潛艇管路系統振動噪聲控制技術的研究

王璐穎，樓京俊

(海軍工程大學 科研部，湖北 武漢 430033)

潛艇管路系統振動噪聲控制技術的研究

王璐穎，樓京俊

(海軍工程大學 科研部，湖北 武漢 430033)

文章介紹了潛艇管路系統振動噪聲的傳播途徑和主要的控制方法，針對管路振動輻射噪聲中低頻線譜難以消除的問題，著重闡述了主動控制技術在管路振動隔離中的應用現狀。并結合目前實際情況，對管路系統減振降噪工作提出建議。

管路系統；振動隔離；主動控制

Abstract:The transmission ways and the control technologies of vibration and noise in piping system for submarines were introduced in this paper,Then，in view of the problem that the line spectrum of the noise in low frequency is difficult to eliminate,the application status of active control technology in piping vibration isolation system was emphatically discussed.Some suggestions were provided for vibration and noise reduction in piping system combined with the practical situation.

Keywords：piping system;vibration isolation;active control

潛艇聲隱身技術通過改變、減弱或消除自身的聲特征信號，降低被敵方探測系統發現的概率，從而顯著提高潛艇作戰平臺的生存能力,其已成為現代武器裝備建設中的研究熱點之一，也是一項系統工程。外形結構設計、動力裝置選擇和減振消聲等技術措施一直貫穿在潛艇的研制和設計過程中，從而多途徑和全方位地降低潛艇輻射噪聲。

航行中的潛艇，相當于一個復雜的水下噪聲源分布體，經過50多年的發展，我國潛艇的噪聲大約降低了60 dB，已經達到了安靜型水平，特別是浮筏隔振、消聲瓦、新型推進系統和聲學結構設計等技術的應用，使潛艇聲隱身性能上升到新臺階。

潛艇管路系統在實現流體介質、流體動力和流體信息傳輸功能的同時，總是伴隨著振動噪聲的產生。管路振動噪聲一方面影響管路系統的正常工作，縮短管路元件的壽命，甚至造成管路接頭松動，引起流體泄漏和管路破損；另一方面在潛艇主、輔助動力裝置和推進系統噪聲得到有效控制之后，管路系統振動噪聲成為了影響潛艇隱蔽戰術性能的主要因素。因此，隨著對潛艇聲隱身性能的要求日益提高，潛艇管路系統噪聲控制得到了越來越多業內人士地關注。本文通過查閱相關文獻和深入了解，歸納總結了潛艇管路系統產生輻射噪聲的主要原因、傳播途徑和隔振措施，并針對潛艇輻射噪聲中線譜成分是聲隱身性能主要危害且難以消除的現狀[1]，著重探討了主動控制技術在潛艇管路系統振動隔離中的應用和發展前景。

1 潛艇管路系統振動噪聲控制現狀

為保證航行機動性能、生命力以及為艇員創造適宜的生活環境，潛艇上設置了各種專用的管路系統，比如潛浮系統、液壓系統和消防系統等，但這些系統都由設備、管段、法蘭、撓性接管等組成，并含有大量的閥件、彎頭、三通、變截面管等。管路系統主要通過支撐或者吊架的方式安裝在艙壁或者舷側上，流體介質在管路中運輸，振動噪聲的傳播途徑主要包括:通過基座和減振系統傳播；通過連接機械的管路法蘭、管壁等結構傳播；通過管路工作介質向進、出口管路傳播；通過管路支撐和吊架傳遞到艇體或所接觸的艙壁；通過管路系統向外輻射空氣噪聲。

上述5條傳播途徑之間相互影響，而且沿管壁、管內介質和管路吊架傳播的振動是最主要的噪聲來源。為衰減振動向艇體傳遞，在管路系統聲學設計和安裝過程中通常采用減振降噪措施。具體措施主要有如下3個方面。

1)控制管路系統噪聲源。盡可能選用振動量級較小的水泵、油泵和空壓機等設備以及低噪聲管路元件，設備上艇之前進行振動檢測且要達到規定要求。同時注重基座設計、設備安裝及設備與管路連接時的相互耦合作用，避免產生較大的振動。

