倪　杰，溫華兵，仲啟東

含阻振質(zhì)量基座的艙室聲振特性FE-SEA法分析

倪杰，溫華兵，仲啟東

（江蘇科技大學(xué) 振動與噪聲研究所，江蘇 鎮(zhèn)江，212003）

基于波動理論分析實(shí)心阻振質(zhì)量阻抑振動波傳遞特性，根據(jù)阻抗失配與波動形式轉(zhuǎn)換原理，設(shè)計(jì)矩形空心與實(shí)心阻振質(zhì)量回路結(jié)構(gòu)并引入到主機(jī)基座周圍。以模態(tài)密度為劃分子結(jié)構(gòu)依據(jù)，將整船結(jié)構(gòu)劃分為FE子結(jié)構(gòu)和SEA子結(jié)構(gòu)。采用FE-SEA混合法對模型的艙室聲振特性進(jìn)行預(yù)測，與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對比，驗(yàn)證仿真結(jié)果的有效性。與原始結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比，分析阻振質(zhì)量對基座結(jié)構(gòu)振動波阻抑特性。結(jié)果表明：布置矩形阻振質(zhì)量回路后，含有空心阻振質(zhì)量結(jié)構(gòu)的艙室較原始基座結(jié)構(gòu)和實(shí)心阻振結(jié)構(gòu)有較好的減振降噪效果，尤其在中頻段減振降噪效果明顯優(yōu)于低頻段降噪效果。

振動與波；阻振質(zhì)量；FE-SEA混合法；艙室；中頻；減振降噪

隔振基座是安裝在船體與機(jī)械設(shè)備中間的構(gòu)件，其作用是連接設(shè)備與船體結(jié)構(gòu)，承受著設(shè)備產(chǎn)生的動靜載荷。同時(shí)用于抑制設(shè)備所產(chǎn)生的振動。研究表明，設(shè)備的振動不僅會影響機(jī)艙設(shè)備的正常運(yùn)行和使用壽命，而且還會通過船體結(jié)構(gòu)向水中輻射形成結(jié)構(gòu)輻射噪聲。因此，需要對艙室基座進(jìn)行隔振設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的隔振設(shè)計(jì)屬于柔性隔振，是在設(shè)備與基礎(chǔ)之間配置彈性支撐或在基座結(jié)構(gòu)上敷以阻尼材料［1］。Cremer和 Heckl最早提出阻振質(zhì)量（Blocking mass）的概念，并在其著作里面對其阻波特性進(jìn)行分析［2］。結(jié)構(gòu)中材料屬性突變、截面積突變、轉(zhuǎn)角、加強(qiáng)肋等不連續(xù)因素的存在，會使彈性波在傳播過程中發(fā)生反射現(xiàn)象，從而起到隔離一部分彈性波傳播的作用［3］。姚熊亮、田正東等研究了阻振質(zhì)量偏心距對基座結(jié)構(gòu)隔振特性的影響，給出了基座阻振質(zhì)量隔振效果的工程快速預(yù)報(bào)計(jì)算公式［4-5］。許多學(xué)者研究了實(shí)心阻振結(jié)構(gòu)尺寸及布置位置對結(jié)構(gòu)的阻振性能的影響［6-9］。

本文從阻振質(zhì)量引起阻抗失配原理出發(fā)，將矩形空心與實(shí)心阻振質(zhì)量閉式回路結(jié)構(gòu)引入到動力艙室基座周圍結(jié)構(gòu)的剛性隔振設(shè)計(jì)中，在聲學(xué)軟件VA-One中建立FE-SEA模型并進(jìn)行仿真數(shù)值計(jì)算。根據(jù)數(shù)值仿真結(jié)果，分析阻振質(zhì)量回路對全回轉(zhuǎn)工作船艙室聲振特性的影響，對鋪板結(jié)構(gòu)聲學(xué)設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。

1　空心阻振回路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

研究對象為全回轉(zhuǎn)工作船，主機(jī)額定功率1 800 kW，額定轉(zhuǎn)速750 r/min。在MSC.Patran軟件中建立工作船船體結(jié)構(gòu)的幾何外形，導(dǎo)入VA-One軟件后，依據(jù)船體結(jié)構(gòu)的艙室布置，將整船劃分成機(jī)艙、駕駛臺、船員室、會議室、高級船員室等艙室，將組成艙室的船體結(jié)構(gòu)劃分成若干模塊，建立船體結(jié)構(gòu)的SEA子系統(tǒng)如圖1所示。各艙室內(nèi)部空間簡化為聲腔。

