1 引 言

定常結(jié)構(gòu)發(fā)生突變(質(zhì)量、剛度等)，會引起結(jié)構(gòu)的阻抗失配，對聲波起到很好的反射作用。結(jié)構(gòu)中材料物理性質(zhì)的突變、截面突變、加強(qiáng)肋條的存在等都會使彈性波在傳播過程中遇到不連續(xù)處，反射或抑制一部分彈性波，從而起到隔離彈性波或結(jié)構(gòu)聲波的作用。船殼上布置的許許多多肋骨，集中了很多質(zhì)量，就像一道道防浪堤一樣，將振動波阻擋在一定的范圍內(nèi)，對結(jié)構(gòu)噪聲[1]來說，形成了明顯的反射部位，起到了非常良好的隔離作用。利用阻抗失配技術(shù)可以有效阻隔結(jié)構(gòu)聲的傳遞，從而達(dá)到抑振降噪的目的。國外某型導(dǎo)彈驅(qū)逐艦在隱聲性上采用了許多先進(jìn)的、值得借鑒的技術(shù)[2]，如對基座設(shè)置質(zhì)量隔振物的技術(shù)，即在基座與船體結(jié)構(gòu)的連接部位加設(shè)方鋼剛性隔振結(jié)構(gòu)。阻隔質(zhì)量與傳統(tǒng)減振器的減振機(jī)理有很大不同，控制噪聲的頻率范圍也與大多數(shù)減振器不同，它主要控制中、高頻的結(jié)構(gòu)噪聲。

目前使用的隔振降噪手段，如彈簧或阻尼物質(zhì),都屬于柔性隔振，但一些機(jī)械在運(yùn)行時不允許自身有較大的位移，因此必須研究使用剛性減振器，而國內(nèi)這方面的研究還較少。本文比較全面地綜述了聲振動沿不連續(xù)結(jié)構(gòu)的傳播特性以及國內(nèi)外剛性阻振質(zhì)量的研究概況，并首次闡述了阻振質(zhì)量在水下復(fù)雜雙殼減振降噪中的應(yīng)用，最后對剛性阻振技術(shù)的實(shí)艇應(yīng)用做了展望。

2 聲振動在突變結(jié)構(gòu)中傳播特性研究

在船舶動力設(shè)備機(jī)座下安裝減振器，可以使噪聲源的振動得到相當(dāng)程度的隔離。但是由于重量、尺寸、成本等各方面的原因，上述措施的應(yīng)用以及實(shí)際隔振效果往往受到限制，關(guān)于結(jié)構(gòu)噪聲在船體結(jié)構(gòu)中的傳遞規(guī)律及衰減措施的研究十分重要。隔離船體結(jié)構(gòu)振動噪聲的有效方法，是在振動能量傳播途徑上對其進(jìn)行吸收和使其反射。在結(jié)構(gòu)表面敷加阻尼材料[3]，雖然可以起到一定的減噪作用，但同時也帶來了諸如材料易老化、易發(fā)生火災(zāi)、經(jīng)濟(jì)性差等一系列問題。所以，若要更好地解決結(jié)構(gòu)噪聲的問題，還必須深入研究噪聲在船體結(jié)構(gòu)中的傳播機(jī)理，從而充分利用結(jié)構(gòu)自身的不連續(xù)特性而達(dá)到減振降噪的目的。許多工程技術(shù)人員已經(jīng)針對振動能量在板梁等元件所組成的工程突變結(jié)構(gòu)中的傳遞規(guī)律開展了一定的研究。

2.1 板、梁突變結(jié)構(gòu)

到目前為止，平板、梁中振動波傳播的研究已經(jīng)較為成熟，通過振動的經(jīng)典方程及應(yīng)用數(shù)值解法可以得到較為準(zhǔn)確的解，同時也得出了一些很有價值的結(jié)論。

