華宏星，俞強

1上海交通大學振動、沖擊、噪聲研究所，上海200240 2中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢430064

船舶艉部激勵耦合振動噪聲機理研究進展與展望

華宏星1，俞強2

1上海交通大學振動、沖擊、噪聲研究所，上海200240 2中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢430064

［目的］船舶減振技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，降低艉部激勵引起的槳—軸—船體振動輻射噪聲成為我國現(xiàn)階段船舶聲隱身的緊迫任務(wù)。［方法］針對船舶艉部激勵耦合振動噪聲問題，從船舶螺旋槳激勵力特性、槳—軸—船體耦合振動噪聲特性及其控制方法3個方面對當前研究進展與發(fā)展趨勢進行綜述，［結(jié)果］得到了船舶艉部激勵與槳—軸—船體系統(tǒng)振動噪聲的映射關(guān)系，并提出了針對低頻振動噪聲的控制方法。［結(jié)論］在此基礎(chǔ)上對在螺旋槳非定常力測試、艉軸承摩擦誘導振動機理和槳—軸系統(tǒng)橫向振動控制等方面提出進一步開展研究的建議。

船舶；艉部；耦合振動噪聲

0 引 言

船舶噪聲主要由機械噪聲、水動力噪聲和螺旋槳噪聲3類噪聲組成。隨著建造工藝水平的整體提高以及減振消聲技術(shù)的廣泛應(yīng)用，機械噪聲水平逐步下降，使得螺旋槳在艉部伴流場運轉(zhuǎn)時誘發(fā)的艉部噪聲逐漸成為船舶輻射噪聲的主要因素。研究結(jié)果表明，各類水下和水面船舶低頻段中的若干線譜或窄帶輻射聲是輻射噪聲的主要特征，這與艉部激勵密切相關(guān)。因此，降低隱蔽航行工況下由艉部激勵引起的槳—軸—船體振動輻射噪聲十分必要且重要。

槳—軸—船體系統(tǒng)與艉部伴流場構(gòu)成復雜的流—固—聲耦合系統(tǒng)。由于水面船舶的艉部伴流場非常復雜，研究尚不深入，本文將主要針對水下航行器討論其艉部噪聲問題。水下航行體艉部激勵如圖1所示，其中旋轉(zhuǎn)的螺旋槳及軸系產(chǎn)生非常復雜的激振力。一方面，時空非均勻伴流場誘導的螺旋槳脈動載荷通過軸承傳遞激發(fā)船體振動聲輻射，或通過壓力場傳遞至船體表面激勵船體結(jié)構(gòu)振動噪聲；另一方面，螺旋槳激勵力與槳—軸—船體系統(tǒng)振動相耦合又誘使激勵力變化，并可能增強螺旋槳噪聲。然而，以往對螺旋槳激勵力的研究停留在剛性槳假設(shè)下的理論計算層面，忽略了伴流場的時間非定常性和螺旋槳激勵力與槳—軸—船體振動的耦合，無法滿足低頻振動聲輻射分析的需求，且對槳—軸—船體系統(tǒng)振動噪聲響應(yīng)特性的研究未能建立起螺旋槳激勵力特性與船體結(jié)構(gòu)聲輻射頻譜結(jié)構(gòu)特征之間的內(nèi)在聯(lián)系，導致難以提出有效的振動噪聲治理方法。

圖1 艉部激勵示意圖Fig.1 Schematic of ship stern excitation

近年來，針對船舶艉部激勵耦合振動噪聲問題，國內(nèi)多家單位在槳—軸—船體系統(tǒng)振動對艉部激勵的影響、艉部激勵在槳—軸—船體系統(tǒng)上的傳遞規(guī)律，以及船體振動噪聲響應(yīng)規(guī)律等方面開展了深入研究，初步明確了艉部激勵與槳—軸—船體系統(tǒng)振動噪聲間的映射關(guān)系，并據(jù)此提出了針對低頻振動噪聲的控制方法。為此，本文將從螺旋槳激勵力特性、槳—軸—船體系統(tǒng)振動噪聲響應(yīng)規(guī)律、低頻振動聲輻射控制這3個方面對近期研究進展進行綜述，并在討論的基礎(chǔ)上提出未來研究方向的設(shè)想。

1 螺旋槳激勵力特性研究

掌握船舶螺旋槳激勵力特性可為船舶艉部耦合振動、輻射噪聲預報提供輸入條件，為船舶聲學性能指標的合理分配、振動噪聲響應(yīng)特性分析及有效控制提供依據(jù)，因此螺旋槳激勵源特性研究是船舶艉部激勵耦合振動噪聲機理研究的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。螺旋槳激勵力通常分為2類：非均勻伴流場誘導的螺旋槳軸承力和螺旋槳誘導的船體表面脈動壓力（表面力）。

