管路系統聲學設計技術的現狀及發展趨勢

1 引 言

艦艇管路系統是艦艇上用于輸送各種流體介質的管路及其附屬件、泵、監測儀表和閥門等的總稱。它的主要任務是提供艦艇航行、戰斗、安全和人員生活的水、汽、油等保障。管路系統包括：輔機設備(泵、風機等)、調節附件(閥、節流元件)、管道(直管段、彎頭、三通等)、振動噪聲控制器件(撓性接管、消聲器、脈動壓力衰減器、彈性穿艙結構與柔性支撐等)和聲學材料等。

在艦艇聲隱身技術中，管路系統振動噪聲研究具有重要意義。根據實際工程經驗，當主動力系統噪聲、螺旋槳噪聲和流噪聲得到有效控制后，管路系統噪聲對艦艇安靜性的影響開始逐漸突出。

為了實現低噪聲的艦艇管路系統，需要建立管路系統振動噪聲傳遞與水下聲輻射的計算方法，研究低振動傳遞、低水下輻射噪聲的艦艇管路系統的空間布局和振動噪聲控制元件的布置規律，形成管路系統的聲學設計方法與設計規則，為艦艇管路系統的設計人員提供聲學專業的技術支持。

2 管路系統聲學設計技術國內外研究現狀

艦艇管路系統的聲學設計是一個綜合而復雜的問題，其涉及流體動力學、結構動力學、聲學和彈性力學等多個學科。國外學者很早就開始這方面的研究，已經形成了比較完整的艦艇管路系統聲學設計方法和振動噪聲控制技術體系。

2.1 管路系統聲學設計方法

目前艦艇管路系統聲學設計存在以下難點：首先，管路系統功能設計與聲學設計要求之間存在一定的沖突。帶有一定儲備的泵源參數(如流量和壓頭)的選擇通常由管路系統功能設計人員進行。之所以留有儲備，是考慮到管路系統液壓阻力計算的不精確性，以及在使用過程中由于污底和阻塞等可能引起的阻力增長等因素，一般儲備應不小于15%～20%。但從聲學角度看，這種儲備是有害的，這將導致泵的振動和水動力噪聲的增加。因此，為避免過高的振動噪聲源，必須在泵源選型時考慮泵及其管路系統在正常工況下的液壓匹配。

其次，泵源類型繁多，其工作機理不同，振動噪聲特性也千差萬別。因此它們的振動噪聲控制設計必須具備針對性。

第三，在艦艇管路系統中，泵、附件和節流裝置等產生的振動噪聲能量沿支承和非支承件傳播。振動噪聲能量沿支承件傳播的控制可采用隔振裝置解決，但沿非支承件——工作介質和管壁傳播的振動噪聲能量就成為管路系統振動噪聲控制的難點。因為沿非支承件的聲學防護元件，按可靠性的要求是不可能做到任意柔性的；再者為達到預先設計的振動噪聲控制效果，所采用的聲學防護元件在規定的頻率范圍內須具有較大的機械阻抗和聲阻抗，同時其外形尺寸和結構又要滿足艦艇的實際安裝條件，這幾乎是不可能的；而且,一般情況下管路系統的所有元件本身就是低通濾波器，即在低頻段具有零衰減；另外，在管路系統中沿管壁結構和沿介質通路傳播的振動噪聲能量會在改變流速的方向和大小的地方相互耦合、相互轉換，兩種能量傳播通路緊密關聯，構成了一個非常復雜的力學——聲學系統。

針對上述難點，艦艇管路系統聲學設計人員主要解決兩個方面問題：一是保證介質在泵源設備流動過程中引起的振動噪聲最小化;二是控制沿管路系統傳播的振動噪聲能量，使振動噪聲量級在一些特定傳播點滿足設計要求。為此許多艦艇聲隱身設計強國一般將艦艇管路系統聲學設計分成早期和詳細兩個設計階段進行。不同的設計階段完成不同的設計內容，使管路系統設計方案由粗到細，分步完成泵源選型、管路系統空間布置以及聲學防護元件布置等設計關鍵細節，將功能設計與聲學設計融合，逐步接近或達到設計目標。

