艦船管路系統聲振控制技術評述與聲子晶體減振降噪應用探索

沈惠杰， 李雁飛， 蘇永生， 章林柯， 宋玉寶

(1. 海軍工程大學 動力工程學院，武漢 430033；2. 海軍工程大學 艦船動力工程軍隊重點實驗室，武漢 430033；3. 武漢理工大學 能源與動力學院，武漢 430063；4. 中國空氣動力研究與發展中心 氣動噪聲控制重點實驗室，四川 綿陽 621000)

艦船管路系統聲振控制技術評述與聲子晶體減振降噪應用探索

沈惠杰1, 2， 李雁飛1, 2， 蘇永生1, 2， 章林柯3， 宋玉寶4

(1. 海軍工程大學 動力工程學院，武漢 430033；2. 海軍工程大學 艦船動力工程軍隊重點實驗室，武漢 430033；3. 武漢理工大學 能源與動力學院，武漢 430063；4. 中國空氣動力研究與發展中心 氣動噪聲控制重點實驗室，四川 綿陽 621000)

艦船管路系統的低頻振動和噪聲控制問題是當前艦船設計和制造中亟待解決的重難點問題和研究熱點。淺析了艦船管路系統振動與噪聲產生的原因，綜述了國內外管路系統減振降噪治理技術，指出當前振動和噪聲控制技術中存在的瓶頸問題，結合近年來凝聚態物理領域新興的聲子晶體減振降噪研究，提出利用聲子晶體周期結構設計技術解決艦船管路系統的低頻減振降噪問題，并對國內外聲子晶體理論在管路系統的減振降噪應用探索進行了概述，最后給出將聲子晶體引入艦船管路系統低頻減振降噪仍需深入研究和探討的幾個方面問題。

艦船管路系統；減振降噪；低頻；聲子晶體；周期結構

作為艦船重要組成部分的管路系統，其在艦船整體中扮演著重要角色——動力系統冷卻、重量補償和二氧化碳吸收等。它猶如艦船的“血管系統”，維系著艦船的生命力[1-2]。艦船管路系統主要由各種閥件、管路、管內介質、泵、濾器和熱交換器等組成，它們通常與船內動力機械設備、運動部件、殼體等直接或間接相連，因此，艦船管路系統在工作過程中不可避免地產生振動和噪聲。振動和噪聲極易沿著艦船管路系統在船內傳播，這不僅造成噪聲污染，惡化工作環境，而且還可能使管路系統的配套或相連接設備(如往復式壓縮機、泵和閥片等)過早損壞、管路結構及其附件產生疲勞破壞，嚴重時甚至使管路爆裂或系統失效而釀成災難[3]。此外，艦船管路系統又與艦船板殼等結構連接，而板殼尺寸較大，一但被激振便形成一個很大的輻射器，其噪聲消減困難[4]。因此，艦船管路系統的振動和噪聲已嚴重影響到艦船的安靜性、安全性設計，成為艦船設計和制造中亟待解決的關鍵問題之一[5-7]。

隨著電子技術和信號處理技術的迅猛發展，當前聲納對目標的識別和跟蹤能力大大增強，工作頻段趨于低頻(如拖曳式陣列聲納的工作頻率可達500 Hz以下)的方向發展，作用距離越來越遠。由于中高頻振動及其誘發的噪聲在水中衰減較快且多表現為船體局部的振動和聲輻射現象，故而中高頻噪聲對艦船整體的聲隱蔽性能影響通常不大；而低頻噪聲不僅傳播距離遠、衰減小，而且其能量主要集中在低頻段，低頻譜線特征明顯，控制難度大[8-9]。因而艦船管路系統的低頻聲振控制技術，成為了當下艦船管路系統減振降噪的重難點問題。

近年來，凝聚態物理領域中新興的聲子晶體概念的提出引起了減振降噪研究學者的濃厚興趣。聲子晶體特有的彈性波帶隙特性能在預期頻段內對波傳播進行人為的調節控制，為艦船管路系統減振降噪的理論和技術突破提供了新的契機[10]。值得一提的是，最近的理論和實驗研究發現通過結構設計和參數調節，聲子晶體可以在相當低的頻率范圍內，實現超寬低頻帶隙[11]，這有望為當前急需解決的艦船管路系統聲振控制問題提供新的解決思路。

