古 龍，閔 捷

(1.湖北工業(yè)大學(xué) 綠色輕工材料湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢，430068；2.湖北工業(yè)大學(xué) 材料與化學(xué)工程學(xué)院，湖北 武漢，430068)

0 引 言

近年來(lái)我國(guó)船舶業(yè)發(fā)展迅速，已成為世界第一造船大國(guó)，將更加注重提高艦船的安全性、舒適性等方面要求。高強(qiáng)度的噪聲不僅會(huì)對(duì)船員的身心健康造成危害，甚至?xí)绊憴C(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。對(duì)于某些軍工領(lǐng)域的特種船艦，噪聲的存在會(huì)降低其隱身效果，使其容易被敵方探測(cè)、定位、跟蹤，嚴(yán)重降低了艦船的生存力及戰(zhàn)斗力。針對(duì)船舶存在的噪聲問(wèn)題，多國(guó)進(jìn)行了大量的探索。法國(guó)潛艇采用了短粗尾一體化設(shè)計(jì)、前置導(dǎo)流環(huán)、金屬橡膠隔振墊等一系列減振降噪技術(shù)。德國(guó)的F125 驅(qū)逐艦動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更是處于世界領(lǐng)先的水平[1-2]。

1 船舶噪聲的來(lái)源及其危害

船舶是一種復(fù)雜的組合體結(jié)構(gòu)。船舶噪聲的特點(diǎn)是噪聲源多，功率較大，頻段廣、中低頻為主。船舶噪聲主要有機(jī)械設(shè)備工作運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的噪聲，螺旋槳引起的噪聲以及水動(dòng)力噪聲。機(jī)械設(shè)備（包括主機(jī)、發(fā)電機(jī)組、中央空調(diào)等）工作時(shí)，某些元器件（齒輪等）會(huì)由于撞擊振動(dòng)等原因產(chǎn)生噪聲。螺旋槳噪聲是由于螺旋槳的轉(zhuǎn)動(dòng)，引起船尾不均勻流場(chǎng)中空泡的破裂產(chǎn)生的噪聲。水動(dòng)力噪聲是快速水流不規(guī)則地作用于船體，引起船體振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲[3]。

船舶噪聲傳播方式主要有3 種：1）船舶的機(jī)械設(shè)備直接向空氣中輻射聲波，產(chǎn)生空氣噪聲；2）機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)能量由振動(dòng)源部位擴(kuò)散到船舶的各個(gè)部位，然后向船體外輻射聲波，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)噪聲；3）船舶內(nèi)部結(jié)構(gòu)的振動(dòng)及螺旋槳的振動(dòng)等向水下輻射聲波，產(chǎn)生水下噪聲[4]。

機(jī)械設(shè)備直接或間接產(chǎn)生的空氣噪聲會(huì)影響船員的工作環(huán)境及生活質(zhì)量，使其工作效率降低。機(jī)械的振動(dòng)能量由固體結(jié)構(gòu)傳播到船舶其他部位，會(huì)使某些設(shè)備長(zhǎng)期承受交變載荷，易產(chǎn)生疲勞損壞。此外，一定強(qiáng)度的振動(dòng)會(huì)使一些精密儀器無(wú)法工作。船舶產(chǎn)生的水下噪聲不僅會(huì)影響艦船的隱蔽性，而且會(huì)對(duì)海洋環(huán)境造成污染，影響海洋生物的生存[5]。因此，船舶降噪技術(shù)的研究具有重要意義。

2 船舶降噪技術(shù)的研究現(xiàn)狀

船舶噪聲產(chǎn)生的主要原因就是振動(dòng)，振動(dòng)和噪聲本質(zhì)上都是能量。減振降噪就是將振動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量。目前的降噪技術(shù)，可以從聲源、振源、傳播途徑等方面采取措施，進(jìn)行隔離、吸收以達(dá)到減振降噪的目的。降噪技術(shù)根據(jù)減振降噪過(guò)程中是否加入外來(lái)能源，可分為有源降噪（主動(dòng)控制技術(shù)）和無(wú)源降噪（被動(dòng)控制技術(shù)）[6]。傳統(tǒng)的降噪技術(shù)多采用被動(dòng)控制技術(shù)，被動(dòng)控制技術(shù)能有效解決某一特定頻段的噪聲，但其不能適應(yīng)外界條件的改變，不能主動(dòng)解決根本問(wèn)題。主動(dòng)控制技術(shù)具有很好的發(fā)展前景，但是技術(shù)還不夠成熟且成本較高，需要不斷地優(yōu)化。

