劉林波，溫華兵，吳晨暉，王 濤

(江蘇科技大學(xué)振動噪聲研究所，江蘇鎮(zhèn)江650118)

0 引言

隨著艦船的隱身性越來越受到重視，基座作為連接機械設(shè)備和船體的橋梁，在要求其剛性承載的同時，對其結(jié)構(gòu)聲學(xué)性能［1］也越來越重視。國內(nèi)外學(xué)者也開展了大量的研究，由于涉及到軍事問題，國外的文獻往往很少;國內(nèi)開展研究則較遲，但也取得了顯著的成果［1－5］。李江濤［1］設(shè)計了復(fù)合結(jié)構(gòu)基座并研究了其隔振效果。呂林華［2］在文獻 ［1］的基礎(chǔ)上研究了鋼－復(fù)合材料組合基座的設(shè)計方法，指出組合基座比鋼質(zhì)基座具有更好的隔振效果。隔離振動的有效方法是在振動能量傳遞途徑上對其吸收和使其反射，其實質(zhì)就是使結(jié)構(gòu)不連續(xù)、阻抗發(fā)生突變和非結(jié)構(gòu)材料吸收消耗部分能量，進而達到減振降噪目的［6］。本文對傳統(tǒng)鋼質(zhì)基座設(shè)計粘貼粘彈性復(fù)合材料、插入空心阻振結(jié)構(gòu)及在空心結(jié)構(gòu)中填充顆粒所構(gòu)成的復(fù)合減振方案，采用實驗研究復(fù)合減振結(jié)構(gòu)在基座結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的減振效果。

1 基座實驗?zāi)Ｐ图胺桨?/h2>

基座由面板、肋板和3塊腹板組成，底板為雙向加筋板，橫向4根、縱向3根，基座的面板尺寸為420 mm×87 mm×5 mm，肋板尺寸為420 mm×230 mm×5 mm，3塊腹板上、下邊長分別為77 mm，200 mm，厚5 mm。在基座面板取兩點作為激勵點，激勵點A位于腹板上方面板位置，激勵點B位于兩腹板之間的面板中心位置，在底板上基座四周對應(yīng)布置4個加速度響應(yīng)測點，如圖1和圖2所示。粘彈性復(fù)合材料為5 mm厚微孔發(fā)泡丁基橡膠［7］，空心阻振結(jié)構(gòu)為邊長60 mm、壁厚4 mm的方形空心型鋼，填充的顆粒為直徑1 mm鐵砂。為研究復(fù)合減振結(jié)構(gòu)對基座結(jié)構(gòu)的減振效果，設(shè)計了6種振動實驗方案如表1所示。

圖2 基座振動傳遞實驗Fig.2 Vibration transfer experiment of the pedestal

表1 基座結(jié)構(gòu)減振方案Tab.1 Vibration reduction methods of the pedestal

2 基座結(jié)構(gòu)振動傳遞分析

采用加速度導(dǎo)納描述基座結(jié)構(gòu)在單位力激勵下所引起的振動加速度響應(yīng)，加速度導(dǎo)納越大，說明基座結(jié)構(gòu)傳遞的振動響應(yīng)越大。加速度導(dǎo)納定義如下:

式中a為基座下方船體結(jié)構(gòu)上的加速度 (基準值為10－6m/s2);F為基座面板上的激勵點激振力。

一般情況下，機械設(shè)備都是通過減振器固定在基座上，將減振器安裝在激勵點B與兩腹板之間，而研究成果［8］表明當減振器安裝在腹板上方時，可以更好地減少基座振動的傳遞。為了研究激振力在基座面板上作用點對振動傳遞的影響，實驗對比分析了各方案中的原點導(dǎo)納特性。原點導(dǎo)納的大小說明了相同激勵力所引起結(jié)構(gòu)振動的容易程度，原點導(dǎo)納越大，越容易引起結(jié)構(gòu)振動。圖3給出了方案1和方案3中的原點加速度導(dǎo)納，可以看出，不同激勵點所對應(yīng)的原點導(dǎo)納呈交替狀態(tài)，總體隨頻率的增大而增大，在方案1中，低于630 Hz頻率范圍內(nèi)，激勵點A時原點導(dǎo)納較大，高于630 Hz頻率范圍內(nèi)，激勵點B時原點導(dǎo)納較大;在方案3中，低于250 Hz頻率范圍內(nèi)，不同激勵點原點導(dǎo)納基本一致，高于250 Hz頻率范圍內(nèi)，激勵點B原點導(dǎo)納更大。