文獻(xiàn)[3]對工程中常用的發(fā)生質(zhì)量和剛度突變或加有粘彈性阻尼材料的組合L形板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了振動功率流研究，應(yīng)用拉普拉斯變換和遷移矩陣方法得到了板的撓度表達(dá)式以及其它的物理量。分析了不連續(xù)材料的質(zhì)量、剛度和自由阻尼層的特性對輸入功率流及傳遞功率流的影響，結(jié)論是在彎曲波的傳播路徑上粘貼阻尼材料能有效降低傳遞功率流的量值，進(jìn)行多個局部阻尼處理，減振效果更加明顯。

尼基福羅夫·阿·斯[4]采用波動理論給出了聲振動沿均質(zhì)結(jié)構(gòu)的傳播特性，采用能量理論闡述了聲振動沿不均質(zhì)結(jié)構(gòu)的傳播特性，討論了不均質(zhì)結(jié)構(gòu)中的波型變換，并給出了直射情況下平面彎曲波能量通過厚度為0.005 m的半無限板角接頭時，波型轉(zhuǎn)化的反射系數(shù)和通過系數(shù)與頻率的關(guān)系：由彎曲波向縱向波的轉(zhuǎn)化，隨著頻率的升高而加劇，因?yàn)檫@時板的抗彎剛度和縱向剛度值已經(jīng)彼此接近，轉(zhuǎn)化則由于組成接頭的板的厚度增大而加劇。

BONDARK、FLOTOW、YONG及KEANE[5-8]在研究組合式結(jié)構(gòu)時，提出對復(fù)雜桁架甚至是板架結(jié)構(gòu)，振動波在各桁架、板架聯(lián)接點(diǎn)處存在波型轉(zhuǎn)換、反射及折射從而導(dǎo)致振動能量的衰減，而且振動波傳播距離的增加，使得結(jié)構(gòu)阻尼的作用增加。

文獻(xiàn)[4]給出了平面波直射時的縱向波和彎曲波能量通過平面結(jié)構(gòu)的不同連接(線形連接、角形連接、T 形連接、十字形連接等)時的傳播系數(shù)值。

文獻(xiàn)[9]采用波動分析法研究了在由板加強(qiáng)的梁中結(jié)構(gòu)波的傳遞規(guī)律，主要分析了振動能量從梁向與之水平連接的板的傳遞，并且把板看作為梁的一種局部反應(yīng)阻抗，其理論分析和試驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)吻合，體現(xiàn)了波分析法的有效性。

文獻(xiàn)[10]研究了成角度的板與板間振動能量的傳遞，但是沒有涉及到阻振質(zhì)量對結(jié)構(gòu)波衰減的作用。

2.2 圓柱殼突變結(jié)構(gòu)

圓柱殼結(jié)構(gòu)噪聲的研究對于潛艇殼體和一些管路的減振降噪有非常重要的應(yīng)用價值。減少殼體振動的方法有許多種，其中一種重要的方法是設(shè)置隔振元件，其實(shí)質(zhì)就是通過使結(jié)構(gòu)發(fā)生突變，達(dá)到減振降噪的效果。

文獻(xiàn)[11]研究了殼體中插入接頭，或在環(huán)向加肋的情形下，振動波的傳播情況，文中將這些不連續(xù)構(gòu)件作為殼體的附加結(jié)構(gòu)處理。

FULLER[12]研究了一無限長圓柱殼的波傳播特性，把接頭作為一段有限區(qū)域，分析各種不連續(xù)結(jié)構(gòu)對入射“彎曲波”的反射與透射作用。徐慕冰[13]分析當(dāng)殼體中存在接頭時，傳播波的反射系數(shù)、透射系數(shù)隨接頭的變化情況，結(jié)果表明殼壁不連續(xù)性對能量流有良好的控制作用，在一些頻段上能量透射系數(shù)很小。

HARARI[14]研究了兩段無液圓柱殼在連接處殼體的加厚對振動波傳播的影響。MEAD和BARDELL[15]采用能量法研究了自由振動波在無液的周期加肋圓柱殼中的傳播，將肋骨看成圓環(huán)，在肋骨與殼體接觸面處，殼體和肋骨的三個方向的位移和繞環(huán)向的轉(zhuǎn)角相等。

