结构噪声核心价值与理论逻辑解读第一部分：释义、价值及认知颠覆

吴崇建 ，陈志刚

1中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

2船舶振动噪声重点实验室，湖北武汉430064

1 结构噪声释义

结构噪声也称结构声［1］，其英文名称是Structure-borne noise或 Structure-borne sound。由于Sound的英文释义通常具有更加宽泛的含义，因而它总是泛定义为大自然中的任何声音，如乐器音等，而Noise多指“不需要的声音”，如机械运转产生的噪声。

1.1 结构噪声的双重含义

结构噪声具有双重含义［2-5］，它既是一门理论，又是结构振动参数。

首先，“结构噪声”是近年来蓬勃发展、内涵不断丰富的一门独立的振动声学理论，就像“结构动力学”、“摩擦学”和“弹性力学”一样。该理论分析振动更深入内核，它研究波或振动能量向结构的注入、内部传导及结构声辐射。

其次，结构噪声本身还是描述结构“振动”的表观参数，表达结构中因振动而产生的“内生波”——约定为与结构声辐射SPL密切关联的波。

1.2 结构噪声是“波”

结构噪声不是声音而是结构中的“内生波”。一般地，我们将结构噪声释义为结构中与声辐射相关的“特定波”，如图1所示。

容易将“结构噪声”直译为声音，或理解为结构中的振动，甚至是振动的一种记录方式或测量表达，这些不是十分准确。结构噪声与水声类似，只是介质不同，本质上都是研究各种形式的波动。

“结构噪声”与结构强度、疲劳和裂纹扩展中关于振动的研究内容有较大区别。空气中的声音叫“空气噪声”，水中的声音叫“水声”，而结构中的“内生波”就是“结构噪声”，它是这三种声音中唯一靠耳朵听不见的声音。

2 结构噪声的核心价值

如何实现潜艇安静化，已成为当下国内外阶段性的热点。除理论综合、措施改良这类精进化战术手段之外，要想跨越辐射声能新级差，需要新理论的顶层指导，使之成为颠覆潜艇安静化“最后一公里”的新拐杖！过去对结构噪声理论上的研究不够深入，实践上挖掘不充分。

2.1 潜艇安静化面临的新级差与新挑战

国际上将潜艇按照噪声高低划分为“高噪声”、“低噪声”、“安静型”等不同类别，本文将目标聚焦于“安静型”。放眼世界，又可以将“安静化”划分为3个层级：第1层级是跨进安静型门槛；第2层级是对标德国212A、俄罗斯Amur、“卡琳娜”潜艇；第3层级是与国际最先进潜艇同场竞技并保持动态领先。

如果将10倍定义为一个级差，那么从表1可以看出，辐射声功率PSPL≤10-4W极其微弱，今后欲达成的每一个目标都将是“刀尖上”的比拼。按表1辐射声功率来看，从10-4～10-3W降低到10-4W以下，意味着辐射声功率需要再降低1～2个级差，这是一个巨大的跨越！要想实现这一跨越，亟需新理论的支撑。从10 W到1 μW有7个级差，从“高噪声”到“低噪声”潜艇的过程也呈级差下降，为何唯独现在需要新理论支撑？

表1 不同声源级潜艇对应的辐射声功率Table 1 The source-level of different submarines and the corresponding radiated sound power

将振动能量换算为隔振量，进行粗略估算。传统单层隔振的隔振量一般为10～15 dB，约可提供2～3个能量级差补偿；双层隔振的隔振量为15～30 dB，相当于3～4个级差补偿；浮筏的隔振量≥35 dB，可补偿4～5个级差。由此可见，即使设备振动持续降低且浮筏隔振性能进一步提高，仍无法弥补安静化的级差缺口。

为什么不采用三级浮筏来提高隔振量？这在舰船上基本行不通，总体弊大于利（以后将另文讨论）。从潜艇隐身的发展进程来看，也同样面临级差缺口。在第一次浪潮中，潜艇减振降噪主要是对理论的认知深化与实践，以及隔振器、挠性接管等单项硬件带来的“红利”。这些单项措施伴随着型谱拓展，实现了总体降噪效果的逐年提升。中外国家无一例外都在该阶段耗费了相当长的时间。在第二次浪潮中，非主通道的噪声泄漏逐渐被均衡设计和声学质量评估所“抹平”，推动了潜艇隐身再上新台阶。而低噪声主辅机设备、弹性器件和隔振技术的不断完善，使机械噪声控制正在趋近极限。

