姚熊亮 計(jì) 方 錢德進(jìn)

1哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001

2海軍裝備研究院艦船所，北京 100161

艦船阻振質(zhì)量剛性隔振特性研究

姚熊亮1計(jì) 方1錢德進(jìn)2

1哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001

2海軍裝備研究院艦船所，北京 100161

利用波動理論的分析、處理方法，分析了阻振質(zhì)量對船體結(jié)構(gòu)中振動波傳遞的阻抑特性，討論了阻振質(zhì)量偏心布置對其隔振性能的影響。在此基礎(chǔ)之上，突破傳統(tǒng)柔性隔振理論的局限，開展雙層殼動力艙段阻振質(zhì)量剛性隔振特性研究，從阻抗失配的角度出發(fā)，初步給出了具有高傳遞損失特性的艙壁及出海管道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，為船舶結(jié)構(gòu)聲學(xué)提供參考。研究結(jié)果表明：不同形式的阻振質(zhì)量增大了船體結(jié)構(gòu)的阻抗失配程度，加劇了振動波在船體結(jié)構(gòu)中的波型轉(zhuǎn)換、散射和反射，顯著降低了動力艙段中高頻帶的振動和聲輻射。

波動理論；阻振質(zhì)量；艙壁；出海管道；剛性隔振

1 引言

船舶結(jié)構(gòu)由大量的縱橫骨架、板架和艙室組成，結(jié)構(gòu)噪聲在船舶結(jié)構(gòu)中的傳遞規(guī)律及其衰減措施的研究十分重要。而就船舶這種由鋼板和各種型鋼構(gòu)建而成的大型鋼結(jié)構(gòu)而言，材料本身的阻尼系數(shù)很低。同時(shí)，為了保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及水密性，鋼板之間必須焊接得十分牢固，不允許采用彈性連接方式來減少振動傳遞。因此，開展船體結(jié)構(gòu)的阻振質(zhì)量剛性隔振特性研究具有重要的意義。

阻振質(zhì)量是一個(gè)大而重的條體，其截面一般為矩形、正方形或圓柱形，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［1］。Cremer等［2］對阻振質(zhì)量作了簡單論述，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。劉見華等［3-4］研究了無限板上受點(diǎn)激勵時(shí)阻振質(zhì)量對結(jié)構(gòu)聲傳遞的阻抑，并采用算例分析和實(shí)驗(yàn)研究論證了理論分析的正確性。石勇等［5-6］利用波動理論分析了在板中嵌入一塊阻振質(zhì)量塊對振動波傳播的阻礙作用，并通過NASTRAN有限元軟件以及模型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了闡述。本文在上述文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，突破傳統(tǒng)隔振理論的局限性，深入探討了阻振質(zhì)量對船體結(jié)構(gòu)中振動波傳遞的阻抑特性，開展了雙層殼動力艙段阻振質(zhì)量剛性隔振特性研究，從阻抗失配的角度出發(fā)，研究具有高傳遞損失特性的艙壁及出海管道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式。

2 振動波斜入射阻振質(zhì)量傳遞機(jī)理

如圖1所示，假設(shè)一無限長阻振質(zhì)量塊布設(shè)在一無限大的板上，設(shè)板的左側(cè)有單位幅值的平面彎曲波以角度φ沿x正向入射阻振質(zhì)量，入射板平面彎曲波的頻率為ω，波數(shù)為kp，對于無限板，板邊界不存在波的反射，則阻振質(zhì)量兩側(cè)的位移為：

式中，kx＝kpcosφ為x方向的彎曲波的波數(shù)；ky＝kpsinφ為y方向的彎曲波的波數(shù)；為近場波波數(shù)；R、T分別為波的反射系數(shù)和透射系數(shù)；RN、TN分別為近場波衰減的反射系數(shù)和透射系數(shù)。

當(dāng)激勵引起的平面彎曲波Win以角度φ入射阻振質(zhì)量時(shí)，使阻振質(zhì)量產(chǎn)生z方向的彎曲振動和y方向的扭轉(zhuǎn)振動，忽略阻振質(zhì)量的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，Лялуноь［7］根據(jù)板和阻振質(zhì)量的耦合邊界條件求解得到透射系數(shù)：

其中，rm為相對其旋轉(zhuǎn)中心的阻振質(zhì)量橫截面的慣性半徑；kbm為阻振質(zhì)量彎曲振動波數(shù)；ktm為阻振質(zhì)量扭轉(zhuǎn)振動波數(shù)；ρp為板單位面積的質(zhì)量。

