船體基座結構的阻振技術研究

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(江蘇科技大學 振動噪聲研究所，江蘇 鎮江 212003)

結構中材料屬性突變、截面積突變、轉角與加強肋等不連續因素的存在都會使彈性波在傳播過程中發生反射現象，從而起到隔離一部分彈性波傳播的作用[1]。此類研究較多，且具有積極意義[2-6]。都結構中阻振質量阻振性能的研究方法有波動法[7]、有限元法(FEM)[8-9]、統計能量法(SEA)和FE-SEA混合法[10]等。基于理論分析的波動法適合于分析簡單結構的質量阻振問題；FEM隨著分析頻率的提高，為了滿足每個波長內多個單元的原則，使得網格急劇增加，計算成本加大，計算誤差增加，適合于分析阻振結構的低頻振動特性；基于統計性分析的SEA法，難以準確描述阻振質量的詳細結構特征，適合于分析阻振結構的高頻振動特性；FE-SEA混合法用統計能量法描述模態密度密集的子結構，用有限元法描述剛度大、固有頻率高的子結構，是復雜結構中高頻聲振性能分析的重要方法[11]。由于阻振質量、基座結構和板殼結構之間的模態密度存在較大差異，尤其當結構較為復雜時，采用波動法分析較為困難，單一使用FEM或SEA所建立的模型也不能用于寬頻范圍的振動特性分析。本文采用FE-SEA混合法研究基座結構振動傳遞的復合阻振減振降噪效果。

1 板結構對彎曲波傳遞的阻抑特性

振動波沿結構傳遞途中遇到具有隔離作用的自然障礙，如板或桿鉸支承、結構接頭和加強筋等，可對結構聲的傳遞起到阻抑作用[12]。在艦船結構聲學設計中設置阻振質量塊就是源于這一思路。阻振質量塊是一個大而重的條體，沿著振動波傳遞途徑設置在板結構結合處，用以隔離結構聲的傳播。在平板結構和L形結構中插入阻振質量,見圖1。

圖1 阻振質量結構示意

在無限大平板結構中插入剛性阻振質量，基于Poisson-Kirchhoff薄板假設，利用波動法可推導出平面垂直入射彎曲波的透射系數

(1)

其中：m——單位長度阻振質量的質量；

m′——單位面積板的質量；

Θ——阻振質量m的質量慣性矩；

λb——薄板中傳播的彎曲波波長。

透射系數通常情況下為復數，是振動頻率的函數。

在工程中更關心振動能量的傳遞，因此在彎曲波入射情況下，通常采用能量傳遞效率表征各種形式的波占入射能量的比例，定義透射效率為

τ=χψ|t|2

(2)

其中：k1、k2——薄板1、2中的彎曲波波數；

B1、B2——薄板1、2中的彎曲剛度。

透射效率越低，阻振效果越好。

在結構轉角處布置剛性阻振質量，可以有效增大結構的阻抗失配程度，從而顯著隔離振動波的傳遞。在L型薄板結構中插入剛性阻振質量后，對彎曲波的透射效率為

(3)

式中：t2——轉角處透射系數。

在無限大平板中，對于相同材料、不同板厚比(方形實心阻振質量與板厚度的比值)，基于波動法計算得到的阻振質量透射效率，見圖2。

圖2 平板結構實心阻振質量的透射效率

結果顯示，阻振質量相當于一個“低通濾波器”，對低頻振動波幾乎沒有阻振效果，對高頻振動的阻振效果較好，在全隔離頻率處(τ=0時)，阻振質量的阻振效果最佳。隨著板厚度比的增加，阻振質量的透射效率向低頻移動，即板厚比越大，阻振質量的有效阻振頻率越低，阻振效果越好。

2 基座結構的質量阻振技術

研究對象為水下雙層加筋圓柱殼體結構，其外徑2.7 m，內徑2.3 m，長度4.0 m，含20個等間距肋位，壁厚10 mm，兩端帶板筋艙壁結構。在圓柱殼體結構13～17肋位處底部安裝基座結構，基座結構長745 mm、寬200 mm、高300 mm，面板厚9 mm、5塊肘板和1塊腹板厚5 mm，材料為碳鋼。為減少動力機械設備激勵基座面板時傳遞到圓柱殼體外部的振動，降低圓柱殼體的水下輻射噪聲，分別在基座腹板的底部插入以下兩種碳鋼阻振質量：截面尺寸60 mm×60 mm的實心阻振質量或截面尺寸60 mm×60 mm、壁厚5 mm的空心阻振質量(質量為前者的1/3)，見圖3。

