溫華兵 ，左言言 ，夏兆旺 ，申 華 ，李 芳

（1江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2江蘇科技大學(xué) 振動噪聲研究所，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

1 引 言

加筋圓柱殼體結(jié)構(gòu)內(nèi)部機械的振動在形成輻射噪聲時，需要經(jīng)過一定的途徑，將振動能量傳遞到加筋圓柱殼體外殼，激發(fā)起外殼的振動并且輻射噪聲[1-4]。因此，對加筋圓柱殼體結(jié)構(gòu)振動傳遞特性的預(yù)報及控制已成為水下航行結(jié)構(gòu)聲學(xué)設(shè)計中的一項重要內(nèi)容[5]。在艇體動力設(shè)備基座下安裝減振器，可以使噪聲源的振動得到相當(dāng)程度的隔離。但由于質(zhì)量、尺寸和成本等各方面的原因，上述措施的應(yīng)用以及實際隔振效果往往受到限制。隔離水下航行結(jié)構(gòu)振動噪聲有效的方法，是在振動能量傳遞途徑上對其進行吸收和使其反射，其實質(zhì)就是結(jié)構(gòu)不連續(xù)、結(jié)構(gòu)的阻抗發(fā)生突變，進而達(dá)到減振降噪目的[6]。

由于加筋圓柱殼體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及材料的多樣性，理論研究或數(shù)值計算結(jié)果均需要由試驗加以支持，在工程中經(jīng)常采用加筋圓柱殼體進行驗證或者以此為試驗平臺進行相關(guān)的振動、聲學(xué)研究[7]。由于不可能在實際的水下航行結(jié)構(gòu)上進行大量的試驗，且在某型水下航行結(jié)構(gòu)上得到的結(jié)論不能簡單推廣到其它水下航行結(jié)構(gòu)，因此，模型試驗就成為揭示水下航行結(jié)構(gòu)內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)振動傳遞規(guī)律的重要手段[8]。本文設(shè)計了內(nèi)部包含3種典型支撐結(jié)構(gòu)的加筋圓柱殼體試驗?zāi)Ｐ?，開展了結(jié)構(gòu)振動模態(tài)試驗和振動傳遞特性試驗，研究了典型支撐結(jié)構(gòu)的型式及布置對加筋圓柱殼體傳遞特性的影響。

2 加筋圓柱殼體支撐結(jié)構(gòu)試驗?zāi)Ｐ?/h2>

加筋圓柱殼體直徑2500 mm，長度4000 mm，壁厚10 mm，外殼含18根環(huán)肋。艙壁板厚6 mm，采用縱橫加筋結(jié)構(gòu)加強。圓柱殼體內(nèi)部設(shè)計有一個縱橫加筋平臺結(jié)構(gòu)，下方有6根立柱支撐，與圓柱殼體及艙壁四周直接焊接連接。為方便試驗時人員出入，加筋圓柱殼體兩端艙壁開1000×650 mm橢圓形孔，用圍板加強開孔處剛度，以避免局部振動。整個加筋圓柱殼體的總質(zhì)量約為5 t。加筋圓柱殼體內(nèi)部共含3類典型支撐結(jié)構(gòu)型式，分別為殼體支撐基座A、平臺支撐基座B、艙壁支撐基座C，基座形狀參數(shù)及布置位置如表1。

表1 基座形狀參數(shù)及布置位置Tab.1 Shape parameters and layout location of base structures

加筋圓柱殼體振動試驗時，采用空氣彈簧彈性支承。外殼上下各有4個用于固定空氣彈簧的支撐機腳，跨在2個相鄰環(huán)肋（肋位#4至#5以及肋位#15至#16）之間，可對圓柱殼體繞軸線旋轉(zhuǎn)180度安裝，以便分別對3個支撐基座進行振動試驗。支撐機腳結(jié)構(gòu)緊湊，能滿足空氣彈簧安裝要求，具有足夠的剛度，以減少對殼體振動特性的影響。加筋圓柱殼體支承系統(tǒng)的6階模態(tài)固有頻率均在3 Hz左右，遠(yuǎn)低于加筋圓柱殼體的彈性振動模態(tài)以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的局部振動模態(tài)固有頻率，可以近似認(rèn)為處于自由～自由狀態(tài)。因此，空氣彈簧支承系統(tǒng)對模型自身固有特性的影響可以忽略。

圖1 加筋圓柱殼體內(nèi)部基座布置圖Fig.1 Layout location of base structures in the ring-stiffened cylindrical shell

