0 引 言

众所周知，舰船辐射噪声由机械噪声、推进系统噪声和水动力噪声 3 部分叠加而成^[1]，而机械噪声是低航速工况下的主要噪声源。机械噪声主要来自于舰船内部汽轮机、泵、发电机、推进轴系等旋转机械在工作过程中产生的不平衡或者摩擦激励力。机械振动产生之后，一方面通过设备的机脚传递至基座，进而引起船体结构振动并产生辐射噪声；另一方面则通过与设备相连的管路系统及其支吊架传递至艇体结构并产生辐射噪声。近年来，随着机械设备自身研制水平的不断提升，以及浮筏^[2]、动力吸振^[3]、气囊隔振^[4]等隔振技术的应用，通过管路系统传递通道引起的辐射噪声已经成为机械噪声控制的瓶颈。

管路系统，尤其是通海管路系统，机械振动不仅沿着管壁结构经支吊架传递至船结构，还会沿着管内的水介质经通海口直接向舷外辐射噪声，传递路径相对复杂，控制难度非常大。近年来，随着减振接管^[5]、管路弹性支吊架^[6]的应用，通过管内水介质传递通道引起的声辐射已经成为通海管路噪声控制的重点。

前期研究表明，冷却水泵是通海系统管内流噪声的主要来源，在管路中加装消声器是降低流噪声非常有效的方法。由于水泵产生的流噪声能量主要集中在泵轴频、叶频及其谐频所在的中低频段^[7]，因此声学性能优良、又能适应通海系统恶劣工作环境的通海管路低频消声技术一直是近年来舰船振动噪声控制的研究热点。

通海管路低频消声技术虽然已经得到相关研究人员的足够重视，但对这些研究的总结却尚未看到。本文主要对当前通海管路低频消声技术进行梳理与分类，以实船环境为应用背景，详细分析各种消声技术存在的优缺点，指出下一步研究仍需开展的工作，为降低通海管路系统的辐射噪声水平提供支撑。

1 通海管路低频消声实船应用环境分析

舰船通海系统是保证舰船正常航行的重要组成部分。由于与舰船外部海水直接接触，通海系统在安全性、可靠性等方面的要求均比其他系统高。因此，要想在通海系统中应用低频消声技术，首先必须适应其恶劣的工作环境。

1.1 水与空气中声波特性的区别

消声器的设计理论与实际应用最早起源于空气管道，虽然水管路中的声传播和空气管路没有本质上的区别，水消声器的设计依然可以沿用空气消声器。但两者之间仍有不少差别需要引起重视，主要包括：

1）水介质中的中、低频声波波长远大于空气中的声波；

2）水介质中的特性声阻抗远大于空气介质，两者相差在 3 000 倍以上；

3）水介质中的体积弹性模量约为 2.2 × 10⁹ N/m²，比空气大 10⁴ 倍以上。

1.2 水中声速特性分析

声速作为水消声器最重要的设计输入，取值是否合理非常重要。相关研究表明，水中声速具有以下特点：

1）声速与水温、水深、盐度密切相关，其中以水温的影响最为显著^[8]。

3）管路实际上为弹性体，当管内流体受到压缩时，管壁同时要发生膨胀，此时水中声速也会发生改变，如式（1）所示。

${{c}_{0}}=\frac{\sqrt{K/\rho }}{\sqrt{1+[(K/E)(D/e)]{{C}_{1}}}}。$

(1)

式中：D 为管内径；e 为管壁厚度；E 为管材的杨氏模量；C₁ 为管道支撑情况的修正系数。

1.3 安全性要求

舰船，尤其是水下舰船，通常会在很宽的水深范围内工作，这就要求水消声器需要在很宽的压力范围内都能够正常工作。

1.4 空间布置要求

舰船内部设备、管路众多，可供水消声器安装的空间十分有限，这极大限制了低频消声器的几何尺寸，增加了声学性能优良的水消声器的设计难度。

2 通海管路低频消声技术研究进展

在上述舰船通海管路系统实际工作环境分析的基础上，本文将对低频消声技术进行分类，以实船环境为应用背景，分析国内外各类技术存在的特点。

2.1 通海管路低频消声技术分类

与空气介质消声技术类似，通海管路低频消声技术可分为被动消声与主动消声两大类，其中被动消声技术按照消声原理主要分为传统抗性消声、气囊式消声、水动力弹性板式消声技术等 3 大类。

2.2 传统抗性消声技术

采用抗性消声结构进行水管路低频消声是当前最常见的做法，这主要是由于抗性消声结构可采用与管路一样的金属材料进行加工，在可靠性和安全性方面具有无可比拟的优势，而且经试验证明，当管内介质在很宽的压力范围内变化时，抗性消声结构依然可以取得令人满意的结果^[9]，这一点对于舰船设计人员来讲非常关键。