2)控制管路系統振動的傳遞。首先，在設計之初，對管路系統進行振動特性分析，防止管路系統的固有頻率接近源設備的激勵頻率，出現共振現象。其次，潛艇管路系統中采用大量的撓性接管和彈性支撐結構來降低管路振動向管壁的傳遞。撓性接管根據材料不同可分為金屬撓性接管和橡膠撓性接管兩大類，一般安裝在源設備的流體進出口附近，用作隔振設備的各種進出管路的過渡聯接，起到補償位移以及隔離管路振動的作用，具體如圖1所示。管路系統在艙內布置時，每間隔一段距離都會在支撐或者懸吊結構處采取彈性墊層的方式，降低管路與艙壁之間的連接剛度，阻礙彈性波向艙壁的傳遞，有時在支撐結構與基座之間還會插入隔振元件，進一步增強隔振效果，具體如圖2所示。

圖1 海水管路撓性接管

圖2 管路系統隔振示意圖

另外，管路系統中通常還會采用阻尼外包覆或內涂的方式增加彈性波在固體介質傳播中的能量損耗以及吸收一部分的彈性波能量，抑制管路振動向管壁的傳遞。

3)控制管路系統流噪聲和管口聲輻射。壓力脈動、湍流或空泡現象會導致管路系統產生流噪聲，流噪聲可通過通海口直接向海水中輻射，潛艇管路系統一般會采用儲液容器或者脈動壓力衰減器等降低脈動壓力，通海管路出口往往會布置消聲器，控制空氣噪聲直接向海水中傳播。

近年來，很多國內外學者在管路系統的理論設計階段以及管路系統安裝工藝流程方面做了很多工作，比如Lig等[2]全面研究了管路系統的振動功率流、撓性接頭功率、振動傳輸途徑等問題，并提出一些振動控制方法；Ryu等[3]研究了不同管路參數，包括管路質量比、結構阻尼系數、不同彈性支撐對懸臂式輸液管路的振動和動力學穩定性等問題；He等[4]利用有限元方法建立管路系統等效梁結構，計算了管路系統的振動噪聲，提出了管路低噪聲配置方法；孫凌寒等[5]利用阻抗綜合法分析了彈性支撐結構布置間距、布置位置、布置數量、剛度等參數對管路振動固有特性的影響，并提出了管路系統低噪聲安裝工藝方法。

上述措施大都屬于傳統的被動式減振降噪方法，雖然能很好的隔離管路振動，但對于低頻振動控制效果甚微，為更好地隔離潛艇低頻段線譜成分，增強聲隱身性能，管路系統振動主動控制技術應運而生。

2 管路系統振動噪聲主動控制技術

與大型機械設備振動主動控制方法不同，管路系統激勵源種類繁多，主動吸振器需要控制的特征頻率復雜而多變，需要控制的振動方向也至少有2個，并且安裝環境苛刻。因此，滿足潛艇管路系統的主動吸振器必須具有自適應調頻、出力大、線性度好、體積小，且能多向吸振的特點。有研究表明，主動控制技術可將沿管路傳遞的振動噪聲衰減20 dB以上[6]。

圖3 瑞典非浸入式管路主動吸振器

圖4 德國充液管路三維吸振器

圖5 德國ADD Pipe管路主動吸振器

圖6 基于音圈電機的管路吸振器

相比歐美發達國家管路系統振動主動控制技術的發展，國內的研究起步相對較晚，并且理論研究水平差距還較大。例如國內某研究所提出了一種基于音圈電機的管路吸振器結構，如圖6所示。雖然通過吸振實驗，驗證了其具備一定的寬頻吸振效果，但是和國外相比，還存在輸出力不足、集成化程度不高、工程化程度較低等差距，一直制約該產品在實艇上的應用。