在管路系統設計的早期階段，還只了解管路系統的粗略概貌，可運用一些經驗公式和振動噪聲源的數據，從聲學角度初步確定管路系統動力參數優化配置、流速和管徑等管系總體參數；合理選取噪聲控制措施規模，并粗略計算管路中的聲壓和管路、管路基礎的振動加速度。從而在初步設計階段對管路系統的振動噪聲有一個大致的預期并得到較合理的管路系統初步設計草案。包括考慮聲學因素(在正常工況下泵的動力和聲特征與系統特征相匹配)，確定管路的系統方案，選擇設備的動力參數和工作模式、節流元件以及流量等參數；按低噪聲的限定條件預定降噪規模；按減振降噪要求選擇管系元件，并對其指標限值等。

在管路系統設計的后期階段，就需要在早期設計方案的基礎上，以低噪聲管路系統設計規則為指南確定管路的結構數據(空間走向和設備布置數據等)以及管路減振固定、聲學防護器件的結構聲學參數和它們的組成、布設信息。還必須進行管路系統的振動噪聲傳遞和其它校核計算，最終完成低噪聲管路系統的設計。

在低噪聲艦艇管路系統設計流程中也相應規定了這兩個設計階段的具體工作內容和步驟。即在初步設計階段以管路系統原理圖為基礎，確定管路系統敷設的關鍵點和設備安裝位置，計劃管路系統減振降噪措施的規模，并經管路振動噪聲工程估算方法計算復核；在詳細設計階段，完成管路系統敷設路線設計，采用詳細階段振動噪聲有限元方法和一些功能計算程序，確定管路系統詳細空間布置以及管路元件的組成清單；最后完成管路系統的施工設計，并形成施工文件等步驟。詳細的艦艇管路系統聲學設計流程見圖1。

圖1 艦艇管路系統聲學設計流程圖

2.2 管路系統振動傳遞的計算方法

研究管路系統振動傳遞的方法有很多，常用的有:有限元法、特征線法、傳遞矩陣法、阻抗分析法等。它們的適用條件不盡相同也各有優缺點,且這些方法還可以互相結合產生混合方法。

1) 有限元法

有限元法是近似求解一般連續體問題的數值方法。從物理方面看：它是用僅在單元結點上彼此相連的單元組合體代替待分析的連續體。通過單元的特性分析求解整個連續體的特性。從數學方面看：它是使一個連續的無限自由度問題變成離散的有限自由度問題，使問題大大簡化。一經求解出單元未知量，就可以利用插值函數確定連續體上的場函數。顯然，隨著單元數目的增加，解的近似程度將不斷得到改進。如果單元是滿足收斂要求的，近似解將收斂于精確解[1]。空間管系計算的有限元方法就是基于梁理論，利用微分方程的精確解代替多項式的插值函數，從而一個復雜系統用少數幾個單元就可模擬。

許多學者運用有限元法對充液管道系統的振動特性進行了分析,他們或者將有限元法用于求解流體方程，或者用于求解結構方程，或者對整個模型運用有限元法。目前有限元法已廣泛應用于管路系統振動噪聲的研究，且已經成為管路系統模態分析和動力響應分析的一種常用方法。EVERSTINE[2]對管路系統分別采用梁模型和殼模型，借助有限元分析軟件Nastran對一平面單彎充液管路系統和三維充液管路系統進行了計算分析，證明了低頻下管路梁模型的有效性;JAMNIA等[3]利用ANSYS研究了流固耦合作用對液體波在管路系統中傳播及反射的影響;LAVOOIJ，TIJSSELING[4]將有限元法與特征線法結合起來分析系統的響應；OLSON等[5]對直管與管內流體的耦合振動的有限元法進行了綜述,著重闡述采用梁單元計算管道流固耦合問題的基本思路。

2) 特征線法

特征線法是一種時域差分方法,它把偏微分方程轉化為常微分方程，然后在距離—時間平面內沿特征線進行積分。由于其理論基礎是有限差分法，在計算時需要劃分網格，因此網格劃分的好壞直接影響計算結果。特征線法主要用于在時域內計算壓力波與軸向應力波的傳播。WIGGERT等[6]考慮了空間管道系統中典型管單元的五族波，涉及14個狀態分量，列出14個運動微分方程，同樣是利用特征線法進行了求解。這五族波分別是：管壁和流體介質的軸向壓縮波(兩族)；管壁橫向剪切波(一族)；梁的橫向彎曲振動波(一族)；管壁的扭轉波(一族)。