1.1 螺旋槳軸承力特性

螺旋槳軸承力是非均勻伴流場誘導的螺旋槳脈動載荷通過軸承傳遞至船體的力［1］，是船體艉部振動最主要的激勵源，其量值的大小和變化規(guī)律直接影響艉部激勵船體振動聲輻射評估的準確性。

以往主要以圖2（a）所示單個剛性槳為研究對象，采用非定常升力面法或擬定常法預估非均勻伴流場中螺旋槳軸承力6個分量的定常值和脈動幅值與相位，該研究方法僅能給出伴流場空間不均勻性導致螺旋槳出現(xiàn)的葉頻或軸頻諧調(diào)周期力。

艉部的舵和翼等附體結(jié)構(gòu)與尾流間存在復雜的干擾作用，使尾流具有隨機特性，導致槳葉上非定常力出現(xiàn)非周期分量。因此，需考慮如圖2（b）所示的全附體螺旋槳激勵力模型，并應(yīng)用基于RANS方法的全粘流計算來預報非定常力［2］。結(jié)合CFD交界面技術(shù)和數(shù)值耗散控制，將使預報具有高精度、高分辨率和低耗散等特點。研究表明，螺旋槳非定常力的能量譜由低頻窄帶譜和寬帶隨機譜構(gòu)成，分別反映螺旋槳伴流場的空間不均勻性與時間非定常性；橫向?qū)拵Яπ∮诳v向?qū)拵Я?，且軸向推力一階脈動分量的平均推力系數(shù)占比為3‰左右。

圖2 螺旋槳計算模型Fig.2 Calculation model of the propeller

在剛性槳假設(shè)下，軸承力可通過計算螺旋槳槳葉載荷在槳榖處的合力得到，但其缺陷在于忽略了螺旋槳的彈性特性對載荷從槳葉到槳榖傳遞的影響，尤其在流體激勵和彈性槳振動頻率接近時，該問題更為突出。因此，可結(jié)合勢流理論和彈性力學，利用面元法和伯努利方程計算螺旋槳表面脈動載荷，利用拉格朗日方程建立流—固耦合彈性槳動力學模型，從而對非均勻、非定常來流下彈性槳的軸承力進行理論計算和預報［3］。研究表明，螺旋槳軸承力不僅與來流空間非均勻有關(guān)，也和螺旋槳模態(tài)頻率、軸系縱振頻率以及槳盤面來流中的渦結(jié)構(gòu)和遷移速度有關(guān)，而且螺旋槳彈性振動對軸承力有放大效應(yīng)。

試驗是進行螺旋槳軸承力研究的必要環(huán)節(jié)，有助于了解和掌握螺旋槳激勵力的根本特征。試驗研究包括直接測試和間接測試。直接測試通過循環(huán)水槽試驗獲取全附體船模后螺旋槳的推力脈動，主要用于模型槳軸承力的測量，其關(guān)鍵是要解決模型槳激勵力試驗的相似性，以及模型槳與實槳激勵力的換算等。利用槳—軸系統(tǒng)固有特性和軸系振動測量結(jié)果重構(gòu)螺旋槳周期和隨機軸承力［4-5］的間接測試方法，也可應(yīng)用于實船測試，如圖3所示?？v向激勵力F的間接測試表明：一階葉頻和螺旋槳固有頻率處的脈動分量為螺旋槳軸承力的主要成分，在量級上后者為前者的2倍以上；減小螺旋槳的剛度，一階葉頻和螺旋槳頻率處的脈動分量均增大；在一階葉頻和螺旋槳固有頻率之間的二階和二階以上葉頻以及軸系一階縱振頻率等的激勵力，呈現(xiàn)明顯的周期加隨機寬帶的特征。

圖3 某典型工況下螺旋槳軸承力辨識結(jié)果頻譜圖［4-5］Fig.3 Requency spectrum identification results of propeller bearing force for typical operating condition［4-5］

1.2 螺旋槳表面力特性

在非均勻伴流場中，螺旋槳旋轉(zhuǎn)誘使船體周圍流場呈現(xiàn)空間不均勻和時間非定常特征，壓力場通過水傳遞至船體表面將產(chǎn)生非均勻分布的脈動壓力（表面力）［1］，會激勵船體殼體振動并產(chǎn)生輻射噪聲。

