Core value and theoretical logic of structure-borne noise. Part 1: summary, value and cognitive subversion

WU Chongjian1,2,CHEN Zhigang1,2

Chinese Journal of Ship Research - - NEWS -

1 China Ship Development and Design Center,Wuhan 430064,China 2 National Key Laboratory on Ship Vibration and Noise,Wuhan 430064,China

Abstract:During the quieting process, a submarine faces the new energy differences of radiated noise. The theory of structure-borne noise must be deeply analyzed and applied as it is one of the most indispensably important theories for Chinese submarines to achieve transcendence. However,if hope is still pinned on improved raft vibration isolation,greater structural rigidity,higher damping or refined construction, the probability of success is almost nil. Researchers must adopt new thinking about structure-borne noise in order to decode the inherent acoustic passwords of structures and reconstruct the complementation characteristics, overlay characteristics and functional design of complex and huge submarine systems,thereby controlling energy input,internal wave conduction and acoustic radiation. As a theoretical tool for solving the "last kilometer" of submarine quietness, this is the core value of structure-borne noise with logically subversive significance. Key words:structure-borne noise;wave;noise and vibration reduction;submarine

1 结构噪声释义

Struc⁃结构噪声也称结构声[1],其英文名称是ture-borne noise Structure-borne sound或 。由于Sound的英文释义通常具有更加宽泛的含义,因而它总是泛定义为大自然中的任何声音,如乐器音Noise等,而 多指“不需要的声音”,如机械运转产生的噪声。

1.1 结构噪声的双重含义

结构噪声具有双重含义[ 2-5 ],它既是一门理论,又是结构振动参数。首先,“结构噪声”是近年来蓬勃发展、内涵不断丰富的一门独立的振动声学理论,就像“结构动力学”、“摩擦学”和“弹性力学”一样。该理论分析振动更深入内核,它研究波或振动能量向结构的注入、内部传导及结构声辐射。其次,结构噪声本身还是描述结构“振动”的表观参数,表达结构中因振动而产生的“内生波”——约定为与结构声辐射 SPL密切关联的波。

1.2 结构噪声是“波”

结构噪声不是声音而是结构中的“内生波”。一般地,我们将结构噪声释义为结构中与声辐射1相关的“特定波”,如图 所示。 容易将“结构噪声”直译为声音,或理解为结构中的振动,甚至是振动的一种记录方式或测量表达,这些不是十分准确。结构噪声与水声类似,只是介质不同,本质上都是研究各种形式的波动。“结构噪声”与结构强度、疲劳和裂纹扩展中关于振动的研究内容有较大区别。空气中的声音叫“空气噪声”,水中的声音叫“水声”,而结构中的“内生波”就是“结构噪声”,它是这三种声音中唯一靠耳朵听不见的声音。

2 结构噪声的核心价值

如何实现潜艇安静化,已成为当下国内外阶段性的热点。除理论综合、措施改良这类精进化战术手段之外,要想跨越辐射声能新级差,需要新理论的顶层指导,使之成为颠覆潜艇安静化“最后 一公里”的新拐杖!过去对结构噪声理论上的研究不够深入,实践上挖掘不充分。