3) 傳遞矩陣法

傳遞矩陣法特別適合像管路系統這樣的復雜鏈式結構。其基本思想是首先將系統離散成有限個單元，然后建立單元的分析模型；在模型的基礎上將單元兩端的狀態向量用矩陣方程的形式聯系起來；得到了每個單元的傳遞矩陣就可以得到整個系統的傳遞關系，這樣就可以對系統進行分析。BICKFORD等[7]用傳遞矩陣法分析了平面曲梁的振動，其中考慮了轉動慣量、剪切變形和軸線可伸縮性的影響；SATO等[8]用傳遞矩陣法分析了Euler-Bernoulli梁的振動；同年，IRIE等[9]利用Timshenko梁模型對輸流管道振動和穩定性問題的傳遞矩陣法進行了推導；LESMEZ和WIGGERT等[10]對空間管道系統振動的傳遞矩陣法做了開創性工作，以充液管系耦合振動的14方程模型為基礎，在推導過程中采用分離變量法，同時將管路進行分段。將法蘭、支撐、彎管、閥門等管路系統元件以及管路系統空間布置關鍵點都作為節點來考慮。每一個管單元有場傳遞矩陣[T]i和兩端的狀態向量{Z}i-1，{Z}i，它們之間的關系為:

{Z}i=[T]i{Z}i-1

(1)

其中,

(2)

節點i處的狀態向量為：

(3)

每一個節點也有點傳遞矩陣。這樣，管系的總體場傳遞矩陣可以用每個管單元的場傳遞矩陣與節點的點傳遞矩陣連乘得到。整個管系的傳遞矩陣方程為:

Zn=TnPn-1Tn-1-…-T2P1T1Z

(4)

然后根據管端的邊界條件得到系統的頻率方程。這種方法可以考慮泊松耦合與連接耦合，對于解決空間管系振動噪聲問題不失為一種較好的方法。但是在實際應用中還有許多問題需要解決：譬如管路的各種元件如何得到它們的傳遞矩陣，特別像泵、閥門這樣的有源元件如何用傳遞矩陣描述其傳遞特性;復雜的管路拓撲結構如多分支管系等等。

4) 阻抗分析法

阻抗分析法與傳遞矩陣法的形式是類似的，按照管道系統的構成劃分成若干單元，每個單元的端面用速度和力構成的矢量作為其狀態向量。這樣，單元場矩陣的元素是阻抗參數。該方法也是一個適用方法。用阻抗法分析空間管路系統的振動與聲傳播問題，其狀態向量只要10個分量就可以了。蔡亦剛[11]在這方面作了一些基本的研究，他選擇流體的壓力P(x,t)和流量Q(x,t)作為基本狀態量，將管路系統看成是R、L、C、G回路，利用電傳輸線理論，推導出流體傳輸管道動態特性的基本方程,建立二輸入和二輸出的四端口網絡基本關系式，最后寫成矩陣形式：

(5)

式中,Zc(s)=[Z(s)/Y(s)]1/2，而Z(s)=R+Ls,Z(s)為串聯阻抗；Y(s)=G+Cs,Y(s)為并聯導納。

式(5)中若壓力乘以管內流體截面積，流量除以管內流體截面積，則可以轉化為標準的阻抗分析法。若給定輸入,自然可求得系統的輸出。

式(5)表示的阻抗分析法在形式上為頻域傳遞矩陣法，特點是引入復阻抗，包括機械阻抗和聲阻抗。它們是與充液管道部件的幾何參數、流體與結構的物理參數有關的。對于幾何形狀規則的管道元件，其機械阻抗和聲阻抗可以通過解析法推導出,而復雜管件只能通過實驗測得。