目前，對螺旋槳表面力的分析主要通過經(jīng)驗公式、數(shù)值方法和試驗方法進行。如Holden方法、Takahashi方法等可用于實際計算的經(jīng)驗公式均為根據(jù)理論分析和統(tǒng)計方法歸納出的相應(yīng)公式和圖表，這些公式基于實船和模型試驗，應(yīng)用范圍上有較大的局限性，但可用于螺旋槳表面力的預估。對船舶螺旋槳表面力的數(shù)值研究多針對船舶全附體模型，利用大渦模擬（LES）或RANS方法構(gòu)建全粘流計算模型，分析船艉表面脈動壓力空間非均勻分布特性。對船舶螺旋槳表面力的試驗研究主要通過大型循環(huán)水槽試驗，利用小尺度微型脈動壓力傳感器測量模型船艉表面脈動壓力的大小和空間分布。理論和試驗研究表明，離槳盤面距離相同的情況下，螺旋槳表面力隨空間周向角度變化較??；船艉表面脈動力隨離槳盤面距離增加成冪指數(shù)形式衰減，且以葉頻分量為主。

2 槳—軸—船體系統(tǒng)耦合振動噪聲響應(yīng)規(guī)律

槳—軸—支承系統(tǒng)是艉部激勵傳遞到船體的主要路徑，船體結(jié)構(gòu)是最終的聲輻射體，艉部激勵特性和槳—軸—船體系統(tǒng)動態(tài)特性均為船舶輻射聲頻譜結(jié)構(gòu)的決定性因素。在獲取艉部激勵特征后，掌握艉部激勵在槳—軸—船體系統(tǒng)上的傳遞規(guī)律以及船體聲振響應(yīng)特性，是建立艉部激勵與槳—軸—船體系統(tǒng)振動噪聲間映射關(guān)系的最基本途徑。目前，對槳—軸—船體系統(tǒng)振動噪聲響應(yīng)規(guī)律的研究主要集中在軸系支承界面特性、船體振動聲輻射建模和耦合振動噪聲演變規(guī)律這3個方面，并在艉軸承摩擦誘導振動等方面開展了部分研究工作。

2.1 軸系支承界面特性

軸系支承界面為螺旋槳激勵力向船體傳遞的關(guān)鍵途徑，其特性直接決定著螺旋槳激勵力到船體的傳遞特性，研究支承界面特性可為槳—軸—船體系統(tǒng)聲振分析提供基本輸入條件。目前關(guān)注的主要問題有：界面阻抗特性的精確獲??；橡膠軸承界面摩擦特性的表征；軸系校中狀態(tài)的影響規(guī)律。

1）界面阻抗特性的精確獲取。軸系支承界面是由潤滑膜、軸承和基座組成的串聯(lián)系統(tǒng)。液膜剛度特性可由流體動力潤滑計算獲?。?］，基座阻抗可通過有限元仿真或?qū)嶒灉y量得到，橡膠軸承剛度可基于非線彈性理論和接觸分析獲?。?］。研究表明：橡膠軸承動態(tài)特性在艉軸承徑向綜合支撐特性中起主要作用，可忽略液膜剛度的影響；而推力軸承綜合支撐特性則由油膜剛度主導。

2）艉軸承界面摩擦特性的表征。艉軸承界面摩擦特性與轉(zhuǎn)速、軸承結(jié)構(gòu)和材料等密切相關(guān)，但主要由動摩擦系數(shù)和界面載荷表征。動摩擦系數(shù)可由基于伺服加載和扭矩測量的測試獲取，界面載荷可由界面力學分析得到。研究表明，艉軸承摩擦系數(shù)—滑動速度的負斜率特征可誘發(fā)轉(zhuǎn)軸—軸承扭轉(zhuǎn)自振，界面載荷的交叉耦合效應(yīng)可誘發(fā)軸系反向渦動失穩(wěn)，前者為軸承模態(tài)失穩(wěn)，后者為軸系橫向模態(tài)失穩(wěn)。

3）對中狀態(tài)的影響規(guī)律。推進系統(tǒng)的建造、安裝、校中，以及不同工況下的船體變形等均會造成軸系對中狀態(tài)的變化。通過對軸承負荷、軸承剛度特性，以及槳—軸系統(tǒng)耦合振動的集成分析表明，軸系對中狀態(tài)變化對槳—軸系統(tǒng)固有特性影響較小，但可通過改變軸承和軸之間的接觸狀態(tài)影響靜動摩擦比和支撐剛度。如艉軸承對中狀態(tài)變化將引起槳端振幅明顯的軸系各階模態(tài)的模態(tài)力發(fā)生變化，并反映在艉軸承支承處動載荷中，如圖4所示。圖中，K為剛度。

圖4 艉軸承剛度變化對軸承動載荷的影響規(guī)律Fig.4 Effect of stern bearing stiffness on dynamic load of the bearing

