声弹性理论与方法(上卷)

第1章绪论 　　1.1结构振动和声辐射机理及控制技术概述 　　随着全球性的陆地资源匮乏及环境污染问题日趋加剧，人类不得不将目光投向占地球表面积73%的海洋。21世纪人类的生存和发展，很大程度上依赖于海洋资源的开发和利用，海洋的潜在价值已成为全球广泛关注的焦点。在茫茫大海中，声波仍然是至今为止*有效的远程探测方法，近三四十年来，为了兼顾远程探测和攻击的需要，依托海底固定式水声侦测系统、潜艇和水面舰的艇（舰）载主/被动声呐及拖曳线列阵声呐、舰载巡逻机与反潜直升机的吊放声呐及浮标声呐等先进探测平台，世界海军强国发展了大孔径、低频化和多基地的声呐探测立体网络系统，极大扩展了水声探测的能力和范围，实现远程和超远程探测、全景监视、多目标跟踪、自动目标识别等声学任务。为了有效规避敌方水声探测及水中兵器攻击，客观上要求舰艇在10Hz～50kHz、甚至更低频段具有良好的安静性。在这种背景下，舰艇尤其是潜艇的探测和反探测围绕着声波的产生、传播和接收展开较量，其作战能力竞争取决于隐蔽性竞争。潜艇以其隐蔽性、灵活性和突击性等无可替代的优势，更是成为各国海军优先发展的重点，除了提高快速性、大潜深及先进的武备、动力、电子等系统性能以外，现代潜艇发展的一个显著特征就是强化声学设计，充分体现安静性。苏联政府曾将核潜艇声隐身性问题确定为需要调动国家*大资源尽快解决的国家难题。 　　民用货船吨位大、功率大，基本没有考虑水下噪声控制，普遍存在水下噪声高的问题，严重影响到海洋生物的生存环境。随着环境保护意识的提高，民用船舶水下辐射噪声问题也越来越受到关注，据文献间介绍，2004年伍兹霍尔海洋研究所海洋政策中心McCarthy出版了水下噪声的国际章程，建立限制海洋噪声污染的法律和标准。为了评估民船水下噪声对海洋生物的影响，美国和英国先后出版了民船水下噪声的测量标准和指南，国际海事组织（IMO）于2014年开始关注船舶水下噪声对海洋生物的不利影响，国际拖曳水池会议（ITTC）于2014年、2017年分别颁布和更新实船噪声测试指南。国际标准组织（ISO）则于2013年开始制定民船水下噪声测试的相关标准，先后针对深水域辖射噪声测量方法、深水域辐射噪声源级修正方法、浅水域辖射噪声测量方法，启动了三个标准的制定项目。与此同时，中国船级社（CCS）、意大利船级社（RINA）、挪威-德国劳氏船级社（DNVGL）、法国船级社（BV）、美国船级社（ABS）和英国劳氏船级社（LR）六大船级社也开始制定民船水下噪声测试规程，并依据国际海洋考察理事会（ICES）1995年制定的科考船水下辐射噪声限值标准，提出相应的民船水下辐射噪声限值标准，并规定了85%功率试航工况及低速静音巡航工况下水下辐射噪声的限定值，部分船级社还单独提出了科考船及渔船和物探船的水下辐射噪声限值标准。虽然说民船水下噪声的限值远大于军船标准的限值，而且测量方法也相对简单，但这些标准的实施，将对民船水下辐射噪声起到制约作用，推动水下辐射噪声控制设计纳入民船的设计体系，我国新型科考船已经参考中国船级社与英国劳氏船级社的水下噪声限值标准进行设计。 　　应该说，对于民船而言，目前*重要的声学设计不是控制水下噪声，而是控制舱室空气噪声。随着“绿色船舶”理念的倡导，越来越强调船舶舱室的舒适性及船员和乘客的身心健康。国际海事组织（IMO）海上安全委员会（MSC02O12年通过《船上噪声等级规则》，并于2014年7月1日生效，该规则规定1万吨级船舶住舱及医务室噪声限值由60dB（A）降低为55dB（A），办公室、餐厅、娱乐和健身房的噪声限值从65dB（A）降低为60dB（A），其他区域的噪声限值也相应降低5dB（A）。海上人命安全公约（SOLAS）引用此规则的全部条款，纳入船级社入级认证管理。挪威船级社则制定了更为严格的船舶舒适性标准，船员住舱噪声要求达到50dB（A）。