通海閥箱消聲器環境試驗研究

劉玉石，柳貢民

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通海閥箱消聲器環境試驗研究

劉玉石，柳貢民

（哈爾濱工程大學，哈爾濱 150001）

驗證通海閥箱消聲器的環境適應性。分析通海閥箱消聲器的結構組成、工作原理、使用環境。綜述環境試驗的相關標準，并對GJB 150A軍用裝備實驗室環境試驗辦法中有關水面船舶部分進行剪裁，依據GJB 150A開展傾斜搖擺試驗、振動試驗、沖擊試驗，確定上述試驗的方法、相關參數，并設計模擬海水環境的工裝。消聲器在施加了上述試驗的環境應力后，外觀結構無明顯變形，緊固件無松脫、斷裂等。通海閥箱消聲器聲學性能無明顯下降，插入損失保持大于8 dB。通海閥箱消聲器在惡劣的環境條件下具有較高的可靠性。GJB 150A部分試驗參數設計過于保守，對船舶非電子設備影響較小，可依據實測應力量值進行試驗。

GJB 150A；環境試驗；船舶設備

GJB 4239《裝備環境工程通用要求》對環境適應性的定義[1]是“裝備在其壽命期間預計可能遇到的各種環境的作用下，能實現其所有預定功能、性能和不被破壞的能力，是裝備的重要質量特性之一”。GJB 4239把環境試驗分為三類[2]：自然環境試驗、實驗室環境試驗和使用環境試驗。這些試驗的目的在于尋找設計缺陷，幫助改進設計；驗證環境適應性是否符合規定要求，作為設計定型或生產驗收的決策依據；為后續試驗和使用及綜合保障提供基本信息。

文中涉及到的試驗主要是實驗室環境試驗，實驗室環境試驗的目的是驗證武器裝備的環境適應性是否符合合同規定的技術要求。通過實驗室環境試驗驗證產品的環境適應性設計，獲取產品的物理特性和耐環境極限能力的信息，從而確保產品的質量。在船舶武器裝備研制的各階段，應根據項目任務書（或合同）的規定，按照GJB 150A《軍用裝備實驗室環境試驗辦法》進行實驗室環境試驗。

1 環境試驗

1.1 通海閥箱消聲器介紹

通海閥箱消聲器安裝在通海閥箱內，位于海平面以下3 m的位置，海水管路入水口處。主要由消聲器殼體（316L鋼）、環狀氣囊（丁腈橡膠）、以及甲板法蘭構成，是有效控制海水管路振動噪聲的一種船上裝備。其消聲原理是通過氣囊結構引入一種阻抗失配的機制，當入射聲波傳播到囊體上時，由于水介質和囊體阻抗的巨大差異，構成阻抗失配的柔性壁面邊界，從而使消聲量大大提高。

在了解消聲器的設備組成與工作原理后，分析消聲器的工作環境。在船舶航行過程中，由于裝載不平衡等因素容易造成船體傾斜；由于風浪等環境因素容易引發船體搖擺，傾斜與搖擺都可能導致裝備系統原有作用力平衡的改變或破壞[3]。另外，航速、海況等自然激勵會引發隨機振動；螺旋槳轉動、往復機械等強迫激勵會產生正弦振動；由于設備運輸、觸礁、拋錨、遭受攻擊會產生瞬時沖擊。振動與沖擊都會對船舶設備產生不良的影響，造成結構變形、斷裂甚至損壞[4]。基于上述分析，對消聲器進行了傾斜搖擺試驗、振動試驗與沖擊試驗。

1.2 傾斜搖擺試驗

傾斜與搖擺環境適應性是指船舶裝備在其壽命期內，在遇到的傾斜與搖擺環境作用下能實現其所有預定功能和不被破壞的能力，它是船舶裝備的重要質量特性之一[5]。傾斜與搖擺環境是船舶在航行時遇到的基本環境。這個環境是由于自然界產生風浪、船舶的航行、回轉、破損、操作不當以及裝載不平衡所造成的。船舶在海上除遭遇傾斜與搖擺環境外，風浪還會形成致使船舶縱蕩、橫蕩和垂蕩的環境。基于對這些環境條件所產生的嚴酷程度的對比，目前船舶裝備僅考慮對傾斜搖擺環境的適應性。