本文簡要分析了艦船管路系統振動與噪聲產生的原因，綜述了現有的管路系統聲振控制技術，指出了現有減振降噪技術存在的瓶頸問題，并對聲子晶體在艦船管路系統的減振降噪應用進行了總結和展望。

1 管路聲振分析與控制

1.1 振動分析與控制

在振動控制問題的解決上，首先必須了解振動的產生原因和傳播機理。引起艦船管路系統振動主要源自機械振動和流致振動兩個方面[12-13]。機械振動是艦船管路系統中機電設備(如發電機組、電機、馬達)、泵、移動部件、節流裝置等產生的振動。機械振動的產生一般可以歸結為以下兩個主要原因：一是機電設備運轉振動。如電機與泵安裝不準確或長期運行磨損會使得電機軸與泵軸不在同一中心線上，引起轉動部件不平衡進而產生振動[14]。機械設備工作引起的管路結構振動是其最直接和主要的振源[15]；二是管路輔件引起的振動。譬如艦船管路系統經常為調整船體的運動姿態，會突然改變系統中一個或幾個元件的工作狀態(控制閥的啟閉、海水泵的啟動等)，這將造成管內流體瞬間產生非常大的壓力變化并引起管壁結構劇烈振動[16]。流致振動是流體運動不穩定(如湍流及空化等)所產生的管壁結構振動。通常，以下三種情況下管內流體會誘發結構振動[17]：①海水離心泵出水口的脈動流體誘發結構振動；②湍流、空化現象等非層流態動力行為誘發結構振動；③顫振等不穩定動力學行為導致結構劇烈振動。

對管路系統的振動控制一般從振源及振動傳遞途徑兩方面進行。管路系統振動大多是由機械設備產生的，設法降低振源振動是管路系統振動控制的首要問題。對于機械設備，如電動機和離心泵等振源產生的機械振動，可以通過轉動部件的動平衡找正、軸承與電動機過盈量調整、泵軸直線度校準和彈性聯軸器使用等措施減小振源對艦船管路系統的振動激勵，但受限于國家的工業基礎和設計水平，以及材料和加工工藝等條件，效果欠佳。特別是在設備使用一定時間后，振動會更加明顯。此外，艦船工況復雜多變，這使艦船管路系統流體運動狀態瞬息萬變，伴隨的流激振動無法避免。因此，在振動傳遞途徑上對管路系統實施減振隔振控制不失為一種切實可行的途徑。

艦船管路系統通常與船內動力機械設備、殼體等相連接，是機械設備工作產生的振動能量傳遞到船體結構的第二通道。因此，在技術可行的條件下，可以首先考慮在動力設備與管系之間串接撓性接管。撓性接管由于其有良好的隔振、抗沖擊性能，可以較為有效地隔離動力設備機械振動能量向管系的傳遞[18]。其次，管路與船殼體、隔板之間的安裝采用橡膠減振器(減振馬腳)或彈性吊架[19]，以衰減、隔離管系的振動能量，避免管系振動能量直接傳遞到艦船板殼等結構并引起后者產生更加嚴重的振動和噪聲輻射。同時，在非高溫的管路段，還可以在管路表面粘貼或涂上黏彈性高阻尼材料。彈性高阻尼材料具有內損耗、內摩擦大的特點，能有效耗散管路振動能量，同時對管路噪聲還具有一定的消聲作用[20]。還應注意的是，在管路結構設計和安裝時，應盡量避免急彎頭及減小彎頭的轉彎角度，提高管路固有頻率，以降低脈動壓力幅值，抑制管路振動。此外，管路系統的減振隔振技術還有管壁結構不連續設計[21-22]、安裝動力吸振器[23]、附加阻振質量[24]等。管壁的不連續可以產生阻抗失配，使振動彈性波部分被反射或被抑制掉，有一定的減振降噪效果；安裝動力吸振器可以吸收衰減某一窄段頻率的結構振動；阻振質量對彎曲聲波有較好的反射作用，可以阻礙管路振動傳遞、在一定程度上降低結構振動及聲輻射。