2.3 管路系統振動傳遞的計算軟件

一些軟件業發達且艦艇隱身設計技術先進的西方國家均有各自的管路系統動力學分析專用軟件。目前管路系統動力學分析的專用軟件主要由美國開發，如有限元分析軟件ALGOR中的PipePak模塊和管路應力分析軟件CAESARⅡ。ALGOR的管道應力分析模塊PipePak是一個管道設計和分析工具。模塊中包含了美國、英國和歐盟的管道設計標準。PipePak可以對管路系統進行線性靜態應力、固有頻率(模態)、響應譜、頻率響應、時間歷程等常規分析。CAESARⅡ也是一個管路系統應力分析軟件,載荷包括重力、壓力、溫度、地震以及其它靜、動態載荷，同時該軟件中所帶的管路標準規范還包含美國海軍規范中關于艦艇管路系統的內容。

而我國目前還沒有成熟可靠的和完善的計算工具來對艦艇管路系統的振動噪聲進行模擬計算。在管路系統動態特性分析軟件開發中，一方面，由于國內計算機的應用水平與國外發達國家的差距較大；另一方面，我國對管路系統元件的振動噪聲特性數據掌握不夠，尤其是艦艇管路系統振動噪聲源特性數據的積累較少，到目前為止國內相關研究大多采用通用有限元軟件來進行模擬計算。

盡管國內外對艦艇管路系統動態特性進行研究的模型和方法相差不大，但我國學者利用這些模型和方法，僅僅是開展了一些零散的艦艇管路系統聲學設計理論方面的研究工作，尚未形成一套完整的、成熟可靠的艦艇管路系統聲學設計方法。

隨著造船工業計算機應用水平的不斷提高，艦艇的管路系統設計也采用了計算機輔助設計技術。一般的計算機輔助設計的主要應用是進行三維設計，而美國海軍已經在使用更為先進的計算機技術——“基于模擬的設計”(將計算機直觀顯示、計算機輔助設計和數值分析這3種技術結合到一起的計算機技術)來設計艦艇管路系統。采用這一技術，在計算機輔助設計階段不僅可以對管路系統的三維布置進行設計，還可以對包括管路系統的振動噪聲性能在內的流體特性、適裝性、重量、成本等設計參數加以分析評估[12]。在對管路系統的振動噪聲性能進行評估時，通過使用一定的判據來判斷管路系統能否滿足聲學設計要求。

國內艦船研制領域雖然也注意了緊跟世界造船業的先進技術，在艦船研制過程中引入了三維設計技術，但目前的應用還處于起步階段。近年來，國內艦船研制領域在引進、消化以及自行開發的基礎上，大力開展了三維設計的研究開發工作，并將相關成果應用于型號產品研制中，進行了艦船包括管系設計在內的三維綜合布置設計研究工作[13]。但是由于我國現階段相關基礎還很薄弱，可利用的基礎數據有限，較多具體的技術細節問題還有待進一步深入研究，因此還不足以在管路系統三維設計中考慮聲學因素，還無法全面地、系統地開展艦艇管路系統聲學設計。

比較美國海軍已進行的艦艇管路系統設計的經驗和做法可以發現，美國在對其艦艇管路系統進行設計時，艦艇管路系統的聲學性能僅是設計時考慮的一個方面，其管路系統的設計評估已趨向綜合集成。這也將是今后我國艦艇管路系統設計發展的方向。

2.4 管路系統振動噪聲控制技術

一般來說,管路振動和噪聲控制的方法可分為兩類：

1) 抑制振動和噪聲源；

2) 在振動和噪聲傳播途徑中采取隔離措施。

隔振措施又分管路振動和結構噪聲的控制措施及管路流體噪聲控制措施。

管路系統的振動與噪聲源包括各類泵、風機以及壓縮機等,由于其工作原理上的特點,它們不僅直接激勵管壁結構，還使管路內的流體的壓力和流量產生脈動并以波的形式傳播,由此激發整個管系振動。因此降低管路系統振動噪聲源是一種從根本上控制振動噪聲水平的方法，但由于低噪聲泵和風機等機械設備的設計與制造現狀的限制，實際工作中大都還是依靠隔振措施，即加裝振動噪聲控制元件的方法來達到噪聲控制技術指標。