圖1　船體總布置圖

基于實(shí)心阻振質(zhì)量阻抑機(jī)理，質(zhì)量回路引入到全回轉(zhuǎn)工作船的動力設(shè)備周圍的剛性隔振設(shè)計(jì)中［10］。為了簡化設(shè)計(jì)過程，設(shè)計(jì)截面尺寸為60 mm× 60 mm，同時(shí)為了設(shè)計(jì)出合理的結(jié)構(gòu)厚度尺寸，對艙室基座的阻振質(zhì)量結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，在VAOne中對阻振質(zhì)量的厚度尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)厚度尺寸變量為h=1 mm～20 mm，間隔1 mm，通過分析各個(gè)厚度尺寸下艙室的振動加速度合成值來確定最優(yōu)厚度尺寸。為了更好地揭示阻振質(zhì)量對艙室結(jié)構(gòu)的隔振規(guī)律且考慮到機(jī)艙艙室內(nèi)機(jī)械設(shè)備及管系較為集中的因素，分析振動特性的艙室是靠近基座的機(jī)艙集控室。阻振質(zhì)量總重量隨著結(jié)構(gòu)參數(shù)變化而變化，結(jié)構(gòu)各尺寸參數(shù)如表1。圖2為各厚度尺寸下集控室地板加速度級優(yōu)化結(jié)果。

表1　組合阻振質(zhì)量結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2　加速度級優(yōu)化尺寸

由圖2可以看出，在對結(jié)構(gòu)厚度進(jìn)行了優(yōu)化分析后，結(jié)構(gòu)的最優(yōu)厚度尺寸為5.5 mm，因此設(shè)計(jì)了空心阻振結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)模型，空心阻振結(jié)構(gòu)為60 mm× 60 mm空心型鋼，壁厚為5.5 mm，密度為7 800 kg/m3。在質(zhì)量不變的情況下設(shè)計(jì)實(shí)心阻振質(zhì)量結(jié)構(gòu)并與空心阻振質(zhì)量結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比。表2為空心阻振質(zhì)量與實(shí)心阻振質(zhì)量參數(shù)。

表2　阻振質(zhì)量參數(shù)

2　FE-SEA混合模型的建立

為了對中低頻聲振特性進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)報(bào)，采用振動噪聲集成分析軟件VA One，對模型進(jìn)行FE-SEA混合法分析［11-13］。由于組成船體結(jié)構(gòu)的面板數(shù)量較多，面板面積較大，面板模態(tài)數(shù)隨著頻率升高而增大，在全頻域變化較大，采用從低頻到高頻逐漸由FE子系統(tǒng)過渡到SEA子系統(tǒng)的方式建模會使建模過程過于復(fù)雜，因而通過在特定頻段劃分子系統(tǒng)的方法，建立FE-SEA模型可簡化建模過程［14］。在FESEA混合法中，用統(tǒng)計(jì)能量法描述模態(tài)密度密集的板結(jié)構(gòu)，用有限元法描述剛度大、固有頻率高的阻振質(zhì)量和基座結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜結(jié)構(gòu)的聲振性能分析。主機(jī)基座結(jié)構(gòu)和基座下方設(shè)計(jì)的阻振質(zhì)量結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)剛度較大，單位頻帶內(nèi)的模態(tài)個(gè)數(shù)較小，在100 Hz～800 Hz頻段的模態(tài)個(gè)數(shù)小于5，應(yīng)采用確定性子系統(tǒng)建模。其它面積較大剛度較低的結(jié)構(gòu)由于模態(tài)密度較高，在大于100 Hz的頻帶內(nèi)的模態(tài)個(gè)數(shù)大于5，應(yīng)采用統(tǒng)計(jì)能量子系統(tǒng)建模，在這個(gè)頻段內(nèi)整船結(jié)構(gòu)既含有確定性子系統(tǒng)又含有統(tǒng)計(jì)性子系統(tǒng)，從而根據(jù)混合法理論將100 Hz～800 Hz頻率范圍視為中間混合頻段簡稱中頻段，并建立了一個(gè)完全耦合并含有FE子系統(tǒng)和SEA子系統(tǒng)的FE-SEA混合法模型，以傳遞各子結(jié)構(gòu)的振動能量。為了描述艙室的振動和聲學(xué)性能，驗(yàn)證剛性阻振質(zhì)量隔振降噪設(shè)計(jì)的有效性，引入了機(jī)械阻抗、振動加速度級、聲壓級三個(gè)物理量，給定的振動激勵(lì)頻率為20 Hz～1 000 Hz。圖3給出了動力艙段鋪板動力設(shè)備周圍布置阻振質(zhì)量回路的FE-SEA混合模型。各子系統(tǒng)模態(tài)密度如表3所示。