1.2 噪聲分析與控制

艦船管路系統噪聲主要來自管壁結構振動噪聲和管內流噪聲。艦船管路的結構振動噪聲由管壁結構振動引起。對結構噪聲控制主要通過抑制管壁結構振動進行消減。管內流噪聲則是由流體運動狀態的不穩定會引起的，管內噪聲在沿著管路系統傳播過程中，一部分能量通過管壁向外輻射，一部分通過進出口處舷側閥直接向水中輻射。噪聲在管內流體介質中傳播不僅衰減小而且傳播距離遠，在管口總輻射噪聲中，管路流噪聲影響最大。

流噪聲聲源主要有泵流噪聲、閥門噪聲以及流動激聲等[25]。首先是泵流噪聲。泵在吸、排水配流過程泵葉片間液體通過泵舌時流量會發生脈動變化，造成流體速度分布不均、壓力脈動變化產生流噪聲。此外，泵運轉中還可能存在汽蝕噪聲、低頻壓力脈動以及低頻脈動喘振等噪聲[26]。這些泵內流體噪聲在30赫茲到幾千赫茲頻率范圍內均有頻譜峰值存在，但噪聲能量主要集中在低頻段。其次是閥門噪聲[26]。閥門在啟閉過程中將在短時間內造成管內流體壓力的急劇降低或升高，產生水錘噪聲，而且閥門的節流作用將使經過閥門的流體發生流速突升、壓力驟降，以致于閥門后部產生氣穴噪聲。通常，閥門噪聲表現為高頻寬帶特征。再者是流動激聲，其主要由不定常流中柯氏加速度造成的渦激聲及其“分布不均”的流體動能造成的聲場所構成[27-28]。

對艦船管路系統噪聲進行控制的基本途徑一般也是從噪聲源的控制和噪聲傳播途徑控制入手。控制流噪聲聲源可以采用和設計低噪聲泵、低噪聲閥門等。然而，由于離心泵本身的結構特性、閥門等控制元件功能特點以及我國制造和加工工藝基礎條件限制，泵和閥門等引發的噪聲源只能在一定程度上減小，不可能完全消除。而且工程實際中，驅動液體流動的動力源往往很難維持在一個穩定的工況下工作，不定常流很常見。一些設備即使在額定功率下穩定工作，由于其本身的性質，也很難產生定常流速。此外，即使是定常運動，其在流動過程中也容易由于邊界黏滯摩擦、管道流向變化、截面突變等外界因素干擾而形成湍流、流動分離、流動失穩等不定常流動。再加之艦船工況多變，泵、閥門等突然啟閉(產生水錘噪聲)而引發的噪聲難以避免。在這種情況下，在流噪聲傳播途徑上對其進行控制變得十分必要而且可行。

目前艦船管路流噪聲傳播控制措施主要有以下幾種：①在管道中布置彈性接頭、波紋管等元件[21-22]。通過結構不連續對入射波進行波反射，使部分反射波直接反射回去或與入射波、透射波發生相互干涉而達到減振降噪的目的；②安裝消聲彎頭[29]。消聲彎頭一方面能將部分聲能反射回去而起到消聲作用，一方面能使旁管與主管的聲波在某些頻率段產生180°的相位差而產生相消干涉消聲。為實現利用較短的消聲彎頭就能達到相消干涉效果，常用慢波速材料制成消聲彎頭。如用聚乙烯材料制成的消聲彎頭接入管路后，傳遞損失能在一定的頻帶范圍內實現高達8 dB的衰減。不過，消聲彎頭同時也是一個噪聲源，管內流動的液體會在旁支節點處產生再生噪聲；③在閥后安裝節流板孔。節流孔板一方面可起到抗性消聲的作用，另一方面分擔了閥門一部分壓力降，使閥門節流援降減小，從而降低了管內流體流經閥門產生的噪聲；④減少管路急彎頭、支管，用以減小流體方向、狀態的突然變化而產生的噪聲，并在管壁外敷設阻尼材料吸收并耗散振動能量[20]；⑤在管道中安裝管道消聲器[30-31]。在管路系統中噪聲源傳播下游位置加裝消聲器不僅可以有效吸收和衰減流噪聲，而且通過計算優化改變消聲器的安裝位置，可以獲得最小的管路輸入阻抗，使泵出口的壓力脈動降到最低。值得一提的是，在泵和閥門等主要噪聲源下游依次安裝短彈性連接管和消聲器，能取得較好的流噪聲吸收效果。此外，對于若干譜線特征特別明顯的噪聲，可以基于聲波的疊加原理，在管路內人為地發射一個與原聲場強度相同但是相位相反的聲場，使它與原聲場發生相消干涉消聲，亦可以達到消聲的目的[32]，也即管道主動消聲技術。

