舰艇管路系统振动噪声控制探讨*

刘 洋，陈 健，杨理华，刘晓俊，张 策

（1.海军92763部队，辽宁大连 116041；2.海军31432部队，沈阳 110000；3.海军潜艇学院，山东青岛 266199；4.中国海洋大学，山东青岛 266011；5.国防大学联合作战学院，石家庄 050051）

0 引言

随着我国海军任务增加和战略转型发展，舰艇隐蔽性面临着新的挑战。研究表明若舰艇辐射噪声降低10 dB，被敌方声纳探测发现距离可缩短32%；若舰艇声呐平台自噪声降低5 dB，对敌探测追踪距离可增加60%，搜索目标海区面积可扩大至原来3 倍。因此，降低舰艇辐射噪声和声目标强度对其生存和作战性能至关重要，各国海军非常重视舰艇隐身性能。美海军在《2000—2035年海军技术——潜艇平台技术》报告中还将潜艇声隐身技术列为关键技术之首。

舰艇低速航行时，主机、轴系、推进器等系统辐射噪声最为严重，约占总辐射噪声70%。随着空气弹簧、浮筏等隔振技术应用，这些设备通过机脚、基座所致“第一声学通道”振动噪声已得到较好控制。此时，管路系统所致“第二声学通道”振动噪声问题日益凸显。舰艇操舵、液压、燃油及海水冷却等管路系统包含泵、管路、接头及马脚等部件，常存在共振啸叫、疲劳失效等问题。管路系统中泵和压缩机等增压设备会使管内流体产生强压力脉动，而脉动流体与管道互激耦合，容易诱发管路系统及其附属管件结构产生耦合振动噪声，一方面会造成管路及精密仪器附件损坏，影响管路及动力系统正常运行；另一方面管路系统振动噪声会通过艇体内外流体交换而产生辐射噪声，对艇员生存环境和舰艇隐身性能构成较大威胁。

对此，管路系统常用挠性接管、弹性支撑及缠绕阻尼胶带等方法抑制管路振动传递，但这些被动措施对管路低频振动收效甚微。随着机械设备振动控制技术日趋成熟，已有学者将其将其迁移至管路振动控制，取得了一定的控制效果。然而，管路系统振动机理十分复杂、特征频率多变且安装条件更为苛刻。因此，本文深入开展舰艇管路系统振动激励分析及其控制技术研究，为我国舰艇管路设计及振动噪声控制问题提供理论依据和技术支撑。

1 管路振动机理

一般来讲，舰艇管路振动包括振源、传递路径，具体如图1～2 所示。图1所示管路系统中包括水箱、叶片泵、挠性接管、支撑马脚等部件，图2为支撑马脚具体结构，包括金属外圈、橡胶内圈、橡胶隔振器和金属支架。

图1 管路振动噪声危害示意图

图2 管路支撑马脚

管路系统噪声危害主要有3个方面，具体如下所示。

（1）管路相连附件结构传递振动。由支撑基础和泵等振源设备振动是管路主要激励源，特别是其与管路固有频率重合时将会产生强烈振动，甚至引起舰艇壳体共振。

（2）流体压力脉动所致振动。压缩机、泵等增压设备会产生强烈的流体压力脉动，这些脉动压力随着液体传递至水环境中，严重影响舰艇声隐身能力。

（3）管内流体涡流气柱共振所致振动。在叶片泵、管路弯角等部位，液体因突然变换方向，可能出现复杂的流固气耦合振动。

舰艇管路系统存在多种形式振动耦合，有流固耦合、波流耦合及波波耦合等，实际研究不考虑流体压缩性时，可忽略后两项影响。针对典型舰艇管路系统流固耦合振动，国内外学者已开展诸多研究，并获得诸多研究成果。Tijsseling[1]认为管路流固耦合含泊松耦合、摩擦耦合、结合部耦合及Bourdon 耦合等。泊松耦合是指液体压力脉动所致管路径向缩胀运动，摩擦耦合是指流体与管路间的摩擦作用，结合部耦合是指在某些连接件处流体与管路间较强的耦合作用。从作用机理来看，前两项是其整体固有特征，后两项属局部特性，与管道形状和结构等有关。Joukowsky[2]提出水锤理论，为流固耦合研究奠定理论基础。Skalak[3]对水锤理论进行扩展建立流固耦合4方程模型。Davidson[4]修正4 方程模型提出弯管8 方程模型揭示轴向和横向运动规律，为方程传递矩阵法求解提供理论基础。Watanabe[5]还对流致振动进行试验分析，并分析理论模型稳定性。刘江伟[6]利用传递矩阵法建立周期附加质量充液管路带隙理论模型，在未考虑流固耦合因素时研究管道入口激励振动特性。陆春月[7]考虑泊松耦合，研究脉动激励下竖直方向管道流固耦合振动特性。赵千里[8]考虑流动模型修正因子，推导两端固定式弹性支承管路振动方程，得到管路强迫振动稳态表达式。安晨亮[9]提出考虑摩擦项的流固耦合14 方程传递矩阵模型数值解法，并分析压力对管路流固耦合动力学行为影响。柳贡民[10]对流固耦合14 方程模型进行改进，提出弹性支撑条件下14 方程模型。马腾[11]采用傅里叶级数法建立管路耦合振动模型，可为复杂边界支承管路耦合振动研究提供分析手段。