研制適合潛艇管路系統低頻振動噪聲控制的主動吸振器，難點主要集中在自適應調頻多向吸振器的主動執行機構設計以及多自由度主動減振控制算法設計兩個方面，為突破上述兩項核心技術，國內有學者提出利用電磁作動器作為執行機構，并采用基于自適應濾波的前饋FxLMS算法對作動器進行控制，該項技術也正處于研發階段。

3 結束語

目前，為降低管路系統的振動噪聲，我國在管路系統的方案論證、設計、施工建造、安裝、維護保養等環節都采取一定的舉措，已經初步形成了管路系統動力參數優化配置和設計方法，制定了管路系統聲學設計規則，建立了管路振動與流體聲傳遞的計算方法，并研制和應用了管路撓性接管、管路消聲器、各種管路隔振支架等管路減振降噪元器件，但總體水平和國外先進水平還存在一定的差距，針對未來管路系統振動噪聲控制方法的研究趨勢，提出如下6點建議。

1)健全潛艇管路振動噪聲監測體系。通過傳感器優化配置，結合小波分析、HHT變換等弱信號檢測技術，提取管路系統發生裂紋、腐蝕等故障時振動信號的特征信息，再通過神經網絡、遺傳算法等智能診斷方法對管路故障的類型、位置、大小識別，實現對管路系統振動狀態的實時監測，對管路系統中發生故障的元件進行及時的維修或更換，預防系統振動噪聲的進一步增大。

2)潛艇管路系統噪聲控制，應分清主次，突出重點。特別是各管路系統的噪聲貢獻量級，比如水下使用頻繁的液壓系統、縱傾平衡系統、海水冷卻系統應成為噪聲控制的重點。

3)注重潛艇管路系統修理振動噪聲控制管理工作。將管路系統修理階段振動噪聲控制工作納入到潛艇全壽命減振降噪中，研究潛艇管路系統修理聲學狀態檢測與評估實施方法，構建管路系統修理振動噪聲控制管理督導機制、試驗條件以及拉網檢查制度，形成低噪聲維修規范化流程。

4)加強潛艇管路系統低噪聲安裝工藝方法的研究。目前，管路系統的流噪聲較為突出，需要進一步對影響管路系統振動噪聲的管路半徑、彈性支撐位置、彎曲半徑、閥件位置等參數開展理論和試驗研究，形成工藝規范，提高管路系統安裝質量。

5)大力開展潛艇管路系統振動噪聲控制新方法、新技術的研究，將主動控制、故障診斷技術、新材料、混沌控制理論等學科應用到管路系統振動噪聲控制工作中，實現多學科交叉研究，形成合力。

6)提高思想認識，加強艇員維修技術培養。通過講課培訓、參觀學習、實踐鍛煉等方式加強管路系統低噪聲修理人才隊伍基本素質建設，為潛艇管路系統日常管理工作和創建管路系統維修方案出謀劃策。

[1] 樓京俊．基于混沌理論的線譜控制技術研究[D]．武漢：海軍工程大學，2006．

[2] Lig X，Paidoussis M P．Stability，double degeneracy and chaos in cantilevered pipes conveying fluid[J]．International Journal of Non-Linear Mechanics，1994，29(1)：83-107．

[3] Ryu B J，Ryu S U，Kim G H，et al．Vibration and dynamic stability of pipes conveying fluid on elastic foundations[J]．KSME International Journal，2004，18(12)：2148-2157．

[4] He Tao，Sun Yu-dong，Wu Wen-wei ，et al．Low Noise Collocation on Fluid Pipeline System[J]．Journal of ship mechanics，2015(9)：1149-1158．

[5] 孫凌寒，尹志勇．管路系統低噪聲安裝工藝影響因素研究[R]．潛艇低噪聲維修工藝及規范研究報告，2016．

[6] 何琳．潛艇聲隱身技術進展[J]．艦船科學技術，2006，28(S2)：9-17．

王璐穎(1991-)，女，遼寧錦州人，在讀碩士研究生，研究方向為軍事裝備。

U674

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.05.013

2017-04-28