系统工程思维在减振降噪工作中的应用

盛美萍，王敏庆，李巧娇

西北工业大学航海学院，陕西西安710072

系统工程思维在减振降噪工作中的应用

盛美萍，王敏庆，李巧娇

西北工业大学航海学院，陕西西安710072

尽管吸振、隔振、吸声、隔声等单项减振降噪技术日臻成熟，针对特定频段、特殊环境的振动与噪声控制新措施层出不穷，但仍然无法确保在工程实践中可以取得良好的减振降噪效果。究其原因，未能重点关注船舶结构等实际系统的整体性和关联性特征、缺乏全面的系统工程思维制约了减振降噪技术效用的充分发挥。通过尝试应用系统工程思维指导减振降噪工程实践，顺利完成了某石油管道生产车间环境噪声治理和某型飞机异常噪声故障复原与归零工作。介绍减振降噪工作中部分系统工程的实践经验，提出相关建议，以期促进系统工程思维在船舶减振降噪工作中的进一步深化推广。

减振降噪；声学设计；系统工程；思维方式

0 引 言

在中国古代，就已经开始运用系统工程思维解决工程难题，例如，北宋丁谓的“一举三得”方案就是一个典型的案例［1］。宋真宗时期皇宫焚毁，丁谓受命重建，他把重建工作拆分为取土烧砖、材料运输、清理废墟等若干环节。如何处理这3个环节之间的矛盾？这3个环节之间是否存在必然的先后顺序？为了快速高效地完成这项任务，丁谓再三思量，想出了一举三得的办法：首先，从施工现场到汴水之间开掘大深沟，取土烧砖，解决建筑材料的问题；然后，把汴水引入沟中，使其成为运输通道；最后，工程结束后将水排掉，把所有垃圾倒入沟内填为平地，恢复为良田。丁谓重新解构了三者之间的关系，突破常规思维完成了任务。

20世纪中期，系统工程作为高度综合的横向科学技术，已发展成为一门学科。在美国实施的“曼哈顿”原子弹计划、“北极星”导弹核潜艇计划和“阿波罗”登月计划中，现代系统工程方法发挥了重要作用［2］。20世纪60年代末，在国防项目和航天项目的推动下，美军首次提出了行业标准《系统工程管理》（MIL-STD-499）［3］。中国也在工程实践中总结出了系统工程的基本理念，并应用于导弹研制、人造地球卫星、载人航天等大型复杂工程项目中，取得了巨大成就。目前，系统工程虽然仍处于发展阶段，但已在工业、农业、军事、社会等多个领域中崭露头角［4-5］。

减振降噪工作与环境、总体以及各子系统高度交叉，其综合实施效果与总体密切相关，具有系统工程的典型特征。故国内外学者均明确提出，应将声学设计贯穿于船舶总体设计的全过程，以满足船舶总体噪声指标［6-8］。目前，船舶总体声学设计已经基于顶层要求进行了各子系统噪声指标的分配工作，但在元器件的减振降噪设计、主要动力设备的隔振设计、流噪声控制、结构辐射噪声控制、声学覆盖层设计等单项技术的综合集成方面，还需进一步研究以实现系统整体功能的最大化。

1 减振降噪工作的系统性思考

系统工程将研究对象作为一个整体，按照分解和综合的思路解决问题。首先，从整体出发，根据任务需求确定系统的性能指标和功能结构；然后，根据总体要求对系统进行分解，确定子系统/部件的技术指标和结构方案；最后，进行综合集成以实现系统整体功能的最大化。在此过程中，应注意系统的综合优化，以及实现目标的具体方法和途径的优化［9］，而不必过分追求单一目标或单个子系统的优化。

减振降噪技术发展至今，吸振、隔振、吸声、隔声等单项技术日臻成熟。为了解决特定频段、特殊环境的减振降噪难题，提出了一些全新的概念［10-12］。然而，尽管一些减振降噪措施在单项技术验证性试验和模型试验中表现良好，但无法确保在工程实践中也能获得令人满意的减振降噪效果。为了从根本上解决振动噪声问题，应充分重视减振降噪技术的系统性特征，重新审视减振降噪工作中可能存在的盲点。从系统思维的角度而言，减振降噪技术在发展中存在技术碎片化的问题，导致单项措施的总体实施效果差强人意。不仅如此，振动噪声测试技术也同样存在碎片化的问题，由此导致总体声学性能评估的碎片化。