阻振質(zhì)量對結(jié)構(gòu)聲傳遞的阻抑作用通過隔振度來量化，隔振度越大，阻抑作用越強(qiáng)［8］。當(dāng)形成擴(kuò)散（二維）場的波通過阻振質(zhì)量時(shí)，其隔振度定義為：

式中，＜T2＞φ為振動能通過阻振質(zhì)量時(shí)的透射系數(shù)的平均值：

圖2所示為板厚3 mm，不同截面尺寸的阻振質(zhì)量隔振度隨頻率變化曲線。在全透射頻率以前，阻振質(zhì)量對彎曲波幾乎沒有隔離作用；在全透射頻率之后，阻振質(zhì)量對振動噪聲的隔離效果越來越好，激勵頻率到達(dá)全阻隔頻率時(shí)，阻振質(zhì)量的隔振效果達(dá)到最好。隨著阻振質(zhì)量截尺寸的逐漸增大，全透射頻率向低頻移動，同時(shí)全隔離頻率也向低頻移動，且隔振峰值呈下降趨勢。

固定振動頻率為1 000 Hz時(shí)，改變阻振質(zhì)量的截面長度l，研究了阻振質(zhì)量隔振度隨截面尺寸l的變化曲線，如圖3所示?？梢姡枵褓|(zhì)量的隔振效果對應(yīng)著一個(gè)全透射尺寸，在選擇阻振質(zhì)量尺寸時(shí)，應(yīng)避開這一長度；也同樣存在一全隔離尺寸，阻振質(zhì)量的截面大小應(yīng)盡量趨近于該尺寸，使得隔振效果達(dá)到最佳。

3 偏心阻振質(zhì)量阻隔振動波傳遞機(jī)理

在振動波斜入射阻振質(zhì)量傳遞特性分析基礎(chǔ)上，將阻振質(zhì)量偏心布置，彎曲波引起的受迫轉(zhuǎn)動產(chǎn)生軸向加速度，這意味著軸向力作用在板上會產(chǎn)生波型變換，即衍生的縱波。

rs是運(yùn)動點(diǎn)（即板的中心）到阻振質(zhì)量重心的距離：

偏心阻振質(zhì)量與板連接線處產(chǎn)生了一個(gè)旋轉(zhuǎn)角速度w，重心處速度為：

阻振質(zhì)量近似作剛體運(yùn)動，與板連接線處縱向速度連續(xù)：

由阻振質(zhì)量與板接線處的力與力矩平衡：

彎矩阻抗是由偏心質(zhì)量的旋轉(zhuǎn)慣性和板的彎矩阻抗組成：

阻振質(zhì)量的慣性矩是對板的中心點(diǎn)而言，因此：

聯(lián)立以上各式，得到阻振質(zhì)量偏心布置產(chǎn)生的衍生波的透射系數(shù)：

基于互易原理，偏心阻振質(zhì)量產(chǎn)生的附加隔聲量為：

為了分析偏心阻振質(zhì)量阻抑振動波傳遞的特性，給出了附加振級落差ΔLν＋：

從圖5可以看出：阻振質(zhì)量偏心布置顯著提高了負(fù)值低谷頻率以外全頻段的隔振性能。既改善了其中低頻隔振性能、拓寬了阻振質(zhì)量的工作頻帶，同時(shí)又增加了高頻最大隔聲量的幅值。

在上述阻振質(zhì)量對振動波傳遞的阻抑特性機(jī)理性分析基礎(chǔ)上，基于阻抗失配、波型轉(zhuǎn)換原理，在設(shè)備—基座—艇體的振動噪聲主傳遞途徑中布置剛性阻振質(zhì)量，將阻振質(zhì)量引入雙層殼動力艙段艙壁、出海管道系統(tǒng)的隔振設(shè)計(jì)之中。在此基礎(chǔ)上，通過數(shù)值實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證阻振質(zhì)量隔振設(shè)計(jì)的有效性。

4 雙層殼艙壁阻振質(zhì)量環(huán)路隔振特性

在理論分析阻振質(zhì)量阻抑振動波傳遞特性的同時(shí)，從阻抗失配的角度出發(fā)，開展阻振質(zhì)量在動力艙段艙壁中的隔振設(shè)計(jì)，研究高傳遞損失的艙壁結(jié)構(gòu)形式對雙層殼的減振降噪具有重要的意義。前面討論了阻振質(zhì)量對板中振動波傳播的影響。在實(shí)際應(yīng)用中，通常會在設(shè)備周圍施加一阻振質(zhì)量環(huán)路來減小結(jié)構(gòu)的振動。接下來研究阻振質(zhì)量環(huán)路對船體板振動波傳播的影響。