3 加筋圓柱殼體支撐結(jié)構(gòu)振動試驗方法

振動模態(tài)試驗是為了掌握加筋圓柱殼體結(jié)構(gòu)的整體和局部振動模態(tài)參數(shù)。核心儀器設(shè)備為丹麥B&K 3160型數(shù)據(jù)采集硬件前端及PULSE14.0信號分析系統(tǒng)（見圖2）。激振系統(tǒng)由B&K 3160信號源、B&K 2721功率放大器以及B&K 4827激振器組成，具有寬頻激勵特性和較大的激勵力，達(dá)到較高的測試信噪比。激振器用彈性繩倒立懸掛在圓柱殼體頂部，采用隨機信號激勵方式，激振器通過激振桿直接對殼體6#肋位頂部進行激勵。用B&K 8203力傳感器測量激勵力信號，用B&K 4384電荷型加速度計測量加筋圓柱殼體表面的法向振動，測點布置為縱向11個（肋位編號為偶數(shù)位置），周向均布16個（定義底部周向角為0度），由此得到加筋圓柱殼體上所有測點位置的頻響函數(shù)。

圖2 振動傳遞試驗系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of test system of the vibration transmission characteristics

加筋圓柱殼體結(jié)構(gòu)振動傳遞特性試驗是為了研究支撐結(jié)構(gòu)參數(shù)及布置位置對振動傳遞特性的影響規(guī)律。激振器用彈性繩懸掛在加筋圓柱殼體內(nèi)部，彈性繩的另一端穿過模型外殼上預(yù)留的小孔，固定在外部支架上。采用寬頻帶、快速正弦掃描激勵方式，分別利用激勵系統(tǒng)對加筋圓柱殼體內(nèi)部的支撐結(jié)構(gòu)（設(shè)備減振器安裝位置）進行激勵。加筋圓柱殼體結(jié)構(gòu)振動傳遞特性試驗的輸入為基座振動加速度a0、輸出為加筋圓柱殼體外殼的法向振動加速度ai，由此得到加筋圓柱殼體上激勵點到響應(yīng)點之間的振動傳遞函數(shù)H（）ω:

4 加筋圓柱殼體結(jié)構(gòu)振動模態(tài)試驗分析

基于B&K 8720模態(tài)采集和分析軟件包，采用最小二乘多項式擬合法，對加筋圓柱殼體進行振動模態(tài)試驗分析。試驗時圖4為加筋圓柱殼體激振器激勵點位置的原點頻響函數(shù)，得到加筋圓柱殼體的模態(tài)試驗結(jié)果如表2和圖5，第1階振動模態(tài)為靠近艙壁處的殼體徑向振動，固有頻率為110.7 Hz。試驗結(jié)果表明，加筋圓柱殼體的大多數(shù)振動模態(tài)為整體及局部徑向振動，沒有出現(xiàn)明顯的整體彎曲振動模態(tài)振型。原因是由于圓柱殼體的長度與直徑尺寸相當(dāng)，抗彎剛度大。

圖3 加筋圓柱殼體振動試驗現(xiàn)場Fig.3 Vibration testing ground for the ring-stiffened cylindrical shell

圖4 加筋圓柱殼體激勵點頻響函數(shù)Fig.4 Frequency response function of the exciting point on the ring-stiffened cylindrical shell

表2 加筋圓柱殼體的振動模態(tài)試驗結(jié)果Tab.2 Experiment results of modal parameters of the ring-stiffened cylindrical shell

圖5 加筋圓柱殼體振動模態(tài)振型Fig.5 Vibration mode shape of the ring-stiffened cylindrical shell

5 支撐結(jié)構(gòu)原點導(dǎo)納試驗分析

為了研究基座的阻抗特性，圖6分析了不同基座的原點導(dǎo)納試驗結(jié)果對比?；鵄、B的原點導(dǎo)納總體上隨著頻率的增加而增加，每倍頻程約增加10 dB；在500 Hz以上頻率，三種類型基座的原點導(dǎo)納試驗結(jié)果隨頻率的變化趨勢相似。基座C在400 Hz以下頻率呈現(xiàn)的原點導(dǎo)納特性與基座A和基座B有較大的差異，在200 Hz附近頻率出現(xiàn)較高的峰值，可能受到了基座C自身振動模態(tài)的影響。由于基座C只有一端焊接支撐在艙壁上，另一端為懸臂梁，自身結(jié)構(gòu)剛度相對較小，即阻抗較小，原點導(dǎo)納大。