在這些噪聲控制方法中，安裝管路消聲器是目前應用最廣泛，效果最顯著的一種方法。在艦船管路系統中引入消聲器，可以降低管路系統中的流噪聲。研究表明，在艦船舷間管路通海口處加裝消聲器，可以有效地抑制、隔離艦船管路系統的噪聲向艦外輻射。

1.3 總結評述

振動源和噪聲源的控制是艦船管路系統聲振控制中最積極、最徹底的治本措施。目前的技術水平和條件決定了大多數機器設備產生的振動及噪聲仍然較大，這使得在振動和噪聲的傳播路徑上采取控制措施變得十分必要而且切實可行。當前管路系統聲振傳播控制研究雖取得了一定進展，但仍存在諸多不足。

在振動傳遞控制上：如安裝減振馬腳和彈性吊架等減振技術常受船內空間限制，難以奏效，而減振馬腳和彈性吊架太軟則減振效果不明顯，太硬則難以對中低頻振動進行減振；貼覆阻尼材料雖對中高頻振動衰減較好，但對低頻衰減效果較差；接入撓性接管，過軟的接管則有可能產生諧振，出現壓力振蕩現象，過硬的撓性軟管則中低頻振動控制效果欠佳，并且撓性接管的長度一般都較短，短的撓性接管隔振減振能力十分有限；而附加阻振質量實現低頻振動抑制需要較大質量，這大大增加了管路的額外質量。

在噪聲傳播控制上：如主動控制技術雖可以對低頻噪聲進行較好控制，但其研究還處于理論及試驗研究階段，且控制復雜度高，有效消聲頻段較窄；普通消聲器的外形尺寸和結構或是低頻消聲頻帶過窄(如共振腔式消聲器雖然可以在較低頻帶內對流噪內傳播進行衰減抑制，但其消聲頻帶窄)，或是消聲頻率過高(如擴張式消聲器雖然在中高頻段內消聲效果較為明顯，但其低頻消聲效果受船內空間嚴格限制，效果有限)，仍難以滿足艦船管路系統噪聲的低頻寬帶控制要求。

此外，現有的管路振動和噪聲控制技術研究相對獨立開展，管路系統聲振耦合效應考慮較少，少有管路系統的減振降噪綜合控制技術。然而工程實際的艦船管路系統在艦船空間內分布復雜、走向曲繞、附加管路輔件數量眾多，管壁結構振動與管內流噪聲在傳播過程中相互耦合：一方面管壁振動會引起結構噪聲并沿管內流體介質傳播；另一方面管內流噪聲也會引起管壁結構振動。可以說，艦船管路系統是一個典型的多源強耦合系統，振動和流噪聲相互耦合，互為激勵源。對艦船管路系統的振動和噪聲傳播進行控制，需要對結構振動和流體噪聲兩方面同時著手，才能達到效果。因此，當前仍迫切需要發展管路的聲振綜合控制技術和低頻減振降噪技術，借助現代管路系統聲振傳播整體性能預報仿真計算技術和管路聲振實驗測試技術，推進實現管路系統減振降噪由“治理技術”向“設計技術”的管路系統一體化設計。

2 聲子晶體與減振降噪

2.1 聲子晶體概況

聲子晶體特有的帶隙特性能對相應頻率內的彈性波傳播進行衰減抑制，這為工程結構的減振降噪提供了新的技術途徑。聲子晶體一般指一類人工結構單元經周期有序排列構成的具有彈性波帶隙、定向傳播、負折射與聲聚焦、聲吸收等特性的材料/結構[33]，它是凝聚態物理領域中晶體概念在彈性波意義下的延伸，是在光子晶體研究的基礎上提出的一個新的物理概念。