2.1 被動(dòng)控制技術(shù)

被動(dòng)控制技術(shù)具有成本低、設(shè)備簡(jiǎn)單、不需要使用外部能源等優(yōu)點(diǎn)。被動(dòng)控制技術(shù)是通過(guò)附加裝置的阻尼或者改變結(jié)構(gòu)自身的力學(xué)性能等實(shí)現(xiàn)減振降噪。常見(jiàn)的被動(dòng)控制技術(shù)有隔聲技術(shù)、吸聲技術(shù)、隔振技術(shù)等。隔聲技術(shù)是噪聲控制的常用技術(shù)，當(dāng)聲波在傳播過(guò)程中，遇到某種表面時(shí)，一部分聲波被反射，另一部分能夠透過(guò)表面繼續(xù)傳播，從而降低噪聲。如鋼板能反射部分聲波，并且與聲波的頻率無(wú)關(guān)。蔡文佳等[7]對(duì)船舶艙室空調(diào)通風(fēng)管路進(jìn)行隔聲包覆，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，得出了平均隔聲量與隔聲面密度有關(guān)，密度越大，平均隔聲量越大的結(jié)論。

吸聲技術(shù)是當(dāng)噪聲源發(fā)出的聲波遇到某些特性的吸聲材料或結(jié)構(gòu)時(shí)，部分聲波能夠被吸收掉，使得產(chǎn)生的混響聲降低。國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)的有消聲瓦、吸聲陶瓷、吸聲涂層等。目前，我國(guó)吸聲技術(shù)的研究與國(guó)外的水平相當(dāng)，生產(chǎn)的多孔皮革纖維棉板材等吸聲材料已經(jīng)出口美國(guó)等多個(gè)國(guó)家[8]。

隔振技術(shù)是利用彈性支承使系統(tǒng)降低對(duì)外加激勵(lì)起響應(yīng)的能力，將振動(dòng)源與基體之間的剛性連接轉(zhuǎn)化為彈性連接，可以減小振動(dòng)能量的傳遞。常見(jiàn)的隔振技術(shù)有浮筏隔振裝置、雙層隔振裝置等，雙層隔振裝置簡(jiǎn)圖及浮筏隔振裝置簡(jiǎn)圖如圖1 所示。隔振技術(shù)也可以稱(chēng)為阻尼減振技術(shù)，阻尼是由于材料自身內(nèi)部的原因所造成能量損耗，阻尼的基本原理是將受激振的能量轉(zhuǎn)化為其他形式的能量（如熱能）消耗[9]。常用的阻尼減振技術(shù)有系統(tǒng)阻尼以及材料阻尼等。

圖 1 雙層隔振裝置簡(jiǎn)圖和浮筏隔振裝置簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic diagram of double layer vibration isolation device and diagram of floating raft vibration isolation device

2.1.1 表面涂層技術(shù)

利用表面涂層技術(shù)降噪是被動(dòng)控制技術(shù)的一種方法。表面涂層技術(shù)是通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)表面涂敷某種材料，對(duì)表面性能進(jìn)行優(yōu)化，賦予結(jié)構(gòu)某種性能，涂層因其特殊的性能而被廣泛應(yīng)用。對(duì)于某些造成強(qiáng)烈振動(dòng)的構(gòu)件，由于形狀尺寸等因素的影響，使得減振降噪技術(shù)受到限制。近年來(lái)，隨著工業(yè)技術(shù)以及材料科學(xué)的快速發(fā)展，新工藝新材料的出現(xiàn)，為船舶的減振降噪提供了新的思路和方法。

吳延巖等[10]制備了三原相TiZrN 和兩原相TiN/ZrN高阻尼涂層。通過(guò)有限元分析，建立模型，計(jì)算并分析損耗因子，得出在基體上涂敷涂層后阻尼能力增強(qiáng)，減振效果明顯，但沒(méi)有進(jìn)行定量分析，因此無(wú)法確定每一種減振源對(duì)整個(gè)涂層系統(tǒng)的阻尼能力或具體數(shù)值。可以通過(guò)DMA 和DMTA 的測(cè)試研究涂層系統(tǒng)的阻尼和溫度以及應(yīng)變的關(guān)系，進(jìn)一步豐富阻尼理論。