2.2 槳—軸—船體系統(tǒng)耦合振動噪聲建模方法

準確建立槳—軸—船體系統(tǒng)的動力學模型，是實現(xiàn)耦合系統(tǒng)振動傳遞規(guī)律及振動響應(yīng)特性分析的物理基礎(chǔ)。分頻段建模是目前研究船舶振動噪聲的實際途徑。典型的槳—軸—船體系統(tǒng)是以螺旋槳、轉(zhuǎn)軸、殼體、基座、艙壁、環(huán)肋和縱桁等為主要結(jié)構(gòu)特征的復雜系統(tǒng)。根據(jù)不同頻段船體的力學性能，研究中多采用船體梁作為船舶艙段首階固有頻率前的近似模型、利用組合殼體作為實際船體主體結(jié)構(gòu)的近似模型、采用梁—板—加肋殼體組合結(jié)構(gòu)作為槳—軸—船體系統(tǒng)局部細化模型。而相應(yīng)的船體流—固—聲耦合特性計算一般采用解析/半解析方法和數(shù)值方法。

1）解析/半解析方法。船體梁以及加肋板殼振動或聲輻射問題的求解方法可歸納為分離變量法、傅里葉級數(shù)法、冪級數(shù)法、傅里葉變換法或變分原理等方法及其組合［8-11］，通過數(shù)學推導可給出解析解。組合殼體振動與聲輻射問題的求解采用冪級數(shù)展開—傅里葉變換法、區(qū)域分解—譜邊界元法［12-14］等半解析方法。以后者為例，根據(jù)分元離散的思想將組合殼體劃分為若干子域和相匹配的邊界單元，利用廣義變分原理和譜函數(shù)多項式逼近求解流—固—聲耦合問題，能夠給出不同結(jié)構(gòu)振動模態(tài)對船體總振動、輻射聲功率和指向性的貢獻量。解析/半解析方法通常具有數(shù)值解所不及的精確度，可為簡化問題的物理本質(zhì)提供較清楚的解釋，但它僅限于解決具有正交曲面的規(guī)則結(jié)構(gòu)，因此在實際工程應(yīng)用中具有一定局限性。

2）數(shù)值方法。對于考慮基座、彈性螺旋槳以及具有復雜幾何外形的殼體結(jié)構(gòu)，其低頻振動聲輻射求解需采用FEM/BEM法和子結(jié)構(gòu)綜合/FEM/BEM法等數(shù)值方法。FEM/BEM法［15］利用有限元方程描述結(jié)構(gòu)動力學響應(yīng)，利用邊界元方程描述結(jié)構(gòu)表面的流體加載，并通過滿足流固耦合面法向振速相等和聲壓平衡條件建立耦合方程。該方法可降低流—固耦合問題的計算規(guī)模并保持很高的計算精度，但在應(yīng)用中有奇異積分、非唯一解及多頻計算等問題。子結(jié)構(gòu)綜合/FEM/BEM法是為克服考慮彈性螺旋槳時流—固耦合計算量過大的問題而提出［16］，該方法把彈性槳、軸系、船體分別視為子結(jié)構(gòu)，通過子結(jié)構(gòu)綜合獲取軸—船體界面力，其后利用FEM/BEM法求解船體振動聲輻射。圖5所示為螺旋槳縱向激勵下船體遠場聲壓的FRSM/FEM/BEM計算結(jié)果和FEM/BEM計算結(jié)果。FRSM/FEM/BEM方法在滿足計算精度的同時可大幅提高計算效率，可用于分析各子結(jié)構(gòu)動態(tài)特性、界面特性與耦合系統(tǒng)振動聲輻射特征間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。

圖5 螺旋槳縱向激勵下船體100 m處的輻射聲壓［16］Fig.5 Radiation sound pressure（100 m apart from hull）of propeller longitudinal excitations［16］

2.3 螺旋槳激勵下的耦合振動噪聲演變規(guī)律

槳—軸—船體系統(tǒng)與流體構(gòu)成復雜的流—固—聲耦合系統(tǒng)，整個系統(tǒng)的振動與聲輻射不是單向傳遞而是耦合反饋。因此，螺旋槳激勵下槳—軸—船體系統(tǒng)振動噪聲演變規(guī)律的內(nèi)涵可由螺旋槳、軸系、船體子系統(tǒng)動態(tài)特性與艉部激勵特性，以及耦合系統(tǒng)聲輻射特征的關(guān)聯(lián)來詮釋。其中，典型的子系統(tǒng)特性包括船體非均勻性、基座對稱性、軸系和船體幾何中心線相對位置，以及軸系和螺旋槳的彈性等。

