船用基座阻尼板敷設(shè)工藝減振降噪效果分析

楊衛(wèi)國

(海軍裝備部駐上海地區(qū)第八軍事代表室，上海 200011)

0 引 言

我國早在20世紀(jì)80年代初開始研究使用阻尼材料或阻尼技術(shù)降低船舶結(jié)構(gòu)噪聲，并開展探索性的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和實(shí)艇測試，并對(duì)阻尼技術(shù)及其在船舶減振降噪中的應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)，指明基于模態(tài)分析與阻尼處理相結(jié)合、從“善后處理”發(fā)展到“預(yù)先設(shè)計(jì)”和開發(fā)多功能阻尼材料等3個(gè)發(fā)展方向，將發(fā)展重心放在設(shè)計(jì)和材料層面，從工藝角度影響并推進(jìn)總體設(shè)計(jì)和材料發(fā)展。

隨著船舶振動(dòng)和輻射噪聲指標(biāo)的提升，我國減振降噪研究在設(shè)計(jì)和材料層面取得重大突破[1]，在基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)、材料[2]和元器件技術(shù)等方面形成技術(shù)體系，但作為核心建造技術(shù)的建造施工工藝缺乏體系化發(fā)展，亟待提升。設(shè)備基座作為設(shè)備振動(dòng)和噪聲傳遞中的重要環(huán)節(jié)，在其腹板和肋板上敷設(shè)阻尼材料[3-4]對(duì)降低基座的振動(dòng)和噪聲具有明顯作用，但目前阻尼材料敷設(shè)工藝研究較少。

運(yùn)用模態(tài)測試方法，針對(duì)阻尼材料敷設(shè)不同的貼合率、厚度和規(guī)格，研究在不同工藝參數(shù)條件下的減振降噪效果，為阻尼技術(shù)在船用基座減振降噪方面提供較為科學(xué)的試驗(yàn)依據(jù)。

1 阻尼材料減振降噪原理和評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.1 減振降噪原理

阻尼減振降噪是被動(dòng)控制的主要方面[5]，其技術(shù)原理是在振動(dòng)的結(jié)構(gòu)表面敷設(shè)或粘貼阻尼材料，利用阻尼材料在玻璃化轉(zhuǎn)變時(shí)的高阻尼特性，增大結(jié)構(gòu)的阻尼耗能，在結(jié)構(gòu)因沖擊和振動(dòng)而變形時(shí)通過阻尼材料的拉伸、彎曲和剪切等變形引起的黏性內(nèi)摩擦，將部分機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎纳⒄駝?dòng)能量，降低以振動(dòng)輻射形式出現(xiàn)的彎曲波的聲能，抑制中、高頻結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，達(dá)到降噪效果。

阻尼材料根據(jù)結(jié)構(gòu)形式不同可分為自由阻尼結(jié)構(gòu)和約束阻尼結(jié)構(gòu)[6]，如圖1所示。自由阻尼層是直接將黏彈性阻尼材料粘貼或涂覆于需要減振降噪的結(jié)構(gòu)原件表面，通過阻尼層結(jié)構(gòu)的彎曲變形耗能達(dá)到抑制振動(dòng)的目的，其受力形式如圖2所示，結(jié)構(gòu)和動(dòng)力特性比較簡單，便于在實(shí)際工程中使用。

圖1 阻尼結(jié)構(gòu)

圖2 自由阻尼結(jié)構(gòu)受力形式

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

對(duì)敷設(shè)阻尼板前后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬自由邊界的模態(tài)測試，選取相同位置作為響應(yīng)測量點(diǎn)，通過前后兩次的傳遞曲線評(píng)價(jià)減振降噪效果。

對(duì)于多自由度線性系統(tǒng)，動(dòng)力學(xué)方程為

(1)

對(duì)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行Laplace變換可得：

s2MX(s)+sCX(s)+KX(s)=F(s)

(2)

式中：s為變換因子；X(s)為位移響應(yīng)向量；F(s)為外激勵(lì)向量。

多自由度系統(tǒng)的傳遞函數(shù)矩陣H(s)為

(3)

傳遞函數(shù)矩陣中的對(duì)角元素表示同一點(diǎn)的響應(yīng)和激勵(lì)比，稱為原點(diǎn)傳遞；非對(duì)角元素表示不同點(diǎn)的響應(yīng)和激勵(lì)比，稱為跨點(diǎn)傳遞。

多自由度系統(tǒng)受激振動(dòng)后的響應(yīng)僅與系統(tǒng)本身的動(dòng)態(tài)特性和激振性質(zhì)有關(guān)，可用傳遞函數(shù)綜合描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，是一種理論和試驗(yàn)密切結(jié)合的方法。應(yīng)用傳遞函數(shù)可檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型的正確性并改善其精度，識(shí)別結(jié)構(gòu)的模態(tài)參量(例如固有頻率和振型等)，預(yù)示結(jié)構(gòu)對(duì)已知或假定的輸入力的響應(yīng)，確定材料的動(dòng)態(tài)特性，預(yù)示相連結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)耦合特性，進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)控或故障診斷。所進(jìn)行的研究利用阻尼板敷設(shè)前后激勵(lì)點(diǎn)和響應(yīng)點(diǎn)均相同的傳遞曲線作為阻尼板敷設(shè)性能的評(píng)價(jià)手段。

2 阻尼板減振降噪試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)過程包括基板模態(tài)測試、阻尼板敷設(shè)、敷設(shè)質(zhì)量無損檢測和被測系統(tǒng)模態(tài)測試等4個(gè)步驟。

