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1、水下振动噪声及控制技术水下振动噪声及控制技术20172017年年8 8月月1授课内容授课内容2u绪论、噪声的危害与评价、噪声的控制方法、振动的控制方法u潜艇和船舶噪声的主要来源及计算方法u振动被动控制-吸振原理、隔振原理u振动被动控制-减振原理、船体振动的减振方法u振动被动控制-船舶常用减振器介绍u振动主动控制（结构中的振动主动控制）u吸声原理（水声常用的吸声材料与吸声结构）u带圆柱空腔吸声覆盖层的有限元数值计算模型u声学覆盖层声学机理概述u声学覆盖层的声学性能测试技术u粘弹性材料动态弹性模量的测试技术u隔声原理及应用、单层均匀薄型构件的隔声u双层薄板的隔声、弯曲薄板、复合板和多层板的隔声u组
2、合结构的隔声和漏声的影响、管道隔声、结构固体声隔声u有源噪声控制（结构声辐射有源控制）u潜艇和船舶噪声常用的测量方法共16次课，32个学时考核方式考核方式3u平时作业30%(到课率+课堂作业)u考试70%（闭卷考试）参考书目参考书目n1、陈小剑，舰船噪声控制技术，上海交通大学出版社；n2、朱蓓丽，潜艇隐身关键技术-声学覆盖层的设计，上海交通大学出版社；n3、何琳，声学理论与工程应用，科学出版社；n4、楼京俊，振动主动控制，国防工业出版社；n5、陈克安，有源噪声控制，国防工业出版社；n6、姚熊亮，船体振动与噪声，国防工业出版社；41.1 1.1 噪声的概念噪声的概念1.2 1.2 噪声的分析方法
3、噪声的分析方法1.3 1.3 噪声的危害噪声的危害1.4 1.4 噪声的控制方法噪声的控制方法1.5 1.5 振动的控制方法振动的控制方法1 1绪论绪论1 1绪论绪论噪声污染和空气污染、水污染、废弃物污染一样，被称为当今的四大污染。噪声污染面积大，到处可见。如交通噪声污染、厂矿噪声污染（各类机械设备）、建筑噪声污染、社会噪声污染。噪声污染一般不致命，它作用于人们的感官，好像没有严重后果，即噪声源停止辐射时，噪声立即消失，噪声没有具体污染物，又不能积累，再利用价值不大，因而，噪声常被人们忽视。随着近代工业的迅猛发展，噪声污染越 来越严重，已成为一种公害。控制噪声 污染、保护环境已成为人们的共识。
4、1 1绪论绪论声压、声强和声功率声波引起空气质点的振动，使大气压力产生压强的波动称为声压，亦即声场中单位面积上由声波引起的压力增量为声压，其单位为N/m2，简称帕（帕斯卡），符号为Pa。通常都用声压来衡量声音的强弱。正常人耳刚能听到的声压是2xl0-5Pa，称为听阈声压；人耳产生疼痛感觉的声压是20Pa，称为痛阈声压。噪声的评价方法噪声的评价方法在声波中，人们经常研究的瞬时间隔内声压的有效值，即随时间变化的均方根值，称为有效声压值。数学表达式为式中，-瞬时声压；t-时间；T-声波完成一个周期所用的时间。对于正弦波，有效声压等于瞬时声压的最大值除以 ，如未加说明，即指有效声压。有效声压有效声压声
5、波作为一种波动形式，将声源的能量向空间辐射，人们可用能量来表示它的强弱。在单位时间内，通过垂直于声波传播方向的单位面积的声能，叫做声强，单位为 单位时间内、单位面积的声波向前进方向毗邻介质所做的功:声强声强自由场中：平面波条件下声强声强自由场中：声源的远场处 声强声强声源在单位时间内辐射的总能量叫声功率。通常用W表示，单位是W，1W=1Nm/s。在自由声场中，声波作球面辐射时，声功率与声强有下列关系：声功率声功率从听阈声压2xl0-5Pa到痛阈声压20Pa，声压的绝对值数量级相差100万倍，因此，用声压的绝对值表示声音的强弱是很不方便的；由于人对声音响度感觉是与对数成比例的，所以，人们采用了声
