盛美萍，王敏慶，李巧嬌

西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，陜西西安710072

系統(tǒng)工程思維在減振降噪工作中的應(yīng)用

盛美萍，王敏慶，李巧嬌

西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，陜西西安710072

盡管吸振、隔振、吸聲、隔聲等單項(xiàng)減振降噪技術(shù)日臻成熟，針對特定頻段、特殊環(huán)境的振動與噪聲控制新措施層出不窮，但仍然無法確保在工程實(shí)踐中可以取得良好的減振降噪效果。究其原因，未能重點(diǎn)關(guān)注船舶結(jié)構(gòu)等實(shí)際系統(tǒng)的整體性和關(guān)聯(lián)性特征、缺乏全面的系統(tǒng)工程思維制約了減振降噪技術(shù)效用的充分發(fā)揮。通過嘗試應(yīng)用系統(tǒng)工程思維指導(dǎo)減振降噪工程實(shí)踐，順利完成了某石油管道生產(chǎn)車間環(huán)境噪聲治理和某型飛機(jī)異常噪聲故障復(fù)原與歸零工作。介紹減振降噪工作中部分系統(tǒng)工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出相關(guān)建議，以期促進(jìn)系統(tǒng)工程思維在船舶減振降噪工作中的進(jìn)一步深化推廣。

減振降噪；聲學(xué)設(shè)計(jì)；系統(tǒng)工程；思維方式

0 引 言

在中國古代，就已經(jīng)開始運(yùn)用系統(tǒng)工程思維解決工程難題，例如，北宋丁謂的“一舉三得”方案就是一個典型的案例［1］。宋真宗時期皇宮焚毀，丁謂受命重建，他把重建工作拆分為取土燒磚、材料運(yùn)輸、清理廢墟等若干環(huán)節(jié)。如何處理這3個環(huán)節(jié)之間的矛盾？這3個環(huán)節(jié)之間是否存在必然的先后順序？為了快速高效地完成這項(xiàng)任務(wù)，丁謂再三思量，想出了一舉三得的辦法：首先，從施工現(xiàn)場到汴水之間開掘大深溝，取土燒磚，解決建筑材料的問題；然后，把汴水引入溝中，使其成為運(yùn)輸通道；最后，工程結(jié)束后將水排掉，把所有垃圾倒入溝內(nèi)填為平地，恢復(fù)為良田。丁謂重新解構(gòu)了三者之間的關(guān)系，突破常規(guī)思維完成了任務(wù)。

20世紀(jì)中期，系統(tǒng)工程作為高度綜合的橫向科學(xué)技術(shù)，已發(fā)展成為一門學(xué)科。在美國實(shí)施的“曼哈頓”原子彈計(jì)劃、“北極星”導(dǎo)彈核潛艇計(jì)劃和“阿波羅”登月計(jì)劃中，現(xiàn)代系統(tǒng)工程方法發(fā)揮了重要作用［2］。20世紀(jì)60年代末，在國防項(xiàng)目和航天項(xiàng)目的推動下，美軍首次提出了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《系統(tǒng)工程管理》（MIL-STD-499）［3］。中國也在工程實(shí)踐中總結(jié)出了系統(tǒng)工程的基本理念，并應(yīng)用于導(dǎo)彈研制、人造地球衛(wèi)星、載人航天等大型復(fù)雜工程項(xiàng)目中，取得了巨大成就。目前，系統(tǒng)工程雖然仍處于發(fā)展階段，但已在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、社會等多個領(lǐng)域中嶄露頭角［4-5］。

減振降噪工作與環(huán)境、總體以及各子系統(tǒng)高度交叉，其綜合實(shí)施效果與總體密切相關(guān)，具有系統(tǒng)工程的典型特征。故國內(nèi)外學(xué)者均明確提出，應(yīng)將聲學(xué)設(shè)計(jì)貫穿于船舶總體設(shè)計(jì)的全過程，以滿足船舶總體噪聲指標(biāo)［6-8］。目前，船舶總體聲學(xué)設(shè)計(jì)已經(jīng)基于頂層要求進(jìn)行了各子系統(tǒng)噪聲指標(biāo)的分配工作，但在元器件的減振降噪設(shè)計(jì)、主要動力設(shè)備的隔振設(shè)計(jì)、流噪聲控制、結(jié)構(gòu)輻射噪聲控制、聲學(xué)覆蓋層設(shè)計(jì)等單項(xiàng)技術(shù)的綜合集成方面，還需進(jìn)一步研究以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體功能的最大化。

