船舶水下噪声研究三十年的基本进展及若干前沿基础问题

俞孟萨，林 立

（1.中国船舶科学研究中心 船舶振动噪声重点实验室，江苏 无锡 214082；2.中国舰船研究院，北京 100076）

船舶水下噪声研究三十年的基本进展及若干前沿基础问题

俞孟萨1，林 立2

（1.中国船舶科学研究中心 船舶振动噪声重点实验室，江苏 无锡 214082；2.中国舰船研究院，北京 100076）

三十年来，船舶水下噪声研究取得了显著的进展，同时也面临新的需求和挑战。文章从船体结构振动和声辐射、低噪声设备、管路系统振动和噪声、隔振及声振隔离方法、声学材料和元器件、推进器及推进轴系声学特性、水动力噪声、声呐自噪声、声目标强度、声学测量方法等十个方面，简要回顾和梳理了船舶水下噪声研究取得的主要进展及进一步的发展方向，并提出了若干前沿的基础性问题。

水中目标；目标回波；脉冲包络起伏

0 引 言

三十年来，国内船舶水下噪声研究针对机械噪声、推进器噪声和水动力噪声，从振动和噪声产生机理、计算方法、控制技术及测量方法等多个层面，开展了大量的研究，基本没有借鉴，更没有可以照样画的“葫芦”，从无到有，从简到难，三十年的发展及整整一代人的努力，我们取得了哪些进步？随着噪声控制要求的提高，船舶水下噪声控制需要强调噪声源与传递途径控制并重、机械噪声与推进器噪声和水动力噪声控制并重、主要噪声源控制与次要噪声源及瞬态噪声源控制并重、低航速噪声控制与中高航速噪声控制并重、辐射噪声与声呐自噪声控制并重，面对这些新的挑战，我们又应该如何应对?跟踪超材料及金属水、声学黑洞等新概念、新技术的发展，我们是否需要更多更深层的思考？

本文从船体结构振动和声辐射、低噪声设备、管路系统振动和噪声、隔振及声振隔离方法、声学材料和元器件、推进器及推进系统声学特性、水动力噪声、声呐自噪声、声目标强度、声学测量方法等十个方面，简要回顾和梳理了船舶水下噪声研究取得的主要进展及进一步的发展方向，并提出了若干前沿的基础性问题。

1 船舶水下噪声研究基本进展

1.1 船体结构振动和声辐射研究

三十年前，开始研究结构耦合振动及声辐射，建立弹性平板耦合振动及声辐射模型，采用有限元法、传递函数法、差分法等方法计算回转体模型受点力激励的耦合振动和声辐射，并由小尺度模型试验比较声辐射方向性吻合程度；从安全性角度研究船体总振动及频率错开，尚未意识到船体结构声学设计。

目前，揭示了船体等效梁、加肋平板和圆柱壳声辐射特征及规律，发展了三维声弹性理论，提出了解析/数值混合法、考虑流体负载的典型结构声辐射效率修正公式，采用有限元+边界元法、解析+数值法及统计能量法，建立了船体结构分频段辐射声功率计算模型，采用实尺度及大尺度舱段试验验证辐射声功率计算精度。进一步应发展船体定量声学设计计算数字化建模方法，针对船体低阶纵向和弯曲振动模态的声辐射特性，优化船体结构设计，避免出现船体共振及强辐射模态。

1.2 低噪声设备声学性能研究

三十年前，尚未明确提出低噪声设备研发思想，设备设计着眼于功能实现，振动和噪声量级普遍偏高；开始在风机和齿轮箱壳体上敷贴阻尼材料降低振动；设备振动采用振动烈度表征，尚未开展机械设备振动和声源表征参数及测量方法研究。设备振动和噪声产生机理处于旋转频率等特征频率分析层次。

