剛性阻振質量在艦船基座設計中的應用研究

姚熊亮 王強勇 孫 明 龐福振

哈爾濱工程大學船舶工程學院，黑龍江哈爾濱 150001

剛性阻振質量在艦船基座設計中的應用研究

姚熊亮 王強勇 孫 明 龐福振

哈爾濱工程大學船舶工程學院，黑龍江哈爾濱 150001

基于阻抗失配原理，分析剛性阻振質量阻隔振動波傳遞的特性，提出在艦船彈性基座中引入剛性減振器，即在艦船基座與船體結構連接部位布設剛性阻振質量，并利用有限元法對基座艙段耐壓殼體及基座板結構的振動傳遞特性進行數值仿真研究。研究結果表明：對于中高頻結構噪聲，剛性阻振質量能有效降低基座艙段耐壓殼體的振動及聲輻射，而對于低頻結構噪聲，阻振質量的減振效果不明顯，甚至沒有減振效果。這對剛性阻振技術在實艇減振降噪中的應用具有重要的參考意義。

剛性阻振質量；艦船基座；阻抗失配；減振降噪

1 引 言

艦船動力機械設備在運行時產生的振動與噪聲，其中大部分由安裝基座直接傳遞到船體結構，成為結構噪聲。在船體結構上安裝船用機械設備，通常借助中間安裝構件——隔振基座，其作用是連接設備與船體結構，承受設備的動靜載荷，傳遞船體與設備之間相互作用載荷，同時限制和阻抑設備傳遞的振動。傳統隔振設計是在設備與基礎之間配置彈性支撐或阻尼物質，這屬于柔性隔振。但實際應用中，與動力機械相連的某些設備或結構在運行時往往不允許自身有大的變形，此時采用柔性隔振技術是不適宜的，而必須研究使用剛性減振技術。

在某型軍艦上動力機械設備的隔振中，除采用常規隔振措施來阻抑結構聲振動的傳遞外，還在隔振基座和船體板之間設置了剛性阻振質量來阻抑結構聲振動的傳遞。通過對實船上剛性阻振質量的減振降噪效果的測試表明：剛性阻振質量不僅能有效地阻抑結構聲振動的傳遞，而且能保證設備或結構不會發生大的變形。

剛性阻振質量與傳統減振器的減振機理有很大不同，它屬于剛性減振器，而目前國內對剛性阻振質量這種不同于傳統柔性隔振的減振降噪措施的系統研究還比較少。Cremer L和 HecklM［1］在其關于結構聲的經典著作中，對阻振質量作了簡單的論述，但沒有針對阻振質量參數的變化對振動傳遞的影響做專門的研究。 Лялуноь［2］等采用波動分析法計算了阻振質量阻抑結構聲傳遞的透射系數和反射系數，并得到其隔振度。上海交通大學、海軍工程大學也開展了相應的研究［3－6］。本文在上述文獻的基礎上，根據阻抗失配原理，從理論和數值兩個方面研究了剛性阻振質量應用于艦船基座結構以及對基座結構隔振性能的影響，所得結論對剛性阻振技術的實艇應用具有一定的參考意義。

2 基本理論

定常結構的質量、剛度等發生突變時，會引起結構的阻抗失配，對入射波起到很好的反射作用。結構中材料物理性質的突變、截面的突變，轉角、加強肋條的存在等，都會使彈性波在傳播過程中不連續，反射或抑制一部分彈性波，從而起到隔離彈性波或結構聲波的作用。

剛性阻振質量是沿著聲振動傳播途徑配置在板結合處的一個矩形、正方形或圓形截面的大而重的條體，當激勵引起的板平面彎曲波以某一角度入射剛性阻振質量，由于阻振質量相對板而言具有大的阻抗，從而反射一部分抵達阻振質量的彎曲波，達到隔離聲振動的目的［7］。

下面以剛性阻振質量對彈性波的阻隔作用為研究對象，討論平板中阻振質量對振動波傳播規律的影響，不考慮振動波斜入射情況，取單位寬度的板結構進行研究。圖1給出了剛性阻振質量突變截面處彈性波各物理參量的變化情況。其中ν表示質點的振動速度；ω表示質點的振動角速度；F、M分別表示力和力矩。

圖1 剛性阻振質量處截面及各物理參量

根據文獻［4］，剛性阻振質量的隔振度存在全透射頻率與全隔離頻率。在全透射頻率處，阻振質量無減振效果；在全隔離頻率處，阻振質量的減振效果最佳。此外，剛性阻振質量對振動波起隔離作用的主要參數是：阻振質量與板結構的質量比、阻振質量的質量慣性矩以及板中振動波的波長，而與阻振質量的絕對質量無關。下面以3mm厚平板為例，說明各參量對隔振度的影響，其中隔振度BH（dB）的計算公式為：

