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北斗智库环保管家网讯：机械噪声是潜艇低速巡航时最主要的噪声源，有效控制机械噪声是潜艇实现安静化的首要环节。本文从潜艇机械设备选用评估、设备布置与弹性安装、管路系统布置和设计、基座和壳体设计、消声瓦隔声处理等几个方面评述国内外潜艇机械噪声控制技术的现状及存在的主要问题，并提出实现机械噪声定量设计与控制的关键问题。
前言
潜艇由于具有隐蔽性与突发攻击能力的特点而成为现代海军的主战力量。降低潜艇水下辐射噪声和声目标强度，可以减小敌艇发现我艇的距离,提高我艇的隐蔽性，还可增大我艇发现敌艇的距离,增强我艇对敌艇实施先敌攻击的能力；同时增加我艇发现敌方来袭鱼雷的距离，缩短敌方鱼雷声自导作用距离,提高我艇的生存能力。因此,潜艇的声隐身性能,对于提高潜艇的综合作战能力具有事半功倍的效果。
潜艇声隐身技术是降低与控制潜艇的声目标特征信息的技术,包括控制辐射噪声和降低声目标强度2方面。通过综合利用多学科的基础理论和应用技术,一方面研究解决总体声学设计技术、低噪声推进器设计技术、机械与结构噪声控制技术、水动力噪声控制技术、多功能声学覆盖层技术、潜艇声特性测试及声源识别技术等多项关键技术,控制潜艇辐射噪声;另一方面研究解决线型优化设计技术、消声瓦设计和应用技术,降低潜艇声目标强度和回声亮点等声反射特征信息,实现潜艇声隐身的目的。
潜艇是一个复杂的噪声源分布体,水下噪声产生的原因主要有以下3个方面：
（1）机械设备和管系通过基座与非支撑件激励艇体振动并向水中辐射噪声,舱室空气噪声激励艇体振动产生水下噪声以及通海管路中的流体脉动向水中辐射噪声；
（2）螺旋桨在非均匀流场中旋转运动产生辐射噪声,以及螺旋桨诱导脉动压力通过轴系激励或直接激励艇体产生噪声；
（3）艇体结构受表面湍流脉动压力激励产生水动力噪声,以及突体、附体、空腔与湍流脉动压力相互作用产生水动力噪声。
这3种噪声源中,机械设备产生的噪声是潜艇低速巡航时最主要的噪声源。控制和减小潜艇机械噪声是潜艇实现安静化的首要环节。虽然潜艇机械设备产生水下噪声的途径多种多样,但其控制主要从声源和声传播2方面来考虑:选用低噪声设备;隔绝或减小振动、噪声和激励力的传递途径。
本文从潜艇机械设备源特性参数的测试与评估、设备布置与弹性安装、管路系统布置和设计、基座和壳体设计、消声瓦隔声处理等几个方面论述国内外潜艇机械噪声控制技术的现状及存在的问题,并提出今后机械噪声控制的发展建议。
1 国内外潜艇声隐身技术现状及存在的问题
1. 1 机械设备源特性参数的测试与评估
低振动噪声机械设备的选用,是控制潜艇水下噪声的第一层面的技术,它直接关系到能否实现潜艇安静化的目标。机械设备的安静性设计,决定于国家的工业基础和设计水平,以及材料和加工工艺等因素,美、俄等国已经形成一整套低噪声设备设计方法和研制体系,并投入装艇应用。
我国在这方面还比较落后,没有形成针对安静性潜艇要求的机械设备设计和加工体系,难以全面满足潜艇声学设计的需求,某种程度上已经成为制约潜艇水下降噪技术发展的一个瓶颈。但在实际设计及使用中,制订了装艇设备振动噪声指标限值,并在设备出厂前严格测试,振动噪声超标限期整改,达标后方可验收,此举有效地限制了设备振动噪声的量级,对降低潜艇水下噪声起到了积极作用。
机械设备作为潜艇主要的激励源,其激励特性的表征参数一直是近10多年来潜艇机械噪声研究的焦点。早年国外较多地采用互易原理和等效力方法测量设备的激励特性。目前表征设备激励特性的参数主要有设备机脚振动加速度或速度、激励力、结构输入功率、自由速度等参数。每个参数都对应着一定的测试方法和测试环境要求,否则会失去其作为设备声学表征参数的客观性。设备机脚振动加速度或速度描述设备激励特性,具有简单实用的特点,易于在试验室和实艇上实施测量,但因试验室和实艇测试环境不同而使测量结果产生较大的差异。