聲子晶體的典型結構特征是其周期性結構，如圖1所示。圖1中(a)、(b)和(c)分別對應一維、二維和三維聲子晶體周期結構。受聲子晶體內部周期結構的作用，彈性波在聲子晶體中傳播時，由于入射波、反射波和傳遞波之間相互耦合作用得到增強而形成特殊的色散關系，色散曲線之間的頻率范圍因彈性波無法傳播而被稱為帶隙(也稱為波止帶、禁帶或阻帶[34-35])，如圖2能帶結構圖和頻響圖中的灰色帶所示；在帶隙外，彈性波可以自由無衰減地傳播(不考慮材料阻尼情況下)，如圖2中圖2中灰色帶以外區域所示，因此稱為通帶。

(a)(b)(c)

圖1 各維聲子晶體結構示意圖

Fig.1 Schematic diagram of phononic crystals of various dimensions

目前聲子晶體的帶隙形成機理大體上可分為布拉格散射和局域共振兩種帶隙機理。相應地，聲子晶體被分為布拉格和局域共振聲子晶體兩種類型。布拉格聲子晶體一般由散射體周期有序地嵌埋于基體材料中構成，散射體和基體可以為不同的材料/結構。其帶隙產生的主要原因是周期元胞中的入射波、反射波和傳遞波之間相互耦合，并在若干頻段內產生干涉現象，從而阻止相應頻率的彈性波繼續向前傳播。局域共振型聲子晶體周期結構分布形式與布拉格散射型類似，不同的是局域共振型的散射體一般由“軟彈性材料”附加或包覆于“硬質材料”構成。該散射體的物理等效模型可視為“彈簧-質量”振子。局域共振帶隙的產生主要是各個“局域振子”在特定頻率的彈性波激勵下產生諧振并與基體彈性波長波行波相互作用，抑制波的傳播，帶隙最大衰減峰值位置一般與單個散射體固有頻率一致。筆者認為，帶隙機理及帶隙特性研究是聲子晶體研究的核心基礎內容，帶隙是聲子晶體最重要而且應用最廣的特性。從聲子晶體理論層次指引周期結構設計，可以在預期頻段獲得彈性波帶隙，進而人為操控彈性介質及結構中的波傳播，實現工程結構的減振降噪設計。

(a) 能帶結構 (b) 頻率響應函數

Fig.2 Vibration characteristics of two-dimensional phononic crystals of lead/silicone rubber affirmative lattice

2.2 管系減振降噪應用探索

管路系統的振動和噪聲控制一直是動力學領域的研究熱點。聲子晶體概念一提出便引發了大量學者利用彈性波帶隙對管路系統的減振降噪應用探索。

在管路振動傳遞控制應用研究方面：丹麥Sorokin教授帶領的團隊，前后將充液管路系統設計成沿軸向交替分布的復合材料周期結構和不同彎管沿軸向陣列分布的幾何周期結構，分別如圖3(a)和(b)所示。然后基于殼模型理論計算了周期管路中振動能量傳遞特性，研究發現充液管路系統在某些頻段存在一些“波阻帶”現象[35-36]，在波阻帶頻率范圍內，振動能量在系統中傳遞將得到顯著抑制。Shen等[37]進一步研究了三維周期復合材料管路(圖4)在不同振動激勵下的振動傳輸特性。研究表明，在三維空間彎管情況下，周期管路依然保持了其原有的帶隙特性，如圖5所示。Ruzzene等[34]從充液/浸液圓柱殼模型出發，將管壁設計成主/被動周期結構，研究了帶隙對振動能量的抑制作用和帶隙調節機理。溫激鴻等[38-39]進一步豐富和發展了聲子晶體理論在充液管路系統的減振隔振研究，他們將聲子晶體的布拉格散射和局域共振兩種帶隙機理引入管路系統的結構設計中(如圖6所示)，較為系統地研究了周期管路的布拉格帶隙機理、參數調節規律以及布拉格帶隙和局域共振帶隙的耦合條件，并在較低頻率范圍內獲得了振動強衰減帶隙，如圖7所示。

