2021, Vol. 43
2. 西安电子科技大学 物理与光电工程学院，陕西西安 710071;
3. 中国船舶集团公司第七O五研究所，陕西 西安 710077
2. Xidian University, School of Physics and Optoelectronic Engineering, Xi′an 710071, China;
3. The 705 Research Institute of CSSC, Xi′an 710077, China
水下航行器动力系统包含主机与多个辅机，其工作产生的机械振动通过支撑及非支撑系统传递给壳体，进而在水中产生辐射噪声。工程实践表明，所有辅机中，海水泵是水下航行器主要的振动噪声源之一。为了降低海水泵对壳体振动的影响，可以从降低海水泵本身的振动以及减小振动的传递两方面入手。海水泵通过海水管与壳体连接，研制具有良好减振效果的海水软管可以有效降低海水泵振动向壳体的传递。此外，橡胶软管还能起位移补偿作用，以避免设备位移对管路产生较大的作用力。工程中，水下航行器常用的管路类型包括金属双层波纹管、塑料软管以及橡胶软管等，为了提高管路阻尼，通常会在管壁外敷设粘弹性高阻尼材料，吸收和耗散振动能量。在管路中增加脉动衰减器，可以实现对脉动压力的消减[1]。
目前，减振软管的研究多见于舰船及潜艇。权凌霄[2]对液压管路流固耦合振动机理及控制研究现状与发展进行的综述；廖庆斌[3]分析了舰船管路系统振动和噪声源的产生机理，并给出了相应的治理措施；戴青山[4]指出，挠性接管的布置应尽量靠近振源；高亚坤[5]采用试验方法研究了蒸汽系统管路在不同安装工艺状态下的振动噪声特性，康力[6]对航空发动机外部管路振动响应特性进行了计算，得到了低阶振型对管路的动态特性起决定作用的结论；刘帆[7]采用结构有限元耦合流体边界元算法，针对管路内、外敷设不同厚度橡胶层时，圆柱壳结构水下振动与声学特性进行数值计算，发现管路敷设橡胶层越厚，减振降噪效果越好。柯兵[8]介绍了潜艇用低噪声管路系统设计方法的基本思路和计算方法，王强[9]研究了船舶管路系统中的袖套式橡胶挠性接管，该管路对流体脉动压力大、脉动频率低且频率成分丰富的舱底泵输出管路，取得了较好的管路减振效果。以上研究都是对工程实际中管路减振工作的有力推动。
与潜艇、舰船及航空发动机不同，水下航行器空间小，结构更为紧凑，造成管路长度极为有限，往往需要在有限空间内设计出柔性较好的减振软管，且必须承受高压，这对软管材料提出了更高的要求。为了降低水下航行器海水泵振动向壳体的传递，研制了由芳纶纤维编织的氢化丁腈橡胶制成的新型橡胶软管。在海水泵泵台试验条件下，分别测试安装橡胶软管、刚性管时壳体端的振动能级，计算得到了橡胶软管的插入损失，评价新型软管的减振效果。
1 柔性橡胶软管设计海水泵入口管连接海水泵与水下航行器壳体，三者构成了典型的柔性基础隔振系统，其简化模型如图1所示。对于隔振系统的隔振效果评估，常用的评价指标由力传递率、振级落差以及插入损失。实际中，结构间的力通常难以测量，因此工程实际中振级落差与插入损失较为常用。振级落差仅在基础阻抗与设备阻抗相比小于1时，才可近似反映隔振系统的隔振效果。
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图 1 管路隔振系统简化模型 Fig. 1 The model of pipeline ribration isolation system |
海水泵入口管连接水下航行器海水泵与壳体，属于非支撑管路。在管路设计过程中，充分考虑产品的结构特性以及材料匹配性，研制以氯化丁腈橡胶制成的软管。该橡胶软管具有耐压、耐腐蚀，刚度小、工作温度范围大等优点。新研制的海水泵入口管如图2所示。新型软管由螺套、接头、卡箍以及软管段组成。接头部分直接插入海水泵，螺套通过钢管与壳体连接。
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图 2 橡胶海水泵入口管 Fig. 2 Rubber sea water pump inlet pipe |
