船舶機械減隔振技術與計算方法研究綜述

唐懷誠, 楊旖旎, 劉 燁,2,3, 鄒明松,2,3

(1. 中國船舶科學研究中心, 江蘇 無錫 214082;2. 深海技術科學太湖實驗室, 江蘇 無錫 214082;3. 深海載人裝備國家重點實驗室, 江蘇 無錫 214082)

0 引 言

機械噪聲是機械設備(如主機、槳軸、水泵等)激勵振動所產生的噪聲,是船舶中低速航行和潛航時的主要噪聲來源[1]．增強船舶機械減隔振系統的減振降噪性能對船舶的安全性和隱身性能都具有很重要的作用．

減隔振的主要方法有消振、吸振和隔振等．消振是依靠選用低噪聲設備來實現的,主要涉及到低噪聲設備的選用規定,本文不進行詳細評述．吸振和隔振的方法在船舶機械減隔振系統中大量應用:隔振是在振源和受控對象之間加上子系統,達到阻礙振動傳遞,最終減小受控對象振動的目的,圖1是在機械隔振系統中應用最廣的浮筏隔振系統;吸振是在受控對象上附加一個彈性子系統,以振動的形式抵消振源的振動,達到減少振源振動的目的,動力吸振器的作用機理如圖2所示．

圖1 浮筏隔振系統

為有效減少船舶機械設備噪聲的傳遞,學者們提出了安置隔振元件阻礙振動傳遞的被動隔振、引入次級振源干擾抵消主振源的主動隔振[2]．此外,吸振技術也廣泛應用于船舶機械系統的減振降噪:被動型動力吸振器被用于抑制窄帶振動[3],主動型動力吸振器可以進一步解決低頻振動和寬帶振動的控制問題[4]．近年來,為了進一步阻礙機械噪聲的傳遞,新型材料和智能材料被廣泛應用于船舶機械系統減隔振．同時,學者們探討新型結構形式以提升隔振系統阻礙振動傳遞的能力．

此外,隔振系統可以分為線性隔振系統和非線性隔振系統．其中線性隔振系統指質量保持不變, 力與位移參數成正比的隔振系統; 其余的隔振系統都是非線性隔振系統, 非線性隔振又包括阻尼非線性和剛度非線性等[5]．

在實際的工程應用中, 常常將多種減隔振方法交叉使用于船舶機械系統的設計中, 以達到更好的減隔振效果．因而, 近年來學者們開始研究不同減隔振交叉使用的耦合影響: 如在考慮主動隔振和被動隔振耦合效應的前提下, 對浮筏隔振系統進行設計[6]的同時考慮將非線性能量匯于隔振系統耦合形成集成的減隔振系統[7]．

1 隔 振 技 術

1.1 被動隔振

被動隔振可以分為單層隔振、雙層隔振和浮筏隔振．它們可以看作是在振源和控制體之間布置的彈性元件,依靠機械隔振系統自身的質量、剛度、阻尼等減小乃至消除振動從機械設備、管路向船體的傳遞．這樣做的優點是不消耗額外能量,不用安裝主動控制回路,易于安裝．

其中,單層隔振是最早應用于機器和基座之間的隔振方式,它的優點是安裝簡單,但在低頻段想要理想的隔振效果需要讓單層隔振器的剛度很小,承受靜載能力很差,中高頻段由于隔振器內部會產生駐波效應,隔振效果只在10～20 dB之間[8]．雙層隔振的減振降噪效果要優于單層隔振,它的原理是在機器和基座之間再加入一個中間基座,其隔振效果在中低頻段可達35 dB以上,在高頻段可達50 dB以上[8]．浮筏和雙層隔振的隔振原理相同,但雙層隔振只考慮單臺設備的隔振,浮筏同時連接了多個設備,通常情況下傳統的浮筏隔振系統在中低頻段隔振效果可達到40 dB以上[9]．由于浮筏的減隔振效果較出色,近年來學者們對浮筏隔振進行了大量研究,下文中對隔振方法的評述也主要是針對浮筏隔振的相關研究和設計．

近年來,由于受傳統線性隔振器的有效隔振頻率的限制,導致傳統的機械被動隔振系統在低頻段的效果并不好,甚至在被動隔振系統的共振頻段內反而會放大振動的傳遞．為應對船舶機械系統振動模態豐富、低頻激勵多的工程實際問題,學者們提出了采用浮筏隔振系統新型材料或新型結構形式的方法來增加機械系統被動隔振的適用頻帶和隔振性[10]．