在平板上布置阻振質(zhì)量環(huán)路，在保證阻振質(zhì)量重量不變的情況下，分3種情況討論了阻振質(zhì)量環(huán)路的隔振性能，具體尺寸如下：

其中，R為阻振質(zhì)量環(huán)路的外半徑；r為阻振質(zhì)量環(huán)路的內(nèi)半徑；h阻振質(zhì)量環(huán)路的高度。平板厚度為 3 mm，寬度為 0.3 m。

圖6所示為阻振質(zhì)量環(huán)路隔振模型以及考察點(diǎn)布置情況。計(jì)算出各點(diǎn)在0～3 000 Hz頻率段上的加速度響應(yīng)值，將計(jì)算得出的加速度結(jié)果轉(zhuǎn)化成傳遞函數(shù)的形式，利用各點(diǎn)的頻率響應(yīng)以及激勵載荷頻譜，通過下式計(jì)算得到各點(diǎn)的加速度傳遞函數(shù)值：

式中，a（fi）為某頻率下加速度響應(yīng)值；F（fi）為某頻率下激勵載荷。

圖7所示為3種阻振質(zhì)量環(huán)路部分測點(diǎn)的傳遞函數(shù)比較曲線，在環(huán)形質(zhì)量帶質(zhì)量不變的前提下，質(zhì)量帶的高度越高，對振動波的阻隔效果越好。質(zhì)量帶C外半徑跟板的寬度相等，使得板平面內(nèi)聲振動源的周圍形成了閉式回路，具有很強(qiáng)的濾波功能，其隔振效果高于前兩種形式。

綜上所述，在進(jìn)行阻振質(zhì)量環(huán)路隔振應(yīng)用時(shí)，在保持阻振質(zhì)量重量不變的情況下，應(yīng)盡量增大其高度，同時(shí)減小其厚度，使其能更好地阻隔振動波的傳遞。并同時(shí)滿足以下條件［9］：

1）為了獲得較好的阻振效果，必須讓橫截面（高l1，寬l2）的尺寸遠(yuǎn)小于阻振質(zhì)量截面內(nèi)彎曲波波長；

式中，fB表示所研究范圍內(nèi)的最高頻率。

由上文討論可知，阻振質(zhì)量環(huán)路能有效阻隔振動波的傳遞。接下來將阻振質(zhì)量環(huán)路引入復(fù)雜雙殼動力艙段艙壁的剛性隔振設(shè)計(jì)中，以此考察阻振質(zhì)量環(huán)路在實(shí)際船舶結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用效果。

本文應(yīng)用殼、梁和3D等單元構(gòu)造一個(gè)接近于實(shí)艇的設(shè)備—基座—艇體一體化有限元模型，該模型不僅在形狀上和實(shí)際結(jié)構(gòu)相似，而且所有的幾何參數(shù)和物理參數(shù)都是正確的。艙段模型在進(jìn)行有限元網(wǎng)絡(luò)劃分時(shí)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及艦體外表面均采用每個(gè)波長范圍有5個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)劃分原則。采用振動噪聲集成分析軟件VA ONE進(jìn)行分析，以動力艙段結(jié)構(gòu)模態(tài)密度為判據(jù)，低頻采用FEM＋BEM方法，中高頻采用SEA方法，數(shù)值計(jì)算了10 Hz～3 kHz的振動激勵下，雙殼動力艙段含阻振質(zhì)量艙壁結(jié)構(gòu)振動加速度級及水下輻射聲壓，從而驗(yàn)證剛性阻振質(zhì)量隔振設(shè)計(jì)的有效性。

該艙段艙壁結(jié)構(gòu)由橫向及縱向加強(qiáng)筋加固，艙壁上布置有水平桁材，且與鋪板結(jié)構(gòu)相連。綜合考慮其尺寸以及模型總重量限制等問題，取阻振質(zhì)量截面尺寸為70 mm×50 mm，重約0.09 t。圖8所示為艙壁布置阻振質(zhì)量環(huán)路的動力艙段結(jié)構(gòu)圖。

圖9所示為有無阻振質(zhì)量環(huán)路兩種工況下，非耐壓殼的振動速度隨頻率變化的曲線。

由圖9可以看出，在中低頻階段，振動加速度級曲線基本重合，在某些頻率處阻振質(zhì)量的存在甚至加大了結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)；隨著頻率的增加，阻振質(zhì)量的隔振作用開始體現(xiàn)，曲線趨于平緩且峰值的個(gè)數(shù)明顯減少。艙壁上布設(shè)阻振質(zhì)量環(huán)路后，動力艙段振動加速度級平均下降了2.53 dB。