激励力是理论预报潜艇水下辐射噪声的常用输入参数,但它是一种比较理想化的参数,比较难以获取。在试验室中可采用直接测量法和间接测量法测量。直接测量法将力传感器安装于设备机脚固定螺栓上测量激励力。间接测量法通过测量设备机脚处振动加速度和输入机械阻抗实现激励力的测量[1]。在实艇上,仅能采用间接测量法测量,其测试结果与设备安装点的基座输入阻抗有密切关系,需要在设备安装前严格测试基座的输入阻抗,并考虑基座不同安装点的互阻抗对安装点输入阻抗的影响。
近年来,国外已经发展到将机械设备输入给艇体结构的功率作为表征设备激励特性的参数,输入功率包括每个作用点直接传输的功率和作用点之间耦合传输的功率。已知设备安装点的机脚振动加速度和基座的输入阻抗,原则上就可以计算输入功率。ISO/TC43/WG22N58和英国BS848, Park6标准建议使用“自由速度”描述设备的振动强度。所谓“自由速度”是弹性安装的机电设备处于自由振动状态测量到的机脚速度,它可以近似描述机械的振动强度,而且可以与设备弹性安装状态的输入功率相联系。目前英、美、日、俄等国均采用此参数描述设备的振动强度。
国内对设备激励特性的表征参数基本上有了统一认识,目前比较普遍采用的是用设备机脚振动加速度或速度和激励力来描述设备激励特性,但还没有建立完善的不同测试环境下设备激励特性测量结果的换算关系,无法实现由平台和实艇基座的机械阻抗关系,将平台测量的设备振动换算成实艇基座上的设备振动,实艇基座输入阻抗的测试没有充分考虑不同安装点的互阻抗对安装点输入阻抗的影响。设备自由速度以及结构输入功率等参数的获取和测量方法尚在刚刚起步的研究阶段,设备弹性安装要求以及测量平台和机械设备内阻对测量结果的影响,都需要进一步深入研究,并进行严格的试验验证,最终形成规范方法。
1. 2 设备布置和弹性安装
为了减小机械设备引起的水下辐射噪声,机械设备(尤其是振动较大的设备)应相对集中布置,以便统一进行声学处理。同时,为了减小机械设备对潜艇水下噪声辐射面的直接激励,设备应该安装在舱隔壁或者与舱隔壁相连的甲板上,尽量使结构切向受力,而不是直接安装在耐压壳体上,以增加设备振动引起的结构噪声在传递途径上的损失。
国外潜艇机械设备普遍采用浮筏隔振装置降低传递到基座面板的振动,并建立了浮筏系统的定量设计方法和规范。在此基础上,国外潜艇采用舱筏隔振技术扩大隔振范围和提高隔振效果。舱筏是一种以艇体结构为安装基座的大型浮筏,用于安装主机、辅机等大型设备机组,设计时除遵循浮筏的设计原则外,还应考虑艇体舱室振动对舱筏系统的影响。Bondark推荐了一种阻尼性能好和传递损失大的桁架结构式舱筏,设备弹性安装在桁架上,桁架结构再弹性安装在艇体上,参见图1。
国内已尽可能将机械设备相对集中布置,机械设备较普遍地采用了单层隔振、双层隔振和浮筏隔振,尤其是浮筏隔振技术的应用,显著提高了潜艇机械噪声控制水平。国内潜艇的浮筏设计基本遵循“避开共振”原则,保证浮筏部件和系统固有频率与筏上设备的激励频率避开一定裕度,使浮筏达到预定的隔振效果。但尚未建立不同形式浮筏装置隔振效果的估算方法与软件,以及客观合理的隔振性能测量和评价体系,难以在设计阶段就能对浮筏隔振效果进行估算和评估,达不到定量和精细设计的要求。浮筏隔振效果只有在实测后才能得到,没有修改和优化的余地。浮筏的结构形式和隔振器布置方式单一,不能充分利用筏架弹性波传播的波型转换以及筏架的模态振型特征来提高浮筏的隔振效果。
