王璐颖，楼京俊

(海军工程大学 科研部，湖北 武汉 430033)

潜艇管路系统振动噪声控制技术的研究

王璐颖，楼京俊

(海军工程大学 科研部，湖北 武汉 430033)

文章介绍了潜艇管路系统振动噪声的传播途径和主要的控制方法，针对管路振动辐射噪声中低频线谱难以消除的问题，着重阐述了主动控制技术在管路振动隔离中的应用现状。并结合目前实际情况，对管路系统减振降噪工作提出建议。

管路系统；振动隔离；主动控制

Abstract:The transmission ways and the control technologies of vibration and noise in piping system for submarines were introduced in this paper,Then，in view of the problem that the line spectrum of the noise in low frequency is difficult to eliminate,the application status of active control technology in piping vibration isolation system was emphatically discussed.Some suggestions were provided for vibration and noise reduction in piping system combined with the practical situation.

Keywords：piping system;vibration isolation;active control

潜艇声隐身技术通过改变、减弱或消除自身的声特征信号，降低被敌方探测系统发现的概率，从而显著提高潜艇作战平台的生存能力,其已成为现代武器装备建设中的研究热点之一，也是一项系统工程。外形结构设计、动力装置选择和减振消声等技术措施一直贯穿在潜艇的研制和设计过程中，从而多途径和全方位地降低潜艇辐射噪声。

航行中的潜艇，相当于一个复杂的水下噪声源分布体，经过50多年的发展，我国潜艇的噪声大约降低了60 dB，已经达到了安静型水平，特别是浮筏隔振、消声瓦、新型推进系统和声学结构设计等技术的应用，使潜艇声隐身性能上升到新台阶。

潜艇管路系统在实现流体介质、流体动力和流体信息传输功能的同时，总是伴随着振动噪声的产生。管路振动噪声一方面影响管路系统的正常工作，缩短管路元件的寿命，甚至造成管路接头松动，引起流体泄漏和管路破损；另一方面在潜艇主、辅助动力装置和推进系统噪声得到有效控制之后，管路系统振动噪声成为了影响潜艇隐蔽战术性能的主要因素。因此，随着对潜艇声隐身性能的要求日益提高，潜艇管路系统噪声控制得到了越来越多业内人士地关注。本文通过查阅相关文献和深入了解，归纳总结了潜艇管路系统产生辐射噪声的主要原因、传播途径和隔振措施，并针对潜艇辐射噪声中线谱成分是声隐身性能主要危害且难以消除的现状[1]，着重探讨了主动控制技术在潜艇管路系统振动隔离中的应用和发展前景。

1 潜艇管路系统振动噪声控制现状

为保证航行机动性能、生命力以及为艇员创造适宜的生活环境，潜艇上设置了各种专用的管路系统，比如潜浮系统、液压系统和消防系统等，但这些系统都由设备、管段、法兰、挠性接管等组成，并含有大量的阀件、弯头、三通、变截面管等。管路系统主要通过支撑或者吊架的方式安装在舱壁或者舷侧上，流体介质在管路中运输，振动噪声的传播途径主要包括:通过基座和减振系统传播；通过连接机械的管路法兰、管壁等结构传播；通过管路工作介质向进、出口管路传播；通过管路支撑和吊架传递到艇体或所接触的舱壁；通过管路系统向外辐射空气噪声。

上述5条传播途径之间相互影响，而且沿管壁、管内介质和管路吊架传播的振动是最主要的噪声来源。为衰减振动向艇体传递，在管路系统声学设计和安装过程中通常采用减振降噪措施。具体措施主要有如下3个方面。

1)控制管路系统噪声源。尽可能选用振动量级较小的水泵、油泵和空压机等设备以及低噪声管路元件，设备上艇之前进行振动检测且要达到规定要求。同时注重基座设计、设备安装及设备与管路连接时的相互耦合作用，避免产生较大的振动。

2)控制管路系统振动的传递。首先，在设计之初，对管路系统进行振动特性分析，防止管路系统的固有频率接近源设备的激励频率，出现共振现象。其次，潜艇管路系统中采用大量的挠性接管和弹性支撑结构来降低管路振动向管壁的传递。挠性接管根据材料不同可分为金属挠性接管和橡胶挠性接管两大类，一般安装在源设备的流体进出口附近，用作隔振设备的各种进出管路的过渡联接，起到补偿位移以及隔离管路振动的作用，具体如图1所示。管路系统在舱内布置时，每间隔一段距离都会在支撑或者悬吊结构处采取弹性垫层的方式，降低管路与舱壁之间的连接刚度，阻碍弹性波向舱壁的传递，有时在支撑结构与基座之间还会插入隔振元件，进一步增强隔振效果，具体如图2所示。

图1 海水管路挠性接管

图2 管路系统隔振示意图

另外，管路系统中通常还会采用阻尼外包覆或内涂的方式增加弹性波在固体介质传播中的能量损耗以及吸收一部分的弹性波能量，抑制管路振动向管壁的传递。

3)控制管路系统流噪声和管口声辐射。压力脉动、湍流或空泡现象会导致管路系统产生流噪声，流噪声可通过通海口直接向海水中辐射，潜艇管路系统一般会采用储液容器或者脉动压力衰减器等降低脉动压力，通海管路出口往往会布置消声器，控制空气噪声直接向海水中传播。

