船舶振动噪声控制技术的现状与发展

古 龙，闵 捷

(1.湖北工业大学 绿色轻工材料湖北省重点实验室，湖北 武汉，430068；2.湖北工业大学 材料与化学工程学院，湖北 武汉，430068)

0 引 言

近年来我国船舶业发展迅速，已成为世界第一造船大国，将更加注重提高舰船的安全性、舒适性等方面要求。高强度的噪声不仅会对船员的身心健康造成危害，甚至会影响机械设备的正常运转。对于某些军工领域的特种船舰，噪声的存在会降低其隐身效果，使其容易被敌方探测、定位、跟踪，严重降低了舰船的生存力及战斗力。针对船舶存在的噪声问题，多国进行了大量的探索。法国潜艇采用了短粗尾一体化设计、前置导流环、金属橡胶隔振垫等一系列减振降噪技术。德国的F125 驱逐舰动力系统的设计更是处于世界领先的水平[1-2]。

1 船舶噪声的来源及其危害

船舶是一种复杂的组合体结构。船舶噪声的特点是噪声源多，功率较大，频段广、中低频为主。船舶噪声主要有机械设备工作运转时产生的噪声，螺旋桨引起的噪声以及水动力噪声。机械设备（包括主机、发电机组、中央空调等）工作时，某些元器件（齿轮等）会由于撞击振动等原因产生噪声。螺旋桨噪声是由于螺旋桨的转动，引起船尾不均匀流场中空泡的破裂产生的噪声。水动力噪声是快速水流不规则地作用于船体，引起船体振动产生的噪声[3]。

船舶噪声传播方式主要有3 种：1）船舶的机械设备直接向空气中辐射声波，产生空气噪声；2）机械设备的振动能量由振动源部位扩散到船舶的各个部位，然后向船体外辐射声波，产生结构噪声；3）船舶内部结构的振动及螺旋桨的振动等向水下辐射声波，产生水下噪声[4]。

机械设备直接或间接产生的空气噪声会影响船员的工作环境及生活质量，使其工作效率降低。机械的振动能量由固体结构传播到船舶其他部位，会使某些设备长期承受交变载荷，易产生疲劳损坏。此外，一定强度的振动会使一些精密仪器无法工作。船舶产生的水下噪声不仅会影响舰船的隐蔽性，而且会对海洋环境造成污染，影响海洋生物的生存[5]。因此，船舶降噪技术的研究具有重要意义。

2 船舶降噪技术的研究现状

船舶噪声产生的主要原因就是振动，振动和噪声本质上都是能量。减振降噪就是将振动的机械能转化为其他形式的能量。目前的降噪技术，可以从声源、振源、传播途径等方面采取措施，进行隔离、吸收以达到减振降噪的目的。降噪技术根据减振降噪过程中是否加入外来能源，可分为有源降噪（主动控制技术）和无源降噪（被动控制技术）[6]。传统的降噪技术多采用被动控制技术，被动控制技术能有效解决某一特定频段的噪声，但其不能适应外界条件的改变，不能主动解决根本问题。主动控制技术具有很好的发展前景，但是技术还不够成熟且成本较高，需要不断地优化。

2.1 被动控制技术

被动控制技术具有成本低、设备简单、不需要使用外部能源等优点。被动控制技术是通过附加装置的阻尼或者改变结构自身的力学性能等实现减振降噪。常见的被动控制技术有隔声技术、吸声技术、隔振技术等。隔声技术是噪声控制的常用技术，当声波在传播过程中，遇到某种表面时，一部分声波被反射，另一部分能够透过表面继续传播，从而降低噪声。如钢板能反射部分声波，并且与声波的频率无关。蔡文佳等[7]对船舶舱室空调通风管路进行隔声包覆，通过对比实验，得出了平均隔声量与隔声面密度有关，密度越大，平均隔声量越大的结论。

