船舶力学

材料	密度 /（kg·m⁻³）	弹性模量 /Pa	泊松比	损耗因子
钢材	7850	2.1×10¹¹	0.3	0.0026
沥青阻尼	1650	2.25×10⁸	0.3	0.8

材料	密度 /（kg·m⁻³）	弹性模量 /Pa	泊松比	损耗因子
钢材	7850	2.1×10¹¹	0.3	0.0026
沥青阻尼	1650	2.25×10⁸	0.3	0.8

符号/单位	数值
$ {H}_{\text{b}} $ /mm	6.0
$ {H}_{\text{t}} $ /mm	1.0
$ {H}_{\text{d}} $ /mm	5.0
$ {L}_{\text{c}} $ /mm	60
$ {L}_{\text{a}} $ /mm	550

符号/单位	数值
$ {H}_{\text{b}} $ /mm	6.0
$ {H}_{\text{t}} $ /mm	1.0
$ {H}_{\text{d}} $ /mm	5.0
$ {L}_{\text{c}} $ /mm	60
$ {L}_{\text{a}} $ /mm	550

基于螺旋声学黑洞的舰船通风管道减振分析

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王麒凯 ¹ , 王蔚浩 ¹ , 林永水 ¹ , 孔伟涛 ¹ , 谢官模 ¹ , 吴卫国 ²

船舶力学 | 流体与结构声学 2026,30(3): 498-506

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船舶力学 |流体与结构声学 2026 , 30 (3) : 498 -506

基于螺旋声学黑洞的舰船通风管道减振分析

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王麒凯¹, 王蔚浩¹, 林永水¹, 孔伟涛¹, 谢官模¹, 吴卫国²

作者信息

^1.武汉理工大学物理与力学学院，武汉 430070

^2.武汉理工大学绿色智能江海直达船舶与邮轮游艇研究中心，武汉 430063

通讯作者:

林永水（1983−），男，博士，副教授，博士生导师，通讯作者，E-mail：peakspylin@163.com

作者简介:

王麒凯（2001–），男，硕士研究生

王蔚浩（2000–），男，硕士研究生

Vibration reduction analysis of ship ventilation ducts based on spiral acoustic black holes

Qi-kai WANG¹, Wei-hao WANG¹, Yong-shui LIN¹, Wei-tao KONG¹, Guan-mo XIE¹, Wei-guo WU²

Affiliations

^1.School of Physics and Mechanics, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China

^2.Green & Smart River-Sea-Going Ship, Cruise and Yacht Research Center, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China

出版时间: 2026-03-15 doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2026.03.014

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摘要

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本文研究了螺旋声学黑洞（SABH）对通风管道的振动抑制特性以及减振机理，与传统减振手段相比，SABH具有轻量化、易安装、低频宽带吸振特性等方面的优势。有限元仿真结果表明，SABH有效抑制了通风管道的振动。与未布置SABH的原始管道相比，布置SABH后的管道监测点前三阶加速度级共振峰降低10 dB以上，监测面的振动速度总级降低了3.73 dB。振动实验结果表明，布置SABH后的管道测点低频段加速度级共振峰基本降低10 dB以上，高频效果更加显著。研究表明，SABH对通风管道减振具有优异的低频宽带减振性能，对管道结构波能量有良好的汇聚与耗散作用。

关键词

螺旋声学黑洞 / 通风管道 / 减振

Abstract

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This paper investigates the vibration reduction characteristics of spiral acoustic black holes (SABH) on ventilation ducts and the damping mechanism. Compared with conventional vibration damping methodologies, SABH possesses distinct advantages, including its lightweight nature, ease of installation, and the capacity for low-frequency broadband vibration absorption. The finite element simulation results demonstrate the efficacy of SABH in suppressing the vibration of ventilation ducts. Compared with the original duct without SABH, the resonance peak of the first three orders of acceleration levels at the monitoring point are reduced by more than 10 dB after installing SABH. Additionally, the total level of vibration velocity at the monitoring surface decreases by 3.73 dB. The experimental results of the vibration analysis indicate that after the implementation of SABH, the resonance peaks of the acceleration level at the measurement point in the low-frequency band are reduced by more than 10 dB. Furthermore, the high-frequency effects are found to be more pronounced. The study demonstrates that SABH exhibits superior low-frequency broadband vibration damping performance for ventilation ducts, and displays effective convergence and dissipation of wave energy within the pipe structure.