6、压或能量的对数比表示声音的大小，用“级”来衡量声压、声强和声功率，称为声压级、声强级和声功率级。这与人们常用级来表示风、地震大小的意义是相同的。声压级定义式：声压级声压级参考级：水声（自行查阅）当噪声源同时向外辐射噪声，它们总的声压级是多少呢？不能把两个声压级进行简单的代数相加，能进行相加运算的，只能是声音的能量。噪声级的合成噪声级的合成某车间有两台相同的车床，它们单独开动时，测得声压级均为l00dB，求这两台机床同时开动时的声压级是多少(dB)?按照声压级的定义，它们的总声压级为：相同噪声级的合成相同噪声级的合成相同噪声级的合成相同噪声级的合成两个特性相同、声压级相等的噪声相加，其总声压级比
7、单个声源的声压级增加了3dB。如果有N个性质相同、声压级相等的声源叠加到一起，总声压级可用下式表示：相同噪声级的合成相同噪声级的合成机床未开动前的本底或环境噪声是可以测量的，机床开动后，机床噪声与本底噪声的总声压级也是可以测量的，那么，计算机床本身的声压级就必须采用声压级的减法。水声实验中，本底噪声或背景噪声。声压级分贝的减法声压级分贝的减法设有N个声压级，因为声波的能量可以相加，故N个声压级的平均值 可由下式表示：平均声压级的计算是由声能的平均原理导出的，它与人耳对噪声的主观感受基本相符。平均声压级平均声压级音调是人耳对声音的主观感受。（宫 商 角 徵 羽）试验证明，音调的高低主要由声源振动
8、的频率决定。由于振动的频率在传播过程中是不变的，所以声音的频率指的就是声源振动的频率。声音按频率高低可分为次声、可听声、超声。噪声分析的基本知识噪声分析的基本知识次声是指低于人们听觉范围的声波，即频率低于20Hz；可听声是人耳可以听到的声音，频率为20-20000Hz；当声波的频率高到超过人耳听觉范围的极限时，人们观察不出声波的存在，这种声波称为超声波。噪声控制中研究的是可听声，在噪声控制这门学科中，通常把500Hz以下的称为低频声，把500-20000Hz的称为中频声，把20000Hz以上的称为高频声。噪声分析的基本知识噪声分析的基本知识在噪声测量中，最常用的是倍频程或1/3倍频程。在一个频
9、程中，上限频率与下限频率之比为：倍频程通常用它的几何中心频率来表示：倍频程倍频程当把倍频程再分成三份，即1/3倍频程，那么，上限频率与下限频率之比为：即1/3倍频程的几何中心频率为：1/3倍频程把频率分得更细了，可以更清楚地找出噪声峰值所在的频率。1/31/3倍频程倍频程将噪声源的声压级、声强级、或者声功率级，按频率顺序展开，使噪声的强度成为频率的函数，并考察其频谱形状，这就是频谱分析，也称频率分析。通常以频率（Hz）为横坐标，声压级（声强级、声功率级）（dB）为纵坐标，这种图称为频谱图。声音的频谱有多种形状，一般可分为三种：频谱分析频谱分析 （1）线谱。乐器（如笛、提琴等）发出的声音频谱中，
10、具有一系列的分立的频率成分，在频谱图上是一些线谱，如图1所示，频率最低的成分叫基音，其他频率较高的成分称为泛音。频谱分析频谱分析（2）连续谱。工业上的噪声是由许多不协调的基音和泛音组成的，在频谱上对应各频率成分的竖线排列得非常紧密，它没有显著突出的频率成分，声能连续地分布在空阔的频率范围内，故称为连续谱，如图1（b）所示，这种噪声又称为无调噪声。频谱分析频谱分析（3）在有些噪声源，如鼓风机、车床、空调机、发电机等产生噪声的频谱中，既有线谱又有连续谱成分，故称为有调噪声，这种噪声听起来又明显的音调，如图1（c）所示。频谱分析频谱分析常见的一些机械设备的噪声频谱如图2所示。可清楚地看出相应频率所对