吸声技术是当噪声源发出的声波遇到某些特性的吸声材料或结构时，部分声波能够被吸收掉，使得产生的混响声降低。国内外常见的有消声瓦、吸声陶瓷、吸声涂层等。目前，我国吸声技术的研究与国外的水平相当，生产的多孔皮革纤维棉板材等吸声材料已经出口美国等多个国家[8]。

隔振技术是利用弹性支承使系统降低对外加激励起响应的能力，将振动源与基体之间的刚性连接转化为弹性连接，可以减小振动能量的传递。常见的隔振技术有浮筏隔振装置、双层隔振装置等，双层隔振装置简图及浮筏隔振装置简图如图1 所示。隔振技术也可以称为阻尼减振技术，阻尼是由于材料自身内部的原因所造成能量损耗，阻尼的基本原理是将受激振的能量转化为其他形式的能量（如热能）消耗[9]。常用的阻尼减振技术有系统阻尼以及材料阻尼等。

图 1 双层隔振装置简图和浮筏隔振装置简图Fig.1 Schematic diagram of double layer vibration isolation device and diagram of floating raft vibration isolation device

2.1.1 表面涂层技术

利用表面涂层技术降噪是被动控制技术的一种方法。表面涂层技术是通过对结构表面涂敷某种材料，对表面性能进行优化，赋予结构某种性能，涂层因其特殊的性能而被广泛应用。对于某些造成强烈振动的构件，由于形状尺寸等因素的影响，使得减振降噪技术受到限制。近年来，随着工业技术以及材料科学的快速发展，新工艺新材料的出现，为船舶的减振降噪提供了新的思路和方法。

吴延岩等[10]制备了三原相TiZrN 和两原相TiN/ZrN高阻尼涂层。通过有限元分析，建立模型，计算并分析损耗因子，得出在基体上涂敷涂层后阻尼能力增强，减振效果明显，但没有进行定量分析，因此无法确定每一种减振源对整个涂层系统的阻尼能力或具体数值。可以通过DMA 和DMTA 的测试研究涂层系统的阻尼和温度以及应变的关系，进一步丰富阻尼理论。

2.1.2 阻尼涂层

阻尼涂层是在基体表面涂敷阻尼材料，利用阻尼材料的特殊性能，将振动机械能转化为其他形式的能量（如热能等），使结构系统恢复至受激前的形态。常见的阻尼涂层有自由阻尼结构、被动约束阻尼结构以及智能约束阻尼结构等。自由阻尼结构的阻尼机理是由于阻尼涂层与基体的弹性模量不同，使形变滞后于应力变化，阻尼层和基体会产生不一致的变形，在阻尼层和基体的交界面形成局部变形区域，不一致的变形会干扰时间域，增大应力应变的差角，提高结构的阻尼性能[11]。自由阻尼结构的单层涂层具有操作简便，成本较低等优点，但其减振效果不理想，在使用时一般需涂敷较多的阻尼材料。

被动约束阻尼结构是由阻尼层和约束层2 部分组成。阻尼层的材料为粘弹性材料。当外力作用于粘弹性材料时，其弹性性能表现为分子链被拉伸（储存能量过程）；粘性性能表现为链端滑动不能恢复原状（消耗能量过程）。阻尼层的材料应满足以下特性：具有较高的损耗因子峰值，同时具有较宽的损耗因子峰值。这样才能保证阻尼涂层在较大的温度范围内有较高的阻尼性能[12]。约束层的材料为弹性模量较大的材料。当基体受到外力时，阻尼层会发生拉伸或压缩变形，而弹性模量较大的约束层会阻止其发生形变。因此在阻尼层内部会产生交变剪切应力和应变，消耗大量的振动机械能，自由阻尼结构与约束阻尼结构如图2 所示[13]。