Key words

spiral acoustic black hole / ventilation ducts / vibration reduction

引用本文

王麒凯, 王蔚浩, 林永水, 孔伟涛, 谢官模, 吴卫国. 基于螺旋声学黑洞的舰船通风管道减振分析. 船舶力学, 2026 , 30 (3) : 498 -506 . DOI: 10.3969/j.issn.1007-7294.2026.03.014

Qi-kai WANG, Wei-hao WANG, Yong-shui LIN, Wei-tao KONG, Guan-mo XIE, Wei-guo WU. Vibration reduction analysis of ship ventilation ducts based on spiral acoustic black holes[J]. Journal of Ship Mechanics, 2026 , 30 (3) : 498 -506 . DOI: 10.3969/j.issn.1007-7294.2026.03.014

正文

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0　引　言

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管道系统^[1−3]在现代工业体系中应用广泛，在舰船、邮轮、潜水器等结构中常常被用来运输燃料、空气等。通风管道（Ventilation Duct，VD）在降低船舱温度，供应新鲜空气等方面具有重要作用。在舰船通风管道系统中，低频机械振动易引发管道疲劳、结构噪声辐射等，相关研究表明，在低频段，通风管道系统中机械振动为主要的低频振动源，管道内空气流动产生的湍流随机脉动压力主要影响管道中高频段振动。在本研究中，主要考虑由风机激励所引起的低频结构振动而非空气流动湍流^[4]。由于外部环境以及机械工作产生的振动会对管道结构安全及其功能的正常使用产生危害^[5−6]，因此研究低成本、宽频带、能有效抑制结构振动的新型减振技术具有重要意义。

声学黑洞（Acoustic Black Hole，ABH）作为一种新型的减振技术^[7]，与传统的减振手段相比，其结构形式与材料选择更为单一，安装也较为方便，其良好的减振性能、对波动的调控和对振动能量的回收具有广泛的研究和应用前景^[8]。声学黑洞的原理是通过调整原有结构的几何参数或者材料特性而形成一种对弯曲波有汇聚作用的结构^[9]。在绝对理想的情况下，当弯曲波在结构厚度按一定幂函数变化且末端厚度为零的结构上传播，弯曲波到达结构末端时群速度与相速度会降为零，弯曲波的能量被完全吸收^[10−11]。

目前实现声学黑洞效应的方法主要是通过设计具有厚度变化的结构来实现对弯曲波的吸收效果。由于制造零尖端厚度的声学黑洞较为困难，使得ABH尖端具有一定截断厚度，弯曲波的能量会聚集在截断厚度处。近些年来学者们对于声学黑洞构型的优化，探究其在不同结构上的减振应用进行了大量深入的研究。Krylov等^[12]探究了在ABH尖端粘贴上一定量阻尼材料来吸收弯曲波；Tang等^[13]提出了一种在原有结构随幂函数变化基础上，叠加上一个具有均匀厚度的延伸结构，来应对截断厚度过小不便于制造的困难；Lee等^[14]提出将ABH基于阿基米德螺旋线进行弯曲螺旋化处理，进一步降低空间占用率；Ma等^[15]研究了双叶ABH构型，在相对较薄的结构中也可以实现ABH效应，克服了传统单叶ABH会降低结构强度和刚度的缺点；Zhou等^[16]发现在ABH尖端附加上一定长度的延伸平台，可以进一步提高ABH减振性能；Bu等^[17]在Euler-Bernoulli梁模型的基础上设计了一种周期性ABH输流管道，可以在低频范围内抑制输流管道的振动，大部分振动能量在波传播过程中被管道的楔形边缘吸收和散射；Deng等^[18]提出了一种与传统嵌入式声学黑洞不同的附加式声学黑洞，通过具有周期性加声黑洞的复合结构来吸收板的振动，形成紧凑的声学功能材料，不会影响主体结构的完整性，具有良好的减振效果；温华兵等^[19]设计了一种声学黑洞加筋板，相比于普通加筋板，进一步提高了减振性能；赵晓宇等^[20]研究了弯曲螺旋化处理后的ABH对弯曲波的吸收效果，提出一种增厚的螺旋声学黑洞SABH（Spiral Acoustic Black Hole），结果表明，SABH对弯曲波的吸收效果依然良好。

