艦船阻振質量剛性隔振特性研究

姚熊亮 計 方 錢德進

1哈爾濱工程大學船舶工程學院，黑龍江哈爾濱 150001

2海軍裝備研究院艦船所，北京 100161

艦船阻振質量剛性隔振特性研究

姚熊亮1計 方1錢德進2

1哈爾濱工程大學船舶工程學院，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，分析了阻振質量對船體結構中振動波傳遞的阻抑特性，討論了阻振質量偏心布置對其隔振性能的影響。在此基礎之上，突破傳統柔性隔振理論的局限，開展雙層殼動力艙段阻振質量剛性隔振特性研究，從阻抗失配的角度出發，初步給出了具有高傳遞損失特性的艙壁及出海管道系統結構形式，為船舶結構聲學提供參考。研究結果表明：不同形式的阻振質量增大了船體結構的阻抗失配程度，加劇了振動波在船體結構中的波型轉換、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；阻振質量；艙壁；出海管道；剛性隔振

1 引言

船舶結構由大量的縱橫骨架、板架和艙室組成，結構噪聲在船舶結構中的傳遞規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建而成的大型鋼結構而言，材料本身的阻尼系數很低。同時，為了保證結構強度及水密性，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，開展船體結構的阻振質量剛性隔振特性研究具有重要的意義。

阻振質量是一個大而重的條體，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合處，用以隔離結構聲的傳遞［1］。Cremer等［2］對阻振質量作了簡單論述，但沒有針對阻振質量參數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激勵時阻振質量對結構聲傳遞的阻抑，并采用算例分析和實驗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驗進行了闡述。本文在上述文獻的基礎上，突破傳統隔振理論的局限性，深入探討了阻振質量對船體結構中振動波傳遞的阻抑特性，開展了雙層殼動力艙段阻振質量剛性隔振特性研究，從阻抗失配的角度出發，研究具有高傳遞損失特性的艙壁及出海管道系統結構形式。

2 振動波斜入射阻振質量傳遞機理

如圖1所示，假設一無限長阻振質量塊布設在一無限大的板上，設板的左側有單位幅值的平面彎曲波以角度φ沿x正向入射阻振質量，入射板平面彎曲波的頻率為ω，波數為kp，對于無限板，板邊界不存在波的反射，則阻振質量兩側的位移為：

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

當激勵引起的平面彎曲波Win以角度φ入射阻振質量時，使阻振質量產生z方向的彎曲振動和y方向的扭轉振動，忽略阻振質量的回轉運動，Лялуноь［7］根據板和阻振質量的耦合邊界條件求解得到透射系數：

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

阻振質量對結構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［8］。當形成擴散（二維）場的波通過阻振質量時，其隔振度定義為：

式中，＜T2＞φ為振動能通過阻振質量時的透射系數的平均值：

圖2所示為板厚3 mm，不同截面尺寸的阻振質量隔振度隨頻率變化曲線。在全透射頻率以前，阻振質量對彎曲波幾乎沒有隔離作用；在全透射頻率之后，阻振質量對振動噪聲的隔離效果越來越好，激勵頻率到達全阻隔頻率時，阻振質量的隔振效果達到最好。隨著阻振質量截尺寸的逐漸增大，全透射頻率向低頻移動，同時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，改變阻振質量的截面長度l，研究了阻振質量隔振度隨截面尺寸l的變化曲線，如圖3所示。可見，阻振質量的隔振效果對應著一個全透射尺寸，在選擇阻振質量尺寸時，應避開這一長度；也同樣存在一全隔離尺寸，阻振質量的截面大小應盡量趨近于該尺寸，使得隔振效果達到最佳。

3 偏心阻振質量阻隔振動波傳遞機理

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

rs是運動點（即板的中心）到阻振質量重心的距離：

偏心阻振質量與板連接線處產生了一個旋轉角速度w，重心處速度為：

阻振質量近似作剛體運動，與板連接線處縱向速度連續：

由阻振質量與板接線處的力與力矩平衡：

彎矩阻抗是由偏心質量的旋轉慣性和板的彎矩阻抗組成：

阻振質量的慣性矩是對板的中心點而言，因此：

聯立以上各式，得到阻振質量偏心布置產生的衍生波的透射系數：

基于互易原理，偏心阻振質量產生的附加隔聲量為：

為了分析偏心阻振質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：阻振質量偏心布置顯著提高了負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、拓寬了阻振質量的工作頻帶，同時又增加了高頻最大隔聲量的幅值。

在上述阻振質量對振動波傳遞的阻抑特性機理性分析基礎上，基于阻抗失配、波型轉換原理，在設備—基座—艇體的振動噪聲主傳遞途徑中布置剛性阻振質量，將阻振質量引入雙層殼動力艙段艙壁、出海管道系統的隔振設計之中。在此基礎上，通過數值實驗驗證阻振質量隔振設計的有效性。

4 雙層殼艙壁阻振質量環路隔振特性

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

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

其中，R為阻振質量環路的外半徑；r為阻振質量環路的內半徑；h阻振質量環路的高度。平板厚度為 3 mm，寬度為 0.3 m。

圖6所示為阻振質量環路隔振模型以及考察點布置情況。計算出各點在0～3 000 Hz頻率段上的加速度響應值，將計算得出的加速度結果轉化成傳遞函數的形式，利用各點的頻率響應以及激勵載荷頻譜，通過下式計算得到各點的加速度傳遞函數值：