与空气管路类似，水管路中常见的抗性消声结构包括膨胀腔消声器、Helmholtz 共振器、穿孔共振器、HQ 管等^[10-12]，其中 Helmholtz 与穿孔共振结构的主要用途就是低频消声。在空气中，Helmholtz 与穿孔共振结构的理论研究已经较为完善^[13-14]，并被广泛用于汽车进排气、通风空调等领域，而在水中的情况则并不如空气中那么乐观，主要存在以下难点：

1）由于水介质为重流体，需要特别注意 Helmholtz 共振腔壁弹性的影响；

2）水中声波波长远大于空气中的声波，要想取得令人满意的消声效果，其结构尺寸往往要设计的很大，这对空间紧凑的舰船内部环境来讲难以克服；

3）抗性结构的低频特性往往非常窄，难以适应噪声源激励存在变化的场合。

针对上述难点，相关研究人员开展了大量有针对性的理论与试验研究，主要包括如下几个方面：

1）在共振腔体弹性方面，周城光等^[15-17]利用声电类比法研究了充水 Helmholtz 共振器的弹性壁对声学特性的影响，指出腔壁弹性将使共振频率往低频方向移动，并进行了试验验证，但同时作者也指出当腔壁厚度达到一定程度时，腔壁弹性的影响将会消失。Gorin^{[9, 11]} 在 Helmholtz 共振器的设计过程中考虑了腔体连接部位的弹性对共振频率的影响，试验结果证明共振频率与泵源叶频吻合良好。袁建平等^[18-19]在其试验研究中发现理论预测共振频率低于实测值，除了作者提到的原因之外，未考虑腔壁弹性影响也是重要原因之一。

2）在优化结构尺寸方面，最常见的是效仿空气管路中 Selamet 的做法将连接管伸入共振腔^[20]，这样一来就有可能以较小的尺寸取得较低的共振频率。最近，李东升等^[21]基于腔壁弹性的影响规律，提出了压力自适应低频宽带弹性共振消声装置（实用新型专利，申请号：201310295322.9），将共振腔的顶部用金属薄板或者橡塑薄板代替，使得共振器能够以较小的尺寸取得低频宽带的消声性能。但是与本文后续将会讨论的水动力弹性板式消声器类似，这种结构缺乏试验验证，并且在可靠性方面仍然存在改进的空间。

3）在共振器调频方面，空气中关于可调频 Helmholtz 共振器的研究非常多，而在水管路中则非常少见。李赫等^[22-24]提出了基于 Helmholtz 共振器与穿孔管消声器的可调频消声结构，并进行了数值仿真计算与试验测试，但试验结果证明调频效果并不理想，作者分析认为是试验条件不满足要求、消声器加工精度不高等原因造成的。

2.3 气囊式水消声技术

气囊式水消声器的结构和工作原理与液压系统中的蓄能器类似，目前对该项技术的研究主要见于柳贡民等^[25-28]。文献^[25]给出了一典型的气囊式水消声器结构，如图 1 和 图 2 所示，其主管路通径为 DN 100，管 2 和管 3 分别开有 13 mm 和 3.6 mm 的孔，穿孔率分别为 50% 和 37%。管 3 外是橡胶套 4，橡胶套和消声器外壳 5 之间为气腔。气囊式消声器的基本消声原理是：当水动力噪声进入该消声器时，噪声通过金属孔后到达一个充有氮气的气囊上，由于外层金属穿孔孔径很小，充有氮气的气囊不会因为流体内压力降低时而被吸入到内管。流体的压力脉动致使气囊变形，这种轻微的变形就能衰减流体的脉动，从而起到降低管路系统振动和噪声的目的。

从已有的陆上试验台架测试结果可知，气囊式水消声器以相对较小的结构尺寸在很宽的频率范围内表现出优良的声学性能，尤其是在舰船研究人员更为看重的中、低频段，具有一定的实船应用前景。总的来讲，气囊消声技术在实用化方面仍然存在以下工作需要进一步研究：

1）由气囊式消声器的消声原理可知，为了维持良好的消声性能，其背腔必须充有与主管内流体相同压力的气体，避免橡胶套承压过大失去弹性，为此必须配备有压力自动调节装置，可以随时对气腔进行充放气，以此维持气腔和主管内的压力平衡。这样一来，气囊式水消声器的复杂性将大大增加，装置可靠性也大为下降。