2.1 潜艇安静化面临的新级差与新挑战

国际上将潜艇按照噪声高低划分为“高噪声”、“低噪声”、“安静型”等不同类别,本文将目标聚焦于“安静型”。放眼世界,又可以将“安静化” 3 1划分为 个层级:第 层级是跨进安静型门槛; 2 212A Amur第 层级是对标德国 、俄罗斯 、“卡琳3娜”潜艇;第 层级是与国际最先进潜艇同场竞技并保持动态领先。10 1可如果将 倍定义为一个级差,那么从表10-4 W以看出,辐射声功率 PSPL  极其微弱,今后欲达成的每一个目标都将是“刀尖上”的比拼。按1 10-4~10-3 W 10-4 W表 辐射声功率来看,从 降低到1~2以下,意味着辐射声功率需要再降低 个级差,这是一个巨大的跨越!要想实现这一跨越,亟需7新理论的支撑。从10 W 到 1 μW 有 个级差,从“高噪声”到“低噪声”潜艇的过程也呈级差下降,为何唯独现在需要新理论支撑? 将振动能量换算为隔振量,进行粗略估算。传统单层隔振的隔振量一般为10~15 dB ,约可提2~3供 个能量级差补偿;双层隔振的隔振量为3~4 15~30 dB ,相当于 个级差补偿;浮筏的隔振4~5量  35 dB ,可补偿 个级差。由此可见,即使设备振动持续降低且浮筏隔振性能进一步提高,仍无法弥补安静化的级差缺口。为什么不采用三级浮筏来提高隔振量?这在舰船上基本行不通,总体弊大于利(以后将另文讨论)。从潜艇隐身的发展进程来看,也同样面临级差缺口。在第一次浪潮中,潜艇减振降噪主要是对理论的认知深化与实践,以及隔振器、挠性接管等单项硬件带来的“红利”。这些单项措施伴随着型谱拓展,实现了总体降噪效果的逐年提升。中外国家无一例外都在该阶段耗费了相当长的时间。在第二次浪潮中,非主通道的噪声泄漏逐渐被均衡设计和声学质量评估所“抹平”,推动了潜 表1 不同声源级潜艇对应的辐射声功率Table 1 The source-level of different submarines and the corresponding radiated sound power

艇隐身再上新台阶。而低噪声主辅机设备、弹性器件和隔振技术的不断完善,使机械噪声控制正在趋近极限。在第三次浪潮中,潜艇发展由被动的减振降噪转向主动作为的潜艇声学设计,构造优良的“基3因”成为根本。其发展面临 个难点:一是通过提高隔振效率所带来的增量不大。例如,俄罗斯在精细化设计中,潜艇安静工况运行设备的安装频12 Hz 5Hz率从 下调到 ,增加了有效频宽,但预计改进增量 Δ  1~2 dB。二是在建造工艺持续、全面提升的情况下,持续精细化已接近潜力底线。三是声辐射能量积聚的艉部,大多无法通过隔振方式降低“能量级差”。因此,试图通过改良来降低辐射声功率新级差已无可能,我们应该有清醒的认识!

2.2 互补和叠加特性对安静化的核心价值

结构中的“波”或“振动能量流”掌控波向辐射噪声的转化。几十年来,振动理论研究千变万化,但都溯源于四阶微分方程,趋势是更加注重于对结构内核的研究。

(Ñ )+ ¶2 w (1) Ñ2 2 w q0V = F0 ¶t2 ¶ 22 + ¶ 22 + ¶22式中: Ñ 为拉普拉斯算子, Ñ2 = ; ¶x ¶y ¶z ŵ 为挠度;t为时间;q0V 为归一化的体积密度;F0为归一化扰动力。式(1)中,挠度 ŵ 不但与质点坐标 (x y z) 有关,而且与时间 t 有关,即(2) w = w(x y z t) Euler-Bernoulli梁为例,式(1)退化为以 ¶ w(x t) ¶2 w(x t) 4 3 EI + ρA = F 0(x t) ( ) ¶x4 ¶t2式中:w(x t) 为梁的横向挠度;EI 为梁的抗弯刚度;ρ为材料密度;A为梁的横截面积;F 0(x t)为简谐激励力。与隔振这种“软”方式相比,结构噪声的“互补性”和“叠加性”是其最大特点。它们贯穿于结构噪声的全部,成为复杂巨系统工程声学新跨越过程中不可或缺的创新技术手段。其特点具体体现在: 1)相互独立特性,可与隔振技术并用; 2)更宽的频率范围,不受制于 f> 2 × får(其中,f为频率,共振个数 r ®¥ ); 3)可设计成前后聚焦调谐,实现精准控制。对于像潜艇这样的复杂巨系统工程,叠加衰3~20 dB,与隔振器几乎具减无上限。例如可达 有同等效力!隔振器隔离振源向结构振动的传递确实效率高,但是其弊端是降低了设备的静稳性。提升隔振效果需要弹性体更柔软,这使其难以成为承载结构件。另一种不现实的应用是在船舶结构中使用弹性中间层,它们无法满足水密要求,“挠性接管”应该是少有的例外。结构噪声技术可以与隔振技术叠加应用,阻振质量[7-8]、反射、间断点等技术措施的应用不受限制,不影响承载功能,表现出不一样的动力学特性:一是隔振器刚度远小于结构,这使得隔振技术与结构噪声新技术之间呈弱耦合,结构噪声措施表现出独立性,基本上可以互补应用。二是通过结构反共振点设计、精确调谐或者Pass band)、止带(Stop band通带( )巧妙构成一些2),实现对结构振动的频点的“塌陷区域”[9-10](图精准控制。 三是结构频点设计的宽泛性。众所周知,单层隔振能够发挥作用的频域范围 f> 2 × f0(其中f0为设备安装频率)。双层隔振、浮筏比单层隔振虽然提高了隔振量,但有效频率范围反而缩小了!往往隔振效果提升掩盖了频段变窄的弊病。一切结构的非连续性都将产生衰减!衰减具有叠加性。波沿结构传导,会遇到材料特性和结构几何尺寸的改变。每一个间断点,入射波都将被迫完成一次反射,行进波因沿程损失、波型转换甚至近场波衰减等多种形式而发生能量损耗,使振动能量在传导中大幅衰减。结构噪声衰减的叠加特性在简单系统中表现不如巨系统充分,这为设计师提供了主动设计的