试验系统构成及原理见图3。海水泵安装在试验台上，将海水泵入口管的输出端安装到海水泵输入端，海水泵入口管的输入端与试验台供水管连接，转接头通过壳体支架固定在试验台上。在海水泵入口管的输入端（壳体支架）布置3个加速度传感器（轴向、径向、周向方向各1个）。开启试验台，依次调整海水泵输出参数，使海水泵达到规定的参数要求，测试系统分别记录振动传感器1（径向）、振动传感器2（轴向）、振动传感器3（周向）所采集数据。在试验系统中，加速度传感器为PCB353B04，数据采集系统为LMS SCADAS Mobile SCM05，使用LMS.Test.Lab软件进行加速度测试。
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图 3 试验系统原理图 Fig. 3 Test system schematic |
计算各个测点在200 Hz～4 kHz频段及1/3oct 5 kHz频段的加速度级，对橡胶软管的减振效果评定采用插入损失。
插入损失计算公式为：
| $\Delta L = {L_1} - L{}_2{\text{。}}$ | (1) |
式中：
不同背压下壳体表面的插入损失如图4所示。从图中可以看出：
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图 4 不同背压下橡胶软管的插入损失 Fig. 4 Insertion loss of rubber hose under different back pressure |
1）630 Hz以下频段，在不同背压下，海水管的减振能力大致相当；在630 Hz以上频段，0.5 MPa下壳体的插入损失最大，减振效果最好。
2）在350 Hz以下频段，橡胶海水管的减振能力较弱，在63 Hz，80 Hz，160 Hz，200 Hz，250 Hz有振动放大现象，可达15 dB左右，在350 Hz以上频段，橡胶海水管具有较好的减振能力，但是受壳体模态及驻波影响，在个别频段的减振效果较差。据此可以推断，海水管、壳体以及海水泵组成的隔振系统固有频率应该在350 Hz左右；
3）在5 kHz1/3octave与6.3 kHz1/3octave时，隔振系统的插入损失达到15 dB左右。在6300 Hz以上频段，橡胶海水管高背压下的减振效果不及低背压工况，0.5 MPa减振效果最好。
3.2 不同频段的减振效果分析在10 kHz以下频段，安装刚性海水管时，海水泵与壳体的振动均以离散谱为主要特征，安装橡胶软管后，在10 kHz以上频段，壳体离散谱线峰值消失，低频段峰值有所下降。因此以10 kHz为频率划分点，比较安装橡胶海水管后隔振系统的插入损失，评价橡胶海水管在不同频段的隔振效果。
10 Hz～10 kHz以及10～25 kHz的插入损失如表1所示。从表中可以看出：
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表 1 不同背压下橡胶软管的插入损失（dB） Tab.1 Insertion loss of rubber hose under different back pressure（dB） |
1）在不同背压下，10 Hz～10 kHz壳体的插入损失为3.27～4.63 dB，这意味着在安装海水软管后，在该频段内壳体的振动能级降低了3.27～4.63 dB；
2）在10 Hz～25 kHz频段，壳体的振动能级降低了3.15～7.38 dB，其中0.5 MPa背压下，橡胶管减振效果最好。
安装橡胶海水管后，在10 Hz～10 kHz频段，海水泵的振动能级增大0.97～4.86 dB，10 Hz～10 kHz频段振动能级增大1.6～4.49 dB。其中，0.1 MPa，0.5 MPa背压下振级增加较多。
4 结 语采用插入损失方法评价了新型橡胶海水管的减振效果，通过对安装刚性海水管与橡胶软管情况下壳体支架的振动数据分析，得到以下结论：
1）橡胶软管的隔振频带在350 Hz以上，其中5 kHz 1/3octave频带减振效果最好，可达15 dB；
2）与刚性海水管相比较，安装橡胶海水管后，0.1～2 MPa背压下，壳体支架振动能级在10 Hz～10 kHz频段振动能级降低3.27～4.63 dB，在10 Hz～25 kHz频段振动能级降低了3.15～7.38 dB。
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