此外，工程应用中还常采用有限元或实验途径开展管路特性研究。王武[12]采用三维流固耦合有限元方法，建立较为准确的管道振动特性数值预测方法。李继世[13]应用Timoshenko 梁理论和能量法得到管路湿模态振动方程，基于ANSYS 软件开展含流体因素影响的管路模态特性分析。Evans[14]、Pittard[15]用试验法探究管道系统系振动特性与流体介质流量内在机理，为管路系统耦合振动研究提供了有效的技术手段。

2 管路振动被动控制

管路振动不可避免，一般可通过降低管路设计流速、选用低噪声阀门、合理设计支吊架、避免使用直角弯管和大角度变截面管等方式获得一定控制效果，但仍难以满足振动控制需求。当前，管路系统及其附件振动控制方式主要分为5类，具体如下所示。

（1）合理设计管系避免共振。调整管路支承件数量与布局，使管路系统固有频率避开干扰频率点。

（2）设计流体缓冲器及衰减器。在管路中安装压力脉动衰减器，降低管路内脉动激励幅值，但其衰减流体脉动时也会造成静压损失，故使用受到限制。

（3）使用弹性管段和减振管材。在管路中采用挠性管接头，降低振动沿管壁传递效果。在管路与基础间安装阻尼器，降低管路与基础振动传递。

（4）采用管路包扎或外敷设阻尼材料。管路包扎是通过在管路外包扎吸声、隔声材料来降低管路振动噪声，但须注意温度等因素对阻尼材料性能的影响，同时考虑到施工复杂度等问题。

（5）采用动力吸振装置。动力吸振是一种对安装条件依赖较少的减振方法，但在其固有频率和管路工作频率相同时，减振效果才较为明显。对于不同管路系统，就要研制对应的吸振器，设计较为繁琐。因吸振器固有频率不易调节，多用于定频振动场合，一定程度上限制了多工况条件下的应用。

3 管路振动主动控制

被动控制方式本质为改变管路系统模态频率比、增大结构阻尼，该方式具有减振机理明确、无能量输入且易于实现等优点，一定程度上能缓解管路振动，但其参数不能适应环境变化、控制频带较窄、变频振动控制效果不佳。研究表明主动控制能有效控制沿管路传递源激振动[16]，已在机械设备振动控制方面获得较好控制效果。

英国国防局研制了有源控制管道接头，能有效抑制管路系统振动噪声传递。Johann 设计一种通过改变控制元件参数实现吸振频率可调的三维吸振器，已应用于工程实际。Wolfel 公司设计ADD Pipe 管路主动吸振器，也用于化工厂输液管路振动控制。CheerJ[17]采用非侵入式压电堆控制装置对管路振动和声辐射进行控制，最高可获得30 dB 振动控制效果。Kartha[18]设计一种压电作动器Helmholtz 共振腔，也可有效降低管路流体脉动，实验台架设计如图3所示。Maillard[19]也研制一种圆环状压电作动器，可在管壁上产生轴对称平面波，在径向与流体脉动反向耦合，从而实现管路流体脉动控制。此外，俄罗斯、德国、加拿大等国家均在其舰艇上开展有源控制技术研究。