空间。振动波在巨系统内传导、转换和辐射的过程中,通过层层设防,反复穿越不连续点、线和阻尼损耗,达成叠加衰减。不难看出,波的叠加衰减并没有严格意义的上限!这是复杂巨系统工程的先天优势。当然,在波传导过程中也可能会激发有声学缺陷的结构,产生“二次固体声辐射”,设计中要避免这类异常噪声的发生。

2.3 从表观参数到内核参数

结构噪声将结构振动研究从表观参数深化到内核参数,给研究人员带来两个层面的深度思考:第一个层面研究宏观参数。就是我们能够直接感受到的(例如振动位移、振动加速度、插入损失等),或者可以通过简单测量感知到的东西(例如简单振动形态等)。第二个层面研究微观参数。都是一些我们无法直接感知、需要深入结构微观世界、借助仪器并在一定条件下测量获取的内核参数(例如波长、波数、反射波和透射波等);还有一些参数需要通过复杂测量或者转换才能感知它们的存在(例如振动能量流);更有一些参数当前只能从数学上感知并验证它们的存在(例如近场衰减波、波型转换、振动能量实时流动等)。尽管如此,减振降噪与所有科学一样,仍然遵循微观世界决定宏观世界的规律。我们观察到的振动是什么?在结构噪声理论中,它是宏观世界的一个表观参数。当我们从宏观层面转换到微观思考,用结构噪声理论研究波的微观、内核要素时,就能更好地将微观与宏观层面的东西串联起来。例如,我们之所以研究近场衰减波 e-kx(其中k为波数),是因为它掌控了波的转换与转换条件,提供了深入骨髓探寻微观主导宏观规律的新视角:如何形成水下声辐射?结构噪声的衰减规律与声辐射等。结构噪声理论对潜艇安静化的贡献,就如内窥镜对胃病,显微外科对心血管疾病、脑疾病一样,其意义无疑是巨大的。结构噪声理论中存在许多似曾相识的“旧参数”,又拓展了许多新参数。因参数太多、难以读懂,结构噪声也被诟病,仅内核参数 PARA 就有: ic PARAic = ZF Z12 Z 21 ZM ZM12 ZM21 Zϑ Zϑ12 Zϑ21 MF M12 M 21 MM MM12 MM21 Mϑ Mϑ12 Mϑ21 PF P12 P 21 PM PM12 PM21 Pϑ Pϑ12 Pϑ21 4 ( ) σF σM σϑ τF τM τϑ tF tM tϑ rF rM rϑ RF RM Rϑ λ1 2 k1 λ k ...... 2式中:Z 为阻抗;M 为导纳;P 为振动功率;σ 为辐射效率;τ 为传导效率;r 为反射系数;R为传 导损耗;λ 为波长;k为波数;下标中的英文字母代表激励力源,一位数代表原点,二位数代表两点间的传导。随着结构噪声研究的不断完善,我们相信这些参数必定会完成从简到繁、再从繁到简的精进轮回。从宏观到微观,从表观到内核,由几个表观参数到内核特征参数集合,需要研究者转变思维,从微观层面理解、掌控,在这一过程中内核参数将不断减少。从结构噪声的视角来看,潜艇声学设计实质就是控制各种波的过程,但这个过程并不简单! 3虽然波的种类不过区区 种:纵向波、扭转波和弯曲波,然而正是它们不断衍生出潜艇总声级、低频强线谱、中高频“毛刺”等,并通过叠加形成潜艇辐射声——不希望被探测到的水中声波集合体。3种如果聚焦结构中的“波”,就会发现,上述形式的波不管在结构上相距多远,它们都不是完全独立的,而是通过转换、反射等发生关联。当你对某个波进行分析的时候,潜艇另外一个相距较远的波居然也可以被关联起来,似乎很不可思议。但是,这样一个简单的现象就是结构噪声的魅力所在。