在基座上粘貼阻尼層，對中高頻段振動能夠起到顯著的減振效果［5］;空心阻振結(jié)構(gòu)是一種特殊的阻振質(zhì)量，其阻振頻率范圍也主要作用于中高頻段［9］。由于在中高頻段內(nèi)激勵點A的原點導(dǎo)納較小，更有利于基座結(jié)構(gòu)的減振，本文著重對比了不同實驗方案下激勵點A時的基座結(jié)構(gòu)振動傳遞特性。

2.1 單一減振方案的減振效果

圖3 不同激勵點原點加速度導(dǎo)納Fig.3 Drive point acceleration admittance of different incentive points

圖4 基座阻尼處理后振動加速度導(dǎo)納Fig.4 Vibration acceleration admittance with pasting viscoelastic damping layer

在金屬板結(jié)構(gòu)上面粘貼阻尼層，構(gòu)成阻尼結(jié)構(gòu)，由金屬板結(jié)構(gòu)提供強度和剛度，由粘彈性阻尼材料提供阻尼，可提升結(jié)構(gòu)損耗因子，有利于振動能量的耗散，從而達到減振降噪的目的。丁基橡膠是一種阻尼性能優(yōu)異的粘彈性阻尼材料，微孔發(fā)泡技術(shù)提升了其阻尼性能［10］，在方案2中基座腹板和肋板單側(cè)粘貼了5 mm厚度微孔發(fā)泡丁基橡膠。如圖4所示為測點1和測點4的加速度導(dǎo)納，在0～500 Hz頻率范圍基座結(jié)構(gòu)的振動略有降低，高于500 Hz頻率的導(dǎo)納值衰減較明顯，最大值約10 dB。粘貼阻尼層后，在分析頻率范圍內(nèi)測點1的總導(dǎo)納衰減量最少，為3.33 dB，而測點4的總導(dǎo)納值衰減最大，達到8.9 dB。

傳統(tǒng)的阻振質(zhì)量往往采用實心方鋼、圓鋼等大質(zhì)量結(jié)構(gòu)，插入在薄殼中加劇結(jié)構(gòu)阻抗失配，振動波發(fā)生反射和透射現(xiàn)象，從而阻抑振動波在中高頻段的傳遞?？招淖枵窠Y(jié)構(gòu)是一種特殊的阻振質(zhì)量［9］，在具有整體質(zhì)量剛性阻振的同時，振動波還在空心結(jié)構(gòu)薄壁中沿不同路徑及轉(zhuǎn)角處傳遞而產(chǎn)生更多的振動衰減。將空心阻振結(jié)構(gòu)焊接插入在基座腹板、肘板中，圖5為插入空心阻振結(jié)構(gòu)后不同測點的加速度導(dǎo)納，結(jié)果顯示振動并沒有衰減，反而有所增加，測點2的增益較小，為4.38 dB，而測點3的增益明顯，達到了9.7 dB?？招淖枵窠Y(jié)構(gòu)的插入加劇了基座結(jié)構(gòu)的阻抗失配，但是也增加了基座整體剛度，同時由于焊接等加工工藝原因，基座下方船體結(jié)構(gòu)的振動反而有所增強，這說明在基座結(jié)構(gòu)中插入空心阻振結(jié)構(gòu)對振動傳遞的影響較為復(fù)雜，還需要進行優(yōu)化設(shè)計［11］。

圖5 插入空心阻振結(jié)構(gòu)后振動加速度導(dǎo)納Fig.5 Vibration acceleration admittance with inserting hollow blocking mass structure

2.2 復(fù)合減振方案的減振效果

在基座結(jié)構(gòu)上粘貼阻尼層，振動傳遞得到不同程度衰減;插入空心阻振結(jié)構(gòu)后雖然加劇了基座結(jié)構(gòu)的阻抗失配，但是振動并沒有得到衰減，甚至有所增強。因此，本文設(shè)計了多種復(fù)合減振方案，以對比研究對基座結(jié)構(gòu)的減振降噪效果。