圖3　基座結(jié)構(gòu)混合法模型

表3　船體各子系統(tǒng)參數(shù)和模態(tài)密度

3　主機(jī)激勵(lì)參數(shù)的確定

本文僅考慮主機(jī)激振力和聲功率［15］。主機(jī)激振力根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出

式中La為振動加速度等級；M為發(fā)動機(jī)質(zhì)量；NH為發(fā)動機(jī)額定轉(zhuǎn)速；N為發(fā)動機(jī)工作轉(zhuǎn)速；PH為額定功率。根據(jù)主機(jī)激勵(lì)的振動加速度級和基座結(jié)構(gòu)的阻抗特性求出主機(jī)激振力頻譜如圖4所示。

圖4　主機(jī)激振力頻譜圖

主機(jī)的聲功率可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出

式中NH為額定功率；nH為額定轉(zhuǎn)速；n為工作轉(zhuǎn)速。根據(jù)主機(jī)聲功率級求出的聲功率頻譜如圖5所示。

圖5　主機(jī)聲功率頻譜

4　艙室聲振特性分析

為了驗(yàn)證仿真預(yù)報(bào)結(jié)果的正確性，在工作船主機(jī)處于100%負(fù)荷工況（即轉(zhuǎn)速為750 r/min）時(shí)，對實(shí)船進(jìn)行相應(yīng)的噪聲測試實(shí)驗(yàn)。測量儀器為B&K 2250噪聲測量儀，選擇會議室為實(shí)驗(yàn)分析的艙室。測出的數(shù)據(jù)將與仿真值進(jìn)行對比。圖6為會議室實(shí)驗(yàn)值與仿真結(jié)果對比圖。表4為兩種結(jié)構(gòu)下的會議室仿真分析得到的總聲量值與減噪量。

由圖6可以看出：含有阻振質(zhì)量的兩種設(shè)計(jì)基座結(jié)構(gòu)與原始基座結(jié)構(gòu)通過FE-SEA混合法分析得到的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值趨勢一致，各艙室的實(shí)驗(yàn)值與原始結(jié)構(gòu)的誤差平均值為2.6 dB，尤其在100 Hz～800 Hz中頻段的誤差值為1.9 dB，通過FE-SEA混合法分析得到的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值較為吻合。含空心阻振質(zhì)量結(jié)構(gòu)的艙室噪聲量較原始結(jié)構(gòu)的仿真值有較為明顯下降，會議室的降噪效果為2.3 dB，而實(shí)心阻振質(zhì)量結(jié)構(gòu)的減噪效果在低頻段與空心結(jié)構(gòu)相差不大，但是在80 Hz以上的頻率段明顯不如空心結(jié)構(gòu)。而空心阻振結(jié)構(gòu)的主要減噪頻率范圍在80 Hz～250 Hz，在這個(gè)頻率段內(nèi)的各艙室降噪平均值為2.56 dB，有較好的降噪效果，空心結(jié)構(gòu)與實(shí)心結(jié)構(gòu)的主要差別原因是由于在低頻區(qū)，空心阻振質(zhì)量與實(shí)心阻振質(zhì)量對入射波的反射能力差別不大；但在高頻區(qū)，空心阻振質(zhì)量的反射能力逐漸凸顯［16］，因此艙室在80 Hz以下的兩種阻振質(zhì)量結(jié)構(gòu)的減噪效果相差不大，但在中高頻段空心結(jié)構(gòu)較實(shí)心結(jié)構(gòu)相差了1.27 dB，對于中高頻段有明顯的抑制作用。

圖6　實(shí)驗(yàn)值與仿真結(jié)果對比圖

表4　艙室的減噪效果/dB（A）

為了分析設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的隔振性能，選取機(jī)艙兩臺主機(jī)中心點(diǎn)為機(jī)械阻抗數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，阻抗數(shù)據(jù)頻譜如圖7所示。對機(jī)艙艙室的振動特性進(jìn)行分析，圖8為機(jī)艙艙室振動加速度級頻譜圖。