圖6 基座的原點加速度導(dǎo)納Fig.6 Exciting point acceleration admittance of base structure

6 支撐結(jié)構(gòu)振動傳遞特性試驗分析

6.1 基座至殼體表面的振動傳遞函數(shù)分布

為了研究基座沿著殼體表面的振動傳遞特性，圖7為在不同頻率下基座A（直接支撐在加筋圓柱殼體上）至殼體表面的振動傳遞函數(shù)分布圖。在低頻125 Hz時，基座A至殼體表面的振動傳遞函數(shù)分布呈現(xiàn)球頂面形狀，基座A至殼體表面安裝位置的振動傳遞函數(shù)最大，達(dá)到1.9 dB，殼體的振動比基座激勵點有所放大；在長度和圓周方向，振動傳遞函數(shù)隨著傳播距離的增加而衰減，每米距離衰減7 dB左右；在長度方向，到兩端面的振動傳遞函數(shù)小，在-30～-25 dB左右；在圓周方向，到底部（周向0°）的振動傳遞函數(shù)小，在-22～-28 dB左右。在250 Hz時，基座A至殼體表面的振動傳遞函數(shù)分布在長度和圓周方向呈波浪形起伏，振動傳遞函數(shù)最小為-26.9 dB，最大為-2.3 dB。在500 Hz時，基座A至殼體表面的振動傳遞函數(shù)分布相對較為平緩，到兩端面的振動傳遞函數(shù)較小，在-20 dB左右，其余位置在-10～-15 dB左右。在2000 Hz時，基座A至殼體表面的振動傳遞函數(shù)分布平緩，到兩端面的振動傳遞函數(shù)較小，在-25 dB左右，其余位置在-18～-22 dB左右。

試驗結(jié)果表明，在低頻時基座沿著殼體表面的振動傳遞特性在很大程度上受到了殼體結(jié)構(gòu)徑向振動模態(tài)的影響，這是由于艙壁對殼體存在約束作用，導(dǎo)致圓柱殼體兩端的徑向剛度大，因而基座至圓柱殼體兩端的振動傳遞函數(shù)相對較小。隨著頻率的增加，基座至圓柱殼體的振動傳遞函數(shù)分布形狀與殼體表面的結(jié)構(gòu)振動模態(tài)振型有關(guān)，主要受某一階或者少數(shù)幾階模態(tài)的影響，相似于殼體結(jié)構(gòu)振型形狀；在500 Hz以上高頻，基座至殼體表面的振動傳遞函數(shù)分布較為平緩，除了兩端面的振動傳遞函數(shù)相對較小外，其余位置的振動傳遞函數(shù)較為接近。這是由于圓柱殼體結(jié)構(gòu)在高頻處的振動模態(tài)密集，振動響應(yīng)表現(xiàn)為由很多階局部振動模態(tài)的共同疊加，圓柱殼體上不同局部位置的振動傳遞函數(shù)差異較小。

圖7 基座A至殼體表面的振動傳遞函數(shù)分布Fig.7 Distributions of vibration transfer functions from the base structure A to shell

圖8為基座A在不同頻率下沿著殼體周向的振動傳遞函數(shù)分布圖。在0#肋位，基座至殼體表面的振動傳遞函數(shù)總體較小；相同頻率下的振動傳遞函數(shù)沿著殼體周向的變化不明顯，波動量在5～10 dB左右。在10#肋位，殼體前幾階振動模態(tài)所在的100～500 Hz頻率范圍內(nèi)，振動傳遞函數(shù)沿著殼體周向的變化明顯，基座安裝位置（周向180°）的振動傳遞函數(shù)最大。

圖8 基座A至殼體周向的振動傳遞函數(shù)分布Fig.8 Distributions of vibration transfer functions from the base structure A to shell surface

6.2 基座對振動傳遞的影響

圖9 基座至殼體底部的振動傳遞函數(shù)Fig.9 Distributions of vibration transfer functions from the base structure A to shell surface

為了研究基座型式及安裝位置對振動傳遞的影響，圖9給出了不同基座至殼體底部不同肋位的振動傳遞函數(shù)對比?；鵄在125 Hz低頻處，到殼體底部的振動傳遞較高，肋位對振動傳遞的影響很大，其中基座安裝位置的振動傳遞放大1.9 dB，而到端面0#肋位和20#肋位的振動傳遞分別衰減了27.1 dB、19.6 dB；在200 Hz以上頻率，基座A到殼體底部的振動傳遞函數(shù)衰減了10 dB以上，不同肋位對振動傳遞的影響減小。