目前工程實際中，艦艇上的管路系統主要以功能設計為目標。根據管路輸送流體介質的壓力、流量來確定管路的材質、管徑，并按與其相連的機械設備的幾何形狀、位置以及安裝空間來確定管路系統的走向及其支承布置；同時艦艇上的管路系統數目眾多，在十分有限的空間中相互交錯，形成了錯綜復雜的管網。這些因素決定了艦艇的管路系統振動噪聲控制設計是多種矛盾相互妥協的結果。

為減少各類機械設備通過管壁通路傳遞的結構噪聲,可在管路中設置隔振元件[14]。隔振元件一般指各種類型的隔振器、撓性接管、彈性吊架以及不同材質的隔振墊等。例如,在泵出口到管系之間插入一段撓性接管或金屬管波紋管等,以達到隔振效果。另外可利用沿管壁敷設阻尼材料耗散掉沿管壁傳播的振動能量，這種措施在管路減振中也得到了普遍應用。

管路系統內部除了結構噪聲外,還有另一種很重要的噪聲——流噪聲。流噪聲是由于管路系統中泵源的流量或壓力脈動,閥的突然動作產生的流量突變(沖擊),或其他外界干擾(如負載變化)而引發的,并由此誘發管路振動。流體噪聲的產生機理主要與振動源和系統阻抗有關。振動源一般指產生流量或壓力脈動的流體機械,或流體機械(如閥)的突然動作也會產生流量或壓力脈動(典型的如水擊現象)。系統阻抗包括流體管道本身的阻抗(與管道的材質與幾何尺寸,以及流體介質的物理特性有關)和負載阻抗兩部分。當管路系統的阻抗滿足諧振條件,即使振動源的干擾很小(如壓力脈動的幅值很小),也會在管路系統內產生諧振,引起流體壓力或流量的劇烈振蕩,造成管路系統嚴重的結構振動和噪聲。在實際的管路系統中,壓力和流量的脈動或沖擊不可能完全沒有,所以擬采取的控制措施應避免引起諧振，同時盡可能減小系統中壓力和流量的脈動(或振蕩)的幅值。

減小振動源的影響主要是減小管路系統中機械設備工作所產生的壓力、流量或沖擊。可在管路系統方案設計階段泵、壓縮機選型時重點考慮此項指標,在滿足基本技術要求或犧牲某些技術要求的前提下盡可能選擇所輸出的流量和壓力脈動小的泵、壓縮機。

對于因閥的突然開啟或關閉,造成流量或壓力的沖擊和振蕩(如水擊現象),并導致較大的管系振動噪聲，其通常的解決方法是合理設計閥的啟閉過程和時間或采取分步關閥的措施來抑制壓力沖擊,以使由水擊產生的壓力沖擊最小。

對振動源所采取的措施只能部分地減小其所產生的流量或壓力脈動,而不能予以完全消除，因此還可借助調整系統阻抗的方法，來避開振動源的流量或壓力脈動的主頻率,避免發生諧振。調整系統阻抗的方法很多，如改變管段長度,改變管截面尺寸,改變元件安裝位置,加裝可變阻抗的控制元件等都可以改變系統源阻抗。因此在設計管路系統時,可采用阻抗分析的方法,先對系統進行阻抗優化,選取最佳的元件結構和參數,有效地減小或消除系統可能出現的壓力脈動。

然而在實際的管路系統中,要根本消除振動源的脈動是極其困難的,而調整系統的阻抗特性(如改變管長和元件結構等)又要受系統合理設計的限制(如系統正常運行工況，控制元件安裝空間、方位等),因此,在管路系統中加裝消振或濾波元件來衰減或吸收流量壓力脈動，也不失為一個工程上較實用的措施，其實質也是調整管路系統的阻抗特性。目前在流體工程中,特別是流體管路系統中使用的消振、濾波元件,主要有各種形式的濾波器、蓄能器和孔板等。

2.5 國內管路系統聲學設計技術水平及差距

鑒于管路系統振動噪聲控制技術研究的理論意義與工程應用價值的重要性與迫切性，國內艦艇減振降噪領域的研究人員在低噪聲管路系統設計的理論和方法研究方面開展了許多研究工作，解決了若干工程問題，取得了一些進展，縮小了與國外先進研究水平的差距。