由圖7與圖8可以看出：引入了阻振質(zhì)量回路結(jié)構(gòu)后，空心阻振質(zhì)量結(jié)構(gòu)在全頻段內(nèi)阻抗值較原始結(jié)構(gòu)高4.02 dB，振動加速度減少了3.63 dB，而實(shí)心結(jié)構(gòu)的阻抗值高了1.99 dB，振動加速度減少了2.32 dB；同樣由于“低通濾波器”的特性，在低頻段艙室的實(shí)心與空心結(jié)構(gòu)的阻抗性能與減振效果相差不大［16］；隨著頻率的增大，空心結(jié)構(gòu)的阻抗性能與減振效果明顯好于實(shí)心與原始結(jié)構(gòu)；尤其在80 Hz～250 Hz頻區(qū)，阻抗特性和減振效果尤為明顯，阻抗較原始結(jié)構(gòu)高4.53 dB，而機(jī)艙艙室的振動加速度較原始結(jié)構(gòu)減少了4.86 dB，且在200 Hz處阻振質(zhì)量明顯削弱了振動峰值，說明空心阻振質(zhì)量在寬頻范圍內(nèi)，對隔離振動波的傳遞非常有效。

圖7　中間點(diǎn)機(jī)械阻抗圖

圖8　機(jī)艙集控室加速度級

5　結(jié)語

基于波動理論，分析了實(shí)心阻振質(zhì)量的振動波傳遞特性。根據(jù)阻振質(zhì)量的聲振特性設(shè)計(jì)出了矩形空心阻振質(zhì)量閉式回路結(jié)構(gòu)，采用FE-SEA混合法對該結(jié)構(gòu)的聲振特性進(jìn)行數(shù)值分析，通過與原始結(jié)構(gòu)的聲振特性對比，得到以下結(jié)論：

（1）含有阻振質(zhì)量基座結(jié)構(gòu)與原始基座結(jié)構(gòu)通過FE-SEA混合法分析得到的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值趨勢一致，各艙室的實(shí)驗(yàn)值與仿真結(jié)果誤差較小，尤其在100 Hz～800 Hz中頻段內(nèi)的精度較高，能夠?qū)ψ枵褓|(zhì)量結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行較為精準(zhǔn)的仿真分析。

（2）在引入空心與實(shí)心阻振質(zhì)量結(jié)構(gòu)后，艙室的聲振特性在低頻段減噪降噪效果差異不大。隨著頻率的升高，空心結(jié)構(gòu)的效果突顯，主要的減振降噪頻率范圍在80 Hz～250 Hz中間頻區(qū)，中間頻段內(nèi)變化趨勢平緩，在200 Hz處阻振質(zhì)量明顯削弱了結(jié)構(gòu)的振動峰值。空心阻振質(zhì)量在中高頻段的減振降噪效果明顯好于實(shí)心結(jié)構(gòu)。

（3）對全回轉(zhuǎn)工作船基座進(jìn)行空心阻振質(zhì)量結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得機(jī)艙艙室的阻抗較原始結(jié)構(gòu)高4.02 dB，振動加速度減少3.63 dB，會議艙室噪聲量較原始結(jié)構(gòu)下降了2.3 dB。因此，空心阻振質(zhì)量結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有較好的減振降噪效果，具有一定的工程意義。

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Analysis of the Cabin Vibro-acoustic Performance of Blocking Masses Pedestal Structure Based on FE-SEA

NIJie，WEN Hua-bing，ZHONG Qi-dong
（Institute of Noise and Vibration，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，Jiangsu China）

The vibration attenuating function of the blocking mass is analyzed based on the wave theory.The closed loop structures of box-shaped and solid blocking masses are designed and introduced to the main engine pedestal according to the principle of impedance mismatching and wave conversion.On the basis of the modal density，the overall ship structure is divided into FE substructure and SEA substructure.The FE-SEA hybrid method is introduced to predict the vibro-acoustic performance of the cabin.Comparing with the experimental data，the validity of the simulation results is verified.Comparing the cabin's vibro-acoustic performance of the closed loop pedestal structure with box-shaped hollow blocking masses with that of the original pedestal structure，the influence of the blocking masses on the vibration suppression effect of the pedestal structure is analyzed.It is shown that the cabin with hollow blocking masses structure has better performance of vibration isolation and noise reduction than that with the solid blocking masses and the original structure.Especially in middle frequency domain，performance of vibration isolation and noise reduction is better than the performance in low frequency domain.

vibration and wave；blocking masses；FE-SEA hybrid method；cabin；middle frequency；vibration isolation and noise reduction

TH113.1

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.03.014

1006-1355（2016）03-0066-04+75

2015-11-20

倪杰（1989-），男，江蘇鹽城人，碩士研究生，研究方向?yàn)檎駝釉肼暱刂啤-mail：nijiehaishi@163.com

溫華兵（1977-），男，江蘇鎮(zhèn)江市人，副教授，博士，研究方向?yàn)檎駝釉肼暱刂?。E-mail：wen-huabing@163.com

通訊作者：仲啟東（1988-），男，江蘇連云港人，碩士研究生，研究方向?yàn)檎駝釉肼暱刂啤-mail：237519773@qq.com