潜艇振动与噪声控制技术的最新研究进展

孙卫红，晏欣

(海军工程大学理学院化学与材料系，武汉430033)

为了发挥潜艇的最大作战效能，其隐身能力显得尤为重要。要最大限度地实现潜艇隐身能力，应尽量减少其传播到水中的噪声。此外，它还要尽可能的避免被主动声纳所探测到，主动声呐的主要原理是声呐发出声探测信号到舰艇上，并能接受反射的信号从而确定目标舰艇的位置。声隐身技术目前是世界各国的研究热点，在国防领域有广阔的应用前景。一个最近发展起来的振动控制技术采用混沌隔振的方法，使用非线性隔离器来对由机械产生的噪音减振，能导致辐射噪音的降低。

噪声和振动控制的另一个目的是降低艇体内的辐射噪声，提供一个舒适的工作环境从而减少人员的疲劳，减少机械零件的损耗，改善潜艇可靠性和降低维修费用。本文就这些常规的和新兴的振动与噪声控制技术做一综述。

1 背景

1.1 潜艇的噪声和振动的来源

潜艇有很多的噪音和振动源，为了保证潜艇的隐形能力，其噪音和振动的幅度必须控制。潜艇甲板上的振动和噪声源包括发动机排气噪声，辅助机械振动噪声，柴油发动机噪声，发电机和驱动电机噪声，螺旋桨以及船体外体的流动噪声等。其他噪声源包括流体在管道引起的振动噪声，弓帽门开合、拖曳声呐打开噪声及其回收所承担的压力脉冲噪声等。

常规潜艇的柴油发动机的功率超过1兆瓦特，通常甲板上会产生最大的振动和噪声。在声学上隐蔽这样一个大的声学和振动源是一项巨大的挑战。目前，人们已经采用了许多技术来隐蔽发动机的声学特征。

1.2 控制理念

噪声和振动控制问题通常是作为一个整体来分析，包括噪声和振动源，传输路径和接收器。在一般情况下，如果首先能将噪音或振动源最小化，那么就没有必要通过优化系统来解决问题。一些噪音和振动控制方法使用振动隔离器或消音器来改善传输路径，以防止噪音和振动传播到接受器。在少数情况下，可以重新定位接收器以减轻感知区域。通常的控制技术包括转换噪声来源和控制噪声传输路径。

下文主要通过振动控制和噪音控制两个部分来展开综述，这两大部分进一步细分为主动和被动控制技术。

2 振动控制

2.1 简介

振动控制方法主要涉及通过安装被动控制系统，被动适应性系统或主动隔振系统来改变传输路径。

控制由柴油发动机产生的振动源的方法是使用一个有良好平衡能力的发动机（如V8引擎配置[1]），另一个方法是使用先进的电子柴油喷射系统[2]，不断调整燃料的使用量和传递时间，如Wärtsilä系统，从而用来减少由船用柴油发动机所产生的振动。

2.2 被动控制方法

用来减弱设备振动最常用的方法是在设备上安装隔振器来改变振动路径。被动减振器由金属弹簧，合成橡胶，盘绕钢丝绳等诸多类型不同的配置组成。其中大部分隔振器的设计来源于隔振器的受力与其偏转是恒定的线性关系，这也被称为胡克弹性定律。

减振器也有在其施加的力和所施加的位移呈非线形关系的情况，这种类型的减振器对于隔离冲击与振动也是有用的，因而当振动位移增加的时候设计者要注意把握隔振器所施加的相应增加的反作用力，Ibrahim[3]对于这种非线性被动振动隔离器的发展做了全面的综述报告。

非线性减振器的一个特殊的应用方面在于它们具有混淆音调振动的潜能，即被称之为混沌隔振，后面会进一步做详细解释。另一种被动振动控制类型是可以自动地调整安装的隔离器，被称为被动自适应控制。

日前，新型的被动隔振系统已经被国内外的学者所关注[4―6]。阿德莱德大学机械工程学院与国防科技组织共同开发了一种被动谐振系统[5]，可减少两个阶段的隔振器振动，这种被动自适应系统与调整自适应振动中性化器采用相同的原则。自适应被动系统可调谐到干扰振动的频率，其通过调整缚在刚体上的悬臂的长度，来改变系统的有效刚度，从而改变设备的共振频率。该系统只需要低功耗（12 v）就可以来运行一个微控制器和执行器。执行器仅在自动控制系统需要重新调整来匹配干扰的振动时才运行。