由于數(shù)值計算和試驗成本較高，縮比模型是研究槳—軸—船體系統(tǒng)振動噪聲演化規(guī)律不可或缺的手段，且研究結(jié)果能夠類推到實際系統(tǒng)。圖6所示為縮比船體模型三維圖及試驗現(xiàn)場圖［17］。模型由槳、軸、錐殼和加筋圓柱殼等組成，通過組合不同槳模、艉部錐殼和柱殼可實現(xiàn)船體均勻性、基座對稱性、軸系位置以及螺旋槳彈性等的變化（圖7）。螺旋槳處縱向、垂向激勵下的殼體聲輻射特性如表1所示，其中：所有圖中縱坐標為聲功率，dB；橫坐標為頻率，Hz；在基座高度一欄中，右圖為彎矩激勵。結(jié)果表明，殼體非均勻性主要通過影響模態(tài)質(zhì)量使殼體的振動模態(tài)略有改變，但對總體輻射聲功率影響不大；對稱基座和軸系下移對縱向激勵有抑制作用，對稱基座通過減小附加彎矩減弱彎曲模態(tài)對聲輻射的貢獻量，基座結(jié)構(gòu)改變增大了基座阻抗。

圖6 試驗模型Fig.6 Experimental model

圖7 不同結(jié)構(gòu)的試驗模型Fig.7 Experimental model for various structures

優(yōu)勢聲輻射模態(tài)和頻率對應(yīng)關(guān)系是表征激勵特性、子系統(tǒng)動態(tài)特性、耦合系統(tǒng)聲輻射特征內(nèi)在關(guān)聯(lián)的直觀方式。槳—軸—船體系統(tǒng)理論與試驗結(jié)果表明，在螺旋槳縱向激勵下，軸系船體耦合系統(tǒng)的聲輻射主要由周向波數(shù)n=0的船體縱向模態(tài)產(chǎn)生；彈性螺旋槳會將傳遞至船體的激勵力在其固有頻率附近明顯放大；在螺旋槳縱向/橫向激勵下，在軸系一階縱向振動頻率/一階垂向振動頻率附近，船體聲輻射明顯增強。這些結(jié)論均可作為實船槳—軸—船體頻率匹配設(shè)計的依據(jù)。

2.4 其他艉部激勵下的耦合振動噪聲

2.4.1 艉軸承摩擦誘導振動

水潤滑艉軸承通常處于混合潤滑狀態(tài)，承受較大的接觸負荷（圖8），由于摩擦力的Stribeck效應(yīng)和交叉耦合效應(yīng)，軸系易發(fā)生自激振動，激發(fā)轉(zhuǎn)軸、軸承支承結(jié)構(gòu)的若干模態(tài)產(chǎn)生顫振或嘯叫現(xiàn)象［11］，并會加速艉軸承損壞，降低設(shè)備的可靠性。

目前，對推進軸系摩擦振動的研究主要通過原理型的低維自激振動模型、頻域復特征根分析

和時域瞬態(tài)動力學分析等分析方法。

表1 槳—軸—船體系統(tǒng)聲輻射特性Table 1 Acoustic radiation characteristic of propeller-shaft-hull systems

圖8 艉軸承接觸壓力分析Fig.8 Analysis of stern bearing contact force

1）原理型的低維自激振動模型。該類模型從摩擦副的Stribeck特性入手，通過建立摩擦噪聲并考慮轉(zhuǎn)盤、橡膠軸承或基座切向振動等若干自由度的內(nèi)在關(guān)聯(lián)［18-19］，定性分析頻率調(diào)制和on-off間歇響應(yīng)等復雜摩擦振動現(xiàn)象，但物理模型過于簡單，無法直接用于艉軸承摩擦誘導軸系—軸承耦合振動特性和激勵特性的預測與分析。

2）基于復模態(tài)分析的摩擦振動預測模型［7，20］。該類模型通過復特征值，分析研究摩擦系數(shù)和軸承參數(shù)等對摩擦噪聲發(fā)生趨勢的影響規(guī)律。優(yōu)勢在于模型求解不受軸承幾何復雜性的限制，可反映軸承—轉(zhuǎn)軸摩擦副的接觸壓力分布以及系統(tǒng)的摩擦失穩(wěn)趨勢。缺點是，不能明確指出摩擦振動的機理，也無法體現(xiàn)遠離平衡點時系統(tǒng)的整體非線性特性，且較難在模型中考慮摩擦參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)等復雜因素的非線性。

3）基于瞬態(tài)動力學的摩擦振動分析模型［21-22］。該類模型利用迦遼金法和模態(tài)疊加法等方法建立綜合考慮螺旋槳、軸系、軸承振動形態(tài)的摩擦自激振動模型，并通過時頻特性分析研究軸系及摩擦力的非線性瞬態(tài)行為及其演變規(guī)律。可直觀地反映摩擦振動發(fā)生、發(fā)展的過程，且模型可擴展性強，便于引入真實系統(tǒng)中客觀存在的復雜非線性因素。但瞬態(tài)分析需要過長的計算時間，數(shù)據(jù)往往難以直接用于設(shè)計修改。研究表明，摩擦自激振蕩在系統(tǒng)模態(tài)阻尼較小、摩擦系數(shù)較大（較低轉(zhuǎn)速）、界面接觸載荷較大的情況下容易產(chǎn)生，如圖9所示；轉(zhuǎn)軸、軸承間的粘—滑摩擦接觸可引起轉(zhuǎn)軸扭轉(zhuǎn)模態(tài)或軸承及其支承結(jié)構(gòu)周向模態(tài)的自激振動。