在獨立的孔腔中填充顆粒，通過顆粒之間以及顆粒與腔體之間的摩擦和碰撞消耗系統(tǒng)能量，顆粒阻尼減振適合于抑制薄殼結(jié)構(gòu)的振動，從而實現(xiàn)減振降噪的目的。對空心阻振結(jié)構(gòu)整體而言，具有剛性阻振的性能，但其局部仍然是薄板結(jié)構(gòu)，將空心阻振結(jié)構(gòu)兩端封閉，填充1 mm直徑鐵砂顆粒，填充量為空心腔體體積的一半 (填充率50%)。圖6為復(fù)合方案中測點1和測點4的振動加速度導(dǎo)納。對比方案3和方案4可以看出，填充顆粒后在1.6kHz頻率范圍內(nèi)的加速度導(dǎo)納基本不變，而在更高頻率時隨著頻率的增加逐步衰減。填充顆粒后增加了阻振結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，有利于基座結(jié)構(gòu)的阻振，同時由于顆粒與阻振結(jié)構(gòu)壁摩擦以及顆粒之間摩擦耗散了振動能量，從而增加了基座結(jié)構(gòu)的減振效果。

圖6 復(fù)合減振方案后振動加速度導(dǎo)納Fig.6 Vibration acceleration admittance with composite vibration reduction structure

阻振結(jié)構(gòu)的實質(zhì)是使振動波在阻振結(jié)構(gòu)處發(fā)生反射和透射現(xiàn)象，僅僅將振動能量進行了重新分配，對于總體振動能量影響不大;粘彈性阻尼材料可增加結(jié)構(gòu)損耗因子，增加結(jié)構(gòu)振動能量的耗散量?；Y(jié)構(gòu)中插入阻振結(jié)構(gòu)后，再粘貼5 mm厚微孔發(fā)泡丁基橡膠，構(gòu)成復(fù)合減振方案，有利于基座結(jié)構(gòu)的減振。對于測點2，對比方案3和方案5可看出，粘貼阻尼層后在低于200 Hz頻率范圍內(nèi)基本無減振效果，在高于200 Hz頻率范圍內(nèi)減振效果逐漸明顯，在4 kHz頻率處減振效果最大，約10.5 dB。方案6在方案5的基礎(chǔ)上，在阻振結(jié)構(gòu)中填充顆粒 (填充率50%)，其減振效果更加明顯，尤其是在中高頻段，相對于方案3時基座結(jié)構(gòu)的最大減振效果達到20 dB，相對于減振前基座結(jié)構(gòu) (方案1)的總體減振效果達到了14.05 dB。

2.3 減振方案的減振效果對比分析

在基座結(jié)構(gòu)上粘貼阻尼材料，增加結(jié)構(gòu)損耗因子，是一種行之有效的減振方式;在基座中插入空心阻振結(jié)構(gòu)，能夠滿足對基座的剛性要求，又增加了基座的阻抗失配，也能起到一定的減振作用;在缺乏優(yōu)化設(shè)計的情況下，插入阻振結(jié)構(gòu)不僅不能減振，振動反而可能會有所增強。相對于減振前 (方案1)，表2所示為各減振方案的減振效果，在基座結(jié)構(gòu)中采取減振方案6具有顯著的減振效果，不同測點減振效果分別達到了10.12 dB，14.05 dB，11.20 dB，13.06 dB。因此，將單一減振方式結(jié)合起來構(gòu)成復(fù)合減振結(jié)構(gòu)，可起到較好的綜合減振效果。

表2 各減振方案的減振效果對比 (單位:dB)Tab.2 Comparison of vibration reduction effect of vibration reduction methods

3 結(jié)語

采用振動實驗研究了基座結(jié)構(gòu)的振動傳遞特性，指出將激勵力加載在基座腹板上方面板處有利于基座結(jié)構(gòu)的減振。

基座結(jié)構(gòu)多種減振方案實驗結(jié)果對比表明:單一地在基座結(jié)構(gòu)上粘貼微孔發(fā)泡丁基橡膠粘彈性阻尼材料，在分析頻率內(nèi)可有效降低基座結(jié)構(gòu)振動加速度導(dǎo)納，最大衰減值達到近10 dB;單一地將空心阻振結(jié)構(gòu)插入基座中的減振方案，振動傳遞反而可能會有所增加;將多種減振方案進行復(fù)合，構(gòu)成復(fù)合減振結(jié)構(gòu)可以大大提升基座結(jié)構(gòu)的減振效果，對于粘貼阻尼層、插入空心阻振結(jié)構(gòu)、在阻振結(jié)構(gòu)中填充顆粒阻尼的復(fù)合減振方案，減振效果可達到14.05 dB。

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