该设备进行实验室测试时使用模拟的柯林斯级发动机振动隔离系统作为测试平台。事实证明，这项技术能够显著减少中间伏梁的振动。这一结果的意义在于来自柴油发动机的振动在到达潜艇的船体前会被减弱，因此能减少潜艇的声学特征。

另一种用来减少振动的被动控制技术是一种调谐减振器[6]，它是由上伏梁，一个弹簧和阻尼元素构成。该设备是连接到一个振动装置且振动是通过阻尼来衰减的。瓦锡兰公司生产了一种调谐阻尼器并使之连接到船用柴油机的涡轮增压器上。结果发现振动水平显著减弱，该项研究成果已投入实际使用中。

2.3 主动方法

主动隔振是采用反效力从源头上减少振动的隔振方式[7]。这种系统主要与被动隔振系统联合使用，这样即使主动系统发生故障，被动系统将仍然能衰减部分振动。阿德莱德大学机械工程学院已经在模拟的柯林斯级潜艇发动机的隔振器上使用主动隔振系统。结果发现，主动隔振器沿平移和旋转轴提供了很好的振动衰减。

隔振系统的细微差别之一来自振动源，通过隔振器，认识到接受装置的平移和旋转两种振动力传输的重要性[8,9]，主动隔振系统由于忽略了旋转轴振动力的传输，仅沿单一平移轴传输，这样常会导致振动增强。

许多主动隔振系统被用来衰减船用发动机支撑结构上的振动[10―12]。MTU Friedrichshafen公司已经开发出一种联合被动—主动隔振系统用于衰减大型船用柴油发电机的振动。主动隔振器的支架包括沿三个方向的三个惯性电动振动器。他们的研究结果表明有意义的振动衰减是可以实现的。韩国研究人员开发了一种结合固定压电驱动器的主动隔振支架用于海洋应用。该装置按照军事规格进行了测试，发现其使用的混合支架比（SC）美国海军的标准弹性支架7E 450更好。

另外一种不太复杂的主动振动控制系统是一种“振动补偿器”，经常安装在大型水面舰艇上[13]。这些设备使用一个电驱动的相互旋转伏梁，其产生与驱动引擎同步频率的作用力。最近，一种关于主动或自适应被动隔振的研究被广泛关注[14，15]，这项技术主要是通过减弱舰艇船体上所承受的旋转推进器产生的振动，来最大限度地减少潜艇产生的噪音。有的研究和实验测试也与以往的研究不同，即是将轴向力应用到锚杆上，从而在螺旋桨叶的末端减少振动。

一些大学和防务研究机构、商业和国防工业公司已经广泛开展了对水面舰艇和潜艇的隔振控制技术的研究工作，一个在国防工业委员会与大学之间的合作的例子就是英国BAE系统公司和在英国的谢菲尔德大学2008年一起合作开始发展主动控制技术，他们所研究的方向包括：改进的建模和评估技术，以确定外部振动对潜艇的影响；更加准确预测潜艇声信号的技术；以及降低潜艇在海洋中共振和用模块化铸造的覆层实现无缝潜艇隐身表层的方法。

2.4 混沌隔振技术

一个用于识别判断海上平台物体方向的手段就是噪声识别。水下噪声傅立叶变换技术显示了声音的振幅和频率，通过转换不同的音调噪声（即起源于振动源的）得到一个混乱的信号来掩盖声学特征是可能的，这将降低音调噪声的幅度，改变信号的谐波或宽带噪声。

声信号的隐蔽能够通过非线性的被动或主动振动隔离系统来实现[16，17]。声线性频谱的衰减理论工作开始于大约2005年左右。其已作为改善海上平台的隐蔽性的一种方法。参考文献[18]描述了一项被动非线性隔振系统的实验测试。其中由电动机驱动的用反旋转伏梁的机械装置平台，是由充电和开阀点都可以调整的空气弹簧来支持。结果表明，当振动反映是混沌时，与振动反应是非混沌时相比，振动水平降低了附加的14 dB。混沌隔振[19―23]方面的研究目前仍在进行中，但利用这项技术的商业用隔振器的开发尚未可行。