圖9 艉軸承摩擦振動分析Fig.9 Friction-induced vibration analysis of stern bearing

2.4.2 流體激勵開口腔體噪聲

當繞流流經(jīng)船舶艉部艉間艙時，會在流水孔前緣發(fā)生渦脫落，脫落的渦撞擊孔口后緣，并形成上行的壓力脈動，影響前緣的渦系脫落，進而在孔口處形成渦脫落自持振蕩。如圖10所示，渦運動激起聲波是通過剪切層對下游銳緣的沖擊作用，或通過剪切層激發(fā)腔體的Helmholtz共振模態(tài)、腔體壁的流—固—聲耦合共振模態(tài)形成的；反過來，聲波和前緣尖點的相互作用又會誘發(fā)脫落渦。

圖10 孔腔共振和輻射聲機理示意圖Fig.10 Principle of sound radiation induced by hole resonance

開口腔體噪聲的復雜性主要體現(xiàn)在孔口不穩(wěn)定邊界層、腔體內(nèi)媒質(zhì)以及腔體壁的相互耦合，因此可結(jié)合CFD計算和流—固—聲耦合模型預報開孔腔體輻射聲。通過LES方法求解孔腔繞流非定常激勵力，依此作為開孔腔體輻射聲的源場。其后，采用有限元法建立腔內(nèi)媒質(zhì)以及腔體壁振動和聲輻射的流—固—聲耦合模型，通過耦合模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析探討孔腔共振機理。考慮到數(shù)值計算中流場穩(wěn)定之前的計算數(shù)據(jù)并不準確，在進行船舶艉間艙繞流計算時，可采用混合CFD算法［23］進一步提高LES方法的數(shù)值仿真效率：即先利用適用于高雷諾數(shù)的湍流模型進行定常計算，待流場穩(wěn)定收斂后將定常計算結(jié)果作為初始輸入條件，并利用LES方法進行非定常計算來獲取孔腔繞流激勵力。研究表明，孔口邊界層的水動力振蕩是孔腔共振的激勵源，可激勵聲腔模態(tài)和腔體流—固耦合模態(tài)振動（圖11），同時腔內(nèi)媒質(zhì)以及腔體壁振動和聲輻射也反過來影響孔口邊緣的渦系脫落，增強自持振蕩能量，并可能輻射高聲壓級噪聲。

圖11 流體激勵孔腔流—固耦合模態(tài)振動Fig.11 Modal vibration of coupled fluid—structure by fluid force excitions

3 低頻振動聲輻射控制

艉部激勵下船舶低頻振動噪聲控制是槳—軸—船體系統(tǒng)振動噪聲規(guī)律研究的出發(fā)點和歸宿。降低船舶艉部低頻振動聲輻射主要有2種途徑，其一是對艉部結(jié)構(gòu)進行動力學優(yōu)化設(shè)計，改善槳—軸—船體系統(tǒng)動力學性能；其二是在船體結(jié)構(gòu)動態(tài)特性難以改變的前提下，對槳—軸—船體系統(tǒng)在艉部激勵下的響應(yīng)進行被動、主動或混合控制。

3.1 結(jié)構(gòu)動力學優(yōu)化設(shè)計

船舶艉部結(jié)構(gòu)動力優(yōu)化設(shè)計的目標是在不附加任何子系統(tǒng)的前提下，利用艉部結(jié)構(gòu)參數(shù)、形狀及頻率優(yōu)化等手段降低槳—軸—船體系統(tǒng)振動與聲輻射。船舶艉部結(jié)構(gòu)動力學優(yōu)化設(shè)計主要有以下途徑：

1）修改殼體線形和改進螺旋槳設(shè)計。主要通過改善艉部伴流場的不均勻度和螺旋槳的水動力特性來減小螺旋槳脈動力，降低由螺旋槳引起的聲輻射。但艉部伴流場和螺旋槳水動力問題極其復雜，使得優(yōu)化設(shè)計難度較大，且改造成本昂貴。

2）優(yōu)化船體艉部結(jié)構(gòu)與參數(shù)。主要通過優(yōu)化軸系位置、軸承座布置方式、輕殼體厚度、縱向構(gòu)件數(shù)量、腹板高度和舵軸圍欄厚度等參數(shù)，改善基座阻抗特性、殼板面阻抗、艉部整體彎曲剛度以及開孔區(qū)域的結(jié)構(gòu)剛度，降低基座—船體耦合力，實現(xiàn)聲輻射抑制。此外，還可通過改善軸系校中狀態(tài)和艉軸承潤滑狀況等來降低摩擦失穩(wěn)的可能性；可通過優(yōu)化流水孔形狀和孔頸偏角等參數(shù)有效控制流體激勵。