在第三次浪潮中，潜艇发展由被动的减振降噪转向主动作为的潜艇声学设计，构造优良的“基因”成为根本。其发展面临3个难点：一是通过提高隔振效率所带来的增量不大。例如，俄罗斯在精细化设计中，潜艇安静工况运行设备的安装频率从12 Hz下调到5 Hz，增加了有效频宽，但预计改进增量Δ≤1～2 dB。二是在建造工艺持续、全面提升的情况下，持续精细化已接近潜力底线。三是声辐射能量积聚的艉部，大多无法通过隔振方式降低“能量级差”。因此，试图通过改良来降低辐射声功率新级差已无可能，我们应该有清醒的认识！

2.2 互补和叠加特性对安静化的核心价值

结构中的“波”或“振动能量流”掌控波向辐射噪声的转化。几十年来，振动理论研究千变万化，但都溯源于四阶微分方程，趋势是更加注重于对结构内核的研究。

式（1）中，挠度不但与质点坐标 (x,y,z)有关，而且与时间t有关，即

以Euler-Bernoulli梁为例，式（1）退化为

与隔振这种“软”方式相比，结构噪声的“互补性”和“叠加性”是其最大特点。它们贯穿于结构噪声的全部，成为复杂巨系统工程声学新跨越过程中不可或缺的创新技术手段。其特点具体体现在：

1）相互独立特性，可与隔振技术并用；

3）可设计成前后聚焦调谐，实现精准控制。

对于像潜艇这样的复杂巨系统工程，叠加衰减无上限。例如可达3～20 dB，与隔振器几乎具有同等效力！隔振器隔离振源向结构振动的传递确实效率高，但是其弊端是降低了设备的静稳性。提升隔振效果需要弹性体更柔软，这使其难以成为承载结构件。另一种不现实的应用是在船舶结构中使用弹性中间层，它们无法满足水密要求，“挠性接管”应该是少有的例外。

结构噪声技术可以与隔振技术叠加应用，阻振质量［7-8］、反射、间断点等技术措施的应用不受限制，不影响承载功能，表现出不一样的动力学特性：

一是隔振器刚度远小于结构，这使得隔振技术与结构噪声新技术之间呈弱耦合，结构噪声措施表现出独立性，基本上可以互补应用。

二是通过结构反共振点设计、精确调谐或者通带（Pass band）、止带（Stop band）巧妙构成一些频点的“塌陷区域”［9-10］（图 2），实现对结构振动的精准控制。

三是结构频点设计的宽泛性。众所周知，单层隔振能够发挥作用的频域范围（其中f0为设备安装频率）。双层隔振、浮筏比单层隔振虽然提高了隔振量，但有效频率范围反而缩小了！往往隔振效果提升掩盖了频段变窄的弊病。

一切结构的非连续性都将产生衰减！

衰减具有叠加性。波沿结构传导，会遇到材料特性和结构几何尺寸的改变。每一个间断点，入射波都将被迫完成一次反射，行进波因沿程损失、波型转换甚至近场波衰减等多种形式而发生能量损耗，使振动能量在传导中大幅衰减。

结构噪声衰减的叠加特性在简单系统中表现不如巨系统充分，这为设计师提供了主动设计的空间。振动波在巨系统内传导、转换和辐射的过程中，通过层层设防，反复穿越不连续点、线和阻尼损耗，达成叠加衰减。不难看出，波的叠加衰减并没有严格意义的上限！这是复杂巨系统工程的先天优势。当然，在波传导过程中也可能会激发有声学缺陷的结构，产生“二次固体声辐射”，设计中要避免这类异常噪声的发生。

2.3 从表观参数到内核参数

结构噪声将结构振动研究从表观参数深化到内核参数，给研究人员带来两个层面的深度思考：

第一个层面研究宏观参数。就是我们能够直接感受到的（例如振动位移、振动加速度、插入损失等），或者可以通过简单测量感知到的东西（例如简单振动形态等）。

第二个层面研究微观参数。都是一些我们无法直接感知、需要深入结构微观世界、借助仪器并在一定条件下测量获取的内核参数（例如波长、波数、反射波和透射波等）；还有一些参数需要通过复杂测量或者转换才能感知它们的存在（例如振动能量流）；更有一些参数当前只能从数学上感知并验证它们的存在（例如近场衰减波、波型转换、振动能量实时流动等）。