式中，W1、W2分別為入射波的能量和反射波的能量；T為透射系數。

由圖2可見，隨著頻率的增大，透射系數先增大后減小，并在140 Hz處達到最大。圖3給出了剛性阻振質量截面尺寸分別為20×20（mm）、40×40（mm）、60 ×60 （mm）、80 ×80（mm）、100 ×100（mm）時，其隔聲量隨頻率的變化曲線。

圖3 剛性阻振質量隔振度隨頻率變化曲線

由圖3可以看出，剛性阻振質量對彎曲波的隔離效果非常顯著，圖中隔振度為零的頻率為全透射頻率，隔振度為無窮大的頻率為全隔離頻率。在全透射頻率以下頻率范圍內，阻振質量對彎曲波幾乎沒有隔離作用；在全透射頻率以上范圍內，隨著頻率的增大，曲線迅速抬升，阻振質量對振動噪聲的隔離效果越來越好，激勵頻率達到全隔離頻率時，阻振質量的隔振效果最好；頻率再增大，阻振質量的隔振效果有所下降，高頻時，其隔振度趨于一穩定值。另外，隨著剛性阻振質量截面積的逐漸增大，全透射頻率與全隔離頻率均向低頻移動，且隔振峰值呈下降趨勢。

3 計算模型和測點位置

3.1 基座計算模型

由前面的討論可知，剛性阻振質量的減振降噪效果與其幾何尺寸及質量分布存在很大關系，而與其絕對質量無關，在選擇剛性阻振質量尺寸時，應避開全透射時的尺寸。本文采用的艙段模型為有沿軸向均布環筋加強的耐壓殼體，殼體內對稱分布了兩行基座。艙段模型如圖4所示。

圖4 基座艙段模型示意圖

綜合考慮基座尺寸以及艙段總重量限制等問題，在與基座安裝板架連接的基座腹板上布設剛性阻振質量帶，含剛性阻振質量帶的基座模型如圖5所示。

本文所研究的基座結構模型具體尺寸如圖6所示，a／b=3，c／b=2.4，d／b=2.4。 取剛性阻振質量截面尺寸為60×60（mm），阻振質量帶的總重0.144 t，剛性阻振質量布置在基座腹板上靠近安裝板架，e／b=0.16。

圖5 含剛性阻振質量帶的基座模型

圖6 含剛性阻振質量基座尺寸示意圖

3.2 邊界條件及激勵點位置

對基座結構進行頻率響應計算，計算時將基座艙段前后各沿軸向向外延伸三檔肋位沿周向施加全約束。為了簡化計算，將設備重量以質量點的形式均布于基座面板，然后在兩邊基座面板上分別選取12個點作為設備隔振器的安裝點，設備激勵力（垂直于基座面板）通過這24個隔振器安裝點傳遞到基座上并激勵耐壓殼體振動，激勵頻率按1／3倍頻在0～1 000 Hz頻段選取。

3.3 結構測點位置

針對本文所討論的問題，在基座艙段耐壓殼體上選取15個測點，另外，為綜合考察剛性阻振質量的隔振性能，又在基座安裝板架及腹板上分別選取兩個測點，計算得到此19個測點在各頻率下的加速度響應值。結構測點布置位置見圖7。

圖7 結構測點布置示意圖

4 結果及分析

圖8給出了布設剛性阻振質量前后所取測點的加速度響應值隨激振頻率變化曲線。通過對比分析即可討論剛性阻振質量對基座隔振性能的影響規律。

圖 8（a）～（e）表示基座艙段耐壓殼體上測點的響應情況。

圖8 結構測點加速度幅頻響應特性曲線

通過比較可以看出，加剛性阻振質量基座的響應曲線有明顯位于原基座對應曲線下方的趨勢，這說明布設剛性阻振質量后基座艙段耐壓殼體的振動水平下降了，特別在高頻階段表現得愈加明顯，兩曲線間距比較大。為綜合評價剛性阻振質量的隔振性能，圖8（f）給出了基座面板上測點的響應情況，其中在高頻段布設剛性阻振質量仍使得基座面板的振動加速度級明顯下降，但隨著頻率的增大，加阻振質量基座的響應曲線有高于原基座對應曲線的趨勢，這說明布設剛性阻振質量后，基座板結構的振動有加強的趨勢。

為綜合考察布設剛性阻振質量后，基座艙段耐壓殼體在0～1 000 Hz頻段總的振動情況，對耐壓殼體上所取的15個結構測點的響應值按下式取平均聲振動級：

式中，Lai為按1／3倍頻程由所有頻譜分量的加速度響應值轉化的振動加速度級［8］；Lai=20 log ai／a0；ai為按倍頻程測得的頻譜分量的加速度響應值；a0為振動加速度基準值，本文取a0=1×10-6m／s2。所得結果如圖9所示。