目前，低噪声设备已转向兼顾功能实现与声学性能的优化设计，突破了低噪声叶轮或叶片、内流道、壳体结构等声学设计关键技术，辅机设备振动量级明显降低，并建立了自由速度、动态激励力、声源强度及内阻等设备振动和声源特性测量方法。进一步应以声学设计为主导，引入新原理与新技术及先进的精密加工和安装工艺，从机脚振动、流体动力噪声及空气噪声三方面降低激励强度，发展以高功率密度、小型轻量化及高可靠性为标志的安静型设备。

1.3 管路系统振动和噪声研究

三十年前，尚未认识到管路系统对舰船噪声的影响，只有建筑行业提出通风管路系统噪声控制方法可供借鉴。管路系统设计完全取决于满足功能需求，以满负荷工况参数选取设备，系统功率配置冗余过大，导致振动和噪声过高。管路系统设计从位移补偿角度配置具有一定隔振作用的管接头，没有认识到管路需要弹性支撑。

目前，考虑到管路系统的基本要素，建立了适用于低噪声与水力性能配置的管路系统振动与噪声传递计算方法及软件；管路系统设计已转向兼顾功能实现与声学性能的优化设计。进一步应优化组合管路系统，校核计算水力性能及振动与噪声，降低功率需求，减小冗余，并合理设计管路及配置附件和节流装置，实现低振动和低噪声的最佳工作点。

1.4 隔振及声振隔离方法研究

三十年前，部分设备单层隔振安装，采用动态力传递率衡量隔振效果；刚刚起步研究双层隔振，采用刚体模型及隔振器刚度计算隔振效果，尚未提出浮筏隔振及主动隔振概念，也没有艇内结构隔振和舷间振动与噪声隔离的概念。

目前，已建立了浮筏系统振动传递计算方法及软件，浮筏隔振技术得到普遍应用，筏架结构也逐渐从小型板架发展到大型空间筏架；采用电磁作动器等方式，突破了主动隔振及主被动混合隔振的关键技术；基于波型转换和声阻抗失配等概念，提出了隔振基座、减振铺板及舷间声振隔离方法。进一步应由分散隔振向空间集成隔振发展、由被动隔振向主被动联合隔振发展，提高设备及管路系统的集成隔振效果；并充分利用基座、铺板及舷间结构，由单层面的隔振向多层面的声振隔离发展，增加机械系统传递途径的降噪量。

1.5 声学材料和元器件研究

三十年前，已有少量型号和规格的隔振器，低频性能差，隔振器性能以固有频率为表征参数，通过测量静刚度换算动刚度。阻尼材料品种单一，参照工业噪声控制方法，在局部基座结构上敷设阻尼材料。消声瓦尚未开展研究，未意识到管路水动力噪声消声器；水声管测量刚刚起步，采用脉冲法测量反声系数，尚未认识到温度等环境参数对测量精度及稳定性的影响。

目前，建立了声学覆盖层定量声学设计方法，声学覆盖层已应用于实艇；研制了不同类型和载荷的隔振器、挠性接管及水动力噪声消声器等元器件，突破主动控制动力吸振器关键技术，进一步探索高静低动非线性低频隔振器；建立了加载或加压状态下隔振器机械阻抗、挠性接管机械阻抗和声阻抗及消声器声阻抗测量方法、声学覆盖层吸隔声系数及声阻抗测量方法。声学覆盖层应进一步扩展低频性能，元器件应由基本型向高性能型提升，降低适用频率范围、增加适用载荷，并发展新型器件，提高耐高温、耐辐射等环境适应性，扩展隔振器中高频机械阻抗、挠性接管声振耦合阻抗测量方法。

1.6 推进器及推进系统声学特性研究

三十年前，螺旋桨以抑制空化为主要设计目标，采用圆柱体卡门涡街概念解释螺旋桨“唱音”机理，在水洞外挂水箱中测量螺旋桨模型辐射噪声；螺旋桨导管敷设阻尼材料抑制辐射噪声；未提出船体与轴系耦合振动及声辐射概念，采用无限大平板振动和声辐射概念，解释艉部低频线谱噪声产生的原因，遭遇“吻合频率”以下无声辐射的悖论。

