船舶管路系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲控制文獻(xiàn)綜述

船舶管路系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲控制文獻(xiàn)綜述：船舶管路系統(tǒng)在運(yùn)行過程中可能會(huì)遭遇多種類型的振動(dòng)和噪聲問題，這些問題來源于不同的物理現(xiàn)象和機(jī)制。據(jù)朱韜等（2023）的研究，設(shè)備振動(dòng)傳遞是其中一個(gè)主要原因，如泵等動(dòng)力設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的周期性振動(dòng)會(huì)直接傳遞到管路系統(tǒng)，從而引起管路振動(dòng)。劉學(xué)廣等（2024）指出，管內(nèi)流體壓力脈動(dòng)同樣是一個(gè)重要的因素，當(dāng)流體經(jīng)過閥門、彎頭等部件時(shí)，由于流道面積突變或流道方向突變，流體狀態(tài)發(fā)生急劇變化，產(chǎn)生空化現(xiàn)象，誘發(fā)管內(nèi)流體的水動(dòng)力噪聲。馮兆緣等（2023）提及，管內(nèi)流體渦流共振則是在特定條件下，管內(nèi)流體流動(dòng)與管路結(jié)構(gòu)相互作用，產(chǎn)生共振現(xiàn)象，導(dǎo)致管路振動(dòng)。此外，船舶管路系統(tǒng)中高頻振動(dòng)主要由動(dòng)力設(shè)備傳遞的振動(dòng)和管內(nèi)流體激勵(lì)作用引起，如流體流動(dòng)過程中的湍流和空化現(xiàn)象，這些振動(dòng)具有中高頻特征，可能對(duì)船舶上的聲納系統(tǒng)造成干擾，對(duì)此，林焰等（2023）提出了基于協(xié)同差分進(jìn)化算法的船舶分支管路布局優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。針對(duì)這些振動(dòng)問題，研究者們提出了不同的控制策略和方法。如朱韜等（2023）的船舶管路安裝工藝減振試驗(yàn)研究，劉學(xué)廣等（2024）的基于鏡像修正FxLMS控制算法的船舶管路振動(dòng)主動(dòng)控制，以及林焰等（2023）的基于AM軟件二次開發(fā)的船舶管系一體化設(shè)計(jì)和基于協(xié)同差分進(jìn)化算法的船舶分支管路布局優(yōu)化設(shè)計(jì)。這些方法旨在改變閥件結(jié)構(gòu)以減小對(duì)流體的干擾，控制由此產(chǎn)生的管路振動(dòng)噪聲。殷志壯（2023）和王軍偉（2023）分別在其研究中提出了船舶管路綜合布置的要點(diǎn)，指出優(yōu)化管路系統(tǒng)布置、固定位置優(yōu)化、使用低噪聲設(shè)備及閥件、增加消聲器、增加管路彈性連接件、敷設(shè)阻尼材料等措施，這些方法雖然成本較高，但在降低振動(dòng)噪聲方面具有一定效果。降低流速也是有效的措施，因?yàn)榱鲃?dòng)狀態(tài)改變形成的壓力差直接與流速有關(guān)，流速越大產(chǎn)生的壓力差越大。船舶管路系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲控制是一個(gè)復(fù)雜的問題，需要針對(duì)不同的振動(dòng)原因采取不同的控制策略和方法。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)和采用新技術(shù)，可以有效地降低振動(dòng)噪聲，提高船舶的安靜性。而這一切，都需要廣大研究者們繼續(xù)深入研究，尋找更為經(jīng)濟(jì)、有效、可行的解決方案。劉婷等人（2023）指出，船舶管路系統(tǒng)中的泄漏檢測方法是研究現(xiàn)狀，強(qiáng)調(diào)了有效的振動(dòng)控制措施的重要性。同時(shí)，船舶工業(yè)國家標(biāo)準(zhǔn)（2023）的獲批發(fā)布為船舶工業(yè)的發(fā)展提供了標(biāo)準(zhǔn)支持。