1.1.1 新型材料

將新型材料應用到船舶機械系統減振降噪領域可以有效降低船舶機械減隔振系統的體積質量,同時能提升其減振降噪的效果．李永勝等[11]探討了對船用水泵的筏體結構采用復合材料(玻璃纖維增強樹脂基復合材料)并進行了結構優化,設計出的復合材料浮筏在中低頻段(10～500 Hz)的隔振效果提高了3 dB,重量降低了18%．靳帥楠等[12]發現鋪設聚氨酯材料以降低船首聲納平臺的機械噪聲,隔振效果可提高8 dB．

Teng等[13]提出在隔振器中填充固液混合液材料:由于隔振性能與固體單元數相關,可以有效提升隔振器設計時隔振性能的精準度,他們用精確積分的方法計算了幾個激勵頻率值的響應,發現使用120個固體單元的混合隔振器在20 Hz頻段減振效果達到15 dB,同時使維修更便捷．劉興天等[14]將負剛度梁與隔振器并聯使用,在保持隔振器的承載性能和空間大小不變的情況下,提升了隔振系統的低頻隔振性能．Hao和Cao[15]提出了一種具有較高承載能力和動態剛度的單自由度零剛度振子,并給出諧波強迫和諧波振動基作用下的傳振率估計公式．Li等[16]建立了浮筏隔振系統的高維數學模型,并使用帶有準零剛度的浮筏隔振系統,探究了不同浮筏的物理參數對船舶機械系統減振降噪的影響大小．

新型材料隔振不僅需要新型材料的創造,也需要針對艦船的具體適用場景對新型材料進行力學優化．對新型材料結構的優化研究,仍然是減振降噪的未來方向．

1.1.2 新型結構形式

船舶機械減隔振系統新的結構形式需要同時考慮耐壓和隔振雙重性能,學者們對聲傳遞路徑進行了深入研究,并由此設計出船舶機械減隔振系統的結構．張華良等[17]探究發現浮筏的隔振性能受基座質量、剛度和阻尼這些參數的影響很大,并據此給出了浮筏優化設計的一般準則．被動隔振的結構優化思想也正是在保證安裝便捷性和結構靜態承載能力的基礎上,探究隔振系統質量、剛度和阻尼的最優數值以提升其阻礙振動傳遞的性能．

浮筏是船舶機械系統被動控制中應用最廣泛的隔振方式,學者們對筏架的結構形式進行了大量研究．Machens等[18]研究了桁架結構浮筏對船舶機械設備到船殼之間振動傳遞的阻礙機理,發現桁架浮筏上的組裝接頭可有效減小機械設備向殼體傳遞的振動．張峰等[19]提出了可將動力吸振器置于浮筏桁架結構中,增加了桁架衰減船舶機械設備到船殼之間振動傳遞的性能．徐時吟[20]考慮了船舶附連設備與筏架的耦合,針對考慮附連設備的艙筏系統建立了整體頻響矩陣,并基于周期結構的帶隙分布,給出了基于手性結構的筏架設計過程．學者們根據不斷發展的建模計算思想,研究的結構模型越來越細致、復雜,以求計算結果與工程實際情況更加符合．

此外,聲學黑洞結構是近兩年船舶機械系統減振降噪領域新興的技術．作為一種新型的結構形式,聲學黑洞結構的作用機理最先是由Mironov[21]發現的,他假設一個彎曲波在理想的錐型楔形(厚度在楔形頂端完全消失)中傳播,發現波永遠不會到達楔形頂端,這樣就可以把彎曲波困在楔形體內部,振動能量在尖端聚集．我們如果在聲學黑洞結構中的尖端布置少量的阻尼材料消除捕獲到的噪聲,就可以很好地阻礙振動從機械設備向船殼的傳遞[22]．基于此,Krylov[23]將聲學黑洞結構推廣到二維,并給出了薄板鑲嵌聲學黑洞的結構形式,最后討論了聲學黑洞結構在工程方面的實際應用可能．趙楠等[24]研究了浮筏上“聲學黑洞”的結構阻礙振動傳遞原理,探討了將傳統聲學黑洞改進為“分布式”聲學黑洞以進一步提升機械減隔振系統的減振降噪效果,還將應用“分布式”聲學黑洞與普通浮筏同受某設備實測激勵載荷的作用,在10～200 Hz頻域范圍內機械噪聲總級下降2.2 dB．現如今研究的聲學黑洞結構往往在中高頻處有更好的效果,對于提升它在低頻段的減振降噪效果的研究在未來具有重大價值,能讓這種新興的被動隔振方法更好地應用在實際工程中．