李龍?jiān)猍16]采用奇異攝動理論的PLK方法研究了環(huán)向加筋圓柱殼自由振動問題，在肋骨的處理上則是將肋骨看成殼體在一個肋骨寬度上的壁厚的攝動。

FINNVEDEN[17]則采用譜有限元法研究了帶有法蘭和剛性質(zhì)量塊的充液圓柱殼的穩(wěn)態(tài)振動，將法蘭看成圓環(huán)并對其進(jìn)行單元劃分。

陳正翔和金咸定[18]運(yùn)用結(jié)構(gòu)振動的波動方法對加肋圓柱殼中的能量流傳播進(jìn)行了研究，討論了肋骨對殼體中的振動波傳播的影響。

張小銘和張維衡[19]研究了環(huán)肋圓柱殼在周向線分布余弦簡諧力激勵下由振源輸入殼體的功率流及沿殼體傳播的功率流，分析了肋骨參數(shù)對功率流的作用。

3 阻振質(zhì)量應(yīng)用現(xiàn)狀

結(jié)構(gòu)振動聲沿結(jié)構(gòu)傳遞的途中會遇到具有隔離作用的自然障礙, 如板或桿的鉸支承, 結(jié)構(gòu)的接頭(線形連接、角形連接、T 形連接、十字形連接等)和加強(qiáng)筋等。這些自然障礙對結(jié)構(gòu)聲的傳遞起到隔離作用。根據(jù)這一思路，人為地在結(jié)構(gòu)聲傳遞途徑上敷設(shè)障礙，典型的就是阻振質(zhì)量。阻振質(zhì)量不同于一般的加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋是船舶上的主要結(jié)構(gòu)形式，筋的存在相當(dāng)于在板上施加了一個沿筋連續(xù)分布的線激勵，而阻振質(zhì)量是一個大而重的條體，其截面一般為矩形、正方形或者圓柱形，沿著聲振動傳播途徑配置在板的結(jié)合處，用以隔離結(jié)構(gòu)聲的傳遞。

CREMER和HECKL[20]在其關(guān)于結(jié)構(gòu)聲的經(jīng)典著作中對阻振質(zhì)量作了簡單的論述，但沒有針對阻振質(zhì)量參數(shù)的變化對振動傳遞的影響作專門的研究。

車馳東和陳端石[21]運(yùn)用波分析法對成任意角度連接的兩塊平板轉(zhuǎn)角處的振動能量傳遞問題進(jìn)行了理論分析，通過引入兩個局部坐標(biāo)系及6個新的無量綱數(shù)，簡化了理論公式的推導(dǎo)，將透射及反射系數(shù)與模型的特征阻抗直接聯(lián)系起來，探討了附加在轉(zhuǎn)角處的阻振質(zhì)量對結(jié)構(gòu)波傳遞的阻擋作用，結(jié)果表明轉(zhuǎn)角處的阻振質(zhì)量對于平面彎曲波透射所起的作用類似于一個“低通濾波器”，“阻帶”插入損失的量值主要取決于阻振質(zhì)量的大小，而“阻帶”寬度則取決于其轉(zhuǎn)動慣量。

ЛЯЛУНОЬ[22]等采用波動分析法計(jì)算了阻振質(zhì)量阻抑結(jié)構(gòu)聲傳遞的透射系數(shù)和反射系數(shù),并得到其隔振度。

劉洪林和王德禹[23]從結(jié)構(gòu)的角度探求不同阻振質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)參數(shù)對隔振降噪的影響，主要討論了矩形截面阻振質(zhì)量塊和圓環(huán)阻振質(zhì)量塊這兩種結(jié)構(gòu)形式, 結(jié)果表明：對于矩形截面質(zhì)量塊,在滿足一定條件的基礎(chǔ)上,適當(dāng)增加質(zhì)量塊的高度并相應(yīng)減少其寬度可以增加質(zhì)量塊的隔振降噪效果；對于環(huán)向質(zhì)量塊,適當(dāng)增加圓環(huán)質(zhì)量塊的高度并相應(yīng)減少其寬度同樣可以增加隔振降噪效果，為艦船的減振降噪設(shè)計(jì)提供了參考。