系统工程分析方法是把一个任务放在系统的运行过程中加以考察，通过逻辑推理和分析计算，研究任务要素及内在逻辑，从而提出针对性的解决方案。该方法强调系统性和逻辑性，特别注重子系统/部件之间的横向联系和纵向联系。减振降噪工作之所以被称为难题，一个很重要的原因就是噪声源众多、源与源之间相互耦合导致难以确定主要噪声源，故应重视振源、声源与辐射噪声之间的内在关联性。然而，有时在实际工程中很难从细节上完全掌握源的复杂特性，有可能导致减振降噪措施的针对性不强、实施效果不够理想，所以建立声信号特征及其变化规律与各类声学模型之间的内在联系，将有助于迅速判断振动噪声源，从而取得事半功倍的效果。

2 应用系统工程思维的减振降噪实例

2.1 车间环境噪声治理

2010年，某石油管道生产企业因管道车间噪声超标，遭到周边居民投诉并勒令整改。工厂车间的常规噪声治理一般采用隔声间或隔声罩，通过内部吸声和外部隔离处理，来降低车间噪声对周围居民的干扰。然而，若该管道车间建造隔声间或隔声罩，虽然降低了外部噪声，但也增加了内部噪声，会严重影响车间工人的健康。同时，造价高昂的隔声罩要求密闭，四周严丝密缝的墙体将导致进出车间不便、通风采光变差等棘手的问题。

经现场勘查，车间噪声主要源于管道在传输、打包过程中的相互碰撞，管道由高处滚落，与底部管道剧烈碰撞而产生巨大的噪声。通过突破传统减振降噪的思维惯性，应用系统工程思维综合考虑，仅对管道运输导轨稍加改进，就解决了这一难题。考虑到噪声来源于管道之间的碰撞，因此在运输导轨上加装了缓冲阻挡装置［13］，如图1和图2所示。这样，管道每滚一段时间即有一个停顿，末位置的动能得以减小，从而降低了噪声。该解决措施因噪声治理效果好、成本低，不影响车间通风采光，对管道运输效率和车间工作人员的影响较小，最终被工厂采纳。

图1 管道车间主要噪声源及处理措施Fig.1 Main noise resource and treatment measure in pipe workshop

图2 管道碰撞缓冲阻挡装置示意图Fig.2 Schematic diagram of the buffer device for pipe

在本案例中，车间噪声是工业生产的“副产品”，可以追溯明确的噪声源，但需要突破减隔振、吸隔声等单项技术碎片化所构筑的经验桎梏，根据噪声源的具体特点尽可能寻求标本兼治的解决方法，切忌盲目采取吸声和隔声措施。对于工厂车间的环境噪声治理，一方面应深入分析噪声源的特点与来源，根据噪声成因提出解决措施；另一方面要综合考虑环境、工程应用背景及成本等因素。本案例应用了系统工程中的系统性和整体性思想，系统梳理了车间内的主要噪声源，并综合考虑了周围居民、车间工人和企业的利益。

2.2 飞机异常噪声故障复原与归零

2007年，某大型运输机需要进行异常噪声故障诊断与归零［14］。该运输机结构复杂、振动源与声源较多、相互耦合严重，无法完全掌握其声源特性。在改装维护与试飞过程中，该机出现了异常噪声，改装维护厂家虽曾邀请多家单位查找原因，对机舱内部可拆部位进行了一一排查，但试飞时依然存在异常噪声。异常噪声问题不解决，飞机就无法交付使用，在这种情况下，作者应邀参与了异常噪声故障诊断工作。

根据一线技术人员介绍，该飞机的异常噪声会在特定飞行速度下出现，并随着飞行状态变化，主要有2个典型特征：一是声音异常嘹亮，可能是线谱噪声，还可能有谐波分量；二是异常噪声与飞机姿态有关，并非伴随整个飞行过程。由于机舱内部已进行了多次排查，初步判断噪声源可能不在舱内。通过请教飞行主管，得知飞机在拐弯时异常噪声会显著变化。