非線性隔振器包括變阻尼隔振器和變剛度隔振器．Yang等[25]設計了一種磁流變液阻尼非線性隔振器,磁流變液阻尼非線性隔振器是依靠磁場作用改變黏性,從而達到變阻尼的效果;Williams等[26]設計的記憶形狀合金剛度非線性隔振器,其剛度隨溫度非線性變化,以達到自適應控制的效果．與常規的“智能式”、自適應式控制器不同,非線性隔振器在同樣可以針對不同頻段振動達到最佳隔振效果的同時,不需要單獨另加能量源和控制回路,在安裝空間較小的水下船舶里可以得到廣泛應用．黎崛珉等[27]通過求解FPK方程來研究隨機激勵下非線性隔振系統的隔振性能,并輔以數值方法驗證,結果表明,隨噪聲強度增加,非線性阻尼抑制振動的能力更強．

準零剛度隔振器也是一種廣泛研究的變剛度隔振器．力與變形的恒定比值定義為靜態剛度,系統在靜力平衡位置處產生微小振動時力與變形的比值定義為動剛度．線性隔振器的靜剛度與動剛度相同,而準零剛度隔振器在保有同等靜剛度的同時,在平衡位置的動剛度很小,因而固有頻率也趨于零,從而在不減小靜態承載能力的基礎上獲得了很好的低頻隔振能力[5]．Schenk等[28]考慮如何實現張拉結構的零剛度模態．Carrella等[29]對一個安裝負剛度元件后由三彈簧組成的簡單系統進行研究,發現了幾何形狀與相對剛度的關系,并給出了量化的表達式．準零剛度隔振器在不減小承載能力的同時大幅增加了在低頻段的隔振性能,在減振降噪領域具有廣泛的使用前景．王心龍、周加喜等[30]建立了一個分段非線性的準零剛度隔振系統的動力學模型,并用平均法研究表明在激勵幅值較小時,其具有與傳統準零剛度隔振系統同樣優秀的隔振性能,而當激勵幅值增大后,其隔振性能又能與線性隔振系統相當．

1.2 主動隔振

主動控制是船舶機械系統隔振的一種重要方法,在減小低頻噪聲方面具有重大意義．它的原理是根據接收到的被控系統的干擾和響應信號,通過作動器輸出與干擾源相反的振動并互相抵消．因而主動隔振可以不滿足于黏彈性理論,與被動隔振同時應用于船舶機械系統的隔振在理論上是可行的．在具體應用中,主動控制由于有控制回路和需要獨立輸出振源,因而不便于安裝．為進一步增加主動控制系統隔振的作用范圍和安裝便捷性,學者們主要針對主動控制作動器和控制方法兩方面進行了研究．

1.2.1 隔振作動器

傳感器和作動器都是船舶機械系統主動控制的重要元件,分別負責傳遞控制信號和根據傳遞信號施加作動力抵消機械設備傳遞的振動,學者們對主動控制作動器進行了大量研究．主動控制作動器的類型有氣動式、液壓式、電磁式和智能式(如壓電材料作動器、磁致伸縮材料作動器、電流變液和磁流變液作動器)．

應用于船舶主動控制中的傳統作動器類型主要是電磁式作動器,電磁作動器的原理是一永久磁鐵圍繞著固定內線圈,對線圈施加電壓產生鐵芯的軸向運動從而產生作動力．電磁作動器根據作用機理和線圈纏繞方式可分為多個類別,如表1所示[31]．日本學者在主動隔振系統中采用了液壓式作動器也取得了良好的隔振效果[32]．液壓作動器由液壓缸-伺服閥組成,它能夠在有限空間提供足夠的抵消振動的位移或力,缺點是液壓系統容易成為新的噪聲源[33]．氣動作動器可以看作工作介質是空氣的液壓作動器,其優點是能提供較大的作動力、污染小等,缺點是作用頻帶較窄[34]．近年來,智能式作動器的發展十分迅速,這是由于采用智能材料制作傳感器、作動器的主動控制系統反應靈敏、準確度高．例如常用的壓電智能作動器[35], 它的應變來自于電場作用下由微觀粒子引起的晶體結構的不對稱, 具有遲滯效應小、 能量可循環的特點．而對于磁致伸縮作動器, 由于采用了新型合金, 其具有很強的應變能力和能量密度, 因而產生的力和應變較傳統作動器更大[33]．

此外,學者們還對作動器的結構形式進行了優化．Gardonio等[36]提出了半主動控制的吸振器調諧方法,以減小船舶控制元件在低頻段彎曲模態的共振響應．Wang等[37]提出了一種自動搜索作動器最佳安裝位置的控制系統．Hu等[38]探究發現,增加傾斜角度和尺寸大小作為作動器結構優化的參數,相比只將位置作為優化參數可以顯著提升減振效果．可以看到,對于未來主動控制作動器的研究,涉及到學科交叉應用的越來越多,這需要學者們了解多種學科知識,善于將其他領域的新型發現應用在減振降噪領域中,并根據實際工程需求運用自身的力學和聲學知識進行優化．

表1 不同類別電磁作動器的優缺點[31]

