潜艇振动噪声的控制研究

　　文章编号:1006-1355(2006)05-0001-04

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潜艇振动噪声的控制研究

孔建益,李公法,侯　宇,杨金堂,蒋国璋,熊禾根

(武汉科技大学机械自动化学院,武汉430081)

　　摘　要:系统介绍了潜艇振动噪声的主要来源:机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声,并从这三个方面详细论

述了具体的控制方法。指出螺旋桨噪声、水动力噪声和设备机座机械噪声被有效抑制后,管道系统便成为“安静型”潜艇的主要噪声源。从管道的被动控制和主动控制两个方面论述了管道振动控制的研究现状,并对潜艇振动噪声控制的研究进行了展望。

关键词:振动与波;噪声;被动控制;主动控制;潜艇中图分类号:U674.76;U661.44　　　文献标识码:A

ResearchonVibrationandNoiseControllofSubmarineKONGJian2yi,LIGong2fa,HOUYu,YANGJin2tang,JIANGGuo2zhang,XIONGHe2gen

(CollegeofMachineryandAutomation,WuhanUniversityof

ScienceandTechnology,Wuhan430081,China)

　　Abstract:Machinerynoise,propellernoiseandhydrodynamicnoise,themainvibrationandnoiseresourcesofsubmarineareintroducedsystemically,andconcretecontrolmethodsarediscussedfromtheabovethreeaspects.Thenthepipesystembecomesthemainnoiseresourceofquitesubmarine,whenpropellernoise,hydrodynamicnoiseandmachinerynoiseoffacilitybasearecontrolledeffective2ly.Thecurrentstatusofvibrationcontrolisdiscussedfromthetwoaspectsofpassivecontrolandac2tivecontrolofpipe.Atlastthefuturetrendsandadvancesofvibrationandnoisecontrolofsubmarinearediscussed.

Keywords:vibrationandwave;noise;passivecontrol;activecontrol;submarine　　众所周知,潜艇巨大的威力来自于它极好的隐蔽性能。然而,随着反潜技术的飞速发展,已经形成了卫星、空中、水面、水下的反潜综合侦察系统,潜艇的隐蔽性受到极大的挑战。潜艇的声隐身技术是使敌方的声纳探测不到本潜艇位置或使敌方声纳的探测距离缩短的各种技术措施。这些措施包括降低水下辐射噪声和水声对抗两方面,其中降低潜艇水下辐射噪声是主要措施。潜艇辐射噪声的控制水平不仅关系到对敌舰艇的探测和攻击,也关系到本潜艇的安全问题。潜艇的噪声来源主要有三个方面:机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声[1]。潜艇低速航行时,一般以机械噪声为主,随着航速的提高,螺旋桨噪声和水动力噪声逐渐增加,开始超过机械噪声。降低潜艇的噪声也应从这三个方面着手。

也是侧面基阵自噪声的重要组成部分。机械噪声系指由主辅机及其系统工作产生的水下噪声。可以分为:不平衡噪声、电磁力脉动噪声、齿轮噪声、轴承噪声、管系通过基座与非支撑件激励艇体振动产生的噪声。

降低潜艇机械设备等噪声一般有两个途径:减振降噪和采取消声措施[2]。减振降噪是将机械设备安装在浮筏隔振系统上,通过机械绝缘和减振的方法来减小机械振动,从而降低潜艇的辐射噪声[3][15-16]。近年来,对潜艇动力装置的隔振已进行了大量研究工作,浮筏技术得到了应用,并取得了很好的减振降噪的效果[4-7]。

潜艇的管路系统是机械噪声的另一个重要来源。一方面,管路振动会传递给其它结构,并激励其产生噪声;另一方面,管路内的噪声会通过管壁向水中辐射噪声。降低管路噪声的措施是在系统管路中应尽可能采用多的弹性连接管与艇体相接,对流体强烈作用的管路采用降低流速、局部管路采用阻尼软管和加消声器的办法,减少流体冲击,隔绝此种振动传到艇体上。在管路噪声控制方面,应主要开展管路系统振动、流体脉动和噪声的传播机理、管系振动与空气噪声和水下辐射噪声相关特性、通海管路

1　机械噪声

　　潜艇的机械设备是引起辐射噪声的重要原因,

收稿日期:2005211227

基金项目:湖北省机械传动与制造工程重点实验室开放基金;湖北省教育厅科研资助项目

作者简介:孔建益(1961-),江西上饶人,教授博导。研究方向:智能机器及受控机构、机械设备在线监测与故障诊断、振动隔离与控制、机械设备的疲劳分析、CAD/CAM/CAE/CAPP。