尽管如此，减振降噪与所有科学一样，仍然遵循微观世界决定宏观世界的规律。我们观察到的振动是什么？在结构噪声理论中，它是宏观世界的一个表观参数。当我们从宏观层面转换到微观思考，用结构噪声理论研究波的微观、内核要素时，就能更好地将微观与宏观层面的东西串联起来。例如，我们之所以研究近场衰减波e-kx（其中k为波数），是因为它掌控了波的转换与转换条件，提供了深入骨髓探寻微观主导宏观规律的新视角：如何形成水下声辐射？结构噪声的衰减规律与声辐射等。结构噪声理论对潜艇安静化的贡献，就如内窥镜对胃病，显微外科对心血管疾病、脑疾病一样，其意义无疑是巨大的。

结构噪声理论中存在许多似曾相识的“旧参数”，又拓展了许多新参数。因参数太多、难以读懂，结构噪声也被诟病，仅内核参数PARAic就有：

式中：Z为阻抗；M为导纳；P为振动功率；σ为辐射效率；τ为传导效率；r为反射系数；R为传导损耗；λ为波长；k为波数；下标中的英文字母代表激励力源，一位数代表原点，二位数代表两点间的传导。

随着结构噪声研究的不断完善，我们相信这些参数必定会完成从简到繁、再从繁到简的精进轮回。从宏观到微观，从表观到内核，由几个表观参数到内核特征参数集合，需要研究者转变思维，从微观层面理解、掌控，在这一过程中内核参数将不断减少。

从结构噪声的视角来看，潜艇声学设计实质就是控制各种波的过程，但这个过程并不简单！虽然波的种类不过区区3种：纵向波、扭转波和弯曲波，然而正是它们不断衍生出潜艇总声级、低频强线谱、中高频“毛刺”等，并通过叠加形成潜艇辐射声——不希望被探测到的水中声波集合体。

如果聚焦结构中的“波”，就会发现，上述3种形式的波不管在结构上相距多远，它们都不是完全独立的，而是通过转换、反射等发生关联。当你对某个波进行分析的时候，潜艇另外一个相距较远的波居然也可以被关联起来，似乎很不可思议。但是，这样一个简单的现象就是结构噪声的魅力所在。

3 结构噪声颠覆已有认知

部分现有的研究结论可能会被结构噪声新认知所改写、颠覆或者重新定义。

3.1 耐压结构是“声短板”

众所周知，由于能够抵抗强大的海水压力，潜艇耐压壳体被称为强结构。它们结构强度高，应力冗余大。大深度潜艇结构更强。这容易形成逻辑上的误导。用结构强度衡量，潜艇耐压壳体是很强的结构；但是从结构噪声判断，则是较弱声结构：

其一，潜艇耐压结构阻抗与120 mm砖墙阻抗相当。Cremer等［11］研究指出耐压结构仍不足够强（图3），它和现代高层建筑的分隔墙相比还要弱一些，是“声学短板”。现代建筑的分隔墙通常为隔音性能更加优异的中空砖，其厚度H≥300 mm。读者不妨敲击墙壁，亲自体验一下声传导对隔壁房间的影响。

其二，海水介质的存在进一步恶化了声学性能。潜艇浸没在海水介质中，结构声辐射ρc与介质声阻抗ρ0c0呈线性比例关系。由于ρc≫ρ0c0，结构噪声转变为水声要比空气中高效得多！

以上两点表明，潜艇耐压结构（也包括轻壳体）受激励转变为辐射声的效率比住宅墙壁要高得多！试图通过增加钢板厚度来提高声学性能的办法并不总是可取。需要对强结构就是低噪声的观念重新梳理定位，强结构会增加传导，需要研究传导、转换和声辐射这三者之间的平衡设计并将其作为控制途径。

3.2 算不准与测不到

一个引子：按结构振动理论，船体结构在低频段可视为箱型梁。当船体结构刚度很大、阻尼β→0时，自然预期船艉到船艏之间的结构噪声传导很大，振动可以传导到很远的距离而无衰减。有限元计算也支持这样的结论。然而令人惊奇的是，许多情况下振动衰减仍然很大。测试结果令我们无法释怀。