目前，揭示了螺旋桨低频线谱和宽带连续谱噪声、中高频宽带噪声及桨—轴—艇耦合振动及声辐射机理，空化和唱音问题已基本不复存在，推进器设计从早期提高推进效率及抑制空化，发展到推进效率与低噪声兼顾、大侧斜螺旋桨与船体线型一体化的声学优化设计。在循环水槽中声阵测量推进器模型中高频噪声。进一步应发展桨—轴—艇耦合振动及声辐射控制的综合优化设计，深入发展其它新型推进器的噪声预想与控制技术，扩展声阵中低频测量范围。

1.7 水动力噪声研究

三十年前，水动力噪声的理解停留在偶极子或四极子概念层面，线型与水动力噪声的关系也只有基本的定性认识，尚未认识到要从声学角度优化船体线型；刚刚起步研究湍流边界层脉动压力基本特性及流水孔线型优化。声学与流体专业常常从概念上争论湍流边界层脉动压力是声还是伪声，试验测量往往也分不太清两者的基本特征。

目前，已掌握边界层转捩、湍流边界层脉动压力模型及剪切层振荡与空腔耦合共振和水动力噪声产生机理，基本建立了一套从船体线型、水动力参数到水动力噪声的计算方法及软件，可以对船体线型及水动力布局进行声学优化设计，初步建立了湍流边界层脉动压力频率-波数谱测量方法。进一步需研究轻壳体及空腔开口和突出体流激噪声控制方法，重点突破大尺度模型水动力噪声测量技术。

1.8 声呐自噪声研究

三十年前，声呐罩一般采用不锈钢透声窗，其声学设计单一强调透声性，罩内局部布置吸声尖劈；刚刚起步研究声呐罩线型及结构与噪声的关系，概念较模糊；采用小尺度模型试验比较不锈钢与玻璃钢声呐罩的噪声差别；采用球壳模型计算分析湍流边界层脉动压力激励的声呐自噪声。

目前，发展了以透声为主的玻璃钢、钛合金声呐罩透声窗，在声呐罩非透声界面及周边船体结构上分别敷设吸声尖劈和阻尼材料，有效控制了低航速状态的中高频声呐自噪声；建立了一套艏部及舷间声呐自噪声的水动力噪声分量计算及低噪声声呐罩线型设计方法，并提出透声窗空间滤波的降噪概念。进一步应研究低噪声与透声性及强度兼容的复合结构透声窗、低频耐压隔声和吸声材料。

1.9 声目标强度研究

三十年前，起步研究刚性圆柱体和球体高频声反射亮点模型、平板声散射计算方法及特征，尚未考虑双层壳体结构共振声散射，也没有敷设消声瓦降低声目标强度的概念。

目前，建立了复杂壳体结构声散射模型，揭示了共振声散射机理，形成了中高频声目标强度预报方法及软件，采用船体线型修整和敷设消声瓦，有效控制了中高频声目标强度。进一步应建立考虑内外壳体及舷间结构的低中频声目标强度计算模型，突破低中频声目标强度试验验证的关键技术，优化材料与结构形式及参数，抑制共振声散射，有效降低低中频段声目标强度。

1.10 声学测量方法研究

三十年前，采用单水听器测量准远场辐射噪声及通过特性，振动测量以船体总振动及设备振动烈度为主，尚未提出噪声源分离及识别等概念。

目前，基于单水听器和矢量传感器，建立了航行辐射噪声准远场测试方法，实现了辐射噪声与振动"同时基"测量，初步建立了中高频机械噪声源定位与识别技术，测量仪表及规模、布放与机动方式全面提升。进一步应由船载布放式单点测量，向船载布放式声阵测量、进一步向固定式声阵测量方向发展。

2 若干前沿基础问题

为了持续推进船舶水下噪声研究，进一步扩展水下噪声控制的技术基础，针对船舶水下噪声计算、控制及测量的发展需要，提出若干前沿基础性问题。

（1）结构声辐射与声散射：复杂结构时空随机激励声辐射模型、组合结构低中频声振耦合及传递模型、船体结构声学优化及低频和次声噪声控制、周期结构带隙效应及弱辐射、模糊结构及超材料声辐射、复杂结构低频共振声散射、辐射与散射声场耦合增强；