本文研究螺旋声学黑洞对通风管道的振动抑制特性以及减振机理，与传统声学黑洞相比，SABH具有轻量化、低频宽带的吸振特性等方面的优势。通过有限元仿真，与未布置SABH的原始管道振动分析结果作对比，探究SABH对舰船通风管道的减振性能以及对管道结构波能量的汇聚与耗散作用；通过振动实验分析SABH对通风管道的减振效果，验证其对通风管道优异的振动抑制性能。

1　螺旋声学黑洞模型及方法验证

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1.1　结构模型

本文选取的声学黑洞如图1所示，其中一维声学黑洞尖端厚度表达式为

$ h(x)={H}_{\mathrm{t}}+\varepsilon {x}^{m} $

(1)

式中：

$ {H}_{\text{t}} $

为延伸结构的长度；x为横坐标；m是大于2的指数；

$ \varepsilon $

为用于缩放ABH的厚度系数。本文

$ \varepsilon $

取0.015，

$ m $

取2.2。声学黑洞尖端延伸长度为

$ {L}_{\mathrm{a}} $

，变厚度段长度为

$ {L}_{\text{b}} $

，基座部分长度为

$ {L}_{\mathrm{c}} $

，厚度为

$ {H}_{\text{b}} $

，阻尼材料长度为

$ {L}_{\text{m}} $

，厚度为

$ {H}_{\text{d}} $

，如表1所示。

基于阿基米德螺旋线将一维声学黑洞进行弯曲螺旋化处理，形成增厚螺旋声学黑洞SABH^[19]，其中阿基米德螺旋线函数为

$ r={r}_{0}+\Delta r\times \theta $

(2)

式中：

$ {r}_{0} $

为阿基米德螺旋线的初始半径，取值为55 mm；

$ \Delta r $

为半径变化率，取值为−1.273 mm·rad⁻¹；

$ \theta $

为阿基米德螺旋线的螺旋角。SABH尖端附加的阻尼材料为沥青阻尼，其余部分采用钢材，SABH的材料属性如表2所示。

管道的振动主要来源于风机运行以及通风管道输送空气时产生的振动。本文对风机输气管道与通风管道连接区域进行振动分析，通风管道系统计算区域如图2所示。管道的横截面长42 cm，宽24 cm，管道壁厚1.5 mm；管道材料为钢材，在计算区域通风管道模型的三个出口处设置固定边界，对管道模型边界条件进行一定简化，旨在探究SABH对于振动能量的汇聚与耗散作用。

1.2　计算模型

SABH布置位置和监测点、监测面的选取位置如图3（a）所示，SABH布置在通风管道下侧管壁的中轴线上，距离风机输气管道与通风管道连接处1 cm，监测点位于布置SABH一侧管壁上，距离SABH底座11 cm；监测面为布置SABH一侧管壁。在风机输气管道与通风管道连接处施加恒定幅值为1 N/m的分布载荷，方向垂直于管壁向上，如图3（b）所示。通风管道计算模型的质量为406.38 kg，SABH的质量为0.72 kg，SABH的质量为通风管道计算模型质量的1.77 %。

1.3　数值模拟方法验证

本文采用文献[21]中布置SABH环肋圆柱壳腹板的均方振速级计算结果作为对比，使用COMSOL软件进行有限元仿真计算，图4为在环肋圆柱壳上布置SABH的计算模型。在SABH正下方的另一侧腹板上施加大小为1 N、方向垂直于腹板的单位载荷作为激励。选取布置SABH的腹板一侧作为监测面，与文献结果进行对比。

图5为布置SABH一侧腹板的均方振速级计算结果，与文献中的结果基本一致，共振峰的峰值也几乎一致，验证了本文仿真方法的准确性。

2　SABH安装前后通风管道系统振动性能比较及分析

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2.1　谐响应分析

采用均方振速级（

$ {L}_{{\mathrm{v}}} $

）、振动速度总级（

$ {L}_{{\mathrm{T}}} $

）和加速度级（

$ {L}_{{\mathrm{a}}} $

）来评估通风管道的振动。

（1）均方振速级

$ {< v}^{2}>=\frac{1}{S} \iint_S|V|^2 \mathrm{~d} s $

(3)