3 结构噪声颠覆已有认知

部分现有的研究结论可能会被结构噪声新认知所改写、颠覆或者重新定义。

3.1 耐压结构是“声短板”

众所周知,由于能够抵抗强大的海水压力,潜艇耐压壳体被称为强结构。它们结构强度高,应力冗余大。大深度潜艇结构更强。这容易形成逻辑上的误导。用结构强度衡量,潜艇耐压壳体是很强的结构;但是从结构噪声判断,则是较弱声结构: 120 mm其一,潜艇耐压结构阻抗与 砖墙阻抗相当。Cremer等[11]研究指出耐压结构仍不足够强3),它(图 和现代高层建筑的分隔墙相比还要弱一些,是“声学短板”。现代建筑的分隔墙通常为mm隔音性能更加优异的中空砖,其厚度 H  300 。读者不妨敲击墙壁,亲自体验一下声传导对隔壁房间的影响。其二,海水介质的存在进一步恶化了声学性能。潜艇浸没在海水介质中,结构声辐射 ρc 与介质声阻抗 ρ0 c0呈线性比例关系。由于 ρc  ρ0 c0 ,结构噪声转变为水声要比空气中高效得多!以上两点表明,潜艇耐压结构(也包括轻壳体)受激励转变为辐射声的效率比住宅墙壁要高

得多!试图通过增加钢板厚度来提高声学性能的办法并不总是可取。需要对强结构就是低噪声的观念重新梳理定位,强结构会增加传导,需要研究传导、转换和声辐射这三者之间的平衡设计并将其作为控制途径。

3.2 算不准与测不到

一个引子:按结构振动理论,船体结构在低频段可视为箱型梁。当船体结构刚度很大、阻尼β ® 0时,自然预期船艉到船艏之间的结构噪声

传导很大,振动可以传导到很远的距离而无衰减。有限元计算也支持这样的结论。然而令人惊奇的是,许多情况下振动衰减仍然很大。测试结果令我们无法释怀。为何衰减远超理论预期? 20近 年来,我们一直试图测量出潜艇航行中的“手风琴模态”(即纵向模态),但未能如愿。是因为振动响应近乎衰减到零?还是因为激励处于安全阈值之下,未激发出足够的结构响应而测不到[12]?目前虽无定论,但实船下算不准、测不到的现象却真实存在。按照结构噪声理论,船体结构中的许多加强筋、肋骨或横舱壁,阻断了船体结构中波传导的连续性,每一根筋或肋骨会反射、衰减一部分入射能量,船体结构因此获得一个很大的累积净衰减。衰减量显然超过了对损耗因子 β(或以结构比例

阻尼代替)的预判。潜艇中大量的设备扮演了“动力吸振器”的角色。这两种原因导致工程中波传导被快速弱化。尽管在结构有限元计算中考虑了材料损耗因子 β ,但当结构离散为板、块、薄壁单