3 噪声控制技术

3.1 介绍

为了保持潜艇的安静性，使得潜艇不被声呐发现，机械装置的噪声控制显得尤为重要。目前的噪音控制技术包括主动控制技术和被动控制技术。排气消声器用于减少柴油发动机的噪声，通常这些都是被动噪声控制装置，而并不需要额外的功率。主动噪音控制系统是为了达到减弱杂乱噪音的目标而引入声干扰源或声功率的声衰减系统。下面对这些技术作进一步说明。

3.2 被动消声技术

噪声的被动控制法已经非常成熟并被广泛应用。如作为标准排气消声器的声管被安装应用于汽车的消声装置，以及舰船的柴油发动机废气排放的噪音的控制上。

有关排气消声器的另一个技术被称为自适应被动共鸣板消声器。自适应意味着消音器能够自我调节到噪声的频率，从而在噪音频率的范围内保持噪音衰减。

自适应被动声衰减器并不能为系统注入额外的声能。唯一需要的功率来源是提供低电压来供应微处理器、声学传感器（通常是2 w）以及为执行器改变装置提供共振频率。由于他们是被动装置，因此不能像主动噪声控制系统那样变得智能自适应，而主动噪声控制系统则可根据噪声的频率而自动调节声阻抗。

霍华德和Craig[24]展示了一种使用记录发动机排气噪声和转速信号的自适应被动四分之一波长谐振管消声器。四分之一波长谐振管消声器提供装置的奇数倍基础频率声衰减。这意味着该设备将衰减基本频率的噪声和奇数倍谐波，这是一个非常理想的衰减柴油发动机噪音的特征。该装置的设计原理是将一个线性驱动器放置在四分之一波长谐振管里，并与发动机的一个活塞相连接，并通到一个主要的排气导管。管内排气噪声由V6三菱发动机（6G74M）记录，并通过扬声器重放。自适应控制系统能够调整发动机转速的变化，其研究结果表明奇数倍的基础发动机发射频率提供25 dB左右的声衰减。

此外在潜艇上衰减排气噪声，吸收由舰艇内部机械所产生的噪声来减少声信号被声呐探测也是非常重要的，同时这也是出于职业健康的需要。常规的吸声的方法包括使用声学泡沫或纤维。在低频率范围内要具有较强的吸声效果往往具有挑战性，目前的研究结果是低频吸声材料需要很大的厚度，往往超过100 mm。

目前，美国的杜邦公司生产的一个新的声音阻尼产品被命名为“LO-波”，其是在泡沫矩阵使用有效的声质量载荷来达到消声的目的[25]。该技术最初是开发用于航空航天领域，重点在于可以尽量减少额外隔声重量，以减少所需的燃料来发射火箭（或者增加允许的有效载荷）。这产品不同于常用乙烯基泡沫，其特别之处在于其包含的质量载荷随机被放置于泡沫矩阵结构中，使它们形成微型调谐团块阻尼器，这个装载乙烯基泡沫质量载荷的阻尼器可以吸收规定频率范围的噪声，并且乙烯泡沫内部中还包括有其他的质量载荷。最近，印度的海军海洋实验室的Jayakumari研究小组研制了IPN结构聚氨酯基的被动水声吸声装置，并研究了其动态力学性能与声学性能之间的关系，采用有限元法建立了声学结构模型，并提出了采用有限元方法建模并得出材料的结构配置设计、各层厚度比例以及填充物性质用量和材料物质性能等参数，从而来优化声学材料吸声性能的思路与方法，这种建立高分子吸声材料的本征参数与材料宽频水声吸声性能的对应关系，对于合理有效设计吸声材料、降低成本显得尤为重要[26]。