董宗然等人（2024）通過改進(jìn)蟻群優(yōu)化算法對(duì)船舶管路布局設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。余波（2019）分析了船舶管路中高頻振動(dòng)的成因，并提出了控制策略。梁師清等人（2018）對(duì)船舶管路系統(tǒng)的振動(dòng)控制進(jìn)行了研究。管路系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲主要有3種原因產(chǎn)生，分別是支撐基礎(chǔ)和與管道相連的動(dòng)力設(shè)備的振動(dòng)、管內(nèi)流體壓力脈動(dòng)引起的振動(dòng)以及管內(nèi)流體渦流共振引起的振動(dòng)。其中，設(shè)備振動(dòng)通常認(rèn)為是管路系統(tǒng)最為主要的擾動(dòng)源之一，由于設(shè)備與管路系統(tǒng)直接相連，設(shè)備（如泵）在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，自身不可避免的產(chǎn)生周期性振動(dòng)，從而引起管路系統(tǒng)的振動(dòng)，若設(shè)計(jì)不合理，甚至?xí)鸸苈废到y(tǒng)的共振，其危害程度更大。針對(duì)管路系統(tǒng)的振動(dòng)可通過優(yōu)化管路系統(tǒng)布置、優(yōu)化管路馬腳固定位置、更換低噪聲設(shè)備及閥件、增加消聲器、增加管路彈性連接件、管道敷設(shè)阻尼材料等方式降低管路系統(tǒng)的振動(dòng)，盡管上述方法可以最大化降低管路系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲，但其通常需要付出較高的代價(jià)，尤其對(duì)于普通民用船舶的管路系統(tǒng)振動(dòng)控制，則會(huì)很少使用上述的減振降噪方法?；诖?，本文設(shè)計(jì)一款調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，該設(shè)計(jì)具有針對(duì)性強(qiáng)、成本低、占用空間小、安裝簡便等優(yōu)點(diǎn)，并且通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，還可針對(duì)某一頻段進(jìn)行被動(dòng)振動(dòng)控制。對(duì)于船舶管路中的高頻振動(dòng)來說，主要成因包括動(dòng)力設(shè)備傳遞的振動(dòng)、管內(nèi)流體激勵(lì)作用。由于動(dòng)力設(shè)備與管路聯(lián)接，這就使得管路會(huì)受到傳遞的設(shè)備振動(dòng)能量影響而出現(xiàn)振動(dòng)，此時(shí)動(dòng)力設(shè)備與管路存在基本一致的振動(dòng)頻譜特征，振動(dòng)峰值在這種情況下一般會(huì)出現(xiàn)于低頻范圍；在向外輸送流體流動(dòng)過程中，受管路上閥件作用以及動(dòng)力設(shè)備內(nèi)對(duì)流體做功部件（柱塞、葉輪等）的擾動(dòng)影響，湍流會(huì)因此出現(xiàn)，空化現(xiàn)象也會(huì)在很多情況下出現(xiàn)，最終引發(fā)管內(nèi)流體激勵(lì)作用，形成高頻振動(dòng)。管內(nèi)流體激勵(lì)作用下的管路振動(dòng)會(huì)在高頻區(qū)域集中振動(dòng)能量，且振動(dòng)具備流體動(dòng)力噪聲的特點(diǎn)。在船舶管路中，具有流道方向突變特征和通道面積突變特征的結(jié)構(gòu)，如閥門、彎頭均屬于很容易引發(fā)管內(nèi)流體激勵(lì)作用的部件，由于整個(gè)管路系統(tǒng)上廣泛分布這類部件，因此管內(nèi)流體激勵(lì)作用對(duì)船舶管路的影響大多較為廣泛，船舶上聲納的正常工作也會(huì)受到由此引發(fā)的具有高頻特性的噪聲影響。