1 減振降噪工作的系統(tǒng)性思考

系統(tǒng)工程將研究對象作為一個整體，按照分解和綜合的思路解決問題。首先，從整體出發(fā)，根據(jù)任務(wù)需求確定系統(tǒng)的性能指標(biāo)和功能結(jié)構(gòu)；然后，根據(jù)總體要求對系統(tǒng)進(jìn)行分解，確定子系統(tǒng)/部件的技術(shù)指標(biāo)和結(jié)構(gòu)方案；最后，進(jìn)行綜合集成以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體功能的最大化。在此過程中，應(yīng)注意系統(tǒng)的綜合優(yōu)化，以及實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的具體方法和途徑的優(yōu)化［9］，而不必過分追求單一目標(biāo)或單個子系統(tǒng)的優(yōu)化。

減振降噪技術(shù)發(fā)展至今，吸振、隔振、吸聲、隔聲等單項(xiàng)技術(shù)日臻成熟。為了解決特定頻段、特殊環(huán)境的減振降噪難題，提出了一些全新的概念［10-12］。然而，盡管一些減振降噪措施在單項(xiàng)技術(shù)驗(yàn)證性試驗(yàn)和模型試驗(yàn)中表現(xiàn)良好，但無法確保在工程實(shí)踐中也能獲得令人滿意的減振降噪效果。為了從根本上解決振動噪聲問題，應(yīng)充分重視減振降噪技術(shù)的系統(tǒng)性特征，重新審視減振降噪工作中可能存在的盲點(diǎn)。從系統(tǒng)思維的角度而言，減振降噪技術(shù)在發(fā)展中存在技術(shù)碎片化的問題，導(dǎo)致單項(xiàng)措施的總體實(shí)施效果差強(qiáng)人意。不僅如此，振動噪聲測試技術(shù)也同樣存在碎片化的問題，由此導(dǎo)致總體聲學(xué)性能評估的碎片化。

系統(tǒng)工程分析方法是把一個任務(wù)放在系統(tǒng)的運(yùn)行過程中加以考察，通過邏輯推理和分析計(jì)算，研究任務(wù)要素及內(nèi)在邏輯，從而提出針對性的解決方案。該方法強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)性和邏輯性，特別注重子系統(tǒng)/部件之間的橫向聯(lián)系和縱向聯(lián)系。減振降噪工作之所以被稱為難題，一個很重要的原因就是噪聲源眾多、源與源之間相互耦合導(dǎo)致難以確定主要噪聲源，故應(yīng)重視振源、聲源與輻射噪聲之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性。然而，有時在實(shí)際工程中很難從細(xì)節(jié)上完全掌握源的復(fù)雜特性，有可能導(dǎo)致減振降噪措施的針對性不強(qiáng)、實(shí)施效果不夠理想，所以建立聲信號特征及其變化規(guī)律與各類聲學(xué)模型之間的內(nèi)在聯(lián)系，將有助于迅速判斷振動噪聲源，從而取得事半功倍的效果。

2 應(yīng)用系統(tǒng)工程思維的減振降噪實(shí)例

2.1 車間環(huán)境噪聲治理

2010年，某石油管道生產(chǎn)企業(yè)因管道車間噪聲超標(biāo)，遭到周邊居民投訴并勒令整改。工廠車間的常規(guī)噪聲治理一般采用隔聲間或隔聲罩，通過內(nèi)部吸聲和外部隔離處理，來降低車間噪聲對周圍居民的干擾。然而，若該管道車間建造隔聲間或隔聲罩，雖然降低了外部噪聲，但也增加了內(nèi)部噪聲，會嚴(yán)重影響車間工人的健康。同時，造價高昂的隔聲罩要求密閉，四周嚴(yán)絲密縫的墻體將導(dǎo)致進(jìn)出車間不便、通風(fēng)采光變差等棘手的問題。

