系統(tǒng),給出了一個(gè)四端參數(shù)矩陣,再對(duì)多個(gè)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行串聯(lián)和并聯(lián)．張峰[84]基于四端網(wǎng)絡(luò)參數(shù)法建立了計(jì)算浮筏隔振系統(tǒng)的振動(dòng)傳遞的方法和空間浮筏的設(shè)計(jì)模型(圖3)．

圖3 單輸入單輸出線性機(jī)械系統(tǒng)[84]Fig. 3 The single-input-single-output linear mechanical system[84]

由于考慮振動(dòng)噪聲沿機(jī)械隔振系統(tǒng)傳遞方向帶來(lái)的解耦問(wèn)題,四端參數(shù)法一般只考慮筏架由法向方向向基座傳遞的噪聲物理參數(shù),但縱向和切向的輸入量同樣影響法向的輸出量,考慮三方向的耦合能進(jìn)一步提升四端參數(shù)法的準(zhǔn)確度．

3.2 直接數(shù)值計(jì)算方法

直接數(shù)值方法是指單純采用有限元/邊界元方法求解問(wèn)題,它的好處是可以精確計(jì)算形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu),但對(duì)硬件需求高,在計(jì)算大型結(jié)構(gòu)時(shí)需要很長(zhǎng)的時(shí)間．有限元法是對(duì)結(jié)構(gòu)和流體都進(jìn)行有限元網(wǎng)格離散,再建立方程進(jìn)行分析,適用于非線性、多介質(zhì)問(wèn)題[85],但不適用于開(kāi)域無(wú)限空間;邊界元法可以良好地適應(yīng)無(wú)限域、半無(wú)限域,因而學(xué)者們考慮使用有限元-邊界元混合方法進(jìn)行噪聲預(yù)報(bào)[86]．

學(xué)者們?cè)诜治鰞?yōu)化基座和浮筏隔振時(shí)常用有限元方法進(jìn)行建模計(jì)算以分析機(jī)械系統(tǒng)的振動(dòng)規(guī)律．譚星星[87]對(duì)基座進(jìn)行有限元建模并計(jì)算得到了基座的阻抗,再根據(jù)計(jì)算得到的阻抗結(jié)果對(duì)基座進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,減少了基座的總重量和阻抗離散度,提升了基座阻礙振動(dòng)傳遞的效率．王宇等[88]運(yùn)用有限元法對(duì)浮筏隔振系統(tǒng)進(jìn)行建模計(jì)算,以尋找顯著影響機(jī)械系統(tǒng)振動(dòng)的物理量．楊東杰[89]基于等效導(dǎo)納法對(duì)圓柱殼和浮筏隔振系統(tǒng)進(jìn)行了研究,并通過(guò)有限元法建立了圓柱殼和機(jī)械系統(tǒng)的模型,通過(guò)模態(tài)仿真分析驗(yàn)證了機(jī)械隔振系統(tǒng)的振動(dòng)傳遞規(guī)律．有限元法可以建立非常復(fù)雜的模型,但在進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)模態(tài)分析時(shí)需要計(jì)算的模態(tài)太多,因而學(xué)者們采用了不同的方法進(jìn)行有限元計(jì)算的簡(jiǎn)化．吳軼鋼[90]考慮使用零階能量有限元法,該方法使用有限體積法簡(jiǎn)化了功率流法,不需要在連接不連續(xù)處進(jìn)行節(jié)點(diǎn)處理,并進(jìn)一步和邊界元法相結(jié)合,相比傳統(tǒng)的有限元法/邊界元法提升了計(jì)算量．為計(jì)算復(fù)雜線型結(jié)構(gòu),方斌等[91]簡(jiǎn)化了Gordon方法,用節(jié)點(diǎn)位移量代替節(jié)點(diǎn)速度簡(jiǎn)化了有限元/邊界元的計(jì)算過(guò)程．Zhang等[92]在最小二乘近似的基礎(chǔ)上提出一種雙層插值法,使得網(wǎng)格數(shù)減少的同時(shí)提升了計(jì)算精度．