(a) 復合材料周期管路結構

(b) 周期彎管結構示意圖

圖3 周期管路結構示意圖

Fig.3 Structure sketch of the periodic pipe

圖4 三維周期復合材料管路結構示意圖

圖5 三維周期復合材料管路振動頻率響應函數

除此之外，還有相當一部分學者，通過在管壁以一定間隔距離加環肋[40]、質量環[41]或安裝彈性支撐形成周期結構[42-43]，同樣也可獲得了彈性波帶隙，以抑制管路振動能量傳遞。

(a)

(b)

Fig.6 Sketch of a periodic pipe structure based on the coupled mechanism of Bragg and locally-resonant gaps

圖7 布拉格和局域共振耦合機理周期管路頻響函數

Fig.7 Vibration response function of a periodic pipe with the coupled mechanism of Bragg and locally-resonant types

圖8 聲學短管周期管路聲透射特性曲線

Fig.8 Sound transmission characteristics of the pipe with short acoustic pipe attached periodically

不過當時他未能對這個現象進行深入描述，只給出了一些實驗結果。這些研究是早期利用周期結構進行管路噪聲傳播控制研究的最初應用探索。

隨著近年來聲子晶體應用探索的逐步深入，基于聲子晶體理論的管路系統噪聲傳播控制應用探索研究工作逐步增多。Fang等[46]研究了波導管中周期附加亞波長Helmholtz共鳴器的聲波帶隙特性，并揭示了這種聲壓帶隙的產生機理，指出在聲壓帶隙對應的頻率范圍內，該周期管內流體介質具有等效的負材料特性(如負體積模量)。Wang等[47]設計了周期附加亞波長Helmholtz共振器的一維波導管，計算了無限周期波導管的能帶結構和有限周期波導管的聲透射曲線。研究結果表明，周期附加亞波長Helmholtz共振腔的聲波導管能在較寬頻率段上對聲波傳播產生較強衰減作用，而且頻率范圍可以通過Helmholtz共振腔的幾何參數進行調控；進一步，他們還研究了這種周期結構波導管的等效體積模量和等效密度。同年，Boudouti等[48]基于格林函數法和連續介質的表面響應理論，研究了周期附加Fano共鳴器的管路系統聲帶隙特性，并給出了此種結構的聲透系數解析表達式以及分析了Fano共鳴器數目對聲波衰減帶隙的影響。Lee等[49-50]研究了周期設計旁支短管和共振腔的波導管的聲透射帶隙特性(圖9)，初步探討了帶隙對應頻率范圍內的等效負楊氏模量、負密度特性，解釋了聲子晶體管聲波帶隙的產生機理。最近，Li等[51]在研究周期附加Helmholtz共振腔的周期管路中發現(結構示意圖如圖10(a)所示)，該周期管路中存在的布拉格帶隙和局域共振帶隙可以通過參數調節實現精確耦合，如圖10(b)所示，從而在低頻段形成一條超寬強衰減聲波帶隙以控制管路系統低頻噪聲傳播。

圖9 旁支短管周期設計的波導管聲透射特性曲線

Fig.9 Sound transmission characteristics of the waveguide pipe with short-branch pipe attached periodically

總之，上述聲子晶體的減振降噪應用研究探索，或從本身結構設計出發，或從附加子結構(如局域振子、Helmholtz共鳴器等)出發，探索了不同周期結構形式的聲子晶體結構在充液管路的減振降噪應用探索研究。研究結果驗證了聲子晶體帶隙理論在管路系統減振降噪的可行性。這些研究為艦船管路系統聲振控制問題奠定了理論基礎，有望為艦船管路系統的減振降噪提供一條切實可行的技術途徑。

(a)

(b)

Fig.10 Wave attenuation constant and schematic diagram of the pipe with Helmholtz resonance attached periodically

3 結論和建議

艦船管路系統的振動和噪聲已嚴重影響到艦船的安靜性、安全性設計，減振降噪需求迫切, 特別是低頻振動和噪聲。低頻振動和噪聲能量大、傳播距離遠、特征譜線明顯、控制難度大，且在傳播中相互耦合，聲振綜合控制困難，已成為當前艦船管路系統聲振控制技術中的重難點問題之一。由于機械設備在使用過程中的磨損、老化，以及復雜多變的艦船工況，機械運轉振動和流體運動狀態突變引發的流激振動等振源和噪聲源問題無法避免，故而在振動和噪聲傳播途徑上對管路系統進行減振降噪不失為一條切實可行的途徑。