3.3 主动消声技术

早期的消声技术主要采用被动消声的方法，采用主动消声技术也同样能够达到相同的消声效果[27―29]，并且能够调整声压波产生的声阻抗与材料的阻抗相匹配。然而，主动噪声控制的物理现象通常解释为抗噪声源与早期干扰声波相结合导致声音消失。在实际使用过程中，排气系统中的主动噪声控制系统难以实施对热废气排放时的噪声产生消声的作用。常规的消声器只能在清洁环境条件下操作，并且需要精心保护消声器使之远离含有水分、微粒和腐蚀性成分的热气体。一些研究人员已经安装薄膜屏障来达到消声的目的，但是这往往导致消声作用的降低。

3.4 声斗篷技术

在理想状态下，上一节所述的消声瓦能够使得潜艇在声呐显示屏上消声，处于完全声隐身的状态，但在实际情况下，往往很难达到这种效果。声斗篷作为一项新的防御技术近年来赢得了人们的兴趣。目前，该技术已成功应用于电磁波的斗篷隐身技术中，并在水声应用领域中作了一些有益的尝试。

近来，美国的伊利诺斯州大学的研究工作者已经论证了一种宽频水下超声声斗篷系统[30]。他们设计并制备了一种具有一系列空腔的机械铝盘，其中的圆柱形空腔作为声子晶体能够使得射入的超声波能够绕过圆柱形空腔传播。这个设计已经被两种尺寸规格的实物论证，并证明在52～64 kHz频率之间是有效的；研究人员对其它各种不同形状和密度的物体进行了测试。研究结果发现将声学隐形外罩盖在隐形目标之后，物体的散射和阴影效果将显著弱化，且效果与目标的形状关系不大。该成果目前只能应用于超导频率，而对于水声低频却还起不到作用。

实验证实，另外一种类型的声斗篷能够利用物体的表面反射将物体声隐藏。这种装置被称作“圆形斗篷”或声毯。这种类型的斗篷是采用一系列平面的高度各项异性的穿孔的塑料盘所制成的超材料作为声斗篷安装覆盖在固体物体表面上的[31]。这个隐声斗篷的孔穴通过一排排的凹槽连接在一起。声音会在这些凹槽里传播，孔穴可以减慢声波速度。由于加速需要能量，声波不能在隐声斗篷外环周围传播，而是沿凹槽进入线圈。结构特殊的声学线圈起到了弯曲声波的作用，令其环绕在隐声斗篷最外层。他们在空气中进行了这个实验，即两个不同维度的声波冲击声斗篷，研究达到了比较满意的结果。如果能将这种穿孔的超材料应用于水声吸声中，通过合理的结构及材料设计来调节该材料与水的声阻抗相匹配，进而达到吸声的效果，将在水声吸声领域有重要的应用前景。

在数学上通过多层液体的环境来隐匿一个圆形的物体是可行的。后来研究者理论上计划研制采用三层不同密度的流体来隐匿物体的声斗篷（即3D声斗篷）[32]，实践证明，3D声斗篷在数学理论上是合理的，同时，该研究的结果中，声斗篷隐身的目标往往是圆柱形或球形的物体，目前，一些研究小组已经着手对任意形状的目标物体从理论上建立设计与研究的方法，他们采用数值分析的方法，用有限元软件COMSOL Multiphysics工具对任意形状的物体进行了声斗篷模拟[33],通过这样的计算和模拟能够推导出任意形状声斗篷的质量密度与体积弹性模量所需要设计的参数，而这对于声斗篷的实际应用是非常重要的。

声斗篷技术要想将其缜密的数理模型和良好的试验效果应用于潜艇消声上，还要付诸实现达到工程运用所需要通过的确认和考核。

4 结语

对潜艇以及海军舰艇的隔振及噪声控制技术进行了回顾和总结。这些技术包含被动、自适应被动以及主动控制技术。

潜艇技术的新发展之一是获得更好的声隐身性能，例如，美国海军2010年11月授予通用动力船舶公司一个价值71.14万美元的合同（资金分五年拨款到位）用以发展先进潜艇技术，其中包括声隐身技术。曾经被认为是理论研究的主动噪声控制技术现在也被应用于潜艇领域，这将使得潜艇的声隐身向宽频段、低频率的方向迈进，从而能更加有效地与先进的声呐探测技术相抗衡。同时，开发消声瓦安装的工艺优化技术对于安装在潜艇上的消声覆盖层充分发挥其消声性能是非常重要的。

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