1.2.2 主動控制策略

控制策略的選擇決定作動器產生的作動力是否能正確抵消輸入的振動,這對于船舶機械系統主動控制十分重要．控制策略的選擇決定主動控制系統正確處理輸入信號和誤差信號并產生輸出信號使作動器產生作動力以抵消機械設備的振動．常用的控制策略有獨立模態空間法[39]、最優控制法、魯棒控制法[40]、速度負反饋[41]、正位置反饋[42]、PID控制[43]、自適應控制法等[44]．獨立模態空間法的各模態互相解耦,可以獨立地控制某一模態,是主動控制的一種重要方法[39];最優控制法的原理[40]是在每一時刻都把當時的系統狀態當作初始狀態,再通過極大值原理求解;魯棒控制法實質是預測未來隔振系統的最值問題;速度負反饋將反饋的速度信號直接發送給作動器實施激勵[45];PID控制又稱比例-積分-微分控制,它的控制原理是根據輸出信號與設定值的偏差經由比例環節、積分環節、微分環節進行控制縮小;自適應控制就是尋找自適應濾波器的最佳權值．

近年,學者們對傳統的船舶機械系統主動控制策略進行了進一步改良．Soni等[46]對主動控制提出了三元控制和四元控制兩種控制策略,并與PD控制和PID控制相比較,發現可以有效抑制振動傳遞．為減小忽略高階傳遞函數所造成的閉環效應溢出的影響,Marinangeli等[47]在傳統的諧振控制、調諧控制等控制策略方法的基礎上,提出了一種分數階正位置反饋補償器．袁明等[48]在正位置控制策略的基礎上提出了加速度控制策略,并開展了多模態振動主動控制試驗進行模態分析,發現基于加速度的控制策略能進一步提升機械系統減振降噪的效果．楊晨[49]將主動控制與神經網絡相結合,以達到控制系統在低頻段更好的減振效果．Kamaruzaman等[50]考慮將非線性問題在多個點上使用線性最優控制以解決非線性問題．王俊芳等[51]提出了新的自適應控制算法改善控制器飽和問題,改善了隔振效果．曹斌芳[52]討論了VSSLMS算法,相較于其他LMS算法,這種算法能根據信號的強弱來調整步長大小,從而達到在非平穩隨機信號中仍然可以跟蹤信號．張旻旻[53]使用FxLMS控制策略進行自適應噪聲主動控制,從而消除了電聲器件聲信號和次級聲源聲延時的影響,提高了有源控制的作用精度．

由上述文獻可知,學者們對于控制策略的改良目標主要在于提升控制效果、增大初始可行域和減小計算量．此外,隨著對海洋的不斷探索,船舶界與海洋工程界對工況的需求由單一變得多樣、由簡單變得復雜．因而,除了對控制策略自身進行改良,滿足工程背景新的需求也是未來控制策略研究的一個重要方向．

1.2.3 主被動交叉耦合隔振

主被動交叉耦合隔振的應用背景是為了設計出一套在全頻段都具有良好隔振效果的機械減隔振系統．經過學者的研究和設計,被動隔振器在中高頻段的隔振效果得到了很大提升．然而,被動隔振器的一大缺點是對于低頻的隔振效果不佳——被動隔振的隔振機理使得它在低于機械系統本身的固有頻率的頻段隔振效果不佳[54],甚至在固有頻率處機械減隔振系統反而會放大振動．而主動控制的應用可以有效提升對低頻段的隔振效果,但主動控制需要配備控制回路和能量源,需要較大的安裝空間和成本．因而學者們考慮結合主動隔振和被動隔振,以達到在更寬的頻段內機械減隔振系統都具有良好的振動阻礙作用．

很多學者設計了主被動集成隔振系統并通過設計試驗來驗證設計后隔振性能的提高:吳磊[54]針對船用6135柴油發電機組的減振需求,采用模塊化設計思想,將主動控制系統與雙層被動隔振系統結構相結合進行集成化的主被動隔振裝置設計,并測量了不同轉速工況下的柴油發電機組的振動響應,最終驗證了主被動集合隔振裝置的有效性．Li等[55]將非接觸式磁懸浮驅動器集成到空氣彈簧中,采用主動控制與被動控制相結合的方法來進行隔振．Niu等[6]考慮將機器控制(主動控制)和浮筏控制結合為完全控制,以功率流的傳輸效率為評判標準,將之與機器控制(主動控制)和浮筏控制相比較．此外,學者們以主被動集成系統的某一物理參數為基準進行了優化設計．Kamaruzaman等[50]針對一個六自由度零剛度磁懸浮系統,研究了主被動剛度的關系,以達到隔振器阻礙振動傳遞效果最佳,此外考慮分散PD控制策略,以解決交叉耦合的現象．馬召召等[56]采用電磁作動器主動單元與橡膠液壓被動單元并聯結合的方式設計主被動混合隔振器,并將自適應控制引入到主被動混合隔振系統中,以隔離船舶動力設備產生的低頻線譜噪聲．還有的學者將主動隔振與半主動隔振相結合:Hasheminejad等[57]基于主動和半主動混合控制,采用由串/并聯壓電作動器表皮層和半主動電流變液核心層組成隔振系統[58]．主被動耦合隔振除了對于力學特性的不斷研究,同時考慮了主被動耦合隔振會造成減隔振機械系統體積過大,如何在不損傷或者小損傷減隔振效果的基礎上減小減隔振機械系統的體積也是一個重要的研究方向．