選取若干塊150 mm×1 000 mm×10 mm(長×寬×厚)的船用高強(qiáng)度鋼板作為測試基板，選定TD09型阻尼板為阻尼材料，選用完全相同的4組海綿墊作為試驗(yàn)件四角的支撐，模擬被測系統(tǒng)自由邊界。

結(jié)合被測系統(tǒng)特點(diǎn)，使用脈沖激勵(lì)方式對(duì)被測件進(jìn)行模態(tài)測試，采用加速度作為測試數(shù)據(jù)判定結(jié)構(gòu)的模態(tài)特征。脈沖激勵(lì)選用江蘇聯(lián)能LC04A型力錘施加，在試驗(yàn)過程中選取鋼材質(zhì)錘頭；選用江蘇東華1A314E型加速度計(jì)作為前端的采集器拾取測量點(diǎn)的時(shí)間響應(yīng)曲線；選用DH5922D型動(dòng)態(tài)數(shù)字信號(hào)采集儀進(jìn)行后端的數(shù)據(jù)分析。脈沖激勵(lì)測試方法基本框架圖如圖3所示。

圖3 脈沖激勵(lì)測試方法基本框架圖

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 貼合率試驗(yàn)

選取4種不同貼合率試件進(jìn)行分析，響應(yīng)曲線如圖4所示。由時(shí)域圖形可知：在4組測試結(jié)果中，響應(yīng)峰值和衰減時(shí)間差別不大，在貼合率為80%時(shí)衰減時(shí)間稍長；根據(jù)傳遞曲線，峰值點(diǎn)具有較好的一致性，說明貼合率對(duì)被測系統(tǒng)固有頻率影響較小；根據(jù)幅值，貼合率為80%的響應(yīng)曲線與其他3組響應(yīng)曲線具有明顯差別，80%貼合率可能會(huì)使振動(dòng)響應(yīng)降低，但持續(xù)時(shí)間較長；對(duì)于85%以上的貼合率，響應(yīng)區(qū)別不明顯。

圖4 不同貼合率試件響應(yīng)曲線

2.2.2 厚度試驗(yàn)

選取4種不同厚度試件與測試基板一起進(jìn)行分析，響應(yīng)曲線如圖5所示。由時(shí)域圖形可知：在4組測試結(jié)果中，20 mm和15 mm厚的阻尼板對(duì)響應(yīng)衰減時(shí)間的縮短效果明顯好于10 mm和5 mm厚的阻尼板。由頻域圖形可知：①阻尼板厚度與固有頻率峰值位置相關(guān)，厚度越大，峰值越低；②阻尼板厚度與峰值大小負(fù)相關(guān)，厚度越大，峰值越低，且峰值處的曲線二階導(dǎo)數(shù)變小，即峰值銳度降低，說明阻尼板可降低共振頻率時(shí)的響應(yīng)；③阻尼板可改變被測系統(tǒng)的模態(tài)特征，兩塊較厚阻尼板消除被測系統(tǒng)200～300 Hz的1個(gè)小峰值。由模態(tài)曲線可知：對(duì)于10 mm厚的測試基板，15 mm厚的阻尼板的減振降噪效果較10 mm厚的阻尼板變化較大，但20 mm厚的阻尼板的減振降噪效果較15 mm厚的阻尼板不明顯。

圖5 不同厚度試件響應(yīng)曲線

2.2.3 規(guī)格試驗(yàn)

選取4片×200 mm和2片×400 mm兩組不同規(guī)格的阻尼板進(jìn)行分析，響應(yīng)曲線如圖6所示。由圖6可知：兩組阻尼板相差不大，4片阻尼板組合形式的響應(yīng)略低于2片阻尼板組合形式。

圖6 不同規(guī)格試件響應(yīng)曲線

2.3 試驗(yàn)結(jié)論

(1)由傳遞曲線可知：貼合率高低與基座減振降噪效果并無較好相關(guān)性；根據(jù)時(shí)域圖形，貼合率越高，被測系統(tǒng)振動(dòng)衰減時(shí)間越短，在貼合率高于一定比例后衰減時(shí)間降低不明顯。

(2)阻尼板厚度與基座減振降噪效果呈現(xiàn)較好相關(guān)性；在小于測試基板1.5倍厚度時(shí)，厚度越大，減振降噪效果越好；在大于測試基板1.5倍厚度時(shí)，減振降噪效果提升與厚度提升不成比例。

(3)阻尼板規(guī)格對(duì)于被測系統(tǒng)的減振降噪效果并無太大影響。

2.4 工藝建議

(1)阻尼板貼合率可由不低于90%調(diào)整至不低于85%，貼合率降低在保證減振降噪效果的前提下可提高阻尼板敷設(shè)效率。

(2)阻尼板厚度應(yīng)不低于1.5倍基板厚度，在特殊情況下考慮2.0倍甚至更大，可節(jié)省阻尼材料、減輕基座質(zhì)量。

(3)阻尼板規(guī)格與減振降噪效果關(guān)系不大，可依據(jù)基板形狀對(duì)阻尼板進(jìn)行裁剪，充分利用材料。

3 結(jié) 語

基于目前船廠使用的船用基座阻尼板敷設(shè)工藝，選取3組工藝參數(shù)，根據(jù)模態(tài)測試?yán)碚摰玫椒笤O(shè)工藝參數(shù)與減振降噪效果之間的關(guān)系。通過對(duì)測試結(jié)果的分析，可對(duì)船廠現(xiàn)行的施工工藝提出改進(jìn)措施，指導(dǎo)船廠提高船用基座阻尼板敷設(shè)效率，節(jié)省阻尼材料，降低基座質(zhì)量，并可反向支撐總體設(shè)計(jì)部門對(duì)基座設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。