根据前期故障排查的测试结果，分析得出了线谱的分布规律：其在频谱图上并非等间距分布，而是频率越高，间距越宽，这是悬臂梁弯曲振动响应的典型特征，如图3所示。通过现场勘查飞机外部情况，基本明确了异常噪声的来源，很快完成了飞机异常噪声故障复原与归零工作。原来，在改装维护过程中因工人操作不当，破坏了天线原有的流体动力平衡，导致细长的天线（图4）在一定角度下形成涡激励，激起了天线的悬臂梁弯曲振动模态，从而出现异常嘹亮的线谱噪声，这符合凸体流激振动发声规律［15］。

图3 悬臂梁弯曲振动响应示例图Fig.3 The illustration of the flexural vibration response of cantilever beam

图4 机身天线Fig.4 The aircraft antenna

由该大型运输机异常噪声故障复原与归零工作可知，判断异常噪声源时不能局限于噪声源的常规判断。本案例中的天线不在常规的噪声源之列，所以采用常规思维很难找到异常噪声源，而基于系统工程思维即可得出2个内在关联：一是声信号特征与典型声学模型之间的关联，即发现异常噪声源具有悬臂梁弯曲振动模型的特性；二是噪声产生时刻与飞行姿态变化之间的关联，即发现异常噪声在飞机拐弯导致天线角度改变的情况下会加剧。通过分析异常噪声源特性与产生条件的关联性，得出异常噪声源位于飞机外部，且与流体动力平衡有关，从而迅速、准确地完成了飞机异常噪声故障复原与归零。

3 结 论

运用系统工程思维指导减振降噪工作将有力地推动成熟技术的集成应用，可在不显著增加研发风险投入的情况下有效提升减振降噪工作的总体水平。现阶段可从2个方面深入推进系统工程思维，指导船舶的减振降噪工作：

1）系统性地思考船舶减振降噪技术。针对现有的船舶减振降噪单项技术，站在总体的角度重新全面审视，重点关注各单项技术在整体背景下的作用频率范围、可能达到的最大降噪效益，充分考虑实施单项技术的环境因素和经济因素，进行客观的取舍。

2）评价参数系统化与测试系统重构。针对现有的船舶减振降噪评价体系与测试系统，从系统性的角度考虑关键要素的组合与互补，整合相对离散的评价参数与测试方法，从整体上提升船舶振动噪声测试与评价技术水平。

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Application of system concept in vibration and noise reduction

SHENG Meiping，WANG Minqing，LI Qiaojiao
School of Marine Science and Technology，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China

Although certain vibration and noise control technologies are maturing,such as vibration absorption,vibration isolation,sound absorption and sound insulation,and new methods for specific frequency bands or special environments have been proposed unceasingly,there is still no guarantee that practical effective vibration and noise reduction can be obtained.An important constraint for vibration and noise reduction is the lack of a system concept,and the integrity and relevance of such practical systems as ship structure have not obtained enough attention.We have tried to use the system engineering theory in guiding vibration and noise reduction,and have already achieved certain effects.Based on the system concept,the noise control of a petroleum pipeline production workshop has been completed satisfactorily,and the abnormal noise source identification of an airplane has been accomplished successfully.We want to share our experience and suggestions to promote the popularization of the system engineering theory in vibration and noise control.

vibration and noise reduction；acoustic design；system engineering；way of thinking

U661.44

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2017.04.004

http://kns.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20170727.1012.008.html期刊网址：www.ship-research.com

盛美萍，王敏庆，李巧娇.系统工程思维在减振降噪工作中的应用［J］.中国舰船研究，2017，12（4）：22-25.

SHENG M P，WANG M Q，LI Q J.Application of system concept in vibration and noise reduction［J］.Chinese Journal of Ship Research，2017，12（4）：22-25.

2017-03-16< class="emphasis_bold">网络出版时间：

时间：2017-7-27 10:12

水声对抗技术重点实验室基金资助项目

盛美萍，女，1970年生，博士，教授。研究方向：噪声与振动控制。E-mail：smp@nwpu.edu.cn

王敏庆（通信作者），男，1970年生，博士，教授。研究方向：噪声与振动控制，系统工程理论与运用。E-mail：mqwang@nwpu.edu.cn

李巧娇，女，1992年生，博士生。研究方向：噪声与振动控制。E-mail：1326367758@qq.com