目前采用的设备弹性安装方式,无论是单层、双层还是浮筏,都是属于被动式隔振,低频段会“失效”。虽然研制低频隔振器是提高弹性安装低频段性能的一个努力方向,但是被动式隔振的低频效果总是难以令人满意。从20世纪80年代开始,随着计算机技术和数据处理技术的发展,人们仍将三维的噪声主动控制的声波反相抵消原理推广到通过二维结构振动的反相抵消来抑制声辐射。
在此基础上,主动控制又从二维控制的壳体振动抵消,向一维控制的主动隔振器发展,主动隔振技术便应运而生。据文献[6]报道,美国开发了主动噪声和振动控制系统(AN-VC),并采用船用高速网络技术,对全艇设备100 Hz以下的低频振动实施主动隔振,德国也研制开发了用于水面舰艇主机隔振的双层主动隔振装置, 400 Hz以下频段隔振效果大于20 dB。
国内主动隔振器的研究还处于机理和原理样机研究阶段,开展了磁流变体、电流变体、压电材料、磁致伸缩等作动器以及控制算法和控制系统研究,有些成果已具备一定的学术水平以及在舰艇声隐身领域应用的良好前景。
1. 3 基座和壳体振动控制
基座结构作为设备振动从设备到艇体结构传递的最重要通道,其声学设计包含以下2个方面:第一,增大基座结构的输入机械阻抗,减小设备振动能量传递到基座结构上;第二,增大基座结构的阻尼,加装阻振结构,避免基座结构共振,增大基座振动的传递损失和耗散,减小传递到艇体的振动能量。
研究表明,在频率较高的频段,基座结构的输入机械阻抗主要取决于其面板厚度；在低频段弱结构阻尼的基座阻抗与其共振响应有密切的关系。因此,基座等支撑结构的设计有2个基本原则,其一,避免机械设备激励与基座的振动模态发生共振;其二，在满足设备安装和总体布置要求的前提下,基座面板面应尽量增厚。
针对这2点,国外采用阻抗概念和等效电路方法,建立了不同结构基座阻抗的合成计算方法,在此基础上,俄罗斯进一步归纳了不同结构形式基座阻抗估算公式,便于实艇设计中的快速计算。实际上,国内在研究中已经充分注意到了这2点。但是,由于从设备到基座、从基座到水中,振动和噪声的定量关系还不十分掌握,难以从潜艇水下噪声的目标值和设备的激励特性,推算基座等支撑结构输入阻抗的最佳声学设计量,基座传递阻抗的特性也需要加强研究。
设备激励通过基座等结构传递到壳体,引起壳体振动并产生声辐射。理论上讲,可以通过壳体厚度的选取、肋骨的布置等措施来优化壳体的声学设计,避免壳体共振和强辐射模态的出现。但是,潜艇壳体的设计最主要服从于结构强度、总体布置和施工工艺的需要,声学优化的余地极小。目前较为实用和有效的控制壳体结构噪声的方法是采用阻振结构、敷设阻尼材料和避免壳体共振。
阻振结构是附加在基座与艇体结构之间和艇体结构上的阻振质量,或者广义上讲也可以是针对弹性波传播改变结构均匀性的任何物体。潜艇常用的阻振质量为金属块,焊接在基座主要构件或艇体结构上。为了提高阻振质量的效果,应围绕基座腹板或沿舱壁或铺板周界布置阻振质量。可以适当配置艇内结构的阻振质量,替代肋骨等增强结构。阻振质量应与阻尼层配合使用。
敷设阻尼材料也是一项成熟技术,在实艇上已有广泛的应用,但是壳体声辐射控制不仅取决于结构阻尼,还取决于辐射阻尼，只有当结构阻尼大于辐射阻尼时,结构阻尼才会对声辐射产生明显的作用。具有流体负载的壳体结构,其辐射阻尼和结构阻尼大致为同一个量级,壳体上所敷设的阻尼层厚度应该保证使结构阻尼大于辐射阻尼,国内在耐压艇体结构上敷设阻尼材料时,没有充分注意到这一点。在潜艇结构上敷设阻尼材料,往往会受到重量和费用等因素的影响,选择适当部位局部敷设阻尼材料并达到一定阻尼效果,已成为近年来阻尼材料优化设计的一个新方向。
为了进一步提高阻尼层的性能和效果,国外提出并发展了主动约束阻尼概念。这种阻尼结构由普通粘弹性材料和两层压电约束层组成,一层压电层位于粘弹层和基板之间,另一层压电层粘贴在粘弹层外侧(见图2),并将其设计为矩形单元,布置在大型结构上,对阻尼处理的位置作进一步优化(见图3)。