圖9 耐壓殼體上各測點平均加速度幅頻響應曲線

從圖9可見，在基座腹板上布設剛性阻振質量使曲線的峰完全偏離開原基座結構形式。在500 Hz以上范圍內，加剛性阻振質量基座艙段耐壓殼體振動加速度級明顯低于原基座結構情形，但兩種情形下耐壓殼體振動加速度級隨激振力頻率變化曲線的變化趨勢基本一致；在500 Hz以下范圍內，兩種情形對應曲線相互交錯，變化趨勢復雜。從總體上來看，布設剛性阻振質量后，耐壓殼體振動加速度級相對于原基座結構有所下降，但主要集中在中高頻段，同時，布設阻振質量將使得加速度級曲線的峰明顯減少。這說明剛性阻振質量對中高頻結構噪聲會起到明顯的隔離作用，而對低頻結構噪聲則幾乎不起作用。

根據結構噪聲評價標準，如果用與噪聲級類似的表示方法——加速度分貝來描述振動級，則振動“加速度分貝”表示形式為：

式中，a1表示原基座的結構響應加速度；a2表示布設剛性阻振質量基座的結構響應加速度。

將所有頻譜分量的加速度傳遞函數響應值相加，并按式（3）得出各測點的分貝值，取有無剛性阻振質量兩種情況，計算得到各測點的減振功率級如表1所示。

表1 各測點減振效果功率級列表

由表1可以看出，當布設剛性阻振質量后，基座艙段耐壓殼體振動級的加速度分貝值平均下降了5.65 dB，而基座面板的振動水平有所上升。

5 結 論

基于阻抗失配原理，本文從理論和數值兩個方面研究了剛性阻振質量應用于艦船基座結構以及對基座結構隔振性能的影響。通過對比分析主要得到以下結論：

1）隔振結構的隔聲量存在全透射頻率與全隔離頻率，在全透射頻率處，剛性阻振質量無減振效果，在全隔離頻率處，阻振質量減振效果最佳；

2）對于中高頻段結構噪聲，剛性阻振質量起到了明顯的隔振作用，而對于低頻段結構噪聲，阻振質量的減振效果不明顯，甚至沒有減振效果；

3）剛性阻振質量反射了振動波，對基座艙段耐壓殼體產生了明顯的隔振效果，而基座板結構的振動有加強的趨勢；

4）在基座腹板上布設剛性阻振質量帶后，基座艙段耐壓殼體的振動噪聲平均下降了。

［1］ CREMER L，HECKL M，UNGAR E E.Structure－b orne Sound［M］.Second edition.Berlin：Springer－Verlag，1988.

［2］ ЛЯЛУНОЬ В Т，НLКLФОРОВ А С.ВиброизоляциЯ в судовыхконструкциЯх［J］.Л： Судостроение，1975.

［3］ 劉見華，金咸定.阻振質量阻抑結構聲的傳遞［J］.上海交通大學學報，2003，37（8）：1201－1204.

［4］ 石勇，朱錫，胡忠平.方鋼剛性減振結構對組合板振動影響的計算分析［J］.海軍工程大學學報，2003，15（2）：45－49.

［5］ 石勇，朱錫，劉潤泉.方鋼隔振結構對結構噪聲隔離作用的理論分析與試驗［J］.中國造船，2004，45（2）： 36－42.

［6］ 歐大生，易太連，馬茂.動力機械剛性阻振技術研究［J］.武漢理工大學學報，2005，29（6）：869－872.

［7］ 尼基福羅夫.船體結構聲學設計［M］.謝信，王軻，等譯.北京：國防工業出版社，1998.

［8］ NORTON M P.工程噪聲和振動分析基礎［M］.盛元生，顧偉豪，韓建民，等譯.北京：航空工業出版社，1993.

Application Research on Rigid Vibration Isolation M ass in Ship Pedestal Design

Yao Xiong－liang Wang Qiang－yong Sun Ming Pang Fu－zhen
College of Shipbuilding Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China

On the principle of impedance mismatching， the performance that rigid vibration isolation mass impedes vibration wave propagation wa s researched.Rigid vibration absorber which means adding rigid vibration isolation mass at the region ship pedestal connected with the ship structure wa s brought in ship elastic pedestal.Based on FEM， the vibration propagation characteristics of the pressure hull aswell as pedestal plates were studied through numerical simulation.The results show that， for medium－high frequency structure noise，such mass can effectively reduce the vibration and sound radiation of the pressure hull， while in low frequency， vibration isolation effect of themass is not so obvious.The results can be used for reference to rigid vibration isolationmass applying to the vibration and noise reduction of ship structure.

rigid vibration isolationmass； ship pedestal； impedancemismatch； vibration and noise reduction

U661.44

A

1673－3185（2010）03－08－05

10.3969/j.issn.1673-3185.2010.03.002

2009-10-29

國防重點預研項目（40×××××××××01）

姚熊亮（1963－），男，教授，博士生導師。研究方向：船舶與海洋工程結構物動力學。E-mail：saibei8411＠163.com

王強勇（1985－），男，碩士研究生。研究方向：船舶與海洋工程結構物動力學。E-mail：wangqiangyong666＠163.com