式中，a（fi）為某頻率下加速度響應值；F（fi）為某頻率下激勵載荷。

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

綜上所述，在進行阻振質量環路隔振應用時，在保持阻振質量重量不變的情況下，應盡量增大其高度，同時減小其厚度，使其能更好地阻隔振動波的傳遞。并同時滿足以下條件［9］：

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

式中，fB表示所研究范圍內的最高頻率。

由上文討論可知，阻振質量環路能有效阻隔振動波的傳遞。接下來將阻振質量環路引入復雜雙殼動力艙段艙壁的剛性隔振設計中，以此考察阻振質量環路在實際船舶結構中的應用效果。

本文應用殼、梁和3D等單元構造一個接近于實艇的設備—基座—艇體一體化有限元模型，該模型不僅在形狀上和實際結構相似，而且所有的幾何參數和物理參數都是正確的。艙段模型在進行有限元網絡劃分時，其內部結構以及艦體外表面均采用每個波長范圍有5個節點的網絡劃分原則。采用振動噪聲集成分析軟件VA ONE進行分析，以動力艙段結構模態密度為判據，低頻采用FEM＋BEM方法，中高頻采用SEA方法，數值計算了10 Hz～3 kHz的振動激勵下，雙殼動力艙段含阻振質量艙壁結構振動加速度級及水下輻射聲壓，從而驗證剛性阻振質量隔振設計的有效性。

該艙段艙壁結構由橫向及縱向加強筋加固，艙壁上布置有水平桁材，且與鋪板結構相連。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量環路的動力艙段結構圖。

圖9所示為有無阻振質量環路兩種工況下，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量的存在甚至加大了結構的振動響應；隨著頻率的增加，阻振質量的隔振作用開始體現，曲線趨于平緩且峰值的個數明顯減少。艙壁上布設阻振質量環路后，動力艙段振動加速度級平均下降了2.53 dB。

圖10所示為在含阻振質量工況與不含阻振質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相似的變化規律；艙壁上布設阻振質量環路后，動力艙段輻射聲壓級平均下降3.46 dB，艙壁剛性隔振設計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量環路，建議安裝在離結構邊緣一個肋距處。

5 出海管路阻振質量塊隔振特性

現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 （典型的內徑可達200 mm以上），同時它的一端又直接與海洋相通，因此不僅要設法隔離它的結構噪聲，更要控制管中水噪聲直接向舷外輻射［10］。

管線系統的振動是一種機械振動，引起管道振動的因素較為復雜，通常，管線內部流體激擾及管外的隨機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力作用下，即使設計滿足其強度要求，也可能產生疲勞破壞.尤其是一些如焊縫連接，接管開孔等應力集中處，所以要對管道振動加以控制。由于引起管道振動的激發源非常復雜，根據振動理論，一個機械系統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］為質量矩陣；｛X｝為節點廣義坐標；［C］為阻尼矩陣；［K］為剛度矩陣；｛F｝為系統廣義力。

從上式中可看出，要改變其管線系統的振動特性，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。增加系統剛度［K］，可在管道的設計布置上盡量減少彎管個數、適當增加支承數、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，本文提出了一種工程上易于實現的管路減振降噪方法，即在管道外表面添加剛性阻振質量平衡塊，通過改變其質量矩［M］，調整系統的固有頻率可大大降低管道的振動幅值，并避免與系統產生共振。

根據艦船出海管路系統的布局進行簡化處理，在管道的中部添加阻振質量，質量塊長0.2 m，徑向厚度0.05 m，數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計算模型的示意圖。

在計算振動響應時，假設管道受到隨時間變化的激勵力的作用，為線彈性振動。設管道一端受到徑向激勵的作用，其激勵力是諧波激勵，在ANSYS中設置諧波激勵力幅值為100 N，頻率范圍10～1 000 Hz，諧響應分析的結果保存到結果文件File.RST中，從而獲得SYSNOISE聲學邊界元分析模型的節點法向速度。

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

圖13所示為添加阻振質量后，考查點1和2的輻射聲壓，計算結果選取在距右端管口1 m處。同樣可以看出，低頻段阻振質量沒有降噪效果，甚至增大了管路系統的聲輻射；隨著頻率的增大，一階固有頻率以上，阻振質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所示為阻振質量對管口聲輻射效率的影響。由圖可見，阻振質量的存在使得結構的聲輻射效率變大，這是因為阻振質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，質量塊截面尺寸越大，降低管道振動效果越顯著。然而在實際應用過程中，應綜合考慮隔振的截止頻率以及重量限制等問題，合理選擇阻振質量的尺寸。

6 結論

本文基于波動理論，分析了阻振質量對船體結構中振動波傳遞的阻抑特性；依據阻抗失配原則，開展雙層殼動力艙段阻振質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結構形式，主要結論如下：

1）阻振質量偏心布置顯著提高了負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，拓寬了阻振質量的工作頻帶。

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

3）艙壁阻振質量環路隔振設計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，阻振質量塊具有明顯的減振降噪效果，阻振質量尺寸越大，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

國防重點預研項目（40*********02）；國際科技合作項目（2007DFR80340）；

高等學校博士學科點專項科研基金（20070217074）

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

計 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