劉見華和金咸定[24]研究了無限板上受點(diǎn)激勵時阻振質(zhì)量對結(jié)構(gòu)聲傳遞的阻抑(圖1)，采用基于能量觀點(diǎn)的隔振度定義阻振質(zhì)量的阻抑作用，通過理論分析驗(yàn)證了隔振度簡化公式的可行性，發(fā)現(xiàn)板平面彎曲波分別和阻振質(zhì)量的彎曲波、扭轉(zhuǎn)波達(dá)到最佳耦合時，平面彎曲波發(fā)生最大透射，并采用算例分析和試驗(yàn)研究論證了理論分析的正確性，圖2為其研究的圓形阻振質(zhì)量的隔振度曲線，可見試驗(yàn)與理論計(jì)算的結(jié)果吻合很好，為阻振質(zhì)量應(yīng)用于結(jié)構(gòu)聲傳遞途徑的控制提供了理論和試驗(yàn)基礎(chǔ)。

圖1 阻振質(zhì)量和板的組合結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 圓形阻振質(zhì)量的隔振度曲線

石勇和朱錫[25,26]等從質(zhì)量引起的阻抗失配原理出發(fā)，利用波動理論分析了在板中嵌入一塊方鋼所引起的對振動波傳播的阻礙作用，并且通過NASTRAN有限元軟件以及模型試驗(yàn)的方法進(jìn)行了計(jì)算，檢驗(yàn)了方鋼結(jié)構(gòu)的隔振效果，結(jié)果表明方鋼的存在阻隔了從錘擊點(diǎn)輸入的結(jié)構(gòu)振動波,振動波在通過方鋼向水平板傳遞的過程中，大部分被反射，這樣就使振動波被限定在方鋼所隔離的范圍內(nèi)，且加了方鋼后被隔離結(jié)構(gòu)的振動噪聲平均下降了9 dB以上，但是方鋼阻振的缺點(diǎn)是高頻段有明顯的效果，而對于低頻段，方鋼的減振效果差，或者說沒有減振效果。

歐大生和易太連等[27]討論了剛性阻振的概念及用途，應(yīng)用波動理論分析了剛性阻振的隔振機(jī)理，建立了阻振系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，預(yù)估了其隔振效果，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，隔振效果達(dá)到了3.3 dB，其研究的剛性阻振模型見圖3，圖4給出了研究模型下隔振量與激勵頻率關(guān)系圖。

圖3 簡化的剛性阻振模型

圖4 隔振量與激勵頻率關(guān)系圖

實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中, 一般是在裝有聲振動源的船體結(jié)構(gòu)整個回路上都配有阻振質(zhì)量, 以阻抑結(jié)構(gòu)聲的傳遞。文獻(xiàn)[28]采用波動分析法對平行排列的多個阻振質(zhì)量阻抑結(jié)構(gòu)聲傳遞的機(jī)理做了探討(圖5)，研究了無限板上受點(diǎn)激勵時阻振質(zhì)量對平面彎曲振動波傳遞的阻抑，并分析了平面彎曲波傳遞時形成的穿透頻段和堵塞頻段，數(shù)值計(jì)算分析和試驗(yàn)研究結(jié)果表明，多個阻振質(zhì)量對結(jié)構(gòu)聲的傳遞具有良好的阻抑效果，且阻抑的振級落差隨阻振級數(shù)的增加而增大。