图 2 阻尼涂层结构简图Fig.2 Structure diagram of damping coating

智能约束阻尼层结构是一种新型的阻尼涂层技术，是在被动约束阻尼层结构的研究基础上，加入反馈调节机制，可以随着振动环境的变化而调节控制。常见的智能约束阻尼层结构有可控约束阻尼层以及主动约束阻尼层等。可控约束阻尼层是在被动约束阻尼层的约束层上局部区域加入若干压电片作为驱动器。主动约束阻尼层是使用可控压电材料作为约束层，以实现反馈调节[14]。由于其成本较高，通常在精密仪器设备中使用。智能约束阻尼层是目前国内外研究的热点，也是未来阻尼涂层的研究方向之一。

2.1.3 不同制备工艺对阻尼涂层降噪性能的影响

阻尼涂层的制备方法有喷涂、电沉积、物理气相沉积等。等离子喷涂技术具有喷射离子速度高，沉积效率快等优点。电子束物理气相沉积制备的涂层与等离子喷涂技术制备的涂层相比，其具有热循环寿命高，致密度高，结合能力强，抗氧化、抗腐蚀性能好等优点。同时也具有制备成本高，沉积效率低，材料尺寸受限等缺点。等离子物理气相沉积结合了等离子喷涂与物理气相沉积2 种技术的特点，具有较高的稳定性及沉积效率等优点，但需要大功率、高沉积效率以及寿命更长的喷枪来降低成本[15]。Tassini N 等[16]用大气等离子喷涂（APS）和电子束物理气相沉积（EBPVD）制备了YSZ 陶瓷涂层，并分析对比了YSZ 涂层的阻尼机理和降噪性能，结果显示用大气等离子喷涂技术制备的YSZ 涂层具有更高的阻尼。

由于阻尼涂层的工作环境比较苛刻，提高阻尼涂层的性能和寿命就显得比较重要。优化制备方法，使制备方法更加完善；研制使涂层性能得到提高的新材料以及可以替代价格昂贵材料的新材料，使涂层的应用领域更加广泛等，这些都是未来阻尼涂层进一步发展的研究方向。

2.2 主动控制技术

被动控制技术对中高频声波有较好的降噪效果，但是对于低频声波的降噪，由于被动控制技术所用材料的声衰减性能大幅下降，其降噪效果差，效率低，会造成大量的材料浪费。有学者提出用“反噪声”消除噪声，德国科学家Paul.Lueg 基于声波叠加原理，提出了添加与原声波频率、幅值相同，但相位相差180°的人为声波，利用干涉来抵消噪声，其原理如图3所示[17]。添加外来能源来控制噪声的方法叫做主动控制技术。主动控制技术可以根据设定的控制规律动态的调整系统结构，达到消除噪声的目的。主动吸振技术是在振动源中加入动力吸振器，利用电子技术主动跟踪振动源，并产生与振动源相反的振动，以此降低振动源的振动。常用的有可调频式和非可调频式主动动力吸振器。主动隔振技术是在受控对象与振源之间加入次级振源，使其产生的振动抵消振源的振动，降低受控对象对振源激励的响应。该技术已应用在英国“特拉法尔加”级核潜艇以及美国“洛杉矶”级核潜艇，该技术的降噪效果非常明显[18]。主动控制技术的出现，解决了许多被动控制技术难以解决的问题，尤其是低频噪声，有着非常显著的效果。但是单一的使用主动控制技术降噪，会存在功耗大、效率低等缺点。

2.3 混合振动控制技术

传统的被动控制技术用于中高频振动，主动控制技术用于低频振动，显示出优异的减振降噪效果，但是主、被动控制技术也都有各自的局限性。因此，将主、被动控制技术结合使用成为各国的研究热点。通过大量的研究，荷兰TNO TPD 研制了一种新的控制技术，混合振动控制技术。混合振动控制技术是将主动控制技术（作动器）和被动控制技术（被动隔振器）同时应用于被控构件，被动隔振器用于分离中高频振动，同时作动器进行主动控制，衰减低频线谱振动[19]，对低频振动和高频振动都有很强的隔离能力。