2 動力吸振技術

動力吸振器是由振子、彈性元件和阻尼元件組成的子系統,附加在需要減振的結構上,其物理模型可建立為一個“質量-彈簧-阻尼”系統．其中,被動動力吸振器減振的原理為利用子系統附加在主系統上以吸收它的振動能量,主動動力吸振器減振的原理為給定一個與激勵相位相反的作動力來抵消振源的振動,以減少傳遞到控制物上的振動[46]．

2.1 被動動力吸振器

被動動力吸振器可以有效消除船舶機械減隔振系統低頻段的振動峰值,但起作用的頻段較窄．被動動力吸振器可以看作附屬于受控對象的一個子系統,具有一定的質量、剛度和阻尼,通過附屬子系統的振動重新分配一部分振源的振動,以減少受控對象的振動[59]．因為線性元件具有概念簡單、易于計算的特點,被大量使用于傳統的動力吸振器的阻尼元件中．但當固有頻率偏離傳統動力吸振器減振性能好的特定頻率范圍之后,傳統的動力吸振器的減振性能會急速下降[60]．由于被動吸振器的作用頻段范圍較窄,被動吸振器一般被用于解決原主系統的共振問題．

為進一步應對機械噪聲頻段較寬的工況,非線性吸振器應用頻帶寬的特性越來越受學者們重視,非線性能量匯就是一種在船舶機械減隔振領域中廣泛應用的非線性吸振器．非線性能量匯的作用機理是振源的能量單向傳遞到非線性能量匯中,受非線性能量匯中的阻尼作用抵消[61]．

雙穩定非線性能量匯的魯棒性好,低頻段減振性能好,但質量較大;聲學黑洞可減輕結構質量,提升結構高頻段減振性能．Jiang等[7]研究了隔振和吸振的耦合機理,在此基礎上設計了一種非線性被動隔振系統,并采用諧波平衡法評價,發現隔振和吸振被動集成的隔振系統相比單一隔振系統具有更好的減振性能．Wang等[62]考慮結合雙穩定非線性能量匯和聲學黑洞結構,同時提升了它在低輸入能量和高輸入能量下的減振性能．Sheng等[63]研究了影響動力吸振器振動控制效率的因素,為擴寬動力吸振器衰減帶,結合失諧效應和聲黑洞效應,提出了新的調諧規則．孫斌等[64]針對機械設備雙頻帶激勵特點,利用MATLAB中四階Runge-Kutta數值算法對比研究了耦合NES和線性動力吸振器的減振效果．

非線性能量匯的減振效果很好,但是適用的能量帶寬較窄．可以和其他的隔振方式耦合適用,以期適用的工程問題范圍更廣．

2.2 主動動力吸振器

在實際工況中,船舶機械系統往往面臨頻段寬具有多個振動峰值、激勵頻率變化大的振動噪聲環境,這時被動吸振器很難達到理論上的最優隔振效果,主動吸振器適用于抑制寬頻段的振動,在船舶機械系統減振降噪方面具有非常大的意義．在作用機理方面,主動動力吸振器是一種有源吸振,在被動吸振器的基礎上增加了作動器,根據受到的干擾施加一個抵消振源的作動力[65]．

學者們也將新型材料應用于動力吸振器的主動控制中,以期船舶機械系統獲得更好的吸振性能:基于比例積分主動控制策略,Kassem等[66]設計了一種復合材料吸振器,能有效抑制環向振蕩．

在實際應用中,常常將動力吸振器安裝在船舶隔振系統中,以更好地阻礙振動傳遞:Rasid等[67]基于傳感器融合法,考慮將主動動力吸振器引入到主動隔振系統中,以得到更高的性能．其中主動動力吸振器在低頻段作為傳感裝置,高頻段作為控制裝置,以更好地輔助主動控制機械系統減振降噪．