为何衰减远超理论预期？

近20年来，我们一直试图测量出潜艇航行中的“手风琴模态”（即纵向模态），但未能如愿。是因为振动响应近乎衰减到零？还是因为激励处于安全阈值之下，未激发出足够的结构响应而测不到［12］？目前虽无定论，但实船下算不准、测不到的现象却真实存在。

按照结构噪声理论，船体结构中的许多加强筋、肋骨或横舱壁，阻断了船体结构中波传导的连续性，每一根筋或肋骨会反射、衰减一部分入射能量，船体结构因此获得一个很大的累积净衰减。衰减量显然超过了对损耗因子β（或以结构比例阻尼代替）的预判。潜艇中大量的设备扮演了“动力吸振器”的角色。这两种原因导致工程中波传导被快速弱化。尽管在结构有限元计算中考虑了材料损耗因子β，但当结构离散为板、块、薄壁单元时，并不能完全表达反射、辐射阻带来的损耗衰减［13］，这样的衰减在结构振动中甚至不被怀疑就被“正确”地忽略了。

还有一种解释就是“Anderson 定域效应”［14］。谭路等［15］对“Anderson定域效应”结合周期结构开展了有意义的探讨。研究指出，对一类结构当损耗因子β=0时，波也会快速衰减。

3.3 两个重要推论

从结构噪声理论可以得到两个重要推论，它们对宏观把握潜艇声学设计比较有价值。

推论1：流激励围壳引起的振动，并不能通过结构传导影响潜艇艉部轻结构的声辐射。围壳是潜艇上最大的突出体，所受到的流激励非常大。有观点认为，流激励围壳还会引起潜艇艉部的轻壳体辐射声。在总体设计中，自然十分关注该问题。按照结构噪声来理解，只要潜艇艉部上层建筑不出现低级设计失误，就不会产生结构异常噪声，流激围壳很难激起相对较远的艉部轻结构产生连锁反应。该结论在实艇诊断测量中已被证实。

推论2：潜艇“手风琴模态”在航速范围内基本未被激发，呈隐性状。潜艇圆柱壳存在两种辐射模态：纵向振动模态和周向振动模态［16-18］。对该问题研究的时间跨度已达50余年，国内外发表了几百篇论文，包括美国、欧洲等解密的报告［19］，还有大量实验验证类文献或数据作为支撑。这些研究认为，“手风琴模态”是高效辐射模态。既然欧美国防研究报告已做出这种论述，这个结论在中国似乎无须验证：“手风琴模态”会辐射高等级噪声，是潜艇低频强线谱的祸根。

然而，从学术争鸣的角度来讲，相对合理的解释是：模型试验并没有错，因为它们是“简单结构”；为什么与实艇不一样？因为实艇是“开放的复杂巨系统”工程。错在我们过去将简单结构得出的结论试图套在复杂工程上，并理所当然地认为它们应该一样。在巨系统工程中，结构噪声的吸收、反射，阻振质量和动力吸振器（隔振设备）等，会带来巨量振动能量的累积衰减。但它们因为结构强度思维被合理“简化”了，从而导致错误。

在实艇航行中能否激发出“手风琴模态”本不该是一个很难的结论。特别是核潜艇，由于推力大、航速高，如果存在“手风琴模态”，它们一定比常规潜艇更显性。但欧美从来没有更正。是权当早期研究成果或缩比模型的试验结论，还是他们明知有误而有意误导？

初步推论：对简单结构，传导实测值与计算结果将趋于一致；而对于像潜艇这样的复杂巨系统工程，传导衰减计算值总是远小于实艇测量值。

4 结 语

随着技术的进步，准安静型潜艇终将成为“过去时”。新一轮精细化与声学质量评估，会进一步将已有技术措施的“红利”吃尽。安静化跨越“新级差”单纯寄希望于技术改良和挖潜已不现实，需要转型升级，深入内核的创新基础理论将迎接“新拐点”的到来。

当前之最需，就是用结构噪声增加我们的思考维度！结构噪声研究之于中国潜艇声学设计具有核心价值，它既是新阶段的理论热点和战略支撑点，又是安静化“最后一公里”的创新工具，逻辑上具备颠覆性。不理解这一点，我们就可能局限在传统“漩涡”内打转，与世界主流发展渐行渐远。与国际并轨，才可能厘清属于我们自己的理论创新逻辑。

［1］WU C J.Vibration reduction characteristics on finite periodic beams with neutralizer［R］.Southampton，England：ISVR，University of Southampton，1992.