圖3 插入空心阻振質量示意

為了研究基座至圓柱殼體表面寬頻范圍的振動傳遞及聲輻射特性，采用FE-SEA混合法建立雙層圓柱殼體的振動傳遞特性分析模型。將具有較大剛度、模態稀疏的基座面板、腹板、肘板和阻振質量采用FEM建模，劃分為162個Shell單元；將模態較為密集的圓柱內殼體、外殼體、艙壁和環肋等大型薄殼結構采用SEA建模，劃分為206個子系統。

將圓柱殼體結構模型置于空氣中，開展基座至殼體表面的振動傳遞特性實驗[13]。實驗時激勵加載在基座面板上，測試圓柱殼體表面的振動加速度，圖4為基座至圓柱殼體表面6號肋位頂部位置的振動傳遞函數(基準值為10-6)對比。在50～5 000 Hz寬頻范圍內，FE-SEA混合法仿真與實驗結果的傳遞函數合成值分別為125.1、123.2 dB，仿真誤差僅為1.9 dB。由于振動傳遞函數主要取決于圓柱殼體模型的振動模態參數，說明所建立的FE-SEA混合模型與實際結構的動態特性較為一致，可用于分析基座結構參數對振動傳遞特性的影響。假設圓柱殼體結構內部為空氣，雙層殼體之間及外殼四周介質為海水，其邊界條件為自由狀態。在基座上安裝的動力設備為某型柴油機，在轉速為1 000、2 000和2 500 r/min時的激勵力特性見圖5，主要擾動頻率分布在1～2 kHz中頻和50～125 Hz低頻范圍。

圖4 基座至圓柱殼體的振動傳遞函數

圖5 某型柴油機的激勵力頻譜圖

為對比阻振質量結構對基座振動傳遞的影響，在基座腹板底部分別插入實心、空心阻振質量時，仿真對比柴油機激勵作用下的阻振效果。在柴油機轉速為2 500 r/min時的激勵作用下，圓柱殼體產生的水下輻射聲功率峰值出現在2 kHz頻率處，見圖6；阻振質量具有阻振效果的起始頻率為125 Hz；在1.25 kHz頻率處，實心、空心阻振質量的阻振效果分別為8.6、9.1 dB，空心阻振質量在4 kHz頻率處的阻振效果最大為15.9 dB；在無阻振、插入實心或空心阻振質量時，圓柱殼體產生的水下輻射聲功率分別為124.0、122.3和121.3 dB，插入實心或空心阻振質量的阻振效果分別為1.7、2.7 dB。

圖6 基座阻振后圓柱殼體的輻射聲功率

因此，對于文中研究的結構模型，在基座腹板底部插入空心阻振質量比實心阻振質量的阻振效果更好，且增加的附加質量更少。其原因是，基座腹板作為基座振動傳遞的主要路徑，由基座面板經腹板傳遞的入射彎曲波在空心阻振質量處，需要經過多個轉角的波形轉換，再將振動傳遞到圓柱殼體上，導致在基座腹板與圓柱殼體連接處結構的阻抗失配加劇，阻振質量的阻振效果提高。

3 基座結構的阻尼減振技術

在基座結構上粘貼粘彈性阻尼材料，可以利用粘彈性材料的應力應變滯后效應消耗結構的振動能量，達到減振降噪的目的。丁基橡膠阻尼材料具有較好的耐水、耐油及抗老化性，以及良好的機械加工性能等優點。丁基橡膠的異丁烯單體分子含兩個甲基，聚合后分子鏈含有許多側甲基，彈性滯后較大，阻尼效果明顯。該材料在常溫下100 Hz時的彈性模量為48.4 MPa，損耗因子為0.6；在500 Hz以上頻率，彈性模量隨著頻率迅速增加；在1 000 Hz時的彈性模量為94.4 MPa，損耗因子為0.8[14]。近年來，以丁基橡膠為主要原材料研發的復合阻尼膠板，是一種具有發展前景的阻尼減振材料。