依據GJB 150A-23，水面船舶傾斜與搖擺試驗的量值見表1。

環境試驗考核的是裝備在規定的極值條件下是否可以正常工作或不損壞，故本試驗按最惡劣試驗條件進行。縱傾角度選擇±10°，橫傾角度選擇±22.5°；縱搖角度為±10°，周期為4~10 s；橫搖角度為±45°，周期為3~14 s。試驗時間為30 min[5]，試驗過程如圖1所示。試驗中發現，傾斜搖擺應力對通海閥箱消聲器影響不大，由于該裝備是非電子產品，試驗后觀察消聲器外觀：緊固件無松動，結構無變形，無明顯故障。

表1 水面船舶傾斜與搖擺試驗量值

圖1 縱傾10°試驗過程

從圖2可以看出，本次環境試驗為了模擬海水環境，設計了箱形工裝，將消聲器放置于箱形工裝內并注水密封，使整個系統更加接近真實使用環境。下述沖擊、振動試驗使用相同工裝。

圖2 試驗工裝

1.3 沖擊試驗

海水中的沖擊環境包括[6]：碰撞、擱淺、水中非接觸性爆炸、接觸性爆炸、空中爆炸及武器發射所引起的各類沖擊。在沖擊作用下，船體及其安裝的裝備產生脈沖性位移，極大地危害船舶裝備的結構強度及穩定性。要求船舶在波形為半正弦波，峰值加速度為300 m/s2，持續時間為40 ms的條件下能有效工作。另外，船舶上設備還應耐受波浪抨擊、甲板上重復性低強度浪形成的顛震沖擊而持續有效工作。波形為半正弦波、峰值加速度為50 m/s2、持續時間不小于16 ms，重復頻率為10~20 min-1，對電子設備的峰值加速度要求為7[7]。

通海閥箱消聲器沖擊試驗依據GJB 150A[8]中的要求，對消聲器三個正交軸六個方向每個方向進行3次沖擊，共計18次。沖擊輸入采用半正弦波，峰值加速度為7，持續時間為16 ms。沖擊波形如圖3所示，沖擊過程如圖4所示。

圖3 x方向沖擊輸入曲線

圖4 x方向沖擊試驗

1.4 振動試驗

根據GJB 150.16A—2009[9]的規定，船舶振動暴露量級需要考慮船的振動是自然激勵（海浪、風）還是強迫激勵（螺旋槳軸轉速、往復機械和其他裝備的運行等）。振動容易引起的設備破壞形式大致分為兩類：1）結構與工藝性破壞，如結構件的疲勞、斷裂、磨損、連續件的松動、分離等；2）功能與性能破壞，包括工作失靈、性能降低等。

水面船舶設備的振動試驗分為隨機振動與正弦振動。其中隨機振動部分考核的是自然激勵[10]，采用平直譜，頻率范圍1~100 Hz，加速度譜密度為0.0012/Hz，每個軸向持續2 h；正弦振動部分考核的是強迫激勵，每個軸向在1~16 Hz，16~60 Hz的頻率范圍內以每分鐘一個倍頻程（oct）的速率掃頻10次，每個軸向在危險頻率上（若無危險頻率則在上限頻率上）進行2 h的耐振試驗。

根據標準規定的試驗量值進行振動試驗，試驗過程如圖5所示。掃頻過程中發現，在規定的頻率范圍內，沒有掃到危險頻率，掃頻曲線如圖6所示。考慮到消聲器質量較大，掃頻上限頻率較小，故只進行了3次掃頻，選擇在上限頻率60 Hz進行耐振試驗，每個軸向各2 h。試驗過程中發現，振動量級對于通海閥箱消聲器這類質量較大的非電子設備影響較小。