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消声技术、管系减振降噪实用设计方法研究,及新型管系弹性连接和安装器件研制等[15-16]。这部分噪声控制还没有得到有效解决,特别是管路系统固液耦合振动噪声,研究工作还有待进一步开展。

消声技术可分为艇内消声和艇外消声。降低潜艇内部噪声的主要措施,是在壳体内部和舱壁上敷设吸声材料,在噪声强的设备上加装隔声罩、消声器,设立独立隔声室。一些新型潜艇还采用了有源消声技术[16]。在空气噪声较大的空间,针对该处的空气噪声特性设计出一种反音响声源系统。该系统能发出与原空气噪声振幅相同,但相位相反的音响来抵消该处原来的空气噪声,从而达到消声的目的。国外研究及实艇使用表明:敷设消声瓦是一项能大幅度降低潜艇声目标强度,同时抑制本艇辐射噪声的有效技术措施。在声防护技术中,消声瓦在潜艇声隐身设计中得到广泛地应用。装备消声瓦是潜艇隐身、减少暴露的一种手段[8]。目前西方海军潜艇装备的消声瓦有去耦瓦、无回声瓦、透射损失瓦和阻尼瓦四种。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术途径。随着声纳探测频率向低频延伸,科研人员正研究开发主动声控制消声瓦,采用具有很好性能的压电材料制作的传感器和执行器将它置于消声瓦或连续性声学涂层中,根据潜艇不同航行工况所具有的不同辐射噪声和不同的主动声纳探测信号,采用主动式手段,自动调节消声瓦的隔声、吸声性能,使消声瓦工作在最佳状态。

旋桨外面罩以导管,导管的前方有一圈固定的导向

叶片作为定子,螺旋桨在导管内作为转子低速转动,推动潜艇运动。这种推进器既能改变螺旋桨叶片的压力,防止空泡产生,又能改善尾流性能,减少尾波的形成,使航迹模糊。导管还可以屏蔽螺旋桨噪声辐射,大幅度地降低螺旋桨噪声。现在已经有许多潜艇都采用了这种技术。

(5)采用磁流体推进器[12]

磁流体推进器的原理是把电能转换成脉动磁场,脉动磁场在管道内产生行波,海水在管道前面被吸入,由电磁感生的行波向后推斥海水,从而产生推力。这种推进器的主要优点是推力较大,无空泡,无机械噪声,水的紊流较小。(6)无源磁浮推进器钱坤喜[13]等人将无源磁浮技术应用到舰船推进器上,试验样机的噪声低于40分贝,大幅度降低了舰船推进器的振动及噪声。

(7)采用电力推进系统[14]

电力推进系统的优点之一是其固有的低噪声特征,大部分传统的电力系统采用直流电,按传统的方法由直流发电机或蓄电池组向推进电机提供电压平滑的直流电。由于技术上的变化,需要定量研究的是传统和静止式变流器型的推进装置之间的水下噪声特征的区别。

3　水动力噪声

　　潜艇在潜水状态运行时辐射噪声的一部分由艇体和附体周围的流场生成,流场除了产生辐射噪声,也感应降低潜艇声纳声学性能的自噪声。凡是由流场产生的噪声统称为水动力噪声。水动力噪声是水分子的湍流噪声,主要发生在艇体表面的孔穴、突出体、指挥台围壳和艉部等部位。水动力噪声不是潜艇的主要噪声源,但也足以为敌声纳所发现。特别是在高速航行,这部分噪声更为重要。

减少水动力噪声的主要方法是改进外部设计[15-16]。如外形采用水滴型,尽量做到艇体表面光滑,减少突出体。艇上开孔数量应尽量减少,大的开孔能自动启闭,关闭后应看不到开孔。艇体结合处应采用弧形圆滑过渡,减少阻力和噪声。另外,还应对潜艇外流进行研究,改变壳体及其附体形状,优化推进器的位置,重新分配吸排水的压力场,以达到减小噪声、增加推进效率、提高机动性、降低水动力信号的目的。

2　螺旋桨噪声

　　螺旋桨是潜艇航行时的主要噪声源。由于螺旋桨叶片周向载荷不均匀,旋转时会产生空泡、鸣音和振动,发出高强度的噪声。降低螺旋桨噪声主要有如下措施[9]:

(1)改进螺旋桨结构

(2)采用高阻尼材料制造螺旋桨,可以有效地抑制桨叶振动,降低辐射噪声。如英国研制的锰铜铸造合金,日本的铁铬铝合金等,减振效果明显。

(3)气幕降噪[10]

在螺旋桨工作区域内注入一定压力的气体,延缓空泡的产生,减少潜艇辐射。(4)采用泵喷射推进器[11]

