船舶結構振動能量衰減特性研究

魏 征，高 聰

(1.中國人民解放軍92578 部隊，北京 100161；2.哈爾濱工程大學，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

近年來，隨著海洋開發活動的不斷增加，由船舶機械設備激勵船體引起的振動噪聲問題引發人們廣泛關注。與此同時，國際海事組織也對船舶振動噪聲制定了嚴格的規范，因此，精準預報船舶振動噪聲對保護海洋環境，保障船舶安全性和舒適性具有重要意義。在設計階段對船舶振動噪聲預報評估，離不開損耗因子等參數輸入，因此開展損耗因子獲取相關研究具有重要工程應用價值。

系統內損耗因子是衡量其阻尼特性的重要參數[1]，常見的損耗因子測試方法主要有共振梁法、模態圓法、輸入功率法、衰減法等。張志軍等[2-3]基于瞬態衰減法，研究了典型船舶結構損耗特性，并對典型船舶結構的水下輻射噪聲進行了預報。此外，研究人員還針對阻尼材料損耗特性開展了大量理論與實驗研究[4-5]。Zhang 等[6]考慮了粘彈性阻尼材料耗能影響，基于有限元模態應變能法對粘彈性層合梁的模態損失因子進行了研究。Khan 等[7]通過自由振動和強迫振動試驗研究了含多壁碳納米管復合材料和碳纖維增強聚合物復合材料的減振特性，認為碳納米管的加入提高了復合材料的阻尼比。張若平等[8]用DMA 動態粘彈譜分析儀測出不同黏彈性阻尼材料的損耗因子隨溫度和頻率的變化關系。李輝等[9]基于實驗分析了一定溫度范圍內阻尼層橡膠性能對結構損耗特性的影響。王獻忠等[10]基于統計能量方法，研究了流場中部分敷設阻尼材料的有限長圓柱殼的聲輻射特性。

目前針對阻尼結構衰減特性的分析方法較為豐富，但忽略了對結構敷設阻尼材料后能量衰減特性相關研究，特別是缺乏結構水下損耗因子實驗測試。為此，本文以鋼質曲板為基層，橡膠為阻尼層，基于瞬態衰減法，研究不同介質中的板厚、長寬比和阻尼層對曲板結構阻尼性能的影響，為船舶結構水下輻射噪聲數值計算提供參數輸入。

1 瞬態衰減法原理

根據自由振動信號的衰減特點，Hilbert 變換可以得到響應信號的外包絡線，從而可以測量結構在任意頻率的內損耗因子。

設結構受力錘敲擊后Hilbert 變換[11]為

式中：x(t)為加速度響應信號的實函數；*表示卷積。

其逆變換為

實函數的解析信號為

瞬時相位為

故實函數可表示為

將響應信號的外包絡線取對數，就可得到衰減曲線，該曲線斜率的絕對值即為結構阻尼 η。

阻尼比為

被測試結構頻段內的平均損耗因子為

2 曲板結構損耗因子實驗

2.1 實驗模型

以船用曲板構件為實驗對象，考慮不同尺寸曲板敷設不同厚度阻尼材料前后在空氣中和水下的能量衰減特性，模型基層材質為CCS 船用鋼，阻尼材料為橡膠，實驗結構如圖1 所示，實驗模型編號和尺寸如表1 所示。

表1 實驗模型編號和尺寸Tab.1 Eexperimental model number and size

圖1 試驗模型Fig.1 Test model

2.2 性能測試

實驗時，通過纜繩、吊鉤將模型懸掛，分別在空氣中和水下使用力錘激勵，實驗數據采集示意如圖2所示。其中1#～9#為加速度傳感器布置點，10#～13#為力錘激勵點，依次敲擊激勵點。

圖2 實驗激勵示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental excitation

實驗數據處理流程如圖3 所示。對振動加速度傳感器采集的響應信號進行處理，得到20～8 000 Hz頻段內損耗因子。將9 個測點所得到結構各頻段的損耗因子進行平均，進而得敲擊一個激勵點下結構的平均損耗因子，再將4 個不同激勵點得到的損耗因子進行平均，從而得到結構在各個頻點下的平均損耗因子。

圖3 實驗數據處理流程如圖Fig.3 Flow chart of test data processing

3 實驗結果分析

3.1 不同介質影響

以往基于統計能量法對船舶水下輻射噪聲進行預報時，通常輸入參數為實驗測定結構在空氣中的損耗因子，忽略了流體對結構能量損耗特性的影響，使結果產生較大誤差，通過測量曲板結構水下損耗因子，可為精準預報船舶水下輻射噪聲提供參數輸入。分別在空氣中和水下激勵結構，以分析不同介質對結構能量衰減特性的影響。以a0為基準值，模型1 和模型3在不同介質中損耗因子對比結果如圖4 所示。