當前管路系統傳播途徑上的減振降噪技術雖取得了長足發展，但仍存在諸多不足，如低頻振動和噪聲的有效治理和控制，是當前眾多減振降噪技術中的瓶頸問題。而在聲振傳播整體性能預報、減振降噪綜合控制和管路系統一體化設計等方面，研究欠缺，有待深入。

將聲子晶體思想引入到梁、板和充液管路等工程結構的結構設計中，得到具有聲波傳播和振動傳遞衰減特性的帶隙，可以達到一些頻段減振降噪的目的。但實際的艦船管路系統工況遠比簡單的梁板類結構和載有靜止流體的管路要復雜得多，要實現工程實際的艦船管路系統振動傳遞和管內噪聲傳播的有效控制，還有以下幾個方面問題需要進一步研究和探討：

(1)聲振傳播整體性能預報技術。這是開展艦船管路系統減振降噪綜合治理研究的基礎和推向工程實際應用的關鍵所在。它包含工程邊界、復雜工況、流固耦合和聲固耦合等條件下振動和噪聲傳播特性計算技術。工程實際的艦船管路系統邊界條件復雜、工況多變，存在多振源、多聲源、流固耦合、外部載荷、液體流速、液體壓力等諸多因素的影響。目前聲子晶體理論在充液管路系統的減振應用探索基本都基于理想邊界條件下展開，考慮的工況相對簡單。流固耦合方面考慮相對簡單，一般只研究靜止流體情況，少有針對一定流速下周期結構的流固耦合振動研究。

(2)周期結構帶隙的低頻設計和優化。管路低頻振動和流噪聲能量大、傳播距離遠、控制難度大是當前艦船管路系統聲振控制面臨的棘手問題。當前周期管路的減振降噪研究雖實現了一些結構彈性波和聲波帶隙，但對帶隙形成機理認識不足，低頻寬帶設計研究欠缺，有待更進一步的研究。

(3)管路減振降噪一體化設計技術。對管路系統的振動和噪聲傳播進行控制，需要對結構振動和流體噪聲兩方面同時著手，才能達到效果。當前周期管路中噪聲傳播和振動傳遞的控制研究，基本上都是分開考慮，少有聲振綜合控制研究。減振降噪綜合治理可充分利用周期結構的振動和噪聲傳播控制功能，進一步優化設計周期結構，同時實現結構彈性波帶隙和聲波帶隙，達到管路系統聲振傳播控制的一體化設計。

以上是本文對艦船管路系統聲振控制技術和聲子晶體減振降噪應用的探討研究，不足之處全當引玉之磚，望各位同仁斧正。

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Review of sound and vibration control techniques for ship piping systems and exploration of photonic crystals applied in noise and vibration reduction

SHEN Huijie1,2, LI Yanfei1,2, SU Yongsheng1,2, ZHANG Linke3, SONG Yubao4

(1. College of Power Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China； 2. Military Key Laboratory for Naval Ship Power Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan, 430033, China；3. School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China; 4. Key Laboratory of Aerodynamic Noise Control, China Aerodynamics Research and Development Centers, Mianyang, 621000, China)

The low-frequency sound and vibration control problems for ship piping systems are key and difficult ones to be solved in current ship design and manufacturing. Here, the causes for sound and vibration of ship piping systems were briefly analyzed. The bottleneck problems of current sound and vibration control techniques were presented after reviewing foreign and domestic noise and vibration reduction techniques for piping systems. Combining with the newly developed photonic crystals (PCs) technique for noise and vibration reduction in condensed matter physics area, PCs periodic structure design technique was proposed to solve the low-frequency sound and vibration control problems for ship piping systems. The explorations for applying the PCs theory in noise and vibration reduction of piping systems at home and abroad were reviewed. Finally, several problems to be needed further studying and exploring were presented for better sound and vibration control of ship piping systems via the PCs theory.

ship piping system; noise and vibration reduction; low frequency; photonic crystals; periodic structure

國家自然科學基金(51205404；51306205)

2016-03-25 修改稿收到日期：2016-06-20

沈惠杰 男，博士，講師，1984年生

李雁飛 男，博士，1978年生 E-mail: liyanfe0862@sina.com

TH12; TH14

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.15.025