$ {L}_{{\mathrm{v}}}=10\mathrm{\lg }(\left\langle {v}^{2}\right\rangle /v_{0}^{2}) $

(4)

式中：

$ V $

为振动速度幅值，

$ {< v}^{2}> $

为振动速度幅值；

$ {v}_{0} $

为参考速度幅值，数值为1×

$ {10}^{-9} $

m/s；

$ S $

为待计算振动面的面积。

（2）振动速度总级

$ L_{{{{\mathrm{T}}}}}=10 \lg \left(\sum_{i=1}^n 10^{\left(I_{\mathrm{v}i} / 10\right)}\right) $

(5)

式中：

$ {L}_{{\mathrm{v}i}} $

为第i个频点的振动的速度级；n为计算振动所取的频点数。

（3）加速度级

$ {L}_{{\mathrm{a}}}=10\mathrm{\lg }({a}^{2}/a_{0}^{2}) $

(6)

式中：

$ {a}_{} $

为测点的振动加速度幅值，

$ {a}_{0} $

为参考加速度幅值，数值为1×

$ {10}^{-6} $

$ {\mathrm{s}}^{2} $

。

（4）振动加速度总级

$ {L}_{{\mathrm{A}}}=10\mathrm{\lg }\left(\underset{i=1}{\overset{{n}}{\sum } }{10}^{\left({L}_{\text{a}i}/10\right)}\right) $

(7)

式中：

$ {L}_{{\mathrm{a}}i} $

为第i个频点的加速度级；n为计算振动所取的频点数。

图6为计算区域布置SABH的通风管道与原始通风管道的监测点加速度级对比图，布置SABH之后监测点的加速度级明显低于未布置SABH的管道的加速度级，在101 Hz处共振峰降低了11.02 dB；在162 Hz处共振峰降低了18.34 dB；在503 Hz处共振峰降低了10.02 dB；在1039 Hz处共振峰降低了18.82 dB；在1250 Hz处共振峰降低了13.22 dB；在1922 Hz处共振峰降低了7.98 dB。未布置SABH的振动加速度总级

$ {L}_{{\mathrm{A}}} $

为175.22 dB，布置SABH的

$ {L}_{{\mathrm{A}}} $

为172.99 dB，降低了2.23 dB。

图7为计算区域布置SABH的通风管道与原始通风管道监测面的均方振速级对比图，相比于未布置SABH的管道，布置SABH通风管道的均方振速级明显降低，在101 Hz处共振峰降低了12.87 dB；在244 Hz处共振峰降低了5.53 dB；在408 Hz处共振峰降低了10.84 dB；在1039 Hz处共振峰降低了12.45 dB；在1249 Hz处共振峰降低了10.00 dB；在1695 Hz处共振峰降低了6.00 dB。未布置SABH的振动速度总级

$ {L}_{\text{T}} $

为163.41 dB，布置SABH的

$ {L}_{\text{T}} $

为159.68 dB，降低了3.73 dB。

2.2　减振机理

结构声强^[22]公式为

$ \boldsymbol{I}=\boldsymbol{\sigma }\cdot \boldsymbol{v} $

(8)

式中：

$ \boldsymbol{\sigma } $

为应力张量，

$ \boldsymbol{v} $

为速度矢量。

$ \boldsymbol{\sigma }=\left(\begin{matrix}{\sigma }_{xx} & {\sigma }_{xy} & {\sigma }_{xz}\\{\sigma }_{yx} & {\sigma }_{yy} & {\sigma }_{yz}\\{\sigma }_{zx} & {\sigma }_{zy} & {\sigma }_{zz}\end{matrix}\right) $

(9)

