金屬－橡膠層疊阻尼肋板對雙層殼振聲性能的影響＊

夏齊強 陳志堅

（海軍工程大學船舶與海洋工程系 武漢 430033）

0 引 言

隨著反潛探測手段和反潛武備的發展，潛艇聲隱身問題日益突出.雙層圓柱殼作為潛艇艙段結構的主要形式，其水下振動和聲輻射性能對潛艇的聲隱身性顯得尤為重要.文獻［1－2］指出實肋板等橫向構件是內外殼振動能量傳遞的主要途徑，雙層殼間耦合很強.當內殼受到激勵力振動時，殼間實肋板可直接將振動波非常有效地傳遞到外殼上，外殼振動引起潛艇向海水中輻射噪聲.欲降低雙層殼振動與輻射噪聲，從抑制振動波傳遞入手，對殼間肋板進行新材料、新結構的研發應用不失為一種較好的方法.尋求一種能有效抑制振動波的傳遞的新型肋板結構，對降低雙層圓柱殼的輻射噪聲具有重要意義.

從引俄潛艇和資料［3］中可以發現，開展結構減振設計的研究和應用，在國外較為成熟，如阻振質量塊、浮筏、軸系縱向減振器等結構，但少有探討殼間連接結構減振設計的報道.國內對殼間連接結構的研究，主要是針對已有的實肋板和托板連接形式下的振聲性能分析［4－6］.目前姚熊亮等［7－8］通過在托板上添加阻尼材料的方式提出了阻尼托板結構，以減小托板對雙層殼振動聲輻射的影響；基于阻抗失配原理，通過在舷間主傳遞通道上敷設聲學覆蓋層，設計了幾種高傳遞損失的復合托板結構形式.

本文基于阻尼減振原理，從抑制聲橋振動波傳遞出發，利用結構增阻思想構造了2種金屬橡膠層疊阻尼減振肋板，對雙層殼進行了振聲特性仿真計算，分析了阻尼肋板參數變化對雙層殼振聲性能的影響.

1 阻尼板減振機理及力學性能測試

1.1 金屬－橡膠層疊阻尼板減振機理

對于固體結構的振動和聲輻射，尤其是阻尼很小的金屬薄板材料，阻尼起著重要作用，可有效衰減振動傳遞能量.金屬橡膠層疊阻尼板既具有金屬材料的強度，又有良好的阻尼特性，對共振峰值的抑制、固體傳聲的降低有明顯效果，有著廣泛的應用前景.為闡明阻尼減振機理，以圖1所示金屬橡膠層疊阻尼板為研究對象進行減振分析.

圖1 金屬－橡膠阻尼板分析模型

由于橡膠屬高分子粘彈性材料，不僅具有較大的阻尼，而且具有較小的彈性模量，與鋼結構相比質量也很小，這樣就形成質量彈簧阻尼減振系統，力學模型見圖1b）.系統的運動方程可寫為

令m1＝m2＝m，c1＝c2＝c，k1＝k2＝k，應用Cramer法則，可求得實振幅為

于是，η1＝0.382，η2＝2.62.

以阻尼比ζ作參數，按式（3）繪制動力放大系數曲線，見圖2.該圖表明，振動系統的阻尼比ζ越小，當激振力頻率接近振動系統的固有頻率時，動力放大系數急劇上升.隨著阻尼比ζ的增大，動力放大系數逐漸減小.可見，增加系統的阻尼，動力放大系數在全部頻帶上都被壓低了，尤其是共振峰處降低更明顯.因此，為抑制結構振動響應，可增加振動系統的阻尼.

圖2 動力放大系數曲線

設系統原有阻尼c，增加阻尼c1.如果原有系統的阻尼比為ζ，那么增加阻尼c1后的阻尼比為

上式表明，如果附加阻尼c1比原先的阻尼c大得多，阻尼比ζ′將遠大于ζ，動力放大系數將顯著減小，從而達到減振的目的.由此可知，若殼間實肋板采用金屬橡膠層疊阻尼鋼板，由于橡膠材料的粘彈性高阻尼特性，不僅可以增大結構阻尼，而且還可與金屬層形成質量彈簧減振系統，從而有效降低結構的振動響應，起到減振降噪的效果.

