船舶减振降噪应用技术研究_宋睿领.pdf

第 31 卷 第 1 期2023 年 1 月Vol.31 No.1Jan.,2023船 舶 物 资 与 市 场 MARINE EQUIPMENT/MATERIALS&MARKETING0 引言船舶在航行过程中，船舶的振动噪声对乘客的舒适性、声隐身性能和探测性能等产生较为不利的影响，因此世界各国在进行船舶设计时都在大力的发展减振降噪技术，在设计具有某些特殊任务的船舶时更要把安静性作为一种关键的战术指标。我国的减振降噪技术已经有了 30 多年的发展历史，现阶段在基础理论、关键技术等各方面已经形成了自己的技术体系1，但在新材料、新技术的应用方面还有待进一步发展。1 船舶振动噪声种类船舶的噪声源主要有机械噪声、推进器噪声和水动力噪声 3 种。机械噪声主要是由于机械设备比如主机在工作运行时，齿轮等部件在运行过程中因为机械振动产生的噪声，是船舶的主要振动噪声来源；推进器噪声主要是由于推进器内部螺旋桨的转体运动造成了水流高速旋转，在船尾产生的空泡噪声和谐鸣声；水动力噪声主要是由于水流以较大的速度在船体表面因不规则的作用力产生的2。2 船舶减振降噪技术的应用现状船舶产生的振动和噪声的传播实际上就是能量的传播，减振降噪技术就是如何把这些能量转化成其他形式的能量进行传播，传统方法是加强结构设计，但是这种方式并没有把能量消耗掉，而是传播至其他部位，因此船舶减振降噪应用技术研究宋睿领，郑宇龙，钱之博，李润东（中国船舶集团有限公司系统工程研究院，北京 100096）摘 要：本文通过分析减振降噪应用技术在我国船舶建设的重要性，阐述船舶噪声的种类和不良影响，主要分析被动控制技术、主动控制技术、混合控制技术在船舶减振降噪中的应用，其中主要对现阶段非线性隔振技术的机理和性能进行阐述，最后对从新型材料在船舶减振降噪上面的应用进行分析。关键词：船舶；减振降噪；控制技术；新型材料中图分类号：U661.44 文献标识码：A DOI:10.19727/ki.cbwzysc.2023.01.006引用格式 宋睿领,郑宇龙,钱之博,等.船舶减振降噪应用技术研究 J.船舶物资与市场,2023,31(1):17-19.收稿日期：2022-09-16作者简介：宋睿领（1995-），男，硕士，助理工程师，研究方向为动力与机电领域的减振降噪。将振动产生的机械能吸收掉是较为有效的控制方法3。现阶段，减振降噪技术依据是否添加外界能源干预可以分为主动控制技术和被动控制技术 2 种类型，被动控制技术因为不添加外界能源进行干预，结构设置相对比较简单，实现起来比较容易，现在已经在船舶减振降噪设计中使用比较广泛。被动控制技术在大多数情况下可以满足人们的需要，但是其对外部环境的适应性较差，而且对低频噪声的控制效果不太理想，随着人们对船舶减振降噪水平越来越高的要求，被动控制技术在一定程度上已经不能满足发展需要，主动控制技术应运而生，但其技术系数、建设成本较高，还有待进一步的优化。2.1 被动控制技术被动控制技术是利用附加装置阻尼或结构力学性能的改变等手段来实现船舶的减震降噪，主要有隔声技术、吸声技术、隔振技术等方式，其中隔声技术是最为常用的技术手段。隔声技术的原理是在声波传播时，如果遇到某种物体表面，一部分声波就会产生反射，继续传播的能量就会减少，这样就可以降低声波能量的大小，从而达到降低噪音的目的。吸声技术是通过某些特殊的材料或者结构吸收掉部分传播的噪声，比较常用的吸声材料有吸声涂层、吸声陶瓷等。隔振技术是使用弹性支撑降低系统对外部力的响应能力，将噪声源与船舶的刚性连接转换成弹性连接，在一定程度上减少振动噪声等能量的传递。广泛使用的隔振技术主要有浮筏隔振装置和双层隔振装置等，隔振技术工作原理主要是通过材料的阻尼消耗掉船舶物资与市场第 31 卷 第 1 期 18 声波传输的能量，进而把声波能量进行消耗，2 种隔震装置的工作原理如图 1 所示。