随着潜艇声学设计技术的发展,国外从20世纪70年代开始,将潜艇艇体振动的研究重点,从与结构安全性相关的几赫兹的总振动,转移到以声辐射研究为目的的几十赫兹以上的舱段或局部结构振动。新一代的“海狼”、“凯旋”等潜艇,都进行了详细的艇体结构动力特性计算,避免设备与艇体局部结构产生共振。国内潜艇结构振动计算,仍然以艇体总振动为主,没有充分进行艇体局部结构振动的计算和评估,使得难以系统分析艇体结构的低频线谱噪声的成因。
无论是设备弹性安装,还是结构的阻尼处理,都是着眼于减小潜艇壳体的振动。如何克服总体设计的制约,直接从壳体本身设计入手来降低潜艇的水下噪声,一直是人们探索的一个重要内容。20世纪80年代中期,人们提出了智能材料和智能结构的概念。
据文献报导,美海军研究机构将智能式艇体结构研究列为新型舰艇声隐身的战略研究内容,美国海军装备技术发展战略研究咨询报告(《2000~2035年美国海军技术》)透露,美将声学智能结构研究列为舰艇有独创性的声隐身重点发展的技术领域。采用声学智能材料设计艇体结构,以舰艇水下声辐射声功率为声学目标函数,实现舰艇结构动力特性的智能控制,可以使机械设备通过弹性安装未能隔绝的振动及其产生的水下声辐射降低到最低水平。
1. 4 管路系统
管路系统中泵、附件、节流装置等产生的振动和噪声,沿管壁和管内流体介质传播,它是机械设备工作产生的振动能量传递到艇体结构的“第二通道”。在低频和中频减小沿第二通道传递的振动能量比较困难,原因在于:
（1）三维空间管路系统分布复杂、器件数量多、管壁振动和管内流噪声相互耦合,形成多源强耦合系统,必须在管壁隔振和降低管内流噪声2方面共同采取措施才能达到效果；
（2）管路隔振元件,例如挠性接管等,为了满足可靠性要求,刚度不能太小,隔振效果有限；
（3）为了有效降低管内流噪声,要求消声器在低中频段有较大的声阻抗,普通消声器的外形尺寸和结构难以满足使用要求。
在进行管路系统声学设计时,应采取以下控制措施：
（1）采用低噪声设备,确定合理的设备性能参数。除尽量采用低噪声设备外,确定合理的设备性能参数也很重要,应尽可能减少能量需求,如减小多余的功率储备,使设备工作在最大效率区域,提高泵的水力功率的有效利用率,采用流体阻力系数尽可能小的管道元件等,目前许多设备就是因为设计要求没有遵循上述原则,而经常工作在性能非最佳设计区域,引起振动噪声增大。
（2）管路系统的总体布置是管路声学设计的重要内容,应遵循以下原则：
水力学设计原则：合理选择泵的流量和压头等工作参数,尽量减少储备量,采用低噪声节流垫圈,使泵进口处工作介质速度场尽量均匀,避免管路系统工作介质发生空化等;
声学设计原则：利用声干涉原理布置设备和附件,采用声阻抗调节装置,采用水动力噪声消声器,定期进行管路系统振动噪声检测等。
（3）采用高效率的噪声防护措施,如声阻抗调节装置、水动力消声器等,防止水动力和振动源引起的管道振动。
（4）采用隔振措施,减小管道传递至艇体结构的振动能量。
（5）计算管路系统振动噪声特性,包括管路系统固有频率、相关点幅频特性,及给定点的振动和管道中的水动力噪声,确保振动和噪声的防护措施达到指标要求。
目前,国内在管路系统总体声学设计方面尚未开展实质性的工作,在管路控制元器件方面针对控制管路振动和噪声研制了挠性接管、消声器等,受系统设计的影响在实艇上减振效果有限。
1. 5 隔振和隔声结构设计
机械设备的振动通过弹性安装、基座等支撑结构和管道、电缆等非支撑结构传递到潜艇耐压壳体上,振动能量再通过2种途径在外场水介质中产生噪声。其一,振动通过耐压壳体和轻外壳之间的实肋板、支撑杆等连接件传递到轻外壳,引起轻外壳振动并向外场辐射噪声;其二,耐压壳振动产生的噪声通过舷间水介质和轻外壳的耦合辐射到外场。