1.2 阻尼板力學性能測試

參照GB／T18258—2000《阻尼材料、阻尼性能測試方法》，對3件橡膠阻尼板進行阻尼性能測試.樣件長200 mm、厚8 mm、寬10 mm、密度1180kg／m3，見圖3.將橡膠阻尼材料制成非自由支撐阻尼材料件，一端固定，一端自由安裝.用激振器對自由端進行正弦掃描激勵，由信號發生器發出10～325Hz范圍內，步長為25Hz的正弦信號，用力傳感器、加速度傳感器測試激勵力和結構響應，得到頻響函數.采集數據時，分析頻率取2000Hz，選取128次線性平均，6400條線譜，采用漢寧窗.利用半功率帶寬法測試結構共振頻率.對3組樣件測試結果取平均值，表1為阻尼板儲能模量和損耗因子在固有頻率處測試值，圖4 為10～325 Hz頻段內儲能模量和損耗因子測試頻譜曲線.

圖3 阻尼板樣件

圖4 阻尼板儲能模量和損耗因子測試頻譜

表1 阻尼板前5階儲能模量和損耗因子測試值

2 金屬橡膠阻尼肋板在雙層殼中的應用

2.1 不同肋板型式雙層殼振聲性能計算［9］

以一典型的雙層殼體艙段為例，殼體長度L＝8m、外殼半徑R1＝2.75 m、內殼半徑R2＝2.25m；內殼外環肋截面積A＝7.4×10－3m2、慣性矩I＝2.52×10－5m4；肋距l1＝0.8m，外殼厚h1＝8mm，內殼厚h2＝20 mm，2 層殼體間采用實肋板連接，厚度h3＝8mm.殼體、肋骨、實肋板采用相同材料，密度ρ＝7.8×103kg／m3，彈性模量E＝2.1×105MPa，泊松比ν＝0.3.

基于第1節阻尼板減振理論分析，將金屬橡膠層疊阻尼板引入到實肋板結構設計中，提出兩種型式金屬－橡膠層疊阻尼肋板，見圖5.利用FEM／BEM 法對肋板改進前后雙層殼振聲性能進行計算與分析.設集中點力為單位簡諧力，激勵頻率10～325Hz，激勵位置為殼體中心.所選的橡膠阻尼材料性能參數按實驗測試值作為原始輸入.流體密度1025kg／m3，聲速1560m／s；參考振動速度vref＝10－9m／s，聲功率Wref＝0.67×10－18W.

圖5 金屬－橡膠層疊阻尼肋板

圖6為不同肋板型式連接下雙層殼振聲性能比較，其中Original為設計前雙層殼，肋板連接型式為普通實肋板連接；design－1和design－2分別為2種層疊阻尼肋板型式連接雙層殼，模型design－1為金屬－橡膠－金屬復合阻尼肋板，模型design－2為橡膠－金屬－橡膠復合阻尼肋板.由圖6a）、b）可以看出，殼間聲橋采用金屬－橡膠層疊阻尼肋板后，內殼振動速度級大體上較原結構增大，而外殼振動速度級均有效降低；這主要是由于復合阻尼肋板剛度較原肋板降低，減小了兩層殼間耦合，從而引起內殼振動響應增大；另一方面，阻尼肋板增大了聲通道阻尼，使得振動能量在聲橋中大幅耗散，因此外殼振動響應降低.由圖6c）可以看出，除個別頻率點外輻射聲功率級較原結構明顯降低，主要表現為：在前兩階共振區50Hz和60Hz處線譜峰值降低約為40dB；隨著頻率的升高，采用層疊阻尼肋板形式的雙層殼輻射聲功率線譜峰值呈現減小的趨勢，這說明復合阻尼肋板對抑制振動噪聲有很好的效果；橡膠－金屬－橡膠型式肋板較金屬－橡膠－金屬型式聲功率級總體上要小，減振降噪效果更好；由圖6d）可以看出，原結構徑向均方速度級比在0.6～1.2之間頻變，這說明原結構中內殼的振動能量很大一部分經實肋板傳遞到外殼，有的甚至出現放大效應，實肋板是聲通道主要傳遞途徑；殼間聲橋改進后，殼體均方速度級比顯著降低，這表明采用層疊復合阻尼肋板新型殼間連接結構具有很好的減振性能，可以有效地控制并衰減振動能量的傳遞.

2.2 層疊阻尼肋板參數變化對雙層殼輻射噪聲影響

下面分析阻尼材料頻變特性及彈性模量、損耗因子和阻尼層厚度變化對雙層殼聲輻射性能的影響.