由于主動吸振器仍然考慮使用作動器產生作動力的方式來提升減隔振效果,可以借鑒參考主動隔振的研究成果,甚至與主動隔振系統集成耦合后使用．

2.3 新型動力吸振器

主動動力吸振器雖然吸振效果好,但成本較高,體積較大,新型動力吸振器在具有抑制寬頻段多峰值能力的同時成本和體積都比主動動力吸振器小．學者們嘗試將智能材料應用于動力吸振器的研究上或設計出自適應的半主動動力吸振器．它們的作用機理是可以調整吸振器的質量剛度等物理參數,從而改變自身的固有頻率,使得半主動動力吸振器可以根據主系統激勵頻率的變化達到實時最優的隔振效果．新型動力吸振器相較被動動力吸振器具有調整頻段寬,適用于變頻激勵的特點;相較于主動動力吸振器可以節省作動器的安裝空間,在安裝便捷性上具有更大優勢,適用于安裝空間小的工況．

楊志榮等[68]結合智能材料磁變流體,提出了一種新型船用磁流變體吸振器,并探究了它的固有頻率改變規律,固有頻率的變化與電流的變化成正相關,與溫度的變化成負相關,初始溫度(15 ℃)下施加8 A電流,吸振器移頻可達到27.5 Hz．李浩田等[69]提出了一種空氣-磁流變液半主動動力吸振器,它的機理是通過空氣彈簧實現可變剛度,通過磁流變液阻尼器實現可變阻尼．負剛度動力吸振器在低頻區沒有傳統動力吸振器的減振效果好,因而邢昭陽等[70]根據on-off控制策略,設計出一種控制回路,使得吸振器隨著不同頻段的干擾改變負剛度k的數值,從而綜合傳統吸振器和負剛度模型的優點,在寬頻段內抑制振動．王田[71]基于形狀記憶合金、光滑不連續振子和磁流變液,設計了一種具有非線性的變頻變阻尼半主動動力吸振器,并將加速度作為評價吸振器的力傳遞率指標,發現可以通過溫度和電流強度來改變剛度、阻尼等參數以達到針對寬頻段仍有良好的減振效果．Kecik[72]采用壓電材料和磁致伸縮材料設計一種可以回收能量的動力減振器．它的機理是:壓電系統受外力作用變形,當使用磁致伸縮材料時,不僅會產生電流和電壓,同時會產生磁場,電磁系統又將剩余的動能轉化為電能．李凱翔等[73]設計出根據追蹤傳感器主系統上實時的頻率變化自動調節自身固有頻率的自適應動力吸振器．

半主動吸振器的優勢在于增加了自身吸振效果較好的頻段范圍,同時不需要安裝能量源,能有效減小吸振系統的安裝體積．將新型材料和新型結構形式應用于半主動吸振器,使其自適應更靈敏準確,是減振降噪的一個重要方向．

3 研究與計算方法

準確預報機械結構的振動噪聲對船舶的減振降噪非常重要．隨著計算機技術的發展,機械噪聲預報方法在國內外已有廣泛的研究,取得了豐富的研究成果:學者們研究了模態綜合法、頻響函數法、四端參數法、有限元方法、統計能量法、功率流法等方法進行機械減隔振系統的建模計算．可用解析法、數值法或兩者結合的方法來計算彈性結構振動聲輻射,其中解析方法要求計算的結構簡化為經典的模型,如梁、板、圓柱面、球殼等．數值方法則適用于復雜結構的建模計算,但隨著計算模型單元數的增加,對計算機的性能要求急速增加,計算時間較長[74]．

3.1 理論建模與數值計算方法

學者們常基于模態的角度分析船舶機械系統的振動和聲傳播問題．模態包含固有頻率和振型等動力學屬性,在分析機械系統的振動特征時,學者們常常將物理坐標方程組轉化為模態坐標方程組并進行解耦,這就是模態分析方法[75]．浮筏隔振系統的子系統越多,則剛體模態越多,各階固有頻率的間隔越小,楊曉一等[75]針對這個問題,運用模態分析法對筏體結構質量和隔振器布置做出了優化調整,使得模態固有頻率避開共振區間．要進行模態分析首先要進行模態參數識別,學者們將模態參數識別的方法按識別域分為時域法、頻域法,近年來也有人結合頻域方法和時域方法的思想聯合求解模態參數[76]．

由于直接使用有限元法進行筏架的建模存在計算量過大的問題,張華良等[17]采用超單元法進行筏架的建模．超單元法將模態綜合法與有限元法相結合,在大幅減小建模規模的基礎上可以保留較完整的低頻特性．李中付和華宏星[77]基于模態分析原理,提出了時頻域聯合方法,將傳統模態識別方法適用的激勵由白噪聲激勵拓展到了非穩態激勵,根據多自由度線性結構響應辨識了結構的模態參數．黃繼嗣[78]為驗證主動控制對低頻線譜的噪聲控制效果,開展了管路多線譜噪聲試驗,試驗結果表明,管內降噪效果可以達到10 dB以上．