2009年7月生效的中国船级社《钢质海船入级规范》，将船上噪声舒适度分为三个等级，其中货船船员卧室的噪声限值分别为52，55和60dB（A），客船优等乘客舱室噪声限值为45，47和50dB（A），标准舱室噪声限值为49，52和55dB（A）。对照新标准的要求，实船舱室噪声测试结果表明，民船舱室噪声控制尚有薄弱之处，需要进行强化。注意到近年来军船设计考虑到复杂海况环境、多人多机长航时协同作业及信息流密集等特点，为了提高艇员的战斗力，充分发挥舰船装备的功能，也积极重视降低舱室噪声，改善生活环境，提高人员效率、安全性和舒适度。 　　从声学的角度来看，船舶包括潜艇都是一个复杂的水下噪声源分布体。一般将船舶水下噪声分为机械噪声、推进器噪声和水动力噪声三种类型。鱼雷及水下无人航行器（UUV）和遥控无人潜水器的水下噪声也大致分为这三种。 　　舰船及水下航行器的主要机械设备一般有主机和辅机两部分，分为往复式和旋转式两类，前者有柴油机、燃气轮机、蒸气轮机，后者有电机、水泵、风机、空压机及齿轮箱等。机械设备产生扰动力的主要原因：转轴及旋转部件不平衡，齿轮、电枢槽、涡轮叶片不连续重复运动，往复式内燃机气缸中燃气爆炸，泵、管道、阀门内部湍流和空化流动，还有轴承和轴颈机械摩擦等。典型船舶机械系统由设备、隔振装置、基座、船体结构及管路和隔振元器件等组成，机械噪声为设备振动通过多种途径传递到船体结构，引起船体振动并向外侧水介质中辐射噪声，主要的传递途径分为两条：其一，机械设备-隔振系统-基座-船体-外场水介质；其二，机械设备-管路-弹性连接件弹性支撑件-船体-外场水介质，常常称之为支撑通道和非支撑通道。另外，舱室空气噪声激励船体结构，也使船体结构振动并向水中辐射噪声，船舶冷却水管路系统中的流体脉动通过管口直接向水中辐射噪声。舰船机械噪声强度随航速的1～2次方增加，在低速航行时机械噪声是*主要噪声源，一般来说，支撑通道产生的噪声*大，非支撑通道产生的噪声次之，舱室空气噪声产生的噪声仅在前两种途径产生的噪声降低到较低水平时才需要考虑。 　　舰船推进器旋转运动引起的噪声包括空化噪声、旋转噪声、湍流噪声和尾涡噪声，还有推进器旋转运动诱导的脉动压力直接激励船体艉部结构和通过轴系传递激励船体结构产生的噪声，以及推进轴系不平衡作用力激励船体结构产生的噪声。从噪声频谱特征上常常将推进器噪声分为低频线谱噪声、低频宽带谱噪声和高频宽带谱噪声。推进器在舰船艉部及附体产生的非均匀流场中旋转运动，好像车轮驶过起伏不平的路面，受到的脉动力产生低频线谱噪声；舰船艉部湍流场与推进器叶片相互作用产生低频宽带谱噪声，推进器叶片表面湍流边界层通过随边散射引起中高频噪声，当叶片随边漩涡发放频率与叶片声辐射效率较高的模态振动频率耦合时，产生窄带峰值噪声，即所谓的“唱音”。自然界的水介质中含有人眼直接看不到的微气泡，当推进器叶片旋转达到一定速度时，叶片表面局部压力接近饱和蒸气压，微气泡经历膨胀-破裂-溃灭过程，出现水中特有的空化现象，伴随空泡溃灭过程产生强烈的空化噪声。推进器噪声大致随航速的5～6次方增加，中高航速下推进器噪声是舰船的主要噪声源，水面舰船在十几节航速以上一般都会出现空化噪声，随着潜深的增加，空化噪声对潜艇噪声的影响会随之减小。目前，对潜艇来说，空化噪声已不是其主要噪声源，而是非空化噪声为主要噪声源。 　　当舰船及潜艇和鱼雷航行时，湿表面绕流由层流经层流与湍流共存的转捩区，发展为充分湍流。船体及突出体和腔口产生与流动相关的噪声主要有以下几种机理。其一，边界层由层流向湍流转捩，转捩区层流和湍流交替出现，形成时空随机分布的单极子声源，直接辐射噪声。其二，艇体绝大部分表面为湍流边界层流动，湍流边界层脉动压力激励壳体产生耦合振动及辐射噪声，在低Ma数情况下，湍流边界层脉动压力的直接声辐射可以忽略。其三，艇体表面湍流边界层流经空腔腔口等间断界面时，腔口对湍流边界层产生散射，在其后缘局部区域形成低频脉动压力增量，增强艇体结构低频辖射噪声。