圖6 雙層殼振聲性能比較

圖7 阻尼材料參數變化對雙層殼聲輻射性能的影響

圖7為阻尼材料參數變化雙層殼聲輻射性能的影響.Modulus，damping，h 分別為儲能模量、損耗因子、厚度3個參量，其中Modulus1＞Modulus2＞Modulus3；damping1＞damping2＞damping3；h3＜h1＜h2.從圖7a）可以看出，在60～160 Hz頻段，由于橡膠力學性能參數隨頻率變化平緩，輻射聲功率變化較小；當阻尼材料的力學性能參數隨頻率變化明顯時，計算結果會發生較大變化，這說明動力分析中有橡膠等頻變材料時，應考慮材料的儲能模量和損耗因子頻變特性.從圖7b）可以看出，隨著橡膠儲能模量的增大，輻射聲功率增大，這說明在一定范圍內，減小橡膠的儲能模量對減振降噪更有利.從圖7c）可以看出，在10～200Hz頻段，增大材料損耗因子在較低頻段輻射聲功率級反而增大；在高于200Hz外，輻射聲功率級隨著損耗因子的增大而減小；這說明橡膠阻尼材料的能量耗散效果在中高頻更好，這也與式（6）吻合，動力放大系數在頻率較高阻尼較大時衰減更快.由圖7d）可以看出，阻尼層厚度對雙層殼影響較為復雜，增大橡膠阻尼層厚度，輻射聲功率反而更大；減小阻尼層厚度，輻射聲功率也較設計結構增大.這主要是由于雙層殼中阻尼肋板高度相對固定，增大橡膠阻尼層厚度勢必會減小鋼板厚度，從而使殼間肋板總體剛度減小，如果剛度降低太小，必然引起外殼振動劇烈，輻射較高的噪聲；另一方面，如果減小橡膠阻尼層厚度，則會導致振動能量在聲通道傳遞中損耗減小，使減振效果降低.可見，它涉及動力系統的優化，在聲學結構設計中應綜合考慮，合理選擇阻尼層厚度.

3 結 論

1）殼間聲橋采用金屬－橡膠層疊阻尼肋板，可有效衰減沿結構傳遞的振動能量，顯著降低雙層殼輻射噪聲，是一種較好的減振降噪措施.

2）在動力分析中，材料力學參數的頻變特性對計算結果有一定影響，頻變劇烈區，結果差異較大，必須考慮材料的力學參數頻變性能.

3）隨著橡膠儲能模量的減小，金屬－橡膠層疊阻尼肋板減振降噪效果更好；增大阻尼材料的損耗因子對隔離高頻振動更有效；在殼間間距一定的情況下，過大或過小對減振降噪都不利，需要對動力系統參數進行優化，阻尼層的厚度選擇既要保證結構的總體剛度，又要盡量增大阻尼層以提高能量耗散能力，這將在后續的工作中作進一步研究.

綜上所述，金屬－橡膠層疊阻尼肋板結構在雙層殼殼間聲橋的應用是一種較好的減振降噪措施.需要注意的是，鑒于結構強度因素，下一步還需要對殼間連接強度及橡膠材料選取、連接工藝進行深入研究.

［1］陳美霞，駱東平，楊叔子.殼間連接形式對雙層殼聲輻射性能的影響［J］.振動與沖擊，2005，24（5）：77－80.

［2］ 姚熊亮，錢德進，劉慶杰，等.雙層圓柱殼振動傳遞及近場聲輻射特性研究［J］.聲學技術，2007，26（6）：1226－1234.

［3］尼基福羅夫.船體結構聲學設計［M］.謝 信，王軻，譯.北京：國防工業出版社，1998.

［4］陳美霞，駱東平，陳小寧，等.復雜雙層殼體聲輻射性能分析［J］.聲學學報，2004，29（3）：209－215.

［5］高 菊，陳美霞，陳清坤，等.不同流場中雙層圓柱殼層間聲振傳遞特性研究［J］.中國艦船研究，2010，5（5）：34－39.

［6］殷學文，王貢獻，華宏星，等.通過周期環板和附連流體的兩同心圓柱殼體間的振動耦合效應［J］.聲學學報，2009，34（1）：87－95.

［7］姚熊亮，計 方，錢德進，等.殼間連接介質對雙層殼聲輻射性能的影響［J］.聲學技術，2009，28（3）：312－317.

［8］姚熊亮，計 方，錢德進.雙層殼舷間復合托板隔振特性研 究［J］.振動、測試與診 斷，2010，30（2）：123－127.

［9］夏齊強，陳志堅.基于結構增抗技術的環肋圓柱殼聲振特性［J］.華中科技大學學報，2012，40（1）：90－94.