表2 振動試驗量值

圖5 x方向振動試驗

圖6 掃頻曲線

2 試驗結果

通過在第三方實驗室對通海閥箱消聲器進行傾斜搖擺試驗、沖擊試驗、振動試驗，驗證了該設備在復雜嚴酷的環境條件下耐受環境應力的能力。試驗后對通海閥箱消聲器進行目視檢查（見圖7），外觀結構無明顯變形、緊固件無松脫、斷裂等。通過試驗前后消聲器聲學性能試驗的對比，發現消聲器聲學性能指標（插入損失>8 dB）無明顯下降，如圖8所示。

圖7 環境試驗后消聲器外觀圖

圖8 插入損失對比

3 結論

1）通海閥箱消聲器在惡劣的環境條件下具有較高的可靠性及良好的環境適應性。

2）GJB 150.16A振動試驗量值設計針對船舶非電子設備影響較小，可依據實測應力量值進行試驗。

3）GJB 150.16A振動試驗要求在規定的頻率范圍內掃頻10次，在實際試驗過程中發現，類似于消聲器這種質量較大的非電子設備在1~60 Hz的頻率范圍內無法掃到共振頻率，10次掃頻浪費時間，建議預估試驗設備的共振頻率。若超過掃頻上限，掃頻2~3次即可。

4）通過試驗發現，傾斜搖擺試驗對通海閥箱消聲器的影響極小，可忽略不計。故建議針對質量較大的船舶非電子設備，可酌情考慮是否進行傾斜搖擺試驗。

[1] GJB 4239, 裝備環境工程通用要求[S].

[2] 馬麗娥. 艦船武器裝備環境適應性研究與分析[J]. 艦船科學技術, 2006, 28(2): 42-44.

[3] 寧薇薇, 陳立偉, 孫立明. 艦船電子設備振動試驗條件的分析和對比[J]. 環境技術, 2017, 35(3): 76-80.

[4] 鄭衛東, 馮東輝. 艦船武器裝備環境適應性技術[J]. 艦船科學技術, 2007, 29(1): 57-59.

[5] 施建榮, 施詩, 張燕. 論艦船裝備傾斜和搖擺環境適應性與試驗[J]. 裝備環境工程, 2011, 8(4): 41-44.

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[9] GJB 150.16A—2009, 軍用裝備實驗室環境試驗方法第16部分: 沖擊試驗[S] .

[10] GJB 150.18A—2009, 軍用裝備實驗室環境試驗方法第18部分: 振動試驗[S].

[11] 朱宜生, 王超, 陳中青. 艦船設備振動試驗方法的探討[J]. 裝備環境工程, 2016, 13(1): 112-115.

Environment Test of Sea Chest Silencer

LIU Yu-shi1, LIU Gong-min1

(Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

To verifyi the environmental suitability of sea chest silencer.Structural composition, working principle and operating environment of the sea chest silencer were analyzed. Standards relevant to environment test were summarized. The parts of the surface ship in GJB 150A Methods for Environment Test of Military Equipment Laboratory Environment was cut out.. Tilt-swing test, vibration test and impact test were carried out according to GJB 150A to determine methods and relevant parameters of the above tests and design tooling for simulating seawater.After applying the ambient stress of the above tests, the sea chest silencer had no obvious deformation or loose and broken fasteners. The acoustic performance of the silencer had no obvious decrease, and insertion loss remained greater than 8 dB.The sea chest silencer has high reliability under the bad environment condition; same test parameters of GJB 150A are designed too conservative, and it has less influence on the non-electronic equipment, and can be tested according to the measured force value.

GJB150A; environment test; ship equipments

10.7643/ issn.1672-9242.2019.04.015

TB535.2

A

1672-9242(2019)04-0083-04

2018-09-01；

2018-10-01

劉玉石（1993—），男，吉林人，碩士研究生，主要研究方向為環境可靠性工程。

柳貢民（1962—），男，沈陽人，教授, 主要研究方向船舶動力裝置振動噪聲控制。