頻響函數綜合子結構方法是子結構方法中的一種．首先將結構劃分為若干子結構,得到內點和連接點的位移與力的關系矩陣,即是頻響函數矩陣,在裝配綜合后可以得到整體結構的頻響函數綜合矩陣．頻響函數法的優勢在于可以直接使用試驗得到的數據,消除一部分計算誤差,尤其是中高頻模態密集的頻段,頻響函數法仍然可以保證計算的準確性．

薛偉敏和華宏星[79]介紹了頻響函數法解決高頻段問題的優勢及頻響函數法的發展;黃修長等[80]配合頻響函數法,設計了靈敏分析方法,對隔振器進行了優化;高云劍等[81]采用頻響函數法對浮筏隔振器進行傳遞誤差分析,并通過矩方法對傳遞誤差進行定量分析;況成玉等[82]運用頻響函數法評價周期性桁架浮筏在高頻段抑制振動傳遞的性能并與傳統浮筏相比較,發現周期性桁架浮筏在高頻段能更好地抑制振動傳遞;程世祥等[83]基于頻響函數法研究設計出周期性桁架浮筏,并進行激振實驗,驗證了其相較于傳統浮筏在高頻段具有更好的隔振性能．

此外,也有學者研究通過試驗方法確定算法的輸入動力學參數,例如四端參數法．四端參數網絡法的原理是將復雜機械系統分解為單個黑匣子子系統,給出了一個四端參數矩陣,再對多個子結構進行串聯和并聯．張峰[84]基于四端網絡參數法建立了計算浮筏隔振系統的振動傳遞的方法和空間浮筏的設計模型(圖3)．

圖3 單輸入單輸出線性機械系統[84]Fig. 3 The single-input-single-output linear mechanical system[84]

由于考慮振動噪聲沿機械隔振系統傳遞方向帶來的解耦問題,四端參數法一般只考慮筏架由法向方向向基座傳遞的噪聲物理參數,但縱向和切向的輸入量同樣影響法向的輸出量,考慮三方向的耦合能進一步提升四端參數法的準確度．

3.2 直接數值計算方法

直接數值方法是指單純采用有限元/邊界元方法求解問題,它的好處是可以精確計算形狀復雜的結構,但對硬件需求高,在計算大型結構時需要很長的時間．有限元法是對結構和流體都進行有限元網格離散,再建立方程進行分析,適用于非線性、多介質問題[85],但不適用于開域無限空間;邊界元法可以良好地適應無限域、半無限域,因而學者們考慮使用有限元-邊界元混合方法進行噪聲預報[86]．

學者們在分析優化基座和浮筏隔振時常用有限元方法進行建模計算以分析機械系統的振動規律．譚星星[87]對基座進行有限元建模并計算得到了基座的阻抗,再根據計算得到的阻抗結果對基座進行結構優化,減少了基座的總重量和阻抗離散度,提升了基座阻礙振動傳遞的效率．王宇等[88]運用有限元法對浮筏隔振系統進行建模計算,以尋找顯著影響機械系統振動的物理量．楊東杰[89]基于等效導納法對圓柱殼和浮筏隔振系統進行了研究,并通過有限元法建立了圓柱殼和機械系統的模型,通過模態仿真分析驗證了機械隔振系統的振動傳遞規律．有限元法可以建立非常復雜的模型,但在進行復雜結構模態分析時需要計算的模態太多,因而學者們采用了不同的方法進行有限元計算的簡化．吳軼鋼[90]考慮使用零階能量有限元法,該方法使用有限體積法簡化了功率流法,不需要在連接不連續處進行節點處理,并進一步和邊界元法相結合,相比傳統的有限元法/邊界元法提升了計算量．為計算復雜線型結構,方斌等[91]簡化了Gordon方法,用節點位移量代替節點速度簡化了有限元/邊界元的計算過程．Zhang等[92]在最小二乘近似的基礎上提出一種雙層插值法,使得網格數減少的同時提升了計算精度．

有限元/邊界元方法是一種直接數值算法,這種方法的優勢在于可以計算潛艇機械系統中的復雜結構,但不能進行機理研究．同時考慮到計算量,學者們還考慮了數值/解析混合計算方法:將潛艇的外殼簡化為圓柱殼,用解析法進行求解,內部的機械系統采用有限元法進行建模計算[93]．劉濤等[94]采用解析/數值混合方法對有限長加支座的圓柱殼進行聲輻射預報,發現當基座與殼體的尺寸比和質量比很小時,基座的振動傳遞計算可忽略水介質的影響．