文通过理论计算得到一致的定性结论:潜艇内外壳体的振动—声耦合，低频段以声耦合为主,高频段以振动耦合为主。这一结论启发我们,在耐压壳和轻外壳之间进行隔振和隔声设计,可以在弹性安装和阻尼处理等措施的基础上,再增设一道隔离振动和噪声的屏障,进一步降低水下噪声。
俄罗斯克雷洛夫研究院的专家也曾经介绍,俄潜艇的耐压壳外表面,轻外壳的内、外表面都敷设了不同功能的声学材料。在主、辅机安装的舱室等主要机械噪声声源区,需要在耐压壳外表面或轻外壳内表面敷设隔声材料。舷间连接件的隔振结构可以根据具体情况采用比较成熟的复合约束阻尼层和阻振质量块等技术进行设计,技术上不存在困难。
隔声结构的设计主要需要权衡考虑隔声和耐压双重性能。水中隔声障板的基本原理,也是利用阻抗失配概念,将声波拦截在其传播途径上。因为水介质的特征声阻抗与钢板等隔声材料的特征声阻抗为同一量级,为实现水下隔声声阻抗失配的目的,不宜采用大特征声阻抗材料,而是应该采用远小于水介质特征声阻抗的材料充当失配层,诸如泡沫材料、发泡充填橡胶材料等。
在实际工程中反声或隔声障板一般都是3层或者多层夹芯结构,并且将阻抗失配和阻尼的作用合为一体,从而起到阻挡水载噪声和抑制结构弯曲波2方面的作用。考虑到潜艇下潜状态的静压环境,隔声障板的阻抗失配层均需采用特殊结构的粘弹性材料,以增加其抗压性。
敷设在潜艇轻外壳外表面的消声瓦,一般兼有吸声和隔声的双重功能,它是潜艇声学防护的最后一道屏障。目前潜艇所敷设的消声瓦,在具备吸声功能为主的同时实际上已经兼备了一定的隔声性能。但是消声瓦在300Hz以下的低频段,隔声性能往往不够理想。增加消声瓦在低频段的吸声和隔声性能,是消声瓦研究的发展方向。
在消声瓦设计中采用主动控制技术,是提高消声瓦低频性能的一个重要技理, Corsaro[14]建立了“智能瓦”(SmartTiles)概念,他设计的“智能瓦”如图4所示,其中激励器材料选择1~3复合压电材料,即一组等间距分布的压电陶瓷棒埋置在柔性聚胺脂材料层中。压力传感器层采用压电橡胶层作为换能器材料速度传感器则采用加速度计。Shields进一步将主动吸声原理推广到兼有主动吸声、主动隔声和主动声辐射控制的多功能主动消声瓦。
综上所述,国内开展潜艇减振降噪研究20多年来,虽然取得了较大的进展,但是潜艇声隐身技术无论在技术集成和储备方面,还是在技术的实际应用方面,都与美、俄等国存在着较大的差距。
2 机械噪声控制的发展建议
我国潜艇声隐身技术的发展起步较晚,基础理论与试验研究薄弱,特别是尚未对潜艇设计、建造各阶段设备、隔振元器件、隔振及降噪效果等参数进行全面跟踪测试,难以找出设备振动传递与辐射的定量关系,国内又缺少先进的工业基础和优势技术作为支撑。因此,要实现潜艇安静化的战略目标,应该在全面、综合地考虑所有可能的减振降噪途径和技术,“层层设防、步步为营、各个击破”的同时,加强基础理论与试验研究,形成我国潜艇声隐身的综合集成优势。针对潜艇机械噪声的控制,在今后相当长的时期内,应该以理论与试验基础研究为重点,开展以下几方面的研究:
(1) 建立潜艇机械系统从设备振动到水下噪声多层面的定量评估体系和方法,明确各环节的设计目标和优化空间;
(2) 强化实艇和模型的振动和噪声测试技术研究,为客观评估降噪效果创造条件;
(3) 加强基础试验研究,并结合实艇设计及建造过程各阶段开展跟踪测试分析,完善和优化现有减振降噪技术的设计计算方法和测试评价方法;
(4) 加速低噪声设备和新型元器件的研制和开发;
(5) 加速建立设备和元件的振动烈度、声源级以及阻抗、传递函数等声学特征参数的数据库,为噪声预报提供可靠的原始参数;
(6) 研究振动和噪声的主动控制技术,为降低100~200Hz以下的低频噪声提供有效的技术途径;