（a）双层隔振装置 （b）浮筏隔振装置图 1 双层隔振装置和浮筏隔振装置图广泛使用的阻尼技术主要有表面涂层技术和阻尼涂层2种。表面涂层是在结构的表面涂上一种特殊的材料，通过改变其表面特性，优化结构性能。阻尼涂层在船舶结构表面上添加一种特殊的阻尼材料，利用阻尼材料具有的某些特殊属性，将船舶机械设备振动产生的能量转化成其他形式的能量。水性阻尼涂料对于降低振动产生的噪声效果十分显著，Air3101 多功能水性阻尼涂料主要性能指标如表 1 所示。传统的线性隔振装置当船舶设备的振动发生改变时，隔振装置不能较好地根据振动的变化而变化，自适应调节性较差，非线性隔振系统设计单层或者双层的不同结构形式，可以适应更大范围的机械振动频率，隔振效果要比线性隔振装置要好。表 1 Air3101 多功能水性阻尼涂料主要性能指标4项目指标稠度/cm 11干燥时间/h 40柔韧度/mm 50耐冲击性/cm 50附着力/级 1耐机油性无过度软化、无起泡、无剥落耐盐水性无起泡、无剥落耐热性无流挂、无起泡起皱、无开裂耐低温性无分层、无开裂耐冷热交替性无起泡、无开裂、无脱落燃烧实验难燃施工性能湿膜 3 mm 无流挂复合损耗因数0.06 0.19 现阶段，市场上使用较多的非线性隔振技术主要有：1）螺旋弹簧隔振器。螺旋弹簧隔振器是目前适用对象最多的一种隔振技术，其具有建设成本低、使用寿命长等优点，但是阻尼性能较差。图 2 为螺旋弹簧隔振器示意图。2）蝶形弹簧隔振器。蝶形弹簧隔振器就是把旋转弹簧用金属碟片进行更换，金属碟片的阻尼性能要比螺旋弹簧更加优异，尤其是在振动冲击载荷的隔振等方面更具有独特的优势，但是其在对较高频率的振动进行隔振降噪时，往往不能达到较好的效果5。3）橡胶隔振器。橡胶隔振器具有橡胶独特的阻尼特性，是现阶段使用范围最大、成本最低的一种隔振装置，但橡胶会出现老化，因此使用寿命较短。2.2 主动控制技术主动控制技术相对于被动控制技术来说，需要添加能量源对噪声的控制，主要原理是通过添加具有一定相位差的人为声波，利用波的干涉原理进行抵消噪声，其原理示意图如图 3 所示。主动控制技术使用外部能源，使其产生的振动抵消掉一部分甚至全部振源的振动，进而受控对象对振源的激励会在一定程度上降低响应。图 3 声波叠加原理示意图主动控制技术需要根据系统出现的结构振动，通过反馈机制设定相对应的控制措施，进而减少或者消除噪声。主动控制技术所能达到的效果主要受到传递通道、控制算法、传感器和作动器的影响。振动通道可以是机座、冷却水管道、吸气管、排气管以及发动机舱内的空气传播路径等6；控制算法要根据具体问题具体分析，设计可以具有实时性、准确性、鲁棒性的控制算法；常用的传感器主要有加速度传感器、速度传感器、位移传感器和力传感器；作动器是主动控制技术最重要的设备，作动器应具有较小的延迟，输入输出信号之间在传输过程中不应发生畸变。2.3 混合控制技术被动控制技术可以降低中高频率噪声的传播，主动控制技术可以降低较低频率噪声的传播。但两者都有其图 2 螺旋弹簧隔振器示意图第 1 期 19 局限性，把两者进行有机结合，按照其作用的大小进行分类，可以分为主从方式和并列方式，目前因被动控制技术简单易于实现、建设费用较低等优点，作为主要作用的主从方式得到了更为广泛的应用。混合振动技术有着减振效率高、适用频率范围大的优点，但是在作动器性能和稳定性方面还需要进一步优化。3 新型材料在船舶减振降噪的应用3.1 新型阻尼材料传统阻尼材料存在比重大、成本高、具有较强的污染性和易燃性等缺点，压电阻尼材料内部有压电陶瓷、高聚物和导电填料7。压电粒子将传输过来的振动机械能转化为电能，电能通过导电网络以热能的形式进行消耗。压电阻尼材料可以用在螺旋桨和设备底座上，可以有效地减少振动向外辐射，但其造价比较高，较多的使用会使船舶的建设成本变高。