圖10所示為在含阻振質(zhì)量工況與不含阻振質(zhì)量工況下船舶艙段的輻射聲壓級頻域的對比曲線。由圖可以看出，艙段的輻射聲壓級同振動加速度級呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律；艙壁上布設(shè)阻振質(zhì)量環(huán)路后，動力艙段輻射聲壓級平均下降3.46 dB，艙壁剛性隔振設(shè)計(jì)顯著降低了動力艙段中高頻段的輻射聲壓。此外，沿艙壁周界布置阻振質(zhì)量環(huán)路，建議安裝在離結(jié)構(gòu)邊緣一個(gè)肋距處。

5 出海管路阻振質(zhì)量塊隔振特性

現(xiàn)代艦船上常常采取許多措施來降低水下輻射噪聲，但出海管系水噪聲直到近年來才被重視。艦船出海管系是一個(gè)很大的 “噪聲輻射裝置”，它與其他連接件相比尺寸較大 （典型的內(nèi)徑可達(dá)200 mm以上），同時(shí)它的一端又直接與海洋相通，因此不僅要設(shè)法隔離它的結(jié)構(gòu)噪聲，更要控制管中水噪聲直接向舷外輻射［10］。

管線系統(tǒng)的振動是一種機(jī)械振動，引起管道振動的因素較為復(fù)雜，通常，管線內(nèi)部流體激擾及管外的隨機(jī)載荷作用是其振動的主要原因。流體振動包括流體脈沖、汽液兩相流振動和高速流瞬變沖擊等。

管線在受到振動引起的交變應(yīng)力作用下，即使設(shè)計(jì)滿足其強(qiáng)度要求，也可能產(chǎn)生疲勞破壞.尤其是一些如焊縫連接，接管開孔等應(yīng)力集中處，所以要對管道振動加以控制。由于引起管道振動的激發(fā)源非常復(fù)雜，根據(jù)振動理論，一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的多自由度振動方程可用以下矩陣式來表示：

［M］｛X¨｝＋ ［C］｛X˙｝＋ ［K］｛X｝ ＝ ｛F｝ （18）式中：［M］為質(zhì)量矩陣；｛X｝為節(jié)點(diǎn)廣義坐標(biāo)；［C］為阻尼矩陣；［K］為剛度矩陣；｛F｝為系統(tǒng)廣義力。

從上式中可看出，要改變其管線系統(tǒng)的振動特性，可采取主動減振、隔振等措施盡量減少振動的傳遞，通過改變系統(tǒng)阻尼矩陣［C］，如在管道的固定支撐的部位放置金屬彈簧、橡皮或軟木等，其隔振、減振效果較好。增加系統(tǒng)剛度［K］，可在管道的設(shè)計(jì)布置上盡量減少彎管個(gè)數(shù)、適當(dāng)增加支承數(shù)、減小其兩支承間的跨度等。然而，對于一些已開工操作且無法做上述處理的管道系統(tǒng)，本文提出了一種工程上易于實(shí)現(xiàn)的管路減振降噪方法，即在管道外表面添加剛性阻振質(zhì)量平衡塊，通過改變其質(zhì)量矩［M］，調(diào)整系統(tǒng)的固有頻率可大大降低管道的振動幅值，并避免與系統(tǒng)產(chǎn)生共振。

根據(jù)艦船出海管路系統(tǒng)的布局進(jìn)行簡化處理，在管道的中部添加阻振質(zhì)量，質(zhì)量塊長0.2 m，徑向厚度0.05 m，數(shù)值分析了出海管道左端管壁簡支，右端帶剛性障板的有限長充液管道在流體脈動激勵下的振動聲輻射特性。圖11所示為出海管道系統(tǒng)計(jì)算模型的示意圖。

在計(jì)算振動響應(yīng)時(shí)，假設(shè)管道受到隨時(shí)間變化的激勵力的作用，為線彈性振動。設(shè)管道一端受到徑向激勵的作用，其激勵力是諧波激勵，在ANSYS中設(shè)置諧波激勵力幅值為100 N，頻率范圍10～1 000 Hz，諧響應(yīng)分析的結(jié)果保存到結(jié)果文件File.RST中，從而獲得SYSNOISE聲學(xué)邊界元分析模型的節(jié)點(diǎn)法向速度。