11、应的声压级(dB)，一目了然地找出声压级峰值所在的频率，这些峰值属于有调成分，而其余声能谱则属于无调成分。频谱分析频谱分析(a)10m3/min空压机噪声；（b）LG80m3/min鼓风机噪声；（c）柴油机排气噪声；（d）JB51-2电动机噪声频谱分析频谱分析强烈的噪声可引起耳聋诱发各种疾病，影响人们的休息和工作，干扰语言交流和通信，掩蔽安全信号造成生产事故，降低生产效率，影响设备的正常工作甚至造成破坏。噪声的危害噪声的危害噪声对人体的危害最直接是听力损害。当从较安静的环境进入较强烈的噪声环境中，立即感到刺耳难受，甚至出现头痛和不舒服的感觉，停留一段时间，离开这里后，仍感觉耳鸣，马上（一般在2
12、min内）作听力测试，发现听力在某一频率下降，即听阈提高了20dB。噪声性耳聋噪声性耳聋暂时听阈偏移，亦称听觉疲劳。听觉疲劳时，听觉器官并未受到器质性损害。如果人们长期在强烈的噪声环境中工作，日积月累，内膜器官不断受噪声刺激，恢复不到暴露前的听阈，便可发生器质性病变，成为永久性听阈偏移，这就是噪声性耳聋。噪声性耳聋噪声性耳聋国际标准化组织(ISO)于1964年规定，在500Hz、1000Hz、2000Hz三个倍频程内听阈提高的平均值在25dB以上时，即认为听力受到损伤，又叫轻度噪声性耳聋。按照听力损失的大小，对耳聋性程度进行分级，见表2-1。听力损失听力损失噪声性耳聋有两个特点：一是除了高强噪
13、声外，一般噪声性耳聋都需要一个持续的累积过程，发病率与持续作业时间有关；二是噪声性耳聋是不能治愈的，因此，有人把噪声污染比喻成慢性毒药。噪声性耳聋噪声性耳聋长期在高噪声环境下工作的人们与在一般环境下工作的人们相比，高血压、动脉硬化和冠心病的患病率要高2-3倍。噪声还会引起消化系统方面的疾病，噪声能使人的消化机能减退、胃功能紊乱、消化系统分泌异常、胃酸度降低，以致造成消化不良、食欲不振、患胃炎及胃溃疡等疾病，致使身体虚弱。强声武器（新一代的防爆维稳武器）湖南科技大学，声管中试验，老鼠吐血身亡。噪声对人体健康的影响噪声对人体健康的影响睡眠是人们生存必不可少的。人们在安静的环境下睡眠，它能使人的大脑
14、得到休息，从而消除疲劳和恢复体力。噪声会影响人的睡眠质量，强烈的噪声甚至使人无法入睡，心烦意乱。睡眠质量好坏，取决于熟睡阶段的时间长短，时间越长，睡眠越好。一些研究结果表明，噪声促使人们由熟睡向瞌睡瞌睡阶段转化，缩短熟睡时间；有时刚要进入熟睡便被噪声惊醒，使人不能进入熟睡阶段，从而造成人们多梦，睡眠质量不好，不能很好地休息。噪声对人体健康的影响噪声对人体健康的影响理想的睡眠环境，噪声级在35dB(A)以下，当噪声级超过50dB(A)，约有15%的人正常睡眠受到影响。通常人们谈话声音是60dB(A)左右，当噪声在65dB(A)以上时，就干扰人们的正常谈话，如果噪声高达90dB(A)，就是大喊大叫
15、也很难听清楚，就需贴近耳朵或借助手势来表达语意。噪声对人体健康的影响噪声对人体健康的影响声压级相同而频率不同的声音，听起来很可能是不一样的。如大型离心压缩机的噪声和活塞压缩机的噪声，声压级均为90dB，可是前者是高频，后者是低频，听起来，前者比后者响得多。再如声压级高于120dB频率为30kHz的超声波，尽管声压级很高，但人耳却听不见。为了反映噪声的这些复杂因素对人的主观影响程度，就需要有一个对噪声的评价指标。噪声的评价噪声的评价响度级单位是方(phon)，就是选取以1000Hz的纯音为基准声音，取其噪声频率的纯音和1000Hz纯音相比较，调整噪声的声压级，使噪声和基准纯音(1000Hz)听起
16、来一样响，该噪声的响度级就等于这个纯音的声压级(dB)。如果噪声听起来与声压级为85dB、频率1000Hz的基准音一样响，该噪声响度级就是85phon。响度级和等响曲线响度级和等响曲线利用与基准声音比较的方法，可测量出整个人耳可听范围的纯音的响度级，绘出响度级与声压级频率的关系曲线。响度级响度级人耳对高频噪声敏感，对低频噪声不敏感，如同样是响度 级 80phon，对 30Hz的 声 音来说，声压级是101dB，对于100Hz的声音，声 压 级 是 85dB，而 对 于 4kHz的声音，声压级为71dB。等响曲线等响曲线利用模拟人的听觉的某些特性，对不同频率的声压级予以增减，以便直接读出主观反映