有限元/邊界元方法是一種直接數(shù)值算法,這種方法的優(yōu)勢(shì)在于可以計(jì)算潛艇機(jī)械系統(tǒng)中的復(fù)雜結(jié)構(gòu),但不能進(jìn)行機(jī)理研究．同時(shí)考慮到計(jì)算量,學(xué)者們還考慮了數(shù)值/解析混合計(jì)算方法:將潛艇的外殼簡(jiǎn)化為圓柱殼,用解析法進(jìn)行求解,內(nèi)部的機(jī)械系統(tǒng)采用有限元法進(jìn)行建模計(jì)算[93]．劉濤等[94]采用解析/數(shù)值混合方法對(duì)有限長(zhǎng)加支座的圓柱殼進(jìn)行聲輻射預(yù)報(bào),發(fā)現(xiàn)當(dāng)基座與殼體的尺寸比和質(zhì)量比很小時(shí),基座的振動(dòng)傳遞計(jì)算可忽略水介質(zhì)的影響．

傳統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算方法以位移為主要變量,與力、速度等動(dòng)力學(xué)參數(shù)建立動(dòng)力學(xué)方程,但在涉及到聲振耦合這樣的多系統(tǒng)計(jì)算時(shí)物理參數(shù)換算比較麻煩,用能量作為主要變量可以有效解決這一問(wèn)題．統(tǒng)計(jì)能量法和功率流法都是在這一思想的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的．

統(tǒng)計(jì)能量法的對(duì)象是相似模態(tài)的集合體,也稱為子結(jié)構(gòu),如桿、板、梁等的某一振動(dòng)模態(tài)可以看作一個(gè)子系統(tǒng)．對(duì)于高模態(tài)的子系統(tǒng),將他們的頻率、振型、阻尼處理成隨機(jī)變量．最后建立外界輸入的功率流和子系統(tǒng)的輸出功率流之間的關(guān)系．統(tǒng)計(jì)能量法是進(jìn)行整體的平均預(yù)報(bào)而非局部的精確預(yù)報(bào),將預(yù)報(bào)得到的能量轉(zhuǎn)換成所需的力學(xué)參數(shù)．統(tǒng)計(jì)能量法要求模態(tài)密度高,而中頻段分析的模態(tài)密度達(dá)不到統(tǒng)計(jì)能量法的要求,為拓展分析頻段,學(xué)者們又提出了基于波動(dòng)理論的功率流方法,其好處是不要求高模態(tài)密度．

劉見(jiàn)華等[95]考慮由于振動(dòng)和聲模態(tài)在高頻段密集的特性,不宜用模態(tài)法解決高頻振動(dòng)問(wèn)題,而使用統(tǒng)計(jì)量描述系統(tǒng)的振動(dòng)規(guī)律;李志遠(yuǎn)等[96]針對(duì)具體設(shè)備浮筏鋪設(shè)情況建立了統(tǒng)計(jì)能量模型,計(jì)算結(jié)果顯示該方法適用于中高頻段,低頻段計(jì)算精度略有不足．吳江海等[97]通過(guò)比較功率流貢獻(xiàn)量發(fā)現(xiàn)浮筏隔振系統(tǒng)對(duì)300 Hz以下的機(jī)械設(shè)備的低頻振動(dòng)隔振效果差,并采用路徑分析方法探究主動(dòng)控制系統(tǒng)的最佳安裝位置．鄒濤和洪明[98]研究了負(fù)功率流出現(xiàn)在傳遞過(guò)程中的原因．

運(yùn)用建模計(jì)算方法進(jìn)行噪聲預(yù)報(bào)是為了更好地設(shè)計(jì)水下船舶減隔振機(jī)械系統(tǒng),以期滿足工程應(yīng)用背景中的減振降噪需求．因而,算法需要計(jì)算效率越來(lái)越高、計(jì)算精度越來(lái)越符合實(shí)際,才能更好地指導(dǎo)水下船舶機(jī)械減隔振系統(tǒng)的建設(shè)．因此,學(xué)者們對(duì)算法的研究一方面在于減小計(jì)算量,想辦法將不重要的單元乃至結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論簡(jiǎn)化;另一方面對(duì)于簡(jiǎn)化后的計(jì)算結(jié)果仍然需要滿足工程實(shí)際問(wèn)題的精度要求,并通過(guò)試驗(yàn)加以驗(yàn)證．

4 總 結(jié)