碳纳米管增强型阻尼材料是一种一维纳米材料，其有较强的力学、电学、化学性能等优点，可以吸收较多的能量，阻尼性能较佳。碳纳米管增强型阻尼材料因其良好的刚度和低密度，可以用来制作推进轴，有着高阻尼、低噪声的优点。3.2 负泊松比材料泊松比可表示为：Vij=-j/i。式中：j为横向应变；i为轴向应变。大部分材料的泊松比一般均为正值，正常材料在受到某方向力的作用进行拉伸时，材料与载荷相垂直方向会因为力的作用发生材料的收缩反应，但是负泊松比材料的性能正好相反，因此具有较强的抗冲击性和抗裂性能。目前经常使用的负泊松比材料基本上都是人工合成的。负泊松比材料可以采用蜂窝多孔的结构装在复合材料夹板层中间，可以较大幅度地提升夹板的抗振性能。负泊松比建成的泡沫材料有更强的声波吸收能力，但是其强度还需进一步优化。3.3 超磁致伸缩材料超磁致伸缩材料是一种在常温环境下就有着较强的磁致伸缩应变能力的新型材料，一般线磁致伸缩系数 要不小于 310-5，稀土磁致伸缩材料比传统材料的磁致伸缩具有更加优异的性能，但是其特性造成机械性能比较差，尤其是在抗拉伸和脆性方面更为显著。而且因为添加了稀土元素，材料成本也较高。超磁致伸缩材料可以应用在主动控制技术上，比如在潜艇表面安装由其制作的作动器，作动器灵敏度更高、可靠性更高、使用寿命较长等优点，这些优势可以消除艇体的振动。还可以用来制作发电机的支撑结构，在发电机正常运行时，可以有效地减少振动机械能向外部的传递，可以较为有效地减少声辐射。3.4 功能梯度材料功能梯度材料是一种材料特性随空间位置呈连续梯度变化的新型多相材料8。可以使用此种材料用来作为消声瓦的消声覆盖层，解决均质材料不能满足内外部对材料性能的不同要求。3.5 声子晶体与声子玻璃将含有声子禁带的周期性弹性介质结构的材料称为声子晶体9，如果声子晶体有一些点缺陷或者线缺陷时，声波在传播过程中将会在点缺陷处受到限制或者在线缺陷上进行传播，此种材料可以用来制作艇体结构中的板件或传动轴。声子玻璃在水下覆盖层吸声比晶体的效果更好，但对于声子玻璃结构方面需要进一步研究。4 结语船舶减振降噪是一项需要综合性知识、噪声来源复杂多样、设计装置综合性较强的工程，涉及到较多学科的交叉知识，单一的技术目前已不能满足人们的需求，因此综合性降噪技术会越来越受到重视。被动控制技术已相对比较成熟，主动控制技术尚处于研究阶段，还需进一步研究。新型材料的应用比传统材料有着较大的优势，但其应用性还需要多次实践论证，还有较大的发展空间。参考文献：1孙宜强,王波,陶江平,等.船舶低噪声建造工艺发展思考J.造船技术,2020(6):54-58.2 吴卫国,王献忠.船舶结构振动噪声的分析方法及控制技术研究进展 C/2016 年船舶结构力学学术会议论文集，2016:1-10.3 古龙,闵捷.船舶振动噪声控制技术的现状与发展 J.舰船科学技术,2019,41(23):1-5.4 郭焱,王宝柱,温喜梅,等.新型阻尼涂料在舰船减振降噪中的应用 C/2017 年全国声学设计与噪声振动控制工程学术会议论文集,2017:128-134.5 王世良.混沌隔振技术在船舶减振降噪中的应用 J.舰船科学技术,2020,42(6):13-15.6 王飞,段勇.舰船的主动减振降噪技术 C/第十四届船舶水下噪声学术讨论会论文集.2013:333-338.7 朱竑祯,王纬波,高存法.新型材料在船舶减振降噪方面的前景与应用 J.舰船科学技术,2016,38(23):1-8.8 朱竑祯,王纬波,高存法,等.面内变刚度功能梯度圆形薄板的轴对称弯曲 J.船舶力学,2018,22(11):1364-1375.9 塔金星.21 世纪最具潜力的新型带隙材料声子晶体 J.现代物理知识,2006(5):32-33.宋睿领，等：船舶减振降噪应用技术研究