3）槳—軸—船體系統(tǒng)動態(tài)特性匹配設(shè)計。研究表明，在沒有明顯聲學故障和非線性響應(yīng)的情況下，輸入到螺旋槳槳轂中心的功率流與傳遞至船體結(jié)構(gòu)的功率流乃至整個船體聲輻射功率具有明確的映射關(guān)系（圖12）。圖中，振速基準值為1×10-9m/s。

圖12 螺旋槳縱向激勵與船體振動映射關(guān)系Fig.12 Relationship of propeller longidudinal excitations and hull vibration

對于槳—軸—船體系統(tǒng)縱向激勵下的振動聲輻射，其特征頻率主要由槳—軸系統(tǒng)作用在船體上的激勵頻率決定，它們主要是葉頻、螺旋槳固有頻率和軸系縱振頻率；其聲輻射量級主要取決于這些激勵頻率和船體局部模態(tài)的吻合程度以及被激發(fā)的局部模態(tài)的輻射效率。槳葉共振頻率應(yīng)避開螺旋槳寬帶激勵譜的低頻區(qū)，且螺旋槳葉頻、螺旋槳固有頻率應(yīng)避開船體縱向振動頻率以及槳—軸子系統(tǒng)一階、二階縱振頻率，或槳—軸子系統(tǒng)在葉頻、槳葉頻率附近具有足夠的縱向振動阻抗。對于槳—軸—船體系統(tǒng)彎曲振動，其特征頻率由槳—軸系統(tǒng)在槳端模態(tài)位移明顯的彎曲模態(tài)和螺旋槳固有頻率等決定，其聲輻射量級主要取決于這些激勵頻率和船體局部模態(tài)的吻合程度，在葉頻附近，軸系、船體在支撐位置應(yīng)具有足夠的橫向振動阻抗。

3.2 低頻振動聲輻射主、被動控制

螺旋槳激勵具有寬頻特性，而且實際系統(tǒng)振動模態(tài)非常密集，試圖僅依賴艉部結(jié)構(gòu)動力學優(yōu)化設(shè)計在寬頻帶內(nèi)抑制槳—軸—船體系統(tǒng)聲輻射幾乎不可能，需要進一步對槳—軸—船體系統(tǒng)在艉部激勵下的響應(yīng)進行控制。目前，研究集中在對振動傳播途徑的主、被動控制上，即減小螺旋槳激振力通過軸系傳遞對船體的作用。

1）被動控制方法。被動控制通過在軸系或基座增加質(zhì)量、阻尼、剛度來達到控制槳—軸—船體系統(tǒng)振動和聲輻射的目的。已有的方案包括軸系動力吸振器、軸系縱向減振器和共振轉(zhuǎn)換器等［24-26］。動力吸振器通過動力調(diào)諧吸振抑制給定頻率附近的軸系縱振。縱向減振器安裝在軸段上，通過降低軸系縱向剛度，改變軸承力放大倍數(shù)來達到控制輻射噪聲的目的。共振轉(zhuǎn)換器安裝在推力軸承與基座之間，通過液腔剛度、質(zhì)量和阻尼組成的動態(tài)環(huán)節(jié)改變軸系縱振的共振條件來達到減振目的。新近提出的基于減振推力軸承的被動控制方案［27］（圖13）通過在推力軸承內(nèi)部設(shè)置金屬板簧減振環(huán)節(jié)來衰減縱向脈動力。與軸系常規(guī)縱向減振器相比，減振推力軸承采用結(jié)構(gòu)緊湊的內(nèi)置彈性元件，通過剛度控制實現(xiàn)附加質(zhì)量可忽略的縱振隔離技術(shù)，不占用軸系空間，工程實用性較強。