為研究丁基橡膠阻尼對基座結構的減振效果，在基座的面板、腹板和肘板結構上分別粘貼5、10 mm厚阻尼層(與腹板和肘板的厚度比為1和2)。在柴油機轉速為2 500 r/min時的激勵作用下，圓柱殼體產生的水下輻射聲功率級頻譜見圖7。

圖7 阻尼處理時圓柱殼體的輻射聲功率級頻譜

在50～5 000 Hz寬頻率范圍，阻尼材料對基座結構具有0.5 dB以上的減振降噪效果；在頻率為1.25 kHz處，5、10 mm厚阻尼層的降噪效果最大，分別為12.5、13.4 dB；在無阻尼層、粘貼5 mm厚、10 mm厚阻尼層時，圓柱殼體產生的水下輻射聲功率級分別為124.0、117.8和116.6 dB，粘貼5 mm厚、10 mm厚阻尼層的降噪效果分別為6.2、7.4 dB。因此，從節約阻尼材料和提高降噪效果的角度來看，在基座表面粘貼阻尼層存在較佳的厚度比，粘貼過厚的阻尼材料，對提高減振降噪效果作用不明顯。

4 基座結構的復合阻振技術

阻振的實質是在振源與系統之間附加一個子系統，通過減少阻振質量后端透射區結構的能量來抑制振動的傳播，從能量觀點來看，阻振質量前端反射區結構的振動必然會增加。在基座結構質量阻振和阻尼減振性能分析的基礎上，設計了對基座結構采用空心質量阻振與阻尼減振相結合的復合阻振方案。復合阻振的基本思想是：通過阻振質量將來自基座面板的振動能量阻擋或限制在基座結構局部區域內，使位于阻振質量反射區基座結構自身的振動幅度增加，通過增加粘彈性材料的拉伸、彎曲變形來提高對振動波能量的損耗，從而提高對基座結構的阻尼減振效果，實現在結構振動傳遞途徑中的復合阻振。

對基座結構的復合阻振方案為，在基座腹板底部插入空心阻振質量、基座表面粘貼5 mm厚丁基橡膠阻尼層，圖8為復合阻振后圓柱殼體產生的水下輻射聲功率級頻譜圖，表1為圓柱殼體結構的水下輻射聲功率降噪效果。相對于阻振處理前圓柱殼體結構的水下輻射聲功率，復合阻振在125 Hz以上頻率的降噪效果在1 dB以上，最大降噪效果出現在1.25 kHz處為14.5 dB；對水下輻射聲功率峰值2 kHz處的降噪效果為6.2 dB；在柴油機轉速分別為1 000、2 000和2 500 r/min時，質量阻振對圓柱殼體水下輻射聲功率的降噪效果在2 dB以上，阻尼減振的降噪效果在6 dB以上，而復合阻振的降噪效果分別為7.3、7.7和7.5 dB。因此，對基座結構采用空心質量阻振與阻尼減振的復合阻振技術，減振降噪效果較單獨剛性阻振和阻尼減振明顯提高，且附加質量少，節省材料，較傳統的剛性阻振、阻尼減振技術具有一定優勢。

圖8 復合阻振后圓柱殼體的輻射聲功率級頻譜圖

柴油機轉速/(r·min-1)處理前/dB質量阻振/dB阻尼減振/dB復合阻振/dB聲功率級1 000115.8113.8109.7108.52 000120.1117.6113.7112.42 500124.0121.7117.8116.5降噪量1 0002.06.17.32 0002.56.47.72 5002.36.27.5

5 結論

對基座結構采用空心質量阻振技術，利用振動傳遞路徑中多個轉角的波形轉換，可增加結構的阻抗失配，實現比傳統剛性阻振設計更好的阻振效果，且附加質量減少。

阻尼層厚度比為2比厚度比為1的降噪量提高不明顯，從經濟和降噪效果兩方面綜合考慮，一般認為厚度比為1可以使阻尼材料發揮優良的降噪效果；雙層圓柱殼體在某型柴油機激勵下，對水下輻射聲功率的降噪效果達到6 dB以上。

文中提出的對基座結構采用空心質量阻振與阻尼減振相結合的復合阻振設計，采用FE-SEA混合法的仿真結果表明，對雙層圓柱殼體的降噪效果達到7dB以上，相對于以往在結構上大面積敷設阻尼材料及單獨使用剛性質量阻振設計，減振降噪效果提高。文中提出的復合阻振設計技術有待進一步的實驗驗證。

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