图 3 Leug 原理示意图Fig.3 Schematic diagram of Leug principle

主动振动控制技术及被动振动控制技术按其相对作用大小可以分为主从方式和并列方式，研究最多的是以被动振动控制为主的主从方式。常见的有主动振动控制与阻尼耗能相结合以及主动振动控制与基础隔振相结合等。李彦等[20]提出了一种集合磁悬浮作动器与气囊被动隔振器的磁悬浮-气囊主被动混合隔振装置。在磁悬浮-气囊主被动混合隔振理论基础上，研制出了具有体积小、功耗低等优点的磁悬浮作动器，有效解决了混合隔振装置存在的稳定性、冲击性等难题。混合振动控制技术具有效率高、频段广等优点，但是存在系统承载能力、作动器性能、稳定性等问题。混合振动控制技术还需要不断优化。

3 展 望

船舶减振降噪技术的核心是材料。目前舰船上大量使用的材料仍是传统材料，而传统材料的阻尼小，减振降噪效果差。因此，开发具有减振降噪性能的新材料就显得至关重要。负泊松比材料以及声子晶体材料等都是具有应用前景的降噪材料。负泊松比材料是一种具有特殊结构的材料。当负泊松比材料受到某一方向拉伸时，与载荷方向垂直的方向会膨胀；同理，受到压缩时则会收缩，其表现正好与大多数的传统材料相反，如图4 所示[21]。负泊松比多胞结构材料具有优异的能量吸收特性。杨德庆等[22]设计了一种内六角蜂窝型负泊松比材料隔振基座，研究并分析了其隔振性能，以及蜂窝胞元的宽度、高度与隔振器固有频率、最大应力、底部振级及振级落差的关系。负泊松比材料因其特殊的性质而具有巨大的应用潜能。

图 4 拉压载荷下的材料行为Fig.4 Material behavior under tension and compression loading

图 5 典型二维声子晶体能带结构图Fig.5 Band structure of typical two-dimension phononic crystal

声子晶体材料是一种具有声波（振动）禁带特性的周期性复合材料。当声子晶体材料具有点缺陷时，弹性波与声波会局限在点缺陷处；具有线缺陷时，弹性波与声波会沿着线缺陷传播，图5 为典型二维声子晶体能带结构图，阴影部分为声子晶体的禁带[23]。声子晶体材料具有频率可控制、针对性强、尺寸小、隔振效果好等优点，尤其是在常规阻尼材料无法产生效果时，声子晶体材料具有巨大的应用潜能。在实际中，大多数结构都具有周期性，是由一些相同单元或相同的连接方式构成。因此，当振动或噪声频率在一定范围内时，可以通过设计声子晶体材料的结构及缺陷，使声波处于声子带隙内，声波就可以被抑制于点缺陷或沿着线缺陷传播。姜恒等[24]在局域共振声子晶体结构基础上研制了声子玻璃，声子玻璃是一种水下宽频强吸收材料。但是声子晶体材料存在制造难度大、可控性差的问题，因此很难根据噪声与振动控制的需要设计出声子晶体。声子晶体还需要不断完善其共振机理，解决声波在低频段的控制。

4 结 语

船舶减振降噪技术是一项复杂的综合性工程。随着船舶技术的不断发展，声隐身材料、动力系统、电子信息等新技术的应用，船舶的降噪技术会更加多样化。船舶降噪的材料也可能是集装饰、防腐蚀、阻燃、防辐射等多功能的复合型材料。同时，单一的降噪技术已不能很好解决噪声问题，因此，多学科交叉的综合性降噪技术会越来越受到重视。此外，噪声的利用也是一种具有应用前景的方法，不仅能达到降低噪声的目的，而且节能环保。这些都可能成为该领域的研究热点[25]。