（2）体分布声源声辐射与声传播：浅海低频声传播特性及截止效应、海洋波导空间体分布声源表征及声传播模型和规律、复杂海洋环境下结构声辐射及声传播模型、海洋环境下声源与传播声场时空相关性演变；

（3）声源与声场及其反演：反射界面条件下非共形面近场声全息及声源重构、海洋波导空间远场声场的声阵测量及声源反演、海洋背景噪声淹没下声源特征提取与测量、海洋波导空间次声辐射声场测量、有限空间声场测量及声源反演、有限空间声源分离与识别；

（4）动力学与振动耦合建模：轴承油膜动力学与转轴和基座振动耦合模型、齿轮啮合冲击与振动耦合模型、转/定子电磁场相互作用及其与振动耦合模型；

（5）腔室声弹流耦合与共振：腔室声场与弹性结构相互作用及声辐射、内流道涡流与叶片相互作用、叶片尾涡与弹性声腔耦合共振、腔口流体剪切振荡与弹性声腔耦合共振及线谱噪声、管束尾涡相互作用及弹性声腔耦合共振；

（6）时空随机激励与动载荷：回转体边界层转捩时空随机激励、流动分离时空随机激励、逆压梯度流动及弹性表面湍流边界层脉动压力频率-波数谱模型、水膜欠润滑摩擦激励、转/定子相互作用及多向流动激励、空化及空化流统计声源模型、扩散声场和湍流边界层面激励源模拟与合成；

（7）瞬态激励与噪声：电流突变诱发瞬态电磁场及振动、液压系统切换瞬态冲击及噪声控制、偏航分离流动引起的推进器噪声、节流器件流动分离及噪声控制;

（8）低频声振隔离与噪声控制：静压环境低频吸声与隔声、板壳结构中低频振动传递隔离、复合结构及其低频阻尼、低频减隔振及器件、超材料及金属水结构声振隔离；

（9）声呐自噪声与探测：复合结构透声窗空间滤波及降噪、声呐自噪声主成分分离、声呐自噪声空间分布及相关性、声场相关性与声呐基阵探测性能；

（10）主动与智能控制：主动控制宽带吸隔声及阻尼、声学智能材料与结构、声场主动控制及声屏蔽、主动控制润滑、流场及流动激励主动控制。

3 结 语

未来十年到二十年，船舶水下噪声研究的问题更多、难度更大、交叉性更强。为了有效推进船舶水下噪声研究的发展和深入，一方面需要更加注重基础性问题的研究，注重理论性问题的认识，把握水下噪声的物理本质及基本特征，另一方面需要更加深入和全面借助试验验证和计算分析，不断发展船舶水下噪声的计算、控制及测量的新方法和新技术。

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Some progresses of underwater noise of ships in the recent thirty years and several new basic problems

YU Meng-sa1,LIN Li2
(1.National Key Laboratory on Ship Vibration and Noise,China Ship Scientific Research Center, Wuxi214082,China;2.China Ship Scientific Institute,Beijing 100076,China)

In the recent thirty years,some significant progress has beenmade in the field of underwater noise for ships,meanwhile new demands and challenges are facing now.This paper briefly reviews and sorts out the main progress achievement aswell as directions developing in the future,which includes vibration and acoustic radiation of ship structure,low noise equipments,vibration and noise of pipe systems,vibration isolation and acoustical vibration isolation,acousticmaterials and components,acoustic design of propeller and propulsion shafting,hydrodynamic noise,sonar self-noise,acoustic target strength,acoustic measurements,and so on.Above all,several new basic problems are also put forward.

underwater noise;ships;acoustic radiation;vibration

O427.5 TB56

：Adoi:10.3969/j.issn.1007-7294.2017.02.015

2016-10-09

俞孟萨（1960-），男，研究员。

1007-7294（2017）02-0244-05