經(jīng)現(xiàn)場勘查，車間噪聲主要源于管道在傳輸、打包過程中的相互碰撞，管道由高處滾落，與底部管道劇烈碰撞而產(chǎn)生巨大的噪聲。通過突破傳統(tǒng)減振降噪的思維慣性，應(yīng)用系統(tǒng)工程思維綜合考慮，僅對管道運(yùn)輸導(dǎo)軌稍加改進(jìn)，就解決了這一難題。考慮到噪聲來源于管道之間的碰撞，因此在運(yùn)輸導(dǎo)軌上加裝了緩沖阻擋裝置［13］，如圖1和圖2所示。這樣，管道每滾一段時間即有一個停頓，末位置的動能得以減小，從而降低了噪聲。該解決措施因噪聲治理效果好、成本低，不影響車間通風(fēng)采光，對管道運(yùn)輸效率和車間工作人員的影響較小，最終被工廠采納。

圖1 管道車間主要噪聲源及處理措施Fig.1 Main noise resource and treatment measure in pipe workshop

圖2 管道碰撞緩沖阻擋裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the buffer device for pipe

在本案例中，車間噪聲是工業(yè)生產(chǎn)的“副產(chǎn)品”，可以追溯明確的噪聲源，但需要突破減隔振、吸隔聲等單項(xiàng)技術(shù)碎片化所構(gòu)筑的經(jīng)驗(yàn)桎梏，根據(jù)噪聲源的具體特點(diǎn)盡可能尋求標(biāo)本兼治的解決方法，切忌盲目采取吸聲和隔聲措施。對于工廠車間的環(huán)境噪聲治理，一方面應(yīng)深入分析噪聲源的特點(diǎn)與來源，根據(jù)噪聲成因提出解決措施；另一方面要綜合考慮環(huán)境、工程應(yīng)用背景及成本等因素。本案例應(yīng)用了系統(tǒng)工程中的系統(tǒng)性和整體性思想，系統(tǒng)梳理了車間內(nèi)的主要噪聲源，并綜合考慮了周圍居民、車間工人和企業(yè)的利益。

2.2 飛機(jī)異常噪聲故障復(fù)原與歸零

2007年，某大型運(yùn)輸機(jī)需要進(jìn)行異常噪聲故障診斷與歸零［14］。該運(yùn)輸機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、振動源與聲源較多、相互耦合嚴(yán)重，無法完全掌握其聲源特性。在改裝維護(hù)與試飛過程中，該機(jī)出現(xiàn)了異常噪聲，改裝維護(hù)廠家雖曾邀請多家單位查找原因，對機(jī)艙內(nèi)部可拆部位進(jìn)行了一一排查，但試飛時依然存在異常噪聲。異常噪聲問題不解決，飛機(jī)就無法交付使用，在這種情況下，作者應(yīng)邀參與了異常噪聲故障診斷工作。

根據(jù)一線技術(shù)人員介紹，該飛機(jī)的異常噪聲會在特定飛行速度下出現(xiàn)，并隨著飛行狀態(tài)變化，主要有2個典型特征：一是聲音異常嘹亮，可能是線譜噪聲，還可能有諧波分量；二是異常噪聲與飛機(jī)姿態(tài)有關(guān)，并非伴隨整個飛行過程。由于機(jī)艙內(nèi)部已進(jìn)行了多次排查，初步判斷噪聲源可能不在艙內(nèi)。通過請教飛行主管，得知飛機(jī)在拐彎時異常噪聲會顯著變化。

根據(jù)前期故障排查的測試結(jié)果，分析得出了線譜的分布規(guī)律：其在頻譜圖上并非等間距分布，而是頻率越高，間距越寬，這是懸臂梁彎曲振動響應(yīng)的典型特征，如圖3所示。通過現(xiàn)場勘查飛機(jī)外部情況，基本明確了異常噪聲的來源，很快完成了飛機(jī)異常噪聲故障復(fù)原與歸零工作。原來，在改裝維護(hù)過程中因工人操作不當(dāng)，破壞了天線原有的流體動力平衡，導(dǎo)致細(xì)長的天線（圖4）在一定角度下形成渦激勵，激起了天線的懸臂梁彎曲振動模態(tài)，從而出現(xiàn)異常嘹亮的線譜噪聲，這符合凸體流激振動發(fā)聲規(guī)律［15］。

圖3 懸臂梁彎曲振動響應(yīng)示例圖Fig.3 The illustration of the flexural vibration response of cantilever beam