圖5 多個平行排列的阻振質(zhì)量和板的組合結(jié)構(gòu)及測點(diǎn)示意圖

4 阻振質(zhì)量在水下復(fù)雜雙殼減振降噪中的應(yīng)用研究

從以上的論述可看出，基于阻抗失配技術(shù)的阻振質(zhì)量對結(jié)構(gòu)聲的傳遞具有良好的阻抑效果，但目前的相關(guān)研究大多數(shù)局限于板的減振降噪，并沒有將其應(yīng)用到水下航行結(jié)構(gòu)的減振降噪中。本文從阻抗失配技術(shù)出發(fā)，將剛性阻振質(zhì)量引入圓柱殼的減振降噪，通過在托板上加阻振質(zhì)量塊(稱為復(fù)合托板)來降低托板振動傳遞。有限元、邊界元法是目前水下結(jié)構(gòu)聲輻射常用的數(shù)值分析方法[29]，下面使用有限元、邊界元法對含復(fù)合托板的雙層圓柱殼振動與聲輻射進(jìn)行分析，并與含一般托板(不含阻振質(zhì)量塊)的圓柱殼的聲學(xué)特性進(jìn)行了對比。

4.1 復(fù)合托板對振動波傳播的影響

圖6 復(fù)合托板結(jié)構(gòu)以及各物理量參數(shù)

根據(jù)文獻(xiàn)[25]，阻隔結(jié)構(gòu)的隔聲量存在一個全透射頻率與全隔離頻率，在全透射頻率處，無減振效果；在全隔離頻率處，減振效果最佳。此外，阻隔質(zhì)量對振動波起隔離作用的主要參數(shù)是：質(zhì)量塊與板結(jié)構(gòu)的質(zhì)量比、質(zhì)量塊質(zhì)量慣性矩和板中振動波的波長，而與質(zhì)量塊的絕對質(zhì)量無關(guān)。

下面以雙層殼中的托板(150×220×8 mm3)為例，說明各參數(shù)對隔聲量的影響。其中隔聲量R(dB)表達(dá)式如下：

(1)

式中,W1、W2分別為入射波的能量和反射波的能量，t為透射系數(shù)。隔聲量R在Matlab中通過編程計(jì)算，圖7給出了方鋼尺寸為10×10 mm2，20×20 mm2，30×30 mm2，40×40 mm2，50×50 mm2，60×60 mm2時，阻振質(zhì)量塊隔聲量隨頻率變化的曲線。

從圖7可以看出，阻振質(zhì)量塊的全透射頻率與全隔離頻率隨尺寸的增加而降低，隔聲量從全透射頻率之后單調(diào)上升，至全隔離頻率后開始單調(diào)下降，最終趨于某一定值。表1給出了阻振質(zhì)量塊不同尺寸下的全透射與全隔離頻率。

圖7 阻振質(zhì)量塊隔聲量隨頻率比較曲線

表1阻振質(zhì)量塊全透射與全隔離頻率

方鋼/mm2全透射/Hz全隔離/Hz10×1024103231020×206102244030×30270999040×40150562050×50100360060×60702500

4.2 計(jì)算模型

雙層殼具體尺寸：R1/h1=125，R1/l1=5.83，R1/L=0.583，R2/h2=466.7，R2/l2=3.267，R2/L=0.653，其中L為雙層圓柱殼的長度，R1,h1,l1分別為內(nèi)殼體的半徑、厚度和內(nèi)殼環(huán)肋間距；R2,h2,l2分別為外殼體的半徑、厚度和外殼環(huán)肋間距，托板沿軸向等間距分布，間距為l3=l2，厚度為h3=2.67h2，且雙層殼內(nèi)含基座結(jié)構(gòu)。根據(jù)上一節(jié)的計(jì)算結(jié)果，阻振質(zhì)量塊尺寸取50×50 mm2。復(fù)合托板圓柱殼模型見圖8，復(fù)合托板結(jié)構(gòu)見圖9。

圖8 雙層圓柱殼模型

圖9 復(fù)合托板模型

4.3 阻振質(zhì)量塊對殼體聲輻射的影響

圖10給出了含有復(fù)合托板與一般托板的圓柱殼外殼振動均方速度隨頻率的對比曲線,圖11給出了含有復(fù)合托板與一般托板的結(jié)構(gòu)輻射聲功率隨頻率變化的曲線。