圖12所示為阻振質(zhì)量對出海管道振動的影響?？梢钥闯?，一階固有頻率以下，阻振質(zhì)量對管道的振動影響很小，甚至增大了結(jié)構(gòu)的振動及聲輻射，即低頻段阻振質(zhì)量沒有減振效果；隨著頻率的增大，一階頻率以上，阻振質(zhì)量具有明顯的減振效果。由此可見，添加阻振質(zhì)量后，管道表面均方速度平均下降10.4 dB；另外，阻振質(zhì)量的存在使得結(jié)構(gòu)的固有頻率向低頻移動，這是因?yàn)樽枵褓|(zhì)量使得結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量變大，從而固有頻率下降。

圖13所示為添加阻振質(zhì)量后，考查點(diǎn)1和2的輻射聲壓，計(jì)算結(jié)果選取在距右端管口1 m處。同樣可以看出，低頻段阻振質(zhì)量沒有降噪效果，甚至增大了管路系統(tǒng)的聲輻射；隨著頻率的增大，一階固有頻率以上，阻振質(zhì)量的存在有效降低了管道輻射到管口外無限大的水域中的噪聲。

圖14所示為阻振質(zhì)量對管口聲輻射效率的影響。由圖可見，阻振質(zhì)量的存在使得結(jié)構(gòu)的聲輻射效率變大，這是因?yàn)樽枵褓|(zhì)量使管道振動速度下降的比例大于輻射聲功率下降的比例，所以輻射效率變大。

從上面的分析可以看出，質(zhì)量塊截面尺寸越大，降低管道振動效果越顯著。然而在實(shí)際應(yīng)用過程中，應(yīng)綜合考慮隔振的截止頻率以及重量限制等問題，合理選擇阻振質(zhì)量的尺寸。

6 結(jié)論

本文基于波動理論，分析了阻振質(zhì)量對船體結(jié)構(gòu)中振動波傳遞的阻抑特性；依據(jù)阻抗失配原則，開展雙層殼動力艙段阻振質(zhì)量剛性隔振特性研究，初步探討了具有高傳遞損失特性的艙壁及出海管道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，主要結(jié)論如下：

1）阻振質(zhì)量偏心布置顯著提高了負(fù)值低谷頻率以外全頻段的隔振性能，即改善了其中低頻隔振性能，拓寬了阻振質(zhì)量的工作頻帶。

2）在艙壁阻振質(zhì)量環(huán)路重量保持不變的條件下，應(yīng)盡量增大截面的高度、相應(yīng)減少寬度，并使得其外半徑與耐壓船體相距一個(gè)肋位，以此達(dá)到最佳減振效果。

3）艙壁阻振質(zhì)量環(huán)路隔振設(shè)計(jì)有效抑制了動力艙段中高頻帶振動與聲輻射。

4）管道一階固有頻率以上，阻振質(zhì)量塊具有明顯的減振降噪效果，阻振質(zhì)量尺寸越大，對降低管道振動以及管口輻射噪聲效果越顯著。

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Rigid Vibration Isolation Characteristics of Ship Blocking Masses

Yao Xiong－liang1 Ji Fang1 Qian De－jin2
1 College of Shipbuilding Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China
2 Ship Research Institute， Naval Academy of Armament，Beijing 100161，China

Based on the wave analysis theory， the blocking masses attenuating propagation effect on vibration wave were analyzed and the influences of eccentric location on the blocking masses isolation performance were discussed.The traditional flexible vibration isolation theory is known to be limited in the research of rigid vibration isolation of double cylindrical shell power cabin with blocking masses.Our research was carried out on the basis of the impedance mismatching principle，and proposed a set of structural configurations for the bulkhead and the sea pipe system with high transmission loss，providing reference for acoustic design of typical hull structure.The results show that different forms of blocking mass aggravate the wave conversions， scattering and reflection of vibration wave in the hull plates， thus the vibration and sound radiation of double cylindrical shell power cabin can be significantly reduced.

wave theory； blocking mass； bulkhead； sea pipe； rigid vibration isolation

U661.44

A

1673－3185（2010）05－15－07

10.3969/j.issn.1673-3185.2010.05.004

2009－08-22

國防重點(diǎn)預(yù)研項(xiàng)目（40*********02）；國際科技合作項(xiàng)目（2007DFR80340）；

高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金（20070217074）

姚熊亮（1963－），男，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：船舶及海洋工程動力學(xué)。E-mail：saibei8411@163.com

計(jì) 方（1984－ ），男，博士研究生。 研究方向：船舶振動噪聲控制。E-mail：heujifang＠ 163.com