2.1.2 阻尼涂層

阻尼涂層是在基體表面涂敷阻尼材料，利用阻尼材料的特殊性能，將振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量（如熱能等），使結(jié)構(gòu)系統(tǒng)恢復(fù)至受激前的形態(tài)。常見(jiàn)的阻尼涂層有自由阻尼結(jié)構(gòu)、被動(dòng)約束阻尼結(jié)構(gòu)以及智能約束阻尼結(jié)構(gòu)等。自由阻尼結(jié)構(gòu)的阻尼機(jī)理是由于阻尼涂層與基體的彈性模量不同，使形變滯后于應(yīng)力變化，阻尼層和基體會(huì)產(chǎn)生不一致的變形，在阻尼層和基體的交界面形成局部變形區(qū)域，不一致的變形會(huì)干擾時(shí)間域，增大應(yīng)力應(yīng)變的差角，提高結(jié)構(gòu)的阻尼性能[11]。自由阻尼結(jié)構(gòu)的單層涂層具有操作簡(jiǎn)便，成本較低等優(yōu)點(diǎn)，但其減振效果不理想，在使用時(shí)一般需涂敷較多的阻尼材料。

被動(dòng)約束阻尼結(jié)構(gòu)是由阻尼層和約束層2 部分組成。阻尼層的材料為粘彈性材料。當(dāng)外力作用于粘彈性材料時(shí)，其彈性性能表現(xiàn)為分子鏈被拉伸（儲(chǔ)存能量過(guò)程）；粘性性能表現(xiàn)為鏈端滑動(dòng)不能恢復(fù)原狀（消耗能量過(guò)程）。阻尼層的材料應(yīng)滿(mǎn)足以下特性：具有較高的損耗因子峰值，同時(shí)具有較寬的損耗因子峰值。這樣才能保證阻尼涂層在較大的溫度范圍內(nèi)有較高的阻尼性能[12]。約束層的材料為彈性模量較大的材料。當(dāng)基體受到外力時(shí)，阻尼層會(huì)發(fā)生拉伸或壓縮變形，而彈性模量較大的約束層會(huì)阻止其發(fā)生形變。因此在阻尼層內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生交變剪切應(yīng)力和應(yīng)變，消耗大量的振動(dòng)機(jī)械能，自由阻尼結(jié)構(gòu)與約束阻尼結(jié)構(gòu)如圖2 所示[13]。

圖 2 阻尼涂層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Structure diagram of damping coating

智能約束阻尼層結(jié)構(gòu)是一種新型的阻尼涂層技術(shù)，是在被動(dòng)約束阻尼層結(jié)構(gòu)的研究基礎(chǔ)上，加入反饋調(diào)節(jié)機(jī)制，可以隨著振動(dòng)環(huán)境的變化而調(diào)節(jié)控制。常見(jiàn)的智能約束阻尼層結(jié)構(gòu)有可控約束阻尼層以及主動(dòng)約束阻尼層等?？煽丶s束阻尼層是在被動(dòng)約束阻尼層的約束層上局部區(qū)域加入若干壓電片作為驅(qū)動(dòng)器。主動(dòng)約束阻尼層是使用可控壓電材料作為約束層，以實(shí)現(xiàn)反饋調(diào)節(jié)[14]。由于其成本較高，通常在精密儀器設(shè)備中使用。智能約束阻尼層是目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，也是未來(lái)阻尼涂層的研究方向之一。

2.1.3 不同制備工藝對(duì)阻尼涂層降噪性能的影響

阻尼涂層的制備方法有噴涂、電沉積、物理氣相沉積等。等離子噴涂技術(shù)具有噴射離子速度高，沉積效率快等優(yōu)點(diǎn)。電子束物理氣相沉積制備的涂層與等離子噴涂技術(shù)制備的涂層相比，其具有熱循環(huán)壽命高，致密度高，結(jié)合能力強(qiáng)，抗氧化、抗腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)也具有制備成本高，沉積效率低，材料尺寸受限等缺點(diǎn)。等離子物理氣相沉積結(jié)合了等離子噴涂與物理氣相沉積2 種技術(shù)的特點(diǎn)，具有較高的穩(wěn)定性及沉積效率等優(yōu)點(diǎn)，但需要大功率、高沉積效率以及壽命更長(zhǎng)的噴槍來(lái)降低成本[15]。Tassini N 等[16]用大氣等離子噴涂（APS）和電子束物理氣相沉積（EBPVD）制備了YSZ 陶瓷涂層，并分析對(duì)比了YSZ 涂層的阻尼機(jī)理和降噪性能，結(jié)果顯示用大氣等離子噴涂技術(shù)制備的YSZ 涂層具有更高的阻尼。