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圖4 不同介質中損耗因子對比曲線Fig.4 Comparison curve of loss factors in different media

由圖4 可知，20～8 000 Hz 頻段內，模型1 與模型3損耗因子數值均呈現低頻大、高頻小的特點，由于流體對結構能量損耗性能的影響，水下的損耗因子數值比其在空氣中的增大，且低頻差異較大，隨著頻率的升高，不同介質中損耗因子差異逐漸減小。因此基于SEA 法預報船舶水下輻射噪聲時，不僅需要開展相關曲板結構損耗因子實驗測試，更需要考慮流體對結構能量損耗特性的影響，測試結構水下損耗因子，從而為評估船舶水下輻射噪聲提供更精確的參數輸入。

3.2 結構尺寸參數影響

為探究結構板厚對損耗因子的影響，圖5 給出不同板厚結構在空氣中和水下的損耗因子對比曲線。

由圖5 可知，20～8 000 Hz 頻段內，當板厚增加時，結構損耗因子明顯增大；在20～100 Hz 中低頻段間，板厚對損耗因子的影響較大；在100～8 000 Hz 中高頻段內，隨著頻率的增加，板厚對損耗因子的影響逐漸降低。

圖5 不同板厚結構損耗因子對比曲線Fig.5 Comparison curve of loss factors of different plate thickness structures

為探究結構長寬比對損耗因子的影響，圖6 給出不同長寬比結構在空氣中和水下的損耗因子對比曲線。

由圖6 可知，20～8 000 Hz 頻段內，當長寬比增大時，結構損耗因子值明顯增大，在20～250 Hz 中低頻段間，長寬比對損耗因子影響較大；在250～8 000 Hz中高頻段內，隨著頻率的升高，長寬比對損耗因子影響逐漸降低。

圖6 不同長寬比結構損耗因子對比曲線Fig.6 Ccomparison curve of loss factors of different aspect ratio structures

3.3 阻尼層及其厚度影響

為探討阻尼層對結構損耗因子的影響，圖7 給出模型1 和模型3 在空氣中和水下的損耗因子對比曲線，表2 給出模型1 敷設不同厚度阻尼層時振型階數及固有頻率對比表。

圖7 模型1 和模型3 空氣中和水下的損耗因子對比曲線Fig.7 Comparison curve of air and underwater loss factors of model 1 and model 3

4 結 語

本文基于瞬態衰減法，以鋼板為基層，橡膠為阻尼層，研究不同尺度效應、不同測試環境及阻尼層厚度對船舶曲板結構損耗特性的影響。研究結果表明：

1）20～8 000 Hz 頻段內，曲板結構損耗因子在數值上呈現低頻大、高頻小的特點，由于流體對結構能量損耗性能的影響，水下的損耗因子數值比其在空氣中的增大，且低頻差異較大，隨著頻率的升高，其損耗特性差異逐漸減小。因此，基于SEA 法預報船舶水下輻射噪聲時，需要考慮流體對結構能量損耗特性的影響，測試結構水下損耗因子，從而為評估船舶水下輻射噪聲提供更精確的參數輸入。

表2 模型1 不同厚度阻尼層振型階數及固有頻率對比表Tab.2 Model 1 Comparison of modes and natural frequencies of damping layers of different thickness

2）20～8 000 Hz 頻段內，當板厚增加時，結構損耗因子數值明顯增大；在20～100 Hz 中低頻段間，板厚對損耗因子的影響較大；在100～8 000 Hz 中高頻段內，板厚對損耗因子的影響逐漸減小；10 mm 板較6 mm 板損耗因子數值增大約10 %。

3）20～8 000 Hz 頻段內，當長寬比增大時，結構損耗因子數值明顯增大，在20～250 Hz 中低頻段間，長寬比對損耗因子影響較大；在250～8 000 Hz 中高頻段內，隨著頻率的升高，長寬比對損耗因子影響逐漸減小；長寬比2∶1 的板較長寬比1∶1 的板損耗因子數值增大約20 %。

4）阻尼層厚度對結構損耗因子影響顯著。在20 Hz～8 000 Hz 全頻段范圍內，隨著敷設阻尼層厚度的增加，結構損耗因子增大，因此，增加阻尼層的厚度有利于提高結構的損耗特性。當敷設阻尼層厚度較小時，對結構的固有頻率影響不明顯，隨著敷設阻尼層厚度增大，對結構固有頻率影響越顯著。