2）橡胶长期在海水中浸泡，容易腐蚀与老化，老化之后的橡胶体将不具备其原有的声弹性，从而降低气囊式消声器的声学性能。

3）当前气囊式消声器的声学性能研究主要依赖试验手段，理论与数值仿真的准确度尚需进一步提高。

2.4 水动力弹性板式消声技术

水动力弹性板式消声技术来源于空气管路中的鼓式消声器（drum like silencer），最早由黄立锡教授发明^[29-30]，并对其进行了大量的理论与试验研究。在此基础上，何涛等^[31-32]针对水管路提出了充液背腔板式水动力噪声消声器的设想，并对其进行了理论计算与分析。图 3 为一矩形截面管路带矩形背腔的弹性板式消声器，主管路和背腔中均充满水介质，两者以弹性薄板隔开。其消声机理如下：主管路上的入射声波激励弹性板振动，弹性板在背腔声介质和主管声介质的耦合作用下受迫振动并向管内辐射声；由于弹性板在主管内的辐射声与入射声波幅值相当且在空间上存在相位差，矢量叠加后使得总的向下游传播的声波减弱，而大部分声波反射回上游。

文献^[30]在文献^[29]的基础上详细分析了充液背腔板式水消声器的弹性板及其背腔几何尺寸和材料参数对声学性能的影响。理论研究结果表明，这种类型水消声器可以在尺寸较小的情况下表现出良好的低频宽带消声性能，这有助于解决舰船内部空间布置十分紧凑的限制，具有一定的应用前景。

截至目前尚未从公开的文献中见到有关该类型水消声器的试验验证。不仅如此，以上述实船环境为应用背景，根据文献^[29]和文献^[30]的分析结果，弹性板式水消声器仍然存在以下工作需要进一步研究：

1）要想使图 2 所示模型获得 100 Hz，甚至 50 Hz 以下的低频消声效果，其弹性板的厚度需要在 1 mm 以下，这导致弹性板的结构强度难以保证。

2）弹性板与主管道的实际连接条件与理论上的固支、简支边界都存在不同，特别是对于圆形管道，很难保证周向均匀。

4）背腔充气时的声学效果要好于充水，但当舰船在水下工作时，要想使弹性板在上述厚度下仍然能够正常工作，那么就得与气囊式水消声器类似，还得增加一套复杂的自适应充气系统，这将大大增加水消声装置的复杂性，并降低安全性、可靠性。

2.5 主动消声技术

由于低频噪声的波长较长，因此对低频噪声的控制通常是困难的，且花费也高，在许多情况下甚至是不可能的^[33]。如果仅考虑用被动噪声控制技术，对于波长较长的低频噪声的控制须用大的消声器和重质封装结构，这在很多场合，尤其是舰船内部几乎是不允许的。为此，在20世纪30年代国外就有人提出了主动噪声控制（Active Noise Control，ANC）的设想，其基本设想是人为发出次级噪声控制来原始噪声，达到消除原始噪声的目的。

近年来，随着信号处理、智能材料等技术的进步，主动噪声控制技术正逐步从理论研究向实用化推进。Fuller，Brevart，Kartha 及 Kiyar 等^[34-37]相继对充液管路振动噪声主动控制开展了大量的理论研究，提出了在亥姆霍兹共振器内部添加 1~3 部压电式作动器等多种控制措施，并在实验室理想环境下进行了验证。Maillard 开展了关于主动控制船舶充液管路管路压力脉动（由泵工作引起）控制的理论与试验研究，设计了一种安装在管路外表面的非插入压电式作动器来控制管内流体脉动，如图 4 所示。而在国内，管路振动噪声有源控制技术的研究多见于空气管道，关于充液管道则较少涉及。

研究表明，ANC 技术在低频消声方面具有被动消声技术难以比拟的优势，如结构尺寸较小，能够随时跟踪声源激励频率的变化等。然而，正如参考文献指出的那样，通海管路系统内部的声波激励及声传递特性远比实验室环境复杂，舰船内部环境也远比实验室恶劣，这会大大提升 ANC 技术的复杂程度，并降低其可靠性。总的来讲，ANC 技术在实用化方面仍然存在以下工作需要进一步研究：

1）通海管路内部由海水泵产生的声功率级远大于空气管道，要想取得良好的消声效果，必须进一步次级声源的功率强度；

2）次级声源的低频性能仍需进一步提高，以适应当前低频消声的需求；

3）次级声源的耐压性能仍需进一步提高，以满足水下舰船通海管路严苛的工作压力要求；

4）ANC 技术控制算法的稳定性仍需进一步改进，以适应舰船通海管路系统内部声源激励多且复杂的特点；

5）由于充液管路流固耦合现象的存在，管内结构振动波与压力脉动波之间存在相互转化，控制效果往往难以令人满意。

3 结 语

本文首先分析了舰船通海管路在噪声源激励、声传播等方面的特点，指出了低频消声技术在实船应用时所应具备的安全性、可靠性以及空间适应性要求。然后，从消声原理出发，将国内外现行的水管路频消声技术分为传统抗性消声技术、气囊式水消声技术、水动力弹性板式消声技术以及主动消声技术等 4 个方面，结合实船环境，详细分析了各项技术的优缺点，指出下一步仍应继续开展的工作，为我国舰船通海管路系统振动噪声控制研究提供有益的支撑。