近年来，很多国内外学者在管路系统的理论设计阶段以及管路系统安装工艺流程方面做了很多工作，比如Lig等[2]全面研究了管路系统的振动功率流、挠性接头功率、振动传输途径等问题，并提出一些振动控制方法；Ryu等[3]研究了不同管路参数，包括管路质量比、结构阻尼系数、不同弹性支撑对悬臂式输液管路的振动和动力学稳定性等问题；He等[4]利用有限元方法建立管路系统等效梁结构，计算了管路系统的振动噪声，提出了管路低噪声配置方法；孙凌寒等[5]利用阻抗综合法分析了弹性支撑结构布置间距、布置位置、布置数量、刚度等参数对管路振动固有特性的影响，并提出了管路系统低噪声安装工艺方法。

上述措施大都属于传统的被动式减振降噪方法，虽然能很好的隔离管路振动，但对于低频振动控制效果甚微，为更好地隔离潜艇低频段线谱成分，增强声隐身性能，管路系统振动主动控制技术应运而生。

2 管路系统振动噪声主动控制技术

与大型机械设备振动主动控制方法不同，管路系统激励源种类繁多，主动吸振器需要控制的特征频率复杂而多变，需要控制的振动方向也至少有2个，并且安装环境苛刻。因此，满足潜艇管路系统的主动吸振器必须具有自适应调频、出力大、线性度好、体积小，且能多向吸振的特点。有研究表明，主动控制技术可将沿管路传递的振动噪声衰减20 dB以上[6]。

图3 瑞典非浸入式管路主动吸振器

图4 德国充液管路三维吸振器

图5 德国ADD Pipe管路主动吸振器

图6 基于音圈电机的管路吸振器

相比欧美发达国家管路系统振动主动控制技术的发展，国内的研究起步相对较晚，并且理论研究水平差距还较大。例如国内某研究所提出了一种基于音圈电机的管路吸振器结构，如图6所示。虽然通过吸振实验，验证了其具备一定的宽频吸振效果，但是和国外相比，还存在输出力不足、集成化程度不高、工程化程度较低等差距，一直制约该产品在实艇上的应用。

研制适合潜艇管路系统低频振动噪声控制的主动吸振器，难点主要集中在自适应调频多向吸振器的主动执行机构设计以及多自由度主动减振控制算法设计两个方面，为突破上述两项核心技术，国内有学者提出利用电磁作动器作为执行机构，并采用基于自适应滤波的前馈FxLMS算法对作动器进行控制，该项技术也正处于研发阶段。

3 结束语

目前，为降低管路系统的振动噪声，我国在管路系统的方案论证、设计、施工建造、安装、维护保养等环节都采取一定的举措，已经初步形成了管路系统动力参数优化配置和设计方法，制定了管路系统声学设计规则，建立了管路振动与流体声传递的计算方法，并研制和应用了管路挠性接管、管路消声器、各种管路隔振支架等管路减振降噪元器件，但总体水平和国外先进水平还存在一定的差距，针对未来管路系统振动噪声控制方法的研究趋势，提出如下6点建议。

1)健全潜艇管路振动噪声监测体系。通过传感器优化配置，结合小波分析、HHT变换等弱信号检测技术，提取管路系统发生裂纹、腐蚀等故障时振动信号的特征信息，再通过神经网络、遗传算法等智能诊断方法对管路故障的类型、位置、大小识别，实现对管路系统振动状态的实时监测，对管路系统中发生故障的元件进行及时的维修或更换，预防系统振动噪声的进一步增大。

2)潜艇管路系统噪声控制，应分清主次，突出重点。特别是各管路系统的噪声贡献量级，比如水下使用频繁的液压系统、纵倾平衡系统、海水冷却系统应成为噪声控制的重点。

3)注重潜艇管路系统修理振动噪声控制管理工作。将管路系统修理阶段振动噪声控制工作纳入到潜艇全寿命减振降噪中，研究潜艇管路系统修理声学状态检测与评估实施方法，构建管路系统修理振动噪声控制管理督导机制、试验条件以及拉网检查制度，形成低噪声维修规范化流程。

4)加强潜艇管路系统低噪声安装工艺方法的研究。目前，管路系统的流噪声较为突出，需要进一步对影响管路系统振动噪声的管路半径、弹性支撑位置、弯曲半径、阀件位置等参数开展理论和试验研究，形成工艺规范，提高管路系统安装质量。

5)大力开展潜艇管路系统振动噪声控制新方法、新技术的研究，将主动控制、故障诊断技术、新材料、混沌控制理论等学科应用到管路系统振动噪声控制工作中，实现多学科交叉研究，形成合力。

6)提高思想认识，加强艇员维修技术培养。通过讲课培训、参观学习、实践锻炼等方式加强管路系统低噪声修理人才队伍基本素质建设，为潜艇管路系统日常管理工作和创建管路系统维修方案出谋划策。

[1] 楼京俊．基于混沌理论的线谱控制技术研究[D]．武汉：海军工程大学，2006．

[2] Lig X，Paidoussis M P．Stability，double degeneracy and chaos in cantilevered pipes conveying fluid[J]．International Journal of Non-Linear Mechanics，1994，29(1)：83-107．

[3] Ryu B J，Ryu S U，Kim G H，et al．Vibration and dynamic stability of pipes conveying fluid on elastic foundations[J]．KSME International Journal，2004，18(12)：2148-2157．

[4] He Tao，Sun Yu-dong，Wu Wen-wei ，et al．Low Noise Collocation on Fluid Pipeline System[J]．Journal of ship mechanics，2015(9)：1149-1158．

[5] 孙凌寒，尹志勇．管路系统低噪声安装工艺影响因素研究[R]．潜艇低噪声维修工艺及规范研究报告，2016．

[6] 何琳．潜艇声隐身技术进展[J]．舰船科学技术，2006，28(S2)：9-17．

王璐颖(1991-)，女，辽宁锦州人，在读硕士研究生，研究方向为军事装备。

U674

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.05.013

2017-04-28