图3 管道压电作动器主动控制实验

与之相比，国内研究在这方面起步较晚，研究水平仍有差距，尤其在舰艇管路振动噪声控制方面还有诸多工作。李玩幽[20]设计一种能跟踪频率变化的电磁吸振器，开展管路振动半主动控制研究，为管路振动控制提供了新的技术途径。焦宗夏[21]对液压系统节流阀开孔进行主动控制，实现液压管路流体脉动实时控制。胡杰[22]研制一种黏弹性电磁动力吸振器，通过调节磁铁作用力实现振动主动控制。张错锋[23]研究输流管路在脉动激励作用下参数共振的主动控制问题。潘文龙[24]建立强振动环境下液压管道流固耦合振动减振模型，仿真表明主动减振可有效减小管道横向振动。马腾[25]提出一种V 型吸振装置，并基于Fx-LMS 控制算法开展管道振动控制实验研究。王震[26]设计一种主动动力吸振器并开展管道振动控制研究，能减弱管道低频振动。孙运平[27]还采用惯性式作动器对障板振动进行控制，实现管道所致结构辐射声抑制。这些装置虽有一定控制效果，但也在输出力、集成度等方面仍有改进空间，一定程度上限制了其工程应用。对此，王璐颖[28]针对管路中低频线谱振动难以消除的问题，介绍了主动控制技术应用现状并提出了改进建议。姜海龙[29]针对传统隔振低动刚度和失稳之间矛盾等问题，系统分析了主动控制技术的优越性和未来发展趋势。王迎春[30]分析了船舶低频线谱噪声传递路径，阐述了主动控制技术研究进展和发展趋势。

4 管路振动噪声控制建议

舰艇管路系统广泛与各种机械部件连接，并通过马脚等附属器件固结与舰船壳体。因此，管路系统振动诱因较为复杂，产生振动噪声时治理难度相对较大，一般可从以下几个方面实施控制。

（1）在管路连接机械处和管路中故障位置，合理布设振动传感器和加速度，通过频率分析等方法获取异常状态下频率信息，若为中低频振动噪声可能与机械设备故障密切相关，若为高频噪声可能与内部流体介质特性有关。此时，应根据振动噪声表征特点，逐步分析管路振动噪声故障并排除。

（2）管路在安装过程中，要注意相邻管路系统，特别是不同介质的管路系统不要通过相同马脚结构进行固结安装，防止管路系统因共振产生复杂的流固耦合振动，降低管路系统振动噪声控制效果，降低管路系统使用寿命。此外，在管路和机械设备连接过程中，要注意使用挠性接管进行连接，尽量抑制机械设备振动直接刚性传递至管路系统，进而诱发管路系统结构振动。

（3）管路系统中尽量选用直管进行流体传递，减少弯管、异型管等形式使用频数，降低管路系统冲击所致噪声影响。在管路中阀门安装位置，尽量使用管路包裹和弹性隔离式马脚安装固定管路系统，有效降低阀门启闭状态下管路噪声的不利影响。

（4）针对部分管路系统振动噪声明显，而被动控制效果不佳的情况。可以采用管路系统主动控制技术应用，但要以传递至舰艇壳体结构上振动降低为控制目标。这种方法控制效果较好，但可能涉及牵连工程等问题，应用过程中需结合实际综合考虑。

（5）随着管路材质技术快速发展，可以采用新型声学材料设计管路结构，抑制管路系统振动噪声传递[31]。例如，美国海军曾发明一种“超疏水”油漆式涂层材料，其吸声性高达91%，具有极强的吸声性能，可有效降低管路甚至舰艇振动噪声传递。

（6）在管路系统振动机理方面，当前诸多管路系统和边界条件相对简单，流固耦合主要适用于常压、常速管路系统，且控制方式频带较窄、环境适应能力欠佳。随着现代舰艇高机动、高隐身性能发展趋势，对管路系统在高速、高压工况下振动噪声特性也提出了更高的要求。为此，针对舰艇管路系统非定常流固气多源耦合激励，容易激起宽频、多点管路结构共振或大幅强迫振动等问题，还需亟需深入开展研究工作。

5 结束语

舰艇管路系统振动噪声包含频带宽、强度大，容易暴露舰艇位置信息并影响艇员身心健康。对此，本文系统分析了舰艇管路系统振动噪声自身特性及流固耦合振动产生机理，详细论述了被动振动控制及主动控制等方面研究现状，并给出了管路系统振动噪声控制建议和措施。此外，为有效实现舰艇管路振动控制，还需深入研究充液管路流固耦合振动噪声诱发机理，揭示其结构设计、管路布置和介质流动等因素所致振动噪声规律。可为管路振动噪声控制研究提供参考依据，具有重要的军事意义和应用价值。