圖4 機(jī)身天線Fig.4 The aircraft antenna

由該大型運(yùn)輸機(jī)異常噪聲故障復(fù)原與歸零工作可知，判斷異常噪聲源時不能局限于噪聲源的常規(guī)判斷。本案例中的天線不在常規(guī)的噪聲源之列，所以采用常規(guī)思維很難找到異常噪聲源，而基于系統(tǒng)工程思維即可得出2個內(nèi)在關(guān)聯(lián)：一是聲信號特征與典型聲學(xué)模型之間的關(guān)聯(lián)，即發(fā)現(xiàn)異常噪聲源具有懸臂梁彎曲振動模型的特性；二是噪聲產(chǎn)生時刻與飛行姿態(tài)變化之間的關(guān)聯(lián)，即發(fā)現(xiàn)異常噪聲在飛機(jī)拐彎導(dǎo)致天線角度改變的情況下會加劇。通過分析異常噪聲源特性與產(chǎn)生條件的關(guān)聯(lián)性，得出異常噪聲源位于飛機(jī)外部，且與流體動力平衡有關(guān)，從而迅速、準(zhǔn)確地完成了飛機(jī)異常噪聲故障復(fù)原與歸零。

3 結(jié) 論

運(yùn)用系統(tǒng)工程思維指導(dǎo)減振降噪工作將有力地推動成熟技術(shù)的集成應(yīng)用，可在不顯著增加研發(fā)風(fēng)險投入的情況下有效提升減振降噪工作的總體水平。現(xiàn)階段可從2個方面深入推進(jìn)系統(tǒng)工程思維，指導(dǎo)船舶的減振降噪工作：

1）系統(tǒng)性地思考船舶減振降噪技術(shù)。針對現(xiàn)有的船舶減振降噪單項(xiàng)技術(shù)，站在總體的角度重新全面審視，重點(diǎn)關(guān)注各單項(xiàng)技術(shù)在整體背景下的作用頻率范圍、可能達(dá)到的最大降噪效益，充分考慮實(shí)施單項(xiàng)技術(shù)的環(huán)境因素和經(jīng)濟(jì)因素，進(jìn)行客觀的取舍。

2）評價參數(shù)系統(tǒng)化與測試系統(tǒng)重構(gòu)。針對現(xiàn)有的船舶減振降噪評價體系與測試系統(tǒng)，從系統(tǒng)性的角度考慮關(guān)鍵要素的組合與互補(bǔ)，整合相對離散的評價參數(shù)與測試方法，從整體上提升船舶振動噪聲測試與評價技術(shù)水平。

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Application of system concept in vibration and noise reduction

SHENG Meiping，WANG Minqing，LI Qiaojiao
School of Marine Science and Technology，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China

Although certain vibration and noise control technologies are maturing,such as vibration absorption,vibration isolation,sound absorption and sound insulation,and new methods for specific frequency bands or special environments have been proposed unceasingly,there is still no guarantee that practical effective vibration and noise reduction can be obtained.An important constraint for vibration and noise reduction is the lack of a system concept,and the integrity and relevance of such practical systems as ship structure have not obtained enough attention.We have tried to use the system engineering theory in guiding vibration and noise reduction,and have already achieved certain effects.Based on the system concept,the noise control of a petroleum pipeline production workshop has been completed satisfactorily,and the abnormal noise source identification of an airplane has been accomplished successfully.We want to share our experience and suggestions to promote the popularization of the system engineering theory in vibration and noise control.

vibration and noise reduction；acoustic design；system engineering；way of thinking

U661.44

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2017.04.004

http://kns.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20170727.1012.008.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

盛美萍，王敏慶，李巧嬌.系統(tǒng)工程思維在減振降噪工作中的應(yīng)用［J］.中國艦船研究，2017，12（4）：22-25.

SHENG M P，WANG M Q，LI Q J.Application of system concept in vibration and noise reduction［J］.Chinese Journal of Ship Research，2017，12（4）：22-25.

2017-03-16< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時間：

時間：2017-7-27 10:12

水聲對抗技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目

盛美萍，女，1970年生，博士，教授。研究方向：噪聲與振動控制。E-mail：smp@nwpu.edu.cn

王敏慶（通信作者），男，1970年生，博士，教授。研究方向：噪聲與振動控制，系統(tǒng)工程理論與運(yùn)用。E-mail：mqwang@nwpu.edu.cn

李巧嬌，女，1992年生，博士生。研究方向：噪聲與振動控制。E-mail：1326367758@qq.com