船舶減振降噪工程設(shè)計(jì)將動(dòng)力設(shè)備的支撐結(jié)構(gòu)稱為振動(dòng)傳遞的第一聲通道,將與設(shè)備聯(lián)接的管路稱為第二聲通道。近年來管路振動(dòng)噪聲控制已經(jīng)成為研究的熱門項(xiàng)目之一,研究中人們發(fā)現(xiàn)管路既是聲通道又是聲源門。而如何應(yīng)用振動(dòng)噪聲控制技術(shù)措施，選用何種技術(shù)途徑能夠達(dá)到較好的綜合減振降噪目的則是工程應(yīng)用必須關(guān)注的課題本文以管路振動(dòng)控制研究實(shí)踐為基礎(chǔ),通過分析與對(duì)比,提出以控制振源為主導(dǎo)原則的控制管路中高頻振動(dòng)的方法。鑒于中高頻振動(dòng)噪聲將對(duì)船舶的聲納造成干擾,因此研究控制此類振動(dòng)噪聲的策略和方法具有顯著的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。在管路系統(tǒng)中,與水泵等機(jī)械設(shè)備不同,閥件是靜止的器件,不會(huì)因?yàn)樽陨淼臋C(jī)械運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生振動(dòng)激勵(lì)。而流體流過閥件時(shí),受閥件內(nèi)復(fù)雜的流體通道的影響，流體的流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生急劇變化而出現(xiàn)空化現(xiàn)象誘發(fā)管內(nèi)流體的水動(dòng)力噪聲。而這種水動(dòng)力噪聲通常呈現(xiàn)出中高頻特征,因此從本案例中的管路振動(dòng)表現(xiàn)出高頻特征也可推斷出誘發(fā)振動(dòng)的根源為受擾動(dòng)的流體。由于水介質(zhì)流體的可壓縮性差，對(duì)擾動(dòng)的緩沖能力很小，因此擾動(dòng)可在管路內(nèi)長距離傳遞。當(dāng)受擾動(dòng)的流體在管內(nèi)流動(dòng)中再遇到彎頭、變截面管段等能導(dǎo)致流體狀態(tài)變化的結(jié)構(gòu)時(shí)，將加劇這種擾動(dòng)的強(qiáng)度。因此,當(dāng)因閥件誘發(fā)的流體激勵(lì)在管路中出現(xiàn)較大的響應(yīng)時(shí),控制由此產(chǎn)生的管路振動(dòng)噪聲應(yīng)立足于改變閥件的結(jié)構(gòu)以減小對(duì)流體的干擾。增加發(fā)射管厚度以及材料阻尼、增加潛艇外殼厚度和材料阻尼以及增加發(fā)射管支撐的材料阻尼等措施，都對(duì)降低振動(dòng)和輻射噪聲有一定的效果,略增加潛艇外殼厚度是效果最好的,但是作用并不很明顯。艦艇流固耦合模型與干模態(tài)模型相比，模態(tài)頻率較干模態(tài)情況下向低頻移動(dòng)。振動(dòng)的傳遞情況與艦艇結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率和振型有很大關(guān)系，流體的附加質(zhì)量和阻尼對(duì)艦艇結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模態(tài)都有較大的影響在考慮流固耦合的情況下,三向傳遞率中軸向的主導(dǎo)作用更加顯著。發(fā)射過程中初始階段力源及質(zhì)量源變化相當(dāng)，振動(dòng)傳遞率變化不大;隨著時(shí)間推移,振動(dòng)傳遞率開始慢慢減小。作為靜止的器件，閥件在船舶管路中不會(huì)因自身機(jī)械運(yùn)動(dòng)引發(fā)振動(dòng)激勵(lì)，但流過閥件的流體很容易因流向及流通截面出現(xiàn)急劇變化并引發(fā)空化現(xiàn)象，最終導(dǎo)致具有中高頻特征的管內(nèi)流體水動(dòng)力噪聲出現(xiàn)。結(jié)合上文案例可以發(fā)現(xiàn)，受擾動(dòng)的流體為案例中振動(dòng)的根源。而由于可壓縮性差的水介歷流體本身對(duì)擾動(dòng)緩沖能力較小，這就使得管路內(nèi)擾動(dòng)可實(shí)現(xiàn)長距離傳遞。