2）主動控制方法。主動控制是根據(jù)槳—軸—船體系統(tǒng)振動響應(yīng)的實時測量結(jié)果，應(yīng)用一定的控制策略，驅(qū)動作動器對軸系或基座施加載荷以抑制系統(tǒng)振動。已有方案有輔助磁推力軸承［28-29］和分布式主動吸振［30］等。其中前者是將輔助磁推力軸承與原有推力軸承并聯(lián)，通過閉環(huán)反饋控制對磁推力軸承進行實時調(diào)節(jié)，減小軸與推力軸承座間的動態(tài)作用力，實現(xiàn)縱振控制；后者通過協(xié)調(diào)運行分布式慣性式作動器，將推力軸承基座的振動能量轉(zhuǎn)移、耗散來達到減振目的。新近提出了基于磁流變彈性體的半主動吸振方法［31］和基于電磁減振器的軸系縱振主動控制方法［32］。前者通過調(diào)節(jié)磁場強度改變吸振器剛度改變固有頻率來追蹤外激勵頻率，可克服傳統(tǒng)吸振器頻率選擇性的缺點，有效拓寬減振頻帶；后者將主動電磁減振器與軸系并聯(lián)（圖14），直接控制軸的縱向振動，不改變軸系縱向、橫向固有傳遞特性，通過與自適應(yīng)主動控制方法相結(jié)合，能同時抑制艉部寬帶與窄帶激勵。軸系試驗表明，對于低頻段（10～200 Hz）主要振動峰值，主動電磁減振器可取得10～20 dB以上的抑制效果。

圖14 電磁減振器減振效果Fig.14 Effectiveness of active electromagnetic vibration isolator

4 結(jié) 語

近年來，通過對船舶艉部激勵耦合振動噪聲機理的深入研究，已經(jīng)基本建立了船舶艉部激勵特性、槳—軸—船體耦合系統(tǒng)振動特性相對完整的理論框架和健全的測試手段，并在振動聲輻射控制關(guān)鍵技術(shù)上取得了多項突破，尤其是認識水平得到了很大提高。但是，為了進一步降低槳—軸—船體振動輻射噪聲，仍然有大量的工作亟需解決：

1）在艉部激勵特性方面，目前所建立的螺旋槳激勵力測試方法基本能滿足螺旋槳縱向非定常力測試的精度要求，但對于螺旋槳非定常力其余分量的高精度測試還有待進一步的完善。同時，現(xiàn)有艉軸承摩擦誘導振動模型也無法解釋摩擦異響的偶發(fā)性和隨機性，仍有待進一步的探索。

2）在槳—軸—船體系統(tǒng)耦合振動噪聲響應(yīng)分析方面，目前在槳—軸—船體系統(tǒng)耦合振動與聲輻射建模方法方面雖然取得了一些進展，但未形成專用的計算軟件，有必要開發(fā)用戶界面友好，能實現(xiàn)與專業(yè)振動、聲學軟件交互，且能實現(xiàn)過程與結(jié)果可視化的計算軟件，并推廣應(yīng)用。

3）在振動聲輻射控制方面，在槳—軸系統(tǒng)縱向振動控制方面取得了一些突破，但橫向振動控制仍有待深入研究。此外，目前船體艉部的結(jié)構(gòu)動力學優(yōu)化設(shè)計與振動控制設(shè)計是分開進行的，忽略了結(jié)構(gòu)參數(shù)與控制參數(shù)的相互作用。為同時優(yōu)選結(jié)構(gòu)性能和最佳控制效果，有必要發(fā)展船舶艉部結(jié)構(gòu)動力學/控制一體化優(yōu)化的設(shè)計技術(shù)。

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Structural and acoustic response due to excitation from ship stern:overview and suggestions for future research

HUA Hongxing1，YU Qiang2
1 Institute of Vibration，Shock and Noise，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China 2 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

Several decades after the development of acoustic stealth technology for ships,there remains an urgent necessity to reduce low frequency structural and acoustic response due to excitation from the stern.This paper reviews research into the coupled vibration and acoustic problems of the sterns of vessels.Attention isespecially paid to three key aspects:the characteristicsofpropellerforces,the vibration-acoustic signatures of coupled propeller-shaft-hull systems,and vibration/noise controls.Therefore,the mapping relationships of vibration noise from the stern excitation and propeller-shaft-hull system is obtained,and the control approaches for low frequency vibration noise is presented.Thereafter,several suggestions are made for further research work in the testing technology of the unsteady force of propellers,the structural vibration induced by the stern bearing friction and the vibration control of propeller-shaft systems in the future.

ship；stern；coupled vibration and acoustics

U661.44

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2017.04.002

http://kns.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20170727.1010.004.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

華宏星，俞強.船舶艉部激勵耦合振動噪聲機理研究進展與展望［J］.中國艦船研究，2017，12（4）：6-16.

HUA H X，YU Q.Structural and acoustic response due to excitation from ship stern:overview and suggestions for future research［J］.Chinese Journal of Ship Research，2017，12（4）：6-16.

2016-06-29< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時間：

時間：2017-7-27 10:10

國家級重大基礎(chǔ)研究項目

華宏星，男，1955年生，博士，教授，博士生導師。研究方向：振動控制技術(shù)在減振、抗沖、

降噪中的應(yīng)用。E-mail：hhx@sjtu.edu.cn

俞強（通信作者），男，1969年生，碩士，高級工程師。研究方向：艦船推進系統(tǒng)設(shè)計。

E-mail：wuhan_yu2013@163.com