實船基座阻抗對泵組浮筏隔振裝置性能影響分析

謝志強

（中國艦船研究設計中心船舶振動噪聲重點實驗室 武漢 430064）

0 引 言

浮筏隔振裝置因可以減少振源設備傳遞至船體的振動，降低其水下輻射噪聲，廣泛應用于國內外艦船設備的振動隔離.目前評價浮筏隔振裝置性能的方法主要采用隔振效果的方法［1］，即將浮筏上設備機腳的平均加速度振級進行能量平均，再與基座測點振動加速度能量平均的結果相減得到浮筏隔振裝置的隔振效果.

目前國內針對浮筏隔振裝置設計及性能計算進行了大量深入的研究［2-5］，可用于指導隔振裝置的設計及優化，并通過樣機配機試驗進行隔振效果驗證，但由于實船安裝環境與配機試驗存在一定差異，特別是由于實船基座阻抗不足，導致某些隔振裝置上船后實船隔振效果不理想，對產品交貨甚至艦船建造周期造成潛在的風險［6］.

本文結合實船試驗測量數據分析，以某船泵組浮筏隔振裝置作為對象進行深入分析，得到實船基座阻抗對泵組浮筏隔振裝置隔振性能影響分析結論.

1 泵組浮筏隔振裝置實船隔振效果分析

泵組浮筏隔振裝置由泵組、筏架、上層隔振器、下層隔振器等組成.筏上兩臺泵并排臥式安裝，每臺泵均采用4個上層隔振器與筏架相連，筏架與船體基座連接采用6個下層隔振器，泵進出口管路通過橡膠軟管與系統管路相連，泵組浮筏隔振裝置見圖1.實船工作狀態下僅開啟其中的1臺泵.

圖1 泵組浮筏隔振裝置示意圖

在某船上前后輔機艙分別安裝了1＃和2＃2套泵組浮筏隔振裝置（以下簡稱1＃隔振裝置和2＃隔振裝置），在系泊試驗中發現1＃隔振裝置隔振效果良好，但2＃隔振裝置則不佳，其隔振效果僅24.0dB，其振動傳遞特性曲線見圖2.10～125Hz頻率范圍內隔振效果為30.8dB，滿足設計要求，而160 Hz～10kHz頻率范圍內隔振效果僅為24.0dB，整個頻率范圍內基座振級為96.0dB.

2＃隔振裝置與相同工況下的1＃隔振裝置隔振效果相比差11.3dB，見圖3.2 套隔振裝置在中低頻率范圍內隔振效果基本相當，甚至2＃隔振裝置還略好，但在160～5000 Hz頻率范圍內2＃隔振裝置隔振效果普遍較差，在1600 Hz中心頻率處最大相差23.5dB，同時由于泵機腳振動能量主要集中在中高頻段范圍內，最終導致2＃隔振裝置隔振效果不佳.在實船現場初步排除了泵進出口管路振動傳遞至基座對隔振效果的影響，并通過基座阻抗測量、隔振效果換算等工作證明了2＃隔振裝置基座阻抗不足是導致其隔振效果不佳的主要原因.

圖2 2＃隔振裝置振動傳遞特性曲線

圖3 兩套隔振裝置隔振效果對比圖

2 基座阻抗對隔振效果影響研究

將實船泵組浮筏隔振裝置簡化為一個機械結構振動子系統［7］，見圖4.則設備機腳響應速度v1和基座安裝點響應速度v2表示為

式中：v0為設備機腳自由振速；F1為設備機腳對隔振器的作用力；YS為設備機腳導納矩陣；v2為基座響應速度；F2為下層隔振器對基座的作用力；YR為基座導納矩陣.

圖4 隔振系統4端參數

利用4端參數法，機腳、基座上下兩端的速度可以表示為

式中：Yii、Yij分別表示點導納和傳遞導納.

由以上公式可以推導得到設備機腳響應速度v1、基座響應速度v2與設備機腳自由振速v0之間的關系：

當設備安裝基座阻抗發生變化時，可以通過自由振速v0的不變性，相應的計算得到該基座上的隔振器上下端速度及受力，公式如下.

由此可以得到簡化的隔振系統速度傳遞率為

式中：ZR為基座阻抗.式（6）推導過程中運用到基座阻抗遠大于等效隔振器輸出端阻抗Z22.