本文對(duì)機(jī)械系統(tǒng)噪聲預(yù)報(bào)和治理的方法進(jìn)行了梳理:為了使得機(jī)械減隔振系統(tǒng)的計(jì)算精度更高、成本更低、體積更低更便于實(shí)船安裝,減振降噪的頻段范圍更寬(如固有頻率之下頻段的減振降噪問(wèn)題),學(xué)者們從多方面對(duì)機(jī)械減隔振系統(tǒng)進(jìn)行了進(jìn)一步改良．

1) 考慮在船舶機(jī)械隔振系統(tǒng)中使用新型智能材料和新型結(jié)構(gòu),例如對(duì)于非線性準(zhǔn)零剛度隔振器、聲學(xué)黑洞等隔振方法的研究,可以顯著提升被動(dòng)隔振的效果,使得浮筏隔振系統(tǒng)的被動(dòng)隔振性能設(shè)計(jì)變得更精準(zhǔn)和更便于調(diào)控．主動(dòng)控制的研究方向主要包括作動(dòng)器和控制策略的研究．現(xiàn)階段主動(dòng)控制的研究目標(biāo)在于:進(jìn)一步提升主動(dòng)控制的反應(yīng)速度和制動(dòng)范圍,同時(shí)減小主動(dòng)控制系統(tǒng)的體積．在結(jié)合主動(dòng)控制和被動(dòng)控制時(shí)要考慮它們的耦合作用,以及針對(duì)應(yīng)用工程背景做出優(yōu)化．今后船舶機(jī)械隔振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化方向在于:在保證100～200 Hz以下低頻振動(dòng)隔振效果的同時(shí)減小機(jī)械減隔振系統(tǒng)的體積．

2) 主動(dòng)吸振器和半主動(dòng)吸振器使得動(dòng)力吸振器具有寬頻段振動(dòng)抑制的效果．其中主動(dòng)吸振器需要控制回路和次級(jí)振源,進(jìn)一步減少主動(dòng)吸振器的體積是未來(lái)的發(fā)展方向．同時(shí),由于原理都是通過(guò)作動(dòng)器產(chǎn)生作動(dòng)力來(lái)抵消振動(dòng),可以將主動(dòng)吸振器與主動(dòng)隔振耦合使用;半主動(dòng)吸振器本身體積較主動(dòng)作動(dòng)器更小,但同時(shí)由于可調(diào)節(jié)自身物理性質(zhì),適應(yīng)的頻段較被動(dòng)吸振器更寬,是一種非常好用的吸振方式．采用新型材料或新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)半主動(dòng)吸振器,提升其靈敏度和準(zhǔn)確度是一個(gè)非常好的研究方向．此外,非線性能量匯是一種減振效果優(yōu)秀的方法,但適用的能量頻段范圍較窄,與其他減隔振方法集成耦合使用是未來(lái)船舶機(jī)械系統(tǒng)減隔振的一個(gè)重要方向．吸振器未來(lái)的發(fā)展方向在于為寬頻段多峰值的振源設(shè)計(jì)有效的小體積吸振系統(tǒng)．

3) 論述了模態(tài)綜合法、頻響函數(shù)法、有限元/邊界元方法、統(tǒng)計(jì)能量法、功率流法、四端參數(shù)法等常用的建模計(jì)算方法．學(xué)者們通過(guò)模態(tài)分析、仿真計(jì)算、試驗(yàn)驗(yàn)證的方式探究系統(tǒng)的振動(dòng)規(guī)律和機(jī)械系統(tǒng)減隔振效果的影響因素,并為機(jī)械減隔振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和安裝提供依據(jù)．總的來(lái)說(shuō),學(xué)者們?cè)卺槍?duì)工程應(yīng)用背景的需求前提下,提煉出需要設(shè)計(jì)和優(yōu)化的主要問(wèn)題或主要結(jié)構(gòu),運(yùn)用振動(dòng)力學(xué)和聲學(xué)的理論對(duì)方程進(jìn)行簡(jiǎn)化,再將簡(jiǎn)化后的各子系統(tǒng)進(jìn)行集成耦合,最后輔以試驗(yàn)驗(yàn)證．噪聲預(yù)報(bào)的未來(lái)發(fā)展方向在于: ① 如何在計(jì)算方面保證計(jì)算精度的同時(shí)盡可能地縮減計(jì)算量,減小計(jì)算時(shí)間; ② 強(qiáng)化船舶振動(dòng)噪聲測(cè)試技術(shù)研究,增加評(píng)估船舶機(jī)械系統(tǒng)減振降噪效果．