圖10 振動均方速度級比較曲線

圖11 輻射聲功率比較曲線

由圖10可以看出，低頻段各工況下結(jié)構(gòu)外殼的振動均方速度相差不大，并且在100 Hz附近出現(xiàn)全透射現(xiàn)象，阻振質(zhì)量塊的存在反而加劇了殼體振動，隨著頻率的增加，阻振質(zhì)量塊的作用開始體現(xiàn)；在中高頻階段，阻振質(zhì)量塊具有明顯的減振效果。從圖11可以看出，在較低頻階段，兩條曲線基本重合，隨著頻率的增加，阻振質(zhì)量塊的作用開始體現(xiàn)；到高頻階段，質(zhì)量塊具有非常明顯的降噪效果。

5 剛性阻抗失配減振技術(shù)應(yīng)用展望

從本文論述以及計(jì)算可以看出，基于阻抗失配以及波型轉(zhuǎn)換原理，阻振質(zhì)量塊對彎曲聲波可以起到很好的反射作用，可以有效降低結(jié)構(gòu)聲輻射，阻振質(zhì)量塊有著較為樂觀的應(yīng)用前景，完全可以應(yīng)用到水下航行體的減振降噪中。本文認(rèn)為，阻抗失配減振降噪的實(shí)艇應(yīng)用還應(yīng)開展如下幾方面的工作：

1) 低頻減振剛性阻振技術(shù)研究。

低頻振動與噪聲控制是聲學(xué)領(lǐng)域的一大難題，目前剛性隔振結(jié)構(gòu)主要控制中、高頻的結(jié)構(gòu)噪聲，且阻振質(zhì)量塊質(zhì)量越大，隔振效果越好。因此，進(jìn)一步對剛性阻振技術(shù)進(jìn)行研究，將其減振頻率范圍向低頻拓展，同時進(jìn)行質(zhì)量塊的尺寸優(yōu)化，使其達(dá)到最佳的減振降噪效果。

2) 艇體突變結(jié)構(gòu)隔振研究。

水下航行體是由厚壁環(huán)肋耐壓殼體和輕型外殼體的圓柱殼和錐殼結(jié)構(gòu)組成，且內(nèi)殼和外殼之間由一系列托板及實(shí)肋板連接，環(huán)肋、艙壁、托板、實(shí)肋板結(jié)構(gòu)使原本均質(zhì)的殼體發(fā)生了突變，根據(jù)阻抗失配原理，突變結(jié)構(gòu)的存在必然會對艇體的振動產(chǎn)生阻隔。因此，進(jìn)一步加強(qiáng)彈性波在不同突變結(jié)構(gòu)中的傳播規(guī)律研究，充分利用艇體結(jié)構(gòu)本身的突變特性來達(dá)到減振降噪的目的。

6 結(jié) 論

本文比較全面地綜述了聲振動沿不連續(xù)結(jié)構(gòu)的傳播特性以及國內(nèi)外阻振質(zhì)量的研究概況，并將阻振質(zhì)量塊首次應(yīng)用到水下復(fù)雜雙殼的減振降噪中，主要得出以下結(jié)論：

1) 阻振質(zhì)量塊對彎曲聲波可以起到很好的反射作用，可以有效降低結(jié)構(gòu)聲輻射，阻振質(zhì)量塊有著較為樂觀的應(yīng)用前景，完全可以應(yīng)用到水下航行體的減振降噪中；

2) 中高頻段，阻振質(zhì)量塊能有效降低雙層圓柱殼的振動及聲輻射，降噪效果最大能達(dá)到15 dB，且其聲壓指向性更加集中，更加便于治理，為剛性阻振技術(shù)的實(shí)艇應(yīng)用提供了基礎(chǔ)；

3) 低頻振動與噪聲控制是聲學(xué)領(lǐng)域的一大難題，從振動與噪聲控制、特別是低頻振動與噪聲控制的實(shí)際需要出發(fā)，將剛性阻隔減振范圍向低頻拓展，同時充分利用艇體本身的突變特性來達(dá)到減振降噪，將是阻抗失配減振降噪技術(shù)的發(fā)展趨勢。

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