近年來國內已立項開展了一些艦艇管路噪聲控制技術研究課題，建成了管路噪聲試驗平臺，開展了管路系統總體布置與聲學特性測試技術研究，形成了管路噪聲研究體系。通過這些理論與試驗研究，理清了管道噪聲研究要解決的關鍵問題和思路，建立了管路系統振動及聲傳播計算技術的框架，找到了管系動力特性計算與管系元器件的實測阻抗數據結合方法，從而為用管路系統振動噪聲控制技術與控制器件的全面研究奠定了基礎。

但由于認識不足，研究深度不夠，我國至今在艦艇管路系統聲學設計領域的技術積累有限，已成為艦艇聲隱身技術發展的瓶頸，導致我國至今沒有成熟可靠的艦艇管路系統聲學仿真計算軟件和聲學設計的能力；缺少艦艇管路系統聲學設計手段和判據；目前船舶行業正在推廣應用的先進的管路系統三維設計技術還無法考慮聲學因素，即管路系統設計人員還不具備在進行管路功能設計的同時考慮聲學設計的能力；沒有可供選擇的、標準的控制元件；管路振動噪聲控制元件的聲學特性參數掌握不夠；管路元件聲學優化布置及管路系統聲學試驗等方面的標準和規范尚未完善。這些都使得我國艦艇與世界艦艇先進國家相比在管路系統振動噪聲控制技術方面存在較大差距。

3 結論與展望

本文詳細回顧了艦艇管路系統振動噪聲傳遞的理論、計算方法以及控制技術。從目前國內外對管路系統的研究可以看出，相對簡單的管路系統振動噪聲傳遞特性研究日漸成熟；由于某些控制元件的理論模型難于得到，同時缺乏可靠的成熟的試驗手段，因而對包含多種管路控制元件的復雜管路系統還有待進一步深入研究。

研究管路系統振動噪聲傳遞的計算方法有多種，各有各的優缺點，且都有各自的適用范圍。怎樣更好地綜合地應用這些方法也是值得去研究的。通用的有限元方法在管道振動領域仍是一個好方法，但是針對艦艇管路系統的特殊性以及工程適用性，該方法還存在一些不足。而將有限元法與阻抗分析方法相結合來研究復雜管路系統振動噪聲傳遞特性是一種工程可行的計算方法。目前面臨的問題是如何使這種方法能更有效地、更精確地計算預報各種復雜管系的振動與聲的傳遞問題。這將有賴于實驗技術與理論模型和計算方法的緊密結合。

艦艇管路系統振動噪聲控制技術在優先對振動噪聲源控制和有效控制振動噪聲的傳播途徑的基礎上，還要進行綜合考慮，從整體的效能出發，做到功能設計與聲學設計互相兼容、互相平衡。

針對國內在艦艇管路系統聲學設計方面存在的差距，我們應在以下幾個方面開展更深入、更細致的研究。

1) 管路系統聲學特性測試技術。大力開展泵、閥與風機的振動噪聲源特性的測量理論與測量規范、管路噪聲控制器件機械阻抗與聲阻抗測試技術、管內工作介質流噪聲測試等技術研究；通過這一系列管路系統元件振動噪聲特性基礎數據的研究與積累，將極大地豐富和支撐艦艇管路系統聲學設計軟件的基礎數據庫。

2) 管路系統聲學設計方法與設計規則。開展艦艇管路系統振動噪聲傳遞與水下聲輻射的計算方法和預報軟件的研究;同時進行管路系統噪聲控制器件的布置規律研究，形成我國艦艇低噪聲管路系統設計的原則與規范。

3) 低噪聲輔機設備與管路系統振動噪聲控制元件。主要研究內容包括低噪聲泵、閥與風機的聲學設計技術;管路系統振動噪聲控制元件的聲學設計技術。

4) 管路系統聲學設計評估技術。重點研究艦艇管路系統聲學設計及建造聲學質量評估方法，建立評估參數體系。

5) 低噪聲管路系統施工建造工藝。主要研究如何在建造過程中實現管路系統聲學設計的目標，保證建造質量與聲學防護效果的施工工藝。

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