在變截面管段、彎頭的情況下，受擾動(dòng)的流體的擾動(dòng)強(qiáng)度會(huì)進(jìn)一步加劇，因此船舶管路高頻振動(dòng)控制可設(shè)法進(jìn)行閥件改裝，減小閥件對(duì)流體的干擾，同時(shí)還需要適當(dāng)降低流速。在具體的改裝中，案例將閥件改裝到靠近下游的主管，并適當(dāng)降低了水介質(zhì)流體的流速，由此整個(gè)管系和鄰近的船體結(jié)構(gòu)的高頻振動(dòng)得到有效控制，閥件改裝控制措施的實(shí)用性可見一斑。船舶上眾多的機(jī)械設(shè)備和管路既構(gòu)成了保障船舶正常航行和實(shí)現(xiàn)其使命功能的系統(tǒng)，又因振動(dòng)形成聲源成為影響船舶聲隱蔽性能的源頭之一其中,管路振動(dòng)可分為由機(jī)械振動(dòng)激勵(lì)并傳遞到管路的振動(dòng)和由管內(nèi)流體與管路相互作用產(chǎn)生的振動(dòng),后者多為中高頻振動(dòng)。該中高頻振動(dòng)來源于管內(nèi)流體空化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明對(duì)于由流體激勵(lì)產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲,控制聲源的振動(dòng)激勵(lì)是較為有效的方法。管路中盡量少安裝閥門、改進(jìn)閥件的結(jié)構(gòu)、降低管路內(nèi)的流速以及合理確定布設(shè)閥門的位置都是有效的振動(dòng)控制措施。而常用的管路隔振元器件對(duì)于控制該類由管內(nèi)流體流動(dòng)產(chǎn)生的中高頻管路振動(dòng)噪聲的效能十分有限。參考文獻(xiàn)[1]朱韜,夏齊強(qiáng),郭彥軍.船舶管路安裝工藝減振試驗(yàn)研究[J].船舶工程,2023,45(10):126-133.[2]劉學(xué)廣,譚鑒,吳牧云等.基于鏡像修正FxLMS控制算法的船舶管路振動(dòng)主動(dòng)控制[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào),2024,45(01):77-84.[3]王軍偉.船舶管路綜合布置要點(diǎn)分析[J].船舶物資與市場,2023,31(09):64-66.[4]殷志壯.船舶管路綜合布置要點(diǎn)和運(yùn)用[J].船舶物資與市場,2023,31(08):16-18.[5]馮兆緣,翁戍生,李明鵬等.基于AM軟件二次開發(fā)的船舶管系一體化設(shè)計(jì)[J].船舶與海洋工程,2023,39(04):76-80.[6]林焰,張喬宇,樓建迪.基于網(wǎng)格歸一化Astar算法的船舶管路布置[J/OL].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),1-20[7]林焰,卞璇屹,董宗然等.基于協(xié)同差分進(jìn)化算法的船舶分支管路布局優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].中國造船,2023,64(04):194-206.[8]劉婷,鄭凱,張躍文等.船舶管路系統(tǒng)泄漏檢測方法研究現(xiàn)狀[J].中國船檢,2023,(08):50-56.[9]8項(xiàng)船舶工業(yè)國家標(biāo)準(zhǔn)獲批發(fā)布[J].船舶標(biāo)準(zhǔn)化工程師,2023,56(03):1.[10]董宗然,陳恒,卞璇屹等.基于改進(jìn)蟻群優(yōu)化算法的船舶管路布局設(shè)計(jì)[J/OL].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,1-15[2024-01-13][11]余波.船舶管路中高頻振動(dòng)成因分析及控制策略[J].船舶物資與市場,2019,(12):19-20.[12]梁師清,徐建龍,胡毅等.船舶管路系統(tǒng)振動(dòng)控制研究[J].艦船科學(xué)技術(shù),2018,40(13):52-57.[13]胡義,劉佳佳,李武