式中：

$ {\sigma }_{xx} $

、

$ {\sigma }_{yy} $

、

$ {\sigma }_{zz} $

为法向应力分量，例如

$ {\sigma }_{xx} $

表示作用于垂直于x轴的平面且方向沿x轴的应力；

$ {\sigma }_{xy} $

、

$ {\sigma }_{xz} $

、

$ {\sigma }_{yx} $

……为剪切应力分量，例如

$ {\sigma }_{xy} $

表示作用于垂直于x轴的平面且方向沿y轴的应力。

$ \boldsymbol{v}={({{v}_{x}},{{v}_{x}},{{v}_{z}})}^{\text{T}} $

(10)

式中：

$ {v}_{x} $

、

$ {v}_{x} $

、

$ {v}_{z} $

表示速度沿x、y、z方向的分量。

图8为布置SABH之后通风管道的几个振动响应共振峰对应频率的结构声强云图，管壁的结构声强要远小于SABH上的结构声强，管壁振动产生能量汇聚到了SABH上。在38 Hz时，SABH上最大结构声强为4707.56 W/m²，管壁上最大结构声强为38.91 W/m²；在849 Hz时，SABH上最大结构声强为572.45 W/m²，管壁上最大结构声强为56.54 W/m²；在1325 Hz时，SABH上最大结构声强为1178.05 W/m²，管壁上最大结构声强为148.78 W/m²。可见SABH具有很好的能量汇聚性能。

图9为通风管道模态损耗因子图，与未布置SABH的通风管道相比，布置SABH之后通风管道的模态损耗因子在0~2000 Hz频段内明显增加，在低频段内效果显著，最高值达到0.068。振动产生的波能量被SABH尖端布置的阻尼耗散，提高了波能量的耗散性能。

2.3　实验验证

将制备好的SABH布置在通风管道上进行振动实验，SABH使用α−氰基丙烯酸乙酯胶水黏接于管壁上，选取两个测点来监测管壁的加速度级，分别设计未布置SABH与布置SABH的两组实验。测点1布置在风机输气管道附近，如图10（b）所示，距离通风管道中轴线11 cm，SABH布置在管壁中轴线上，距离风机输气管道1 cm；测点2布置在管壁中轴线上，SABH布置在距离测点2外侧2 cm处，如图10（d）所示。

开启风机向通风管道内输入空气，风机输气管道内空气流量为1633 ± 25

$ {\mathrm{m}}^{3}/\mathrm{h} $

，使用LMS SCADAS数据采集系统测量管壁测点的振动，实验管道与数据采集仪如图11所示。两个测点的加速度级如图12所示。0~2000 Hz频段内，未布置SABH时，测点1的

$ {L}_{{\mathrm{A}}} $

为137.09 dB，测点2的

$ {L}_{{\mathrm{A}}} $

为138.74 dB；布置SABH之后，测点1的

$ {L}_{{\mathrm{A}}} $

为126.7 dB，测点2的

$ {L}_{{\mathrm{A}}} $

为127.21 dB，分别降低了10.39 dB，11.53 dB。加速度级共振峰基本降低10 dB以上。在2000 Hz之后的频域，加速度级显著下降。振动实验结果验证了SABH低频宽频带减振特性，对管道的振动抑制效果明显。

3　结　论

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本文进行了有限元数值仿真以及振动实验，验证了SABH对通风管道的振动抑制性能，主要结论如下：

（1）SABH可以有效地抑制通风管道的振动。通风管道布置SABH仿真与实验结果表明，SABH有效降低了低频振动响应共振峰，具有良好的减振效果。

（2）SABH对管道结构具有很好的能量汇聚耗散作用。布置SABH后改变了管道的能量分布，SABH的结构声强显著大于管道结构，有效实现了能量汇聚；布置SABH后通风管道的模态损耗因子显著增大，提高了振动能量的耗散，低频范围内能量耗散效果也显著增强。

参考文献

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文献

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参考文献引证文献

排序方式：

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2026年第30卷第3期

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doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2026.03.014

接收时间：2025-08-21
首发时间：2026-07-07
出版时间：2026-03-15

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收稿日期：2025-08-21

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^1.武汉理工大学物理与力学学院，武汉 430070

^2.武汉理工大学绿色智能江海直达船舶与邮轮游艇研究中心，武汉 430063

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林永水（1983−），男，博士，副教授，博士生导师，通讯作者，E-mail：peakspylin@163.com

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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