基座B在200 Hz以下頻率，到殼體底部的振動傳遞均衰減20 dB以上，至端面的振動傳遞衰減達(dá)到30～40 dB。隨著頻率的提高，在不同頻率及肋位處的振動傳遞衰減出現(xiàn)起伏變化，約為10～20 dB。

基座C在200 Hz以下頻率，到殼體底部的振動傳遞衰減30 dB以上，至端面的振動傳遞衰減更加明顯。隨著頻率的提高，在不同頻率及肋位處的振動傳遞出現(xiàn)起伏變化，約為20～30 dB。

隨著頻率的提高，肋位和圓周方向?qū)φ駝觽鬟f衰減的影響減小。為了更加直觀地描述基座沿著殼體表面振動傳遞特性的一般規(guī)律，定義基座至圓柱殼體表面的等效振動傳遞函數(shù):

圖10 基座至殼體的等效振動傳遞函數(shù)Fig.10 Equivalent vibration transfer functions of base structures to shell surface

式中N為圓柱殼體表面的所有測點。等效振動傳遞函數(shù)表征了由基座單位加速度激勵引起的圓柱殼體表面整體振動水平，反映了由基座至圓柱殼體表面整體的振動傳遞能力，若已知圓柱殼體表面的輻射效率，可用于快速估算圓柱殼體表面的輻射噪聲。

基座A和基座B在160～800 Hz頻率范圍內(nèi)的等效振動傳遞函數(shù)較為接近，振動衰減在15 dB左右。基座A和基座C在800～5000 Hz頻率范圍內(nèi)的等效振動傳遞函數(shù)較為接近，振動衰減在20 dB左右。除個別頻率（50 Hz、100 Hz）外，基座C在800 Hz以下頻率至圓柱殼體表面的等效振動傳遞函數(shù)比基座A、B小10～30 dB；在160 Hz時，基座C至圓柱殼體表面的等效振動傳遞衰減達(dá)到50 dB?？傮w來說，基座C在中低頻至圓柱殼體表面的等效振動傳遞衰減明顯，這與基座C自身結(jié)構(gòu)型式的固有特性、基座與艙壁的安裝方式，以及基座的振動傳遞路徑有關(guān)?；鵆的振動傳遞路徑是通過基座的垂向振動產(chǎn)生剪切力，傳遞給艙壁后引起艙壁法向彎曲振動，再由艙壁四周以剪切力的形式從各個方向傳遞給圓柱殼體表面。在傳遞途徑中受力方向發(fā)生了兩次轉(zhuǎn)變，且傳遞到圓柱殼體的受力面積是通過艙壁四周整體接觸傳遞的，部分能量在圓柱殼體內(nèi)傳遞時相互抵消。

因此，通過合理設(shè)計圓柱殼體內(nèi)基座的結(jié)構(gòu)型式和布置，結(jié)合動力機械設(shè)備的隔振設(shè)計，可以在傳遞途徑上有效衰減振動能量的傳遞，這對于動力機械設(shè)備的中低頻振動控制具有重要的意義。

7 結(jié) 論

試驗結(jié)果表明，基座沿著殼體表面的振動傳遞特性在低頻時很大程度上受到殼體結(jié)構(gòu)振動模態(tài)的影響，傳遞函數(shù)分布與殼體表面的結(jié)構(gòu)振動模態(tài)振型有關(guān)；由于艙壁對殼體的約束作用，基座至圓柱殼體兩端的振動傳遞函數(shù)相對較小?；翚んw表面的振動傳遞函數(shù)在高頻時受到多個振動模態(tài)的共同影響，相互抵消，不同局部位置的差異較小，適合用等效振動傳遞函數(shù)描述由基座激勵引起的圓柱殼體表面整體振動水平。

圓柱殼體內(nèi)基座的結(jié)構(gòu)型式和布置位置，對傳遞到圓柱殼體表面的振動能量衰減具有重要的影響。支撐在艙壁上的基座，在中低頻時的等效振動傳遞函數(shù)比直接支撐在圓柱殼體和平臺上的基座小10～30 dB，在160 Hz時至圓柱殼體表面的等效振動傳遞衰減達(dá)到50 dB。這對于動力機械設(shè)備的中低頻振動控制具有重要的指導(dǎo)意義。

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