由于阻尼涂層的工作環(huán)境比較苛刻，提高阻尼涂層的性能和壽命就顯得比較重要。優(yōu)化制備方法，使制備方法更加完善；研制使涂層性能得到提高的新材料以及可以替代價(jià)格昂貴材料的新材料，使涂層的應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛等，這些都是未來(lái)阻尼涂層進(jìn)一步發(fā)展的研究方向。

2.2 主動(dòng)控制技術(shù)

被動(dòng)控制技術(shù)對(duì)中高頻聲波有較好的降噪效果，但是對(duì)于低頻聲波的降噪，由于被動(dòng)控制技術(shù)所用材料的聲衰減性能大幅下降，其降噪效果差，效率低，會(huì)造成大量的材料浪費(fèi)。有學(xué)者提出用“反噪聲”消除噪聲，德國(guó)科學(xué)家Paul.Lueg 基于聲波疊加原理，提出了添加與原聲波頻率、幅值相同，但相位相差180°的人為聲波，利用干涉來(lái)抵消噪聲，其原理如圖3所示[17]。添加外來(lái)能源來(lái)控制噪聲的方法叫做主動(dòng)控制技術(shù)。主動(dòng)控制技術(shù)可以根據(jù)設(shè)定的控制規(guī)律動(dòng)態(tài)的調(diào)整系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，達(dá)到消除噪聲的目的。主動(dòng)吸振技術(shù)是在振動(dòng)源中加入動(dòng)力吸振器，利用電子技術(shù)主動(dòng)跟蹤振動(dòng)源，并產(chǎn)生與振動(dòng)源相反的振動(dòng)，以此降低振動(dòng)源的振動(dòng)。常用的有可調(diào)頻式和非可調(diào)頻式主動(dòng)動(dòng)力吸振器。主動(dòng)隔振技術(shù)是在受控對(duì)象與振源之間加入次級(jí)振源，使其產(chǎn)生的振動(dòng)抵消振源的振動(dòng)，降低受控對(duì)象對(duì)振源激勵(lì)的響應(yīng)。該技術(shù)已應(yīng)用在英國(guó)“特拉法爾加”級(jí)核潛艇以及美國(guó)“洛杉磯”級(jí)核潛艇，該技術(shù)的降噪效果非常明顯[18]。主動(dòng)控制技術(shù)的出現(xiàn)，解決了許多被動(dòng)控制技術(shù)難以解決的問(wèn)題，尤其是低頻噪聲，有著非常顯著的效果。但是單一的使用主動(dòng)控制技術(shù)降噪，會(huì)存在功耗大、效率低等缺點(diǎn)。

2.3 混合振動(dòng)控制技術(shù)

傳統(tǒng)的被動(dòng)控制技術(shù)用于中高頻振動(dòng)，主動(dòng)控制技術(shù)用于低頻振動(dòng)，顯示出優(yōu)異的減振降噪效果，但是主、被動(dòng)控制技術(shù)也都有各自的局限性。因此，將主、被動(dòng)控制技術(shù)結(jié)合使用成為各國(guó)的研究熱點(diǎn)。通過(guò)大量的研究，荷蘭TNO TPD 研制了一種新的控制技術(shù)，混合振動(dòng)控制技術(shù)?；旌险駝?dòng)控制技術(shù)是將主動(dòng)控制技術(shù)（作動(dòng)器）和被動(dòng)控制技術(shù)（被動(dòng)隔振器）同時(shí)應(yīng)用于被控構(gòu)件，被動(dòng)隔振器用于分離中高頻振動(dòng)，同時(shí)作動(dòng)器進(jìn)行主動(dòng)控制，衰減低頻線譜振動(dòng)[19]，對(duì)低頻振動(dòng)和高頻振動(dòng)都有很強(qiáng)的隔離能力。

圖 3 Leug 原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of Leug principle

主動(dòng)振動(dòng)控制技術(shù)及被動(dòng)振動(dòng)控制技術(shù)按其相對(duì)作用大小可以分為主從方式和并列方式，研究最多的是以被動(dòng)振動(dòng)控制為主的主從方式。常見(jiàn)的有主動(dòng)振動(dòng)控制與阻尼耗能相結(jié)合以及主動(dòng)振動(dòng)控制與基礎(chǔ)隔振相結(jié)合等。李彥等[20]提出了一種集合磁懸浮作動(dòng)器與氣囊被動(dòng)隔振器的磁懸浮-氣囊主被動(dòng)混合隔振裝置。在磁懸浮-氣囊主被動(dòng)混合隔振理論基礎(chǔ)上，研制出了具有體積小、功耗低等優(yōu)點(diǎn)的磁懸浮作動(dòng)器，有效解決了混合隔振裝置存在的穩(wěn)定性、沖擊性等難題?；旌险駝?dòng)控制技術(shù)具有效率高、頻段廣等優(yōu)點(diǎn)，但是存在系統(tǒng)承載能力、作動(dòng)器性能、穩(wěn)定性等問(wèn)題。混合振動(dòng)控制技術(shù)還需要不斷優(yōu)化。