傳統的數值計算方法以位移為主要變量,與力、速度等動力學參數建立動力學方程,但在涉及到聲振耦合這樣的多系統計算時物理參數換算比較麻煩,用能量作為主要變量可以有效解決這一問題．統計能量法和功率流法都是在這一思想的基礎上建立起來的．

統計能量法的對象是相似模態的集合體,也稱為子結構,如桿、板、梁等的某一振動模態可以看作一個子系統．對于高模態的子系統,將他們的頻率、振型、阻尼處理成隨機變量．最后建立外界輸入的功率流和子系統的輸出功率流之間的關系．統計能量法是進行整體的平均預報而非局部的精確預報,將預報得到的能量轉換成所需的力學參數．統計能量法要求模態密度高,而中頻段分析的模態密度達不到統計能量法的要求,為拓展分析頻段,學者們又提出了基于波動理論的功率流方法,其好處是不要求高模態密度．

劉見華等[95]考慮由于振動和聲模態在高頻段密集的特性,不宜用模態法解決高頻振動問題,而使用統計量描述系統的振動規律;李志遠等[96]針對具體設備浮筏鋪設情況建立了統計能量模型,計算結果顯示該方法適用于中高頻段,低頻段計算精度略有不足．吳江海等[97]通過比較功率流貢獻量發現浮筏隔振系統對300 Hz以下的機械設備的低頻振動隔振效果差,并采用路徑分析方法探究主動控制系統的最佳安裝位置．鄒濤和洪明[98]研究了負功率流出現在傳遞過程中的原因．

運用建模計算方法進行噪聲預報是為了更好地設計水下船舶減隔振機械系統,以期滿足工程應用背景中的減振降噪需求．因而,算法需要計算效率越來越高、計算精度越來越符合實際,才能更好地指導水下船舶機械減隔振系統的建設．因此,學者們對算法的研究一方面在于減小計算量,想辦法將不重要的單元乃至結構進行理論簡化;另一方面對于簡化后的計算結果仍然需要滿足工程實際問題的精度要求,并通過試驗加以驗證．

4 總 結

本文對機械系統噪聲預報和治理的方法進行了梳理:為了使得機械減隔振系統的計算精度更高、成本更低、體積更低更便于實船安裝,減振降噪的頻段范圍更寬(如固有頻率之下頻段的減振降噪問題),學者們從多方面對機械減隔振系統進行了進一步改良．

1) 考慮在船舶機械隔振系統中使用新型智能材料和新型結構,例如對于非線性準零剛度隔振器、聲學黑洞等隔振方法的研究,可以顯著提升被動隔振的效果,使得浮筏隔振系統的被動隔振性能設計變得更精準和更便于調控．主動控制的研究方向主要包括作動器和控制策略的研究．現階段主動控制的研究目標在于:進一步提升主動控制的反應速度和制動范圍,同時減小主動控制系統的體積．在結合主動控制和被動控制時要考慮它們的耦合作用,以及針對應用工程背景做出優化．今后船舶機械隔振系統的設計和優化方向在于:在保證100～200 Hz以下低頻振動隔振效果的同時減小機械減隔振系統的體積．

2) 主動吸振器和半主動吸振器使得動力吸振器具有寬頻段振動抑制的效果．其中主動吸振器需要控制回路和次級振源,進一步減少主動吸振器的體積是未來的發展方向．同時,由于原理都是通過作動器產生作動力來抵消振動,可以將主動吸振器與主動隔振耦合使用;半主動吸振器本身體積較主動作動器更小,但同時由于可調節自身物理性質,適應的頻段較被動吸振器更寬,是一種非常好用的吸振方式．采用新型材料或新型結構設計半主動吸振器,提升其靈敏度和準確度是一個非常好的研究方向．此外,非線性能量匯是一種減振效果優秀的方法,但適用的能量頻段范圍較窄,與其他減隔振方法集成耦合使用是未來船舶機械系統減隔振的一個重要方向．吸振器未來的發展方向在于為寬頻段多峰值的振源設計有效的小體積吸振系統．

3) 論述了模態綜合法、頻響函數法、有限元/邊界元方法、統計能量法、功率流法、四端參數法等常用的建模計算方法．學者們通過模態分析、仿真計算、試驗驗證的方式探究系統的振動規律和機械系統減隔振效果的影響因素,并為機械減隔振系統的設計和安裝提供依據．總的來說,學者們在針對工程應用背景的需求前提下,提煉出需要設計和優化的主要問題或主要結構,運用振動力學和聲學的理論對方程進行簡化,再將簡化后的各子系統進行集成耦合,最后輔以試驗驗證．噪聲預報的未來發展方向在于: ① 如何在計算方面保證計算精度的同時盡可能地縮減計算量,減小計算時間; ② 強化船舶振動噪聲測試技術研究,增加評估船舶機械系統減振降噪效果．