對式（6）兩邊取對數，乘以系數得到隔振裝置隔振效果與基座阻抗的關系

對2個不同的基座，由于基座阻抗差別引起的隔振效果可以表示為

式（8）即為不同基座阻抗之間隔振裝置隔振效果的轉換關系式.

3 實船基座阻抗測量

在實船條件下測量了2套隔振裝置基座原點速度阻抗，每個下層隔振器安裝點均單獨進行阻抗測量，每個測點原點速度阻抗表示為

圖5 基座阻抗錘擊測量系統示意圖

圖6 實船基座阻抗錘擊圖

式中：Zi（ω）為i點的阻抗，N·s／m；Fi（ω）為i點的激勵力，N；vi（ω）為i點的響應速度，m／s.

測量按照相關標準［8］執行.測量現場無干擾振源，背景振動加速度級（10 Hz～10kHz）小于測量振動加速度級10dB 以上.由于2＃隔振裝置在160～5000 Hz頻率范圍內隔振效果較差，因此采用較硬的紫銅頭進行錘擊，獲取兩個基座100～5000Hz頻率范圍內的原點速度阻抗.

測量系統為B&K 3560D 型噪聲振動多分析系統，力錘為PCB086C05 型，加速度傳感器為B&K 4513加速度計.

兩套泵組隔振裝置基座速度阻抗測量值如圖7所示，由圖可以看出2＃隔振裝置基座各點阻抗有很大不均勻性，測點2和測點5阻抗值明顯較其他測點阻抗值低，中高頻阻抗量級在103量級，與1＃隔振裝置基座速度阻抗相比明顯偏低，可見2＃隔振裝置基座偏弱，需要優化改進.

4 基座阻抗與隔振效果轉換

通過實船基座阻抗測量證明了2＃隔振裝置基座振級偏高、隔振效果不佳的主要原因在于其基座阻抗不足.2套隔振裝置每個中心頻率處隔振效果相差的分貝數與基座阻抗相差的分貝數除個別點差別較大外其趨勢基本一致，誤差大部分在3dB以內，見圖8，近似滿足式（8），差別與背景噪聲、基座各測點之間的振動耦合及管路振動傳遞至基座等因素有關.

圖7 兩套泵組浮筏隔振裝置基座阻抗測量值

根據不同基座阻抗之間隔振裝置隔振效果的轉換關系式，若將2＃隔振裝置基座優化設計，其中高頻段阻抗提高到1＃隔振裝置基座阻抗水平，則其隔振效果將提高到36.1dB，基座加速度振級將降低12.1dB，見圖9.

圖8 隔振效果與阻抗相差對比圖

圖9 基座阻抗提高前后基座振級對比圖

5 結 論

本文利用4端參數法，推導了實船不同基座阻抗之間隔振裝置隔振效果的轉換關系式，并以實船兩套泵組浮筏隔振裝置測量數據分析進行驗證，結果表明：

1）基座阻抗不足是導致實船2＃泵組浮筏隔振裝置隔振效果不佳的主要原因；

2）在基座的阻抗大于隔振器輸出阻抗的情況下，相同隔振裝置安裝在不同基座上隔振效果相差的分貝數與基座阻抗相差的分貝數近似相等；

3）受實船測量因素的影響，背景噪聲、基座測點之間的振動耦合及管路振動傳遞至基座等因素引起某些頻率點轉換關系存在一定的差別，在后續研究中需要進一步考慮.

［1］邵漢林，姚心國，朱顯明，等.浮筏隔振裝置隔振效果評定［J］.噪聲與振動控制，2002（4）：21-23.

［2］馬永濤，周 炎.艦船浮筏隔振技術綜述［J］.艦船科學技術，2008（4）：22-26.

［3］王國治，李良碧.船舶浮筏系統動力學特性的影響因素研究［J］.中國造船，2002（1）：43-51.

［4］楊德慶.自由阻尼層結構阻尼材料配置優化的拓撲敏度法［J］.振動工程學報，2003（4）：420-425.

［5］行曉亮.彈性基礎浮筏的導納功率流研究［J］.機械科學與技術，2005（7）：761-763.

［6］熊 琳.試驗基座阻抗對隔振裝置隔振效果的影響［J］.柴油機，2007（4）：39-41.

［7］原春暉.機械設備振動源特性測試方法研究［D］.武漢：華中科技大學，2006.

［8］機電部鄭州機械研究所.GB／T11349.3機械導納的試驗確定沖擊激勵法［S］.北京：中國標準出版社，1993.