推进器是潜艇噪声源之一,也是潜艇噪声控制的重点与难点。各国通过多年的试验研究,已掌握推迟空化、避免唱音以及降低噪声的技术,使潜艇低噪声推进器的研制有了较大发展。泵喷射推进器就是其中的成果之一。

所谓“泵喷射推进器”就是在一个多叶片、大螺

4　管道系统固液耦合振动噪声控制的

研究

　　根据现有的研究成果可以发现,当螺旋桨噪声、

潜艇振动噪声的控制研究

水动力噪声和设备机座机械噪声被有效抑制后,管道系统便成为“安静型”潜艇的主要噪声源之一。舰艇管路系统中,如液压系统、燃油系统、冷却水系统,由于工作过程的不完善,伴有工作介质的振荡或脉动,介质脉动所产生的交变力,使管路及其连接的附件形成振动。强烈振动会使管路附件(包括弹性接管)以及它们之间的连接部分松动或破裂,并引起船体的结构振动。另外如舰船动力装置的冷却水通常取自大海,通海管路系统在采取加装挠性接头及弹性支撑等措施后可以抑制振动沿管道的传递,但系统中的泵、阀门以及弯头等所产生的流体噪声将随海水的吸入和推出从海底门辐射出去,还将严重影响舰艇的隐身性能。所以如何有效地降低液压管路的振动和噪声是目前舰船振动和噪声控制中一个非常重要的问题。因此,控制管道系统的振动和噪声具有重要意义。

从管道振动的机理对管道减振降噪采用的主要对策是提高管系结构的刚度,调整管系结构的阻尼,消除管系的激振力以及对控制系统进行优化设计等方法,使之避免共振的产生,减少管系结构的振动振幅,增大输液管的临界流速以提高工程运用能力。

管道系统的振动控制技术依据是有源还是无源,可分为主动控制和被动控制。4.1　管道噪声被动控制　　对于复杂的空间管系,由于振动和噪声的复杂性与随机性,主动控制设备实施有一定困难,采用被动控制技术不会过分增大系统的体积和结构复杂性。

被动控制主要有以下几个方面:①在管道和基础之间安装阻尼器可以有效的抑制管道振动,降低液体脉动振动的幅值,并使其衰减速度加快。通常采用的阻尼器有黏弹性阻尼器、弹塑性阻尼器以及电流变阻尼器。

②管道中连接脉动衰减器。③采用挠性接管和挠性管接头。④管壁选用吸振材料增加对节波的吸收[17]。⑤设计和调整支撑位置。⑥在管壁外敷设阻尼结构吸收并耗散振动能量[18]。

这些均是降低管内压力脉动、减小振动在管壁内传递的有效方法。

在理论方面,Fang和Lyons[19]研究了一端固支和另一端铰支的竖直输流管,发现管道轴向力会引起阻尼作用。由于铰支端的存在,库仑阻尼在结构阻尼中起主要作用,材料阻尼仅仅占结构阻尼的一小部分,当铰支端被固定端取代时,库仑阻尼值大大

3

减少。对于两端拉紧的各向同性输流管,结构阻尼主要由材料阻尼组成,按照滞后材料阻尼模型建立的基本方程,还得到了模态衰减系数,发现由于输流管轴向力的存在,管壁的材料阻尼对振动起衰减作用,结果表明,管壁的外面包一层阻尼材料可以有效的降低管道系统对周围空间的声辐射。

Koo和Part[20]创造性地把波传播理论运用到周期支承的输流管道系统,按照波的计算方法建立输流管道的动力学刚度矩阵,用传递矩阵法进行分析得到激励载荷的所有频率,依此设计周期支承并调节它们以施加相应的周期载荷,从而达到减振控振的目的。

但是,被动控制效果在低频率并不理想,低频信号的减振降噪效果并不明显。而噪声主动控制恰好在这个方面具有优势。

4.2　管道噪声主动控制　　有源消声(activesoundattention)又称噪声主动控制(activenoisecontrol),是指人们利用声波干涉

原理,在原噪声声场中人为地引入次级声源,并使之实时地产生与原噪声波幅值相等而相位相反的次级抵消声波,通过该声波与原噪声声波在空间同向传播过程中的相消性干涉来达到降低噪声的目的。与被动控制相比,主动控制具有更好的灵活性和对环境的适应性,而且还能对超低频振动和宽频带振动进行有效的控制。