其四，艇体表面突出体的展向压力梯度卷起来流湍流边界层形成向下游运动的“马蹄涡”，在突出体前缘及周边局部区域也产生湍流脉动压力增量，增强艇体结构产生的低频噪声。其五，艇体表面湍流边界层流经腔口时，在腔口形成边界层剪切振荡。如果剪切振荡与空腔及周边结构的耦合模态发生共振，则产生较强的线谱噪声。低Ma数时，腔口边界层剪切振荡的直接声辐射可以不考虑。其六，水下航行体操航转向时，艇体和突出体存在一个偏航角或俯仰角，表面流动出现分离，形成大尺度漩涡，诱导产生的低频脉动压力显著增加，激励艇体结构产生辐射噪声。其七，细长杆状突出体在尾涡发放激励下产生振动及声辐射，若漩涡发放频率与杆状突出体模态频率接近时，出现幅度增强的线谱噪声。一般来说，水动力噪声强度随航速的5～6次方增加，低航速时它对辐射噪声的贡献往往被机械噪声和推进器噪声所掩盖，航速较高（约10节）时，水动力噪声会在辐射噪声中占有一定比例，而且，当机械噪声和推进器噪声有效控制时，水动力噪声的作用将会增加。 　　随着民用飞机数量及其起降密度的显著增大、人们对乘坐飞机舒适性要求及环保意识的提高，飞机噪声问题也越来越受到重视和关注，已成为评价飞机性能的一项重要指标。飞机噪声一方面影响飞行线路附近声环境，尤其在机场附近区域，另一方面影响客舱舒适性环境。经过五十多年的发展，由于发动机噪声的降低及飞机气动性能的提升，亚音速喷气式飞机的适航噪声水平也得到了很大的改善，制造商不断发展低噪声设计技术，持续降低民用飞机噪声，按照不同年代生产的大型客机适航噪声变化情况，大型客机飞机适航噪声平均每10年降低约6EPNdB（等效感觉噪声，dB）。EPNdB（等效感觉声压级）与常用dBA（A声级）相比更重视低频噪声。虽然人耳对低频声不很敏感，特别是“次声”，绝大部分人根本听不到，但研究发现，低频噪声对人的大脑和心脏有伤害，长途飞行会引起头痛，容易诱发心脏病，所以航空界常常使用EPNdB（等效感觉声压级）表征飞机噪声。目前国际民航组织（ICAO）已经过了四个阶段的噪声限制要求，1977年开始执行第三阶段噪声限制，2006年开始执行第四阶段噪声限制。第三阶段噪声限值标准为跑道侧面噪声约95dB（A）、起飞状态约89～90dB（A）、进场着陆状态为99.5dB（A），第四阶段限值标准比第三阶段降低5dB（A）。考虑到2016年大型客机适航噪声将比第四阶段噪声限值低18EPNdB以上，2010年11月经国际民用航空组织的航空环境保护委员会**工作组同意，新一阶段噪声适航标准将在第四阶段噪声限值标准基础上降低3～UEPNdB，近年内有可能提出第五阶段噪声限值。 　　原则上讲，飞机飞行产生噪声的机理与舰船噪声是大致相似的，也是由机械振动和不稳定流动两方面的原因引起外场辐射噪声和舱室噪声，仍然可以分为机械噪声、推进器噪声及空气介质中对应水动力噪声的气动力噪声等三种类型，但由于飞机的推进原理有所不同，飞机飞行时Ma数较高，机体表面湍流边界层脉动压力直接辐射的噪声与其激励蒙皮结构产生的噪声强度相当，不同于舰船水下噪声完全忽略表面湍流边界层脉动压力直接产生的辐射噪声，另外，相对于推进器噪声和机体气动力噪声而言，飞机机械设备振动产生的噪声不是主要噪声源，所以，飞机噪声一般分为发动机噪声和机体噪声，其中发动机噪声包括核芯噪声、涡轮噪声、喷流噪声和风扇噪声，机体噪声包括湍流边界层噪声、缝翼噪声、襟翼噪声及后缘噪声，另外将飞机特有的起落架噪声也归入机体噪声范畴。飞机舱室噪声主要有以下几种噪声源的贡献：前传的风扇噪声、后传的风扇噪声及喷流噪声、湍流边界层噪声、发动机等振源引起的结构噪声及环控系统设备引起的噪声。一般来说，随着飞行速度提高，发动机前传噪声和发动机喷流噪声对舱室噪声的影响有所减小，而湍流边界层产生的噪声影响则增加。对于超音速军用飞机而言，还有超音速飞行状态边界层脉动压力产生的附加噪声、机体外表面突起或结构不连续引起的气流分离噪声，以及军械舱和隔舱开口引起的空腔噪声。 　　穆宁认为：喷气发动机是一个复杂的噪声源，其风扇、压气机、燃烧室