［2］ROSS D.Mechanics of underwater noise［M］.Los Altos，CA：Peninsula Publishing，1987.

［3］WHITE R G，WALKER J G.Noise and vibration［M］.England：Ellis Horwood Press，1982.

［4］WU C J，WHITE R G.Vibrational power transmission in a multi-supported beam［J］.Journal of Sound and Vibration，1995，181（1）：99-114.

［5］LIGHTHILL J.Waves in fluids［M］.Cambridge：Cambridge University Press，1978.

［6］何琳，帅长庚.振动理论与工程应用［M］.北京：科学出版社，2017：265.

［7］姚熊亮，钱德进，张阿漫，等.刚性阻振降噪技术的应用研究及发展［J］.中国舰船研究，2008，3（5）：1-6，12.YAO X L，QIAN D J，ZHANG A M，et al.Survey and tendency of study on rigid vibration-isolating technique［J］.Chinese Journal of Ship Research，2008，3（5）：1-6，12（in Chinese）.

［8］林永水，吴卫国.复合波阻技术波阻特性分析［J］.中国舰船研究，2015，10（5）：59-65.LIN Y S，WU W G.Wave impedance characteristic analysis of composite wave impedance techniques［J］.Chinese Journal of Ship Research，2015，10（5）：59-65（in Chinese）.

［9］WU C J，WHITE R G.Reduction of vibrational power in periodically supported beams by use of a neutralizer［J］.Journal of Sound and Vibration，1995，187（2）：329-338.

［10］吴崇建，杨叔子，骆东平，等.WPA法计算多支承弹性梁的动响应和动应力［J］.华中理工大学学报，1999，27（1）：69-71.WU C J，YANG S Z，LUO D P，et al.The dynamic response and stress analysis of multi supported elastic beam by use of WPA method［J］.Journal of Huazhong University of Science and Technology，1999，27（1）：69-71（in Chinese）.

［11］CREMER L，HECKLE M A，UNGAR E E.Structure-borne sound［M］.Berlin： Springer-Verlag，1973.

［12］吴崇建.科学意识是舰艇创新的重要维度［J］.中国舰船研究，2017，12（4）：1-5.WU C J.Scientific consciousness：an important dimension of ship's innovation［J］.Chinese Journal of Ship Research，2017，12（4）：1-5（in Chinese）.

［13］黄惜春，陈志刚，吴崇建.关于原点阻抗的认知及改进潜艇基座振动传递实践［R］.武汉：中国舰船研究设计中心，2008.

［14］ANDERSON P W.Absence of diffusion in certain random lattices［J］.Physical Review，1958，109（5）：1492-1505.

［15］谭路，纪刚，周其斗，等.结构不等间距布置对圆柱壳结构声学性能的影响［J］.振动与冲击，2017，36（24）：189-194.TAN L，JI G，ZHOU Q D，et al.Influence of aperiodic arrangement of structures on structural acoustic characteristics of cylindrical shell［J］.Journal of Vibration and Shock，2017，36（24）：189-194（in Chinese）.

［16］刘监波，吴崇建，陈乐佳，等.基于模态滤波的板壳类结构空间均方振速估算方法［J］.中国舰船研究，2014，9（2）：48-54.LIU J B，WU C J，CHEN L J，et al.Estimation of the spatial quadratic velocity of shells and plate structures based on a modal filter［J］.Chinese Journal of Ship Research，2014，9（2）：48-54（in Chinese）.

［17］熊济时，吴崇建，徐志云，等.三维数字空间法与波叠加法结合的近场声辐射计算［J］.中国舰船研究，2011，6（1）：41-45.XIONG J S，WU C J，XU Z Y，et al.Near-field sound radiation numeration based on wave superposition method in the 3D digital space［J］.Chinese Journal of Ship Research，2011，6（1）：41-45（in Chinese）.

［18］熊济时，吴崇建，曾革委，等.基于波叠加法的圆柱壳声辐射计算［J］. 舰船科学技术，2011，33（1）：54-57.XIONG J S，WU C J，ZENG G W，et al.Sound radiation numeration of cylinder based on the wave superposition method［J］.Ship Science and Technology，2011，33（1）：54-57（in Chinese）.

［19］SHARIATI S K，MOGADAS S M.Vibration analysis of submerged submarine pressure hull［C/CD］//Undersea Defence Technology Europe 2008 Conference and Exhibition，June 10-12，2008，Glasgow，UK.