3 展 望

船舶減振降噪技術(shù)的核心是材料。目前艦船上大量使用的材料仍是傳統(tǒng)材料，而傳統(tǒng)材料的阻尼小，減振降噪效果差。因此，開(kāi)發(fā)具有減振降噪性能的新材料就顯得至關(guān)重要。負(fù)泊松比材料以及聲子晶體材料等都是具有應(yīng)用前景的降噪材料。負(fù)泊松比材料是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的材料。當(dāng)負(fù)泊松比材料受到某一方向拉伸時(shí)，與載荷方向垂直的方向會(huì)膨脹；同理，受到壓縮時(shí)則會(huì)收縮，其表現(xiàn)正好與大多數(shù)的傳統(tǒng)材料相反，如圖4 所示[21]。負(fù)泊松比多胞結(jié)構(gòu)材料具有優(yōu)異的能量吸收特性。楊德慶等[22]設(shè)計(jì)了一種內(nèi)六角蜂窩型負(fù)泊松比材料隔振基座，研究并分析了其隔振性能，以及蜂窩胞元的寬度、高度與隔振器固有頻率、最大應(yīng)力、底部振級(jí)及振級(jí)落差的關(guān)系。負(fù)泊松比材料因其特殊的性質(zhì)而具有巨大的應(yīng)用潛能。

圖 4 拉壓載荷下的材料行為Fig.4 Material behavior under tension and compression loading

圖 5 典型二維聲子晶體能帶結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Band structure of typical two-dimension phononic crystal

聲子晶體材料是一種具有聲波（振動(dòng)）禁帶特性的周期性復(fù)合材料。當(dāng)聲子晶體材料具有點(diǎn)缺陷時(shí)，彈性波與聲波會(huì)局限在點(diǎn)缺陷處；具有線缺陷時(shí)，彈性波與聲波會(huì)沿著線缺陷傳播，圖5 為典型二維聲子晶體能帶結(jié)構(gòu)圖，陰影部分為聲子晶體的禁帶[23]。聲子晶體材料具有頻率可控制、針對(duì)性強(qiáng)、尺寸小、隔振效果好等優(yōu)點(diǎn)，尤其是在常規(guī)阻尼材料無(wú)法產(chǎn)生效果時(shí)，聲子晶體材料具有巨大的應(yīng)用潛能。在實(shí)際中，大多數(shù)結(jié)構(gòu)都具有周期性，是由一些相同單元或相同的連接方式構(gòu)成。因此，當(dāng)振動(dòng)或噪聲頻率在一定范圍內(nèi)時(shí)，可以通過(guò)設(shè)計(jì)聲子晶體材料的結(jié)構(gòu)及缺陷，使聲波處于聲子帶隙內(nèi)，聲波就可以被抑制于點(diǎn)缺陷或沿著線缺陷傳播。姜恒等[24]在局域共振聲子晶體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上研制了聲子玻璃，聲子玻璃是一種水下寬頻強(qiáng)吸收材料。但是聲子晶體材料存在制造難度大、可控性差的問(wèn)題，因此很難根據(jù)噪聲與振動(dòng)控制的需要設(shè)計(jì)出聲子晶體。聲子晶體還需要不斷完善其共振機(jī)理，解決聲波在低頻段的控制。

4 結(jié) 語(yǔ)

船舶減振降噪技術(shù)是一項(xiàng)復(fù)雜的綜合性工程。隨著船舶技術(shù)的不斷發(fā)展，聲隱身材料、動(dòng)力系統(tǒng)、電子信息等新技術(shù)的應(yīng)用，船舶的降噪技術(shù)會(huì)更加多樣化。船舶降噪的材料也可能是集裝飾、防腐蝕、阻燃、防輻射等多功能的復(fù)合型材料。同時(shí)，單一的降噪技術(shù)已不能很好解決噪聲問(wèn)題，因此，多學(xué)科交叉的綜合性降噪技術(shù)會(huì)越來(lái)越受到重視。此外，噪聲的利用也是一種具有應(yīng)用前景的方法，不僅能達(dá)到降低噪聲的目的，而且節(jié)能環(huán)保。這些都可能成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[25]。