元时,并不能完全表达反射、辐射阻带来的损耗衰减[13],这样的衰减在结构振动中甚至不被怀疑就被“正确”地忽略了。 还有一种解释就是“Anderson [14]定域效应” 。谭路等[15]对“Anderson定域效应”结合周期结构开展了有意义的探讨。研究指出,对一类结构当损耗因子 β = 0时,波也会快速衰减。

3.3 两个重要推论

从结构噪声理论可以得到两个重要推论,它们对宏观把握潜艇声学设计比较有价值。1:流激励围壳引起的振动,并不能通过推论结构传导影响潜艇艉部轻结构的声辐射。围壳是潜艇上最大的突出体,所受到的流激励非常大。有观点认为,流激励围壳还会引起潜艇艉部的轻壳体辐射声。在总体设计中,自然十分关注该问题。按照结构噪声来理解,只要潜艇艉部上层建筑不出现低级设计失误,就不会产生结构异常噪声,流激围壳很难激起相对较远的艉部轻结构产生连锁反应。该结论在实艇诊断测量中已被证实。2:潜艇“手风琴模态”在航速范围内基推论本未被激发,呈隐性状。潜艇圆柱壳存在两种辐射模态:纵向振动模态和周向振动模态[16-18]。对50该问题研究的时间跨度已达 余年,国内外发表了几百篇论文,包括美国、欧洲等解密的报告[19],还有大量实验验证类文献或数据作为支撑。这些研究认为,“手风琴模态”是高效辐射模态。既然欧美国防研究报告已做出这种论述,这个结论在中国似乎无须验证:“手风琴模态”会辐射高等级噪声,是潜艇低频强线谱的祸根。然而,从学术争鸣的角度来讲,相对合理的解释是:模型试验并没有错,因为它们是“简单结构”;为什么与实艇不一样?因为实艇是“开放的复杂巨系统”工程。错在我们过去将简单结构得出的结论试图套在复杂工程上,并理所当然地认为它们应该一样。在巨系统工程中,结构噪声的吸收、反射,阻振质量和动力吸振器(隔振设备)等,会带来巨量振动能量的累积衰减。但它们因为结构强度思维被合理“简化”了,从而导致错误。在实艇航行中能否激发出“手风琴模态”本不该是一个很难的结论。特别是核潜艇,由于推力大、航速高,如果存在“手风琴模态”,它们一定比常规潜艇更显性。但欧美从来没有更正。是权当早期研究成果或缩比模型的试验结论,还是他们明知有误而有意误导?初步推论:对简单结构,传导实测值与计算结果将趋于一致;而对于像潜艇这样的复杂巨系统工程,传导衰减计算值总是远小于实艇测量值。

4结语

随着技术的进步,准安静型潜艇终将成为“过去时”。新一轮精细化与声学质量评估,会进一步将已有技术措施的“红利”吃尽。安静化跨越“新级差”单纯寄希望于技术改良和挖潜已不现实,需要转型升级,深入内核的创新基础理论将迎接“新拐点”的到来。当前之最需,就是用结构噪声增加我们的思考维度!结构噪声研究之于中国潜艇声学设计具有核心价值,它既是新阶段的理论热点和战略支撑点,又是安静化“最后一公里”的创新工具,逻辑上具备颠覆性。不理解这一点,我们就可能局限在传统“漩涡”内打转,与世界主流发展渐行渐远。与国际并轨,才可能厘清属于我们自己的理论创新逻辑。

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图1 结构噪声就是结构中的“内生波” Fig.1 Structure-borne noise is internal wave of structures

图2频域下能量传递通带与止带构成“塌陷区” (15等跨周期梁与准周期梁的比较) Fig.2 The subsidence area composed of pass band and stop band of energy transfer in frequency domain(the comparison of periodic beam and quasi-periodic beam by 15 equal span)

图3 潜艇耐压壳体阻抗测试实例及比较[11] Fig.3 Examples and comparison of measured impedances

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