随着智能材料和控制技术的不断发展,控制反馈系统有了很大的改进,主动控制技术正发生着日新月异的变化,管道有源噪声控制越来越受到青睐。一般情况下,一个主动减振结构的三个重要组成部分是感应器(传感器)、控制器、作动器。传感器是振动主动控制中的一个重要元件。如果传感器不能精确测得系统的振动量,则不可能获得很好的控制效果。控制器是主动控制系统中的核心环节,可分为前馈控制器和反馈控制器。前馈控制器适用于对特定扰动采取补偿措施的情况,具有响应快的特点;而反馈控制器则适用于在扰动因素较多且不可检测的情况,它能自行减少或消除扰动对输出的影响,特别适合于对复杂系统和参数不确定系统的控制,如隔振平台,柔性结构等[21]。作动器也称为执行器,是实施振动主动控制的关键部件。实用的动作器应该具有以下特点:较短的时间延迟,即控制信号到输出的主动控制力之间的时间延迟不能太长;输出信号和输入信号之间呈线性关系,不能发生过大的畸变,足够宽的频响,结构紧凑,质量小而输出力较大,性能可靠等。

其工作原理是:振动时,受控构件上的传感器感

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知到振动信号,并将其传递到控制系统,控制系统根据预先设计的控制规律,指示作动器进行工作,从而控制构件的振动。

英国国防调研局研发了一种替代传统的被动管道接头,采用有源振动控制技术的新型管道接头。该接头能够有效地抑制舰船上管路系统中振动噪声的产生[22]。

Kartha[23]利用内部装有1/3压电复合材料作动器的主动Helmholtz共振腔大大降低了管道体的流体脉动。

Maillard[24]设计了一种非插入式结构作动器用

综合使用。通过控制电流变或磁流变液的特性,主动改变被动隔振器的刚度及阻尼特性,从而改进整个隔振系统的减振降噪效果。

(7)采用磁致、压电等智能作动器制作有源隔振元件,代替体积庞大的浮筏等被动减振器,根据实时测量的安装部位的机械振动噪声源信息,产生主动激励,以抑制原有振动噪声向艇体结构的传递及向水中的辐射。

(8)采用具有良好性能的压电等智能材料制作传感器和执行器,将它置于消声瓦或连续性声学涂层中。根据潜艇的不同航行工况所具有的不同辐射声和不同的主动声纳探测信号,采用主动式手段,自动调节消声瓦的隔声、吸声性能,使消声瓦工作在最佳状态。(9)主动控制策略的研究。模糊控制、自适应鲁棒控制算法、人工神经网络控制、遗传算法和基于智能材料的阻挠控制技术将是今后的主要研究方向和热点。

(10)新型传感器的研究。潜艇振动监测对于降低潜艇的噪声是至关重要的技术途径,选择性能优越的传感器对于测量数据的准确性十分必要。同时,微幅、低频振动的抑制是潜艇振动主动控制技术的重要应用方向之一,往往测量信号微弱而干扰信号突出,因此,开发高精度的传感器也显得至关重要。参考文献:

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来控制舰船管道系统的流体脉动。圆环状厚型压电作动器作用在管壁上产生轴对称的平面波,在径向与流体脉动耦合,从而衰减流体脉动。

费仁元,吴斌[25-28]以声阻抗为控制目标,对管道噪声有源控制的声学特性进行了理论和实验研究,并对其消声机理进行了分析和探讨。研究表明,有源消声的效果取决于次级扬声器位置的等效声阻抗以及管道的阻抗分布特性。在消声实验台的自适应控制结果表明,在主频上取得了降噪40dB以上的效果。

直接使用吸振器也是对管道实施主动控制的方法之一。李玩幽和张洪田[29]等直接使用吸振器也取得了很好的控振效果。该吸振器以辅件的形式安装于管道上形成组合式减振装置,形成管道振动半主动控制技术,从而为管道振动控制提供了一个新的技术途径。5　潜艇振动控制研究展望[30][15][16]　　虽然潜艇振动研究历史并不短,但在潜艇管道系统流固耦合非线性振动特性及其控制技术的研究却是近几年才起步,考虑更为复杂因素的管道系统动力学特性和振动控制技术还有待进一步深入去探索。如果开展以下几个方面的研究将具有重要的理论意义和工程应用价值。

(1)管道流固耦合的非线性动力学建模与数值分析方法;

(2)气泡对非线性振动的影响;

(3)管道系统非线性耦合振动及声传播控制技术的数学模型;

(4)随机激励下管道非线性耦合振动及分析方法;

(5)从工程角度出发,研究一种对管内流体声能

量非接触测量的方法,这可能需要从理论和新型传感技术方面寻求突破。

(6)电流变、磁流变液与传统隔振器(如浮筏)的

(下转第17页)

高速光驱粘弹性阻尼减振框架结构的动力学方程及有限元数值解17

4　结　语

　　本文根据能较好反映粘弹性阻尼器力学行为的分数Kelvin固体模型,导出了高速光驱粘弹性阻尼减振框架结构分数阶动力学有限元方程,并利用Newmark数值积分法得到数值解。从动力学方程

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