17、人耳对噪声的感觉数值来，这种通过频率计权的网络读出的声级，称为计权声级。计权声级计权声级计权网络有A、B、C、D四类，最常用的是A计权和C计权。A计权网络是模拟响度级为40phon的等响曲线的倒置曲线，它对低频声（500Hz以下）有较大的衰减。B网络是模拟人耳对70phon纯音的响应，它近似于响度级为70phon的等响曲线的倒置曲线，它对低频段的声音有一定的衰减。C网络是模拟人耳对响度级为100phon的等响曲线倒置相接近，它对可听声所有频率基本不衰减。D计权网络是对高频声音做了补偿，它主要用了航空噪声的评价。计权声级计权声级噪声污染是一种物理污染，它的特点是局部性的和无后效应的、声源停止辐射
18、，噪声污染就消失了。在任何噪声环境中，声源发出噪声并向外界辐射的过程可以用下图简单描述。噪声控制的一般步骤噪声控制的一般步骤噪声源、传播途径和接收者三个环节是噪声控制中必须考虑的，相应的措施包括：声源控制、传播途径控制保护接收者噪声控制的一般步骤噪声控制的一般步骤目前在声源的控制上主要采用两种办法：1、改进设备结构，提高加工和装配质量，以降低声源的辐射声功率；2、利用声的吸收、反射、干涉等特性，采用吸声、隔声等技术措施控制声源的声辐射。采用不同的控制方法，可以收到不同的降噪效果，通常可以降低噪声5-20dB（A）。噪声控制的一般步骤噪声控制的一般步骤微穿孔板马大猷传播途径中的控制是最常用的方法
19、，这方面的方法有很多，如隔声、隔振处理以及隔声屏障、隔声间的使用等都是有效惜施；吸声处理也是一种有效措施。对传播途径的处理实质上就是增加声在传播过程中的衰减，减少传输能量。噪声控制的一般步骤噪声控制的一般步骤对接收者的保护也是一个重要手段，是环境保护的目标。工人可以佩带护耳器（如耳罩或耳塞）或在隔声间操作等加以保护；仪器设备可以采取隔声、隔振设计等手段加以保护。噪声控制的一般步骤噪声控制的一般步骤相应的措施包括：对振源的控制、对传播途径的控制、对受控对象的控制振动控制过程概述振动控制过程概述消除或减弱振源，这是最彻底和最有效的办法。如改善机器的平衡性能、改变扰动力的作用方向、增加机组的质量、在
20、机器上装设动力吸振器等。这里特别强调的是一定要控制共振。共振是振动的一种特殊状态。振动控制过程概述振动控制过程概述.控制振动源振动控制振动源振动以下几种方法实现隔振：（1）采用大型基础，这是最常用和最原始的办法。（2）防振沟。在机械振动基础的四周开有一定宽度和深度的沟槽，里面填以松软物质（如木屑、沙子等），用来隔离振动的传递。（3）采用隔振元件，通常在振动设备下安装隔振器，如隔振弹簧、橡胶垫等，使设备和基础之间的刚性连接变成弹性支撑。振动控制过程概述振动控制过程概述.振动隔离振动隔离在受控对象上附加一个子系统使得某一频率的振动得到控制，称为动力吸振，也就是利用它产生吸振力以减小受控对象对振源激励的响应，这种技术应用也十分广泛。振动控制过程概述振动控制过程概述.动力吸振动力吸振在受控对象上附加阻尼器或阻尼元件。阻尼可使沿结构传递的振动能量衰减，还可减弱共振频率附近的振动。振动控制过程概述振动控制过程概述.阻尼减振阻尼减振修改动力学特性参数使振动满足预定的要求，不需要附加任何子系统的振动控制方法。按是否需要能源，可以将振动控制分为无源振动控制与有源振动控制，也可称为被动振动控制与主动振动控制。主动振动控制包括开环控制和闭环控制，技术上难度大。振动控制过程概述振动控制过程概述.修改结构修改结构THE END