實(shí)船基座阻抗對(duì)泵組浮筏隔振裝置性能影響分析

謝志強(qiáng)

（中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心船舶振動(dòng)噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430064）

0 引 言

浮筏隔振裝置因可以減少振源設(shè)備傳遞至船體的振動(dòng)，降低其水下輻射噪聲，廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外艦船設(shè)備的振動(dòng)隔離.目前評(píng)價(jià)浮筏隔振裝置性能的方法主要采用隔振效果的方法［1］，即將浮筏上設(shè)備機(jī)腳的平均加速度振級(jí)進(jìn)行能量平均，再與基座測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度能量平均的結(jié)果相減得到浮筏隔振裝置的隔振效果.

目前國(guó)內(nèi)針對(duì)浮筏隔振裝置設(shè)計(jì)及性能計(jì)算進(jìn)行了大量深入的研究［2-5］，可用于指導(dǎo)隔振裝置的設(shè)計(jì)及優(yōu)化，并通過(guò)樣機(jī)配機(jī)試驗(yàn)進(jìn)行隔振效果驗(yàn)證，但由于實(shí)船安裝環(huán)境與配機(jī)試驗(yàn)存在一定差異，特別是由于實(shí)船基座阻抗不足，導(dǎo)致某些隔振裝置上船后實(shí)船隔振效果不理想，對(duì)產(chǎn)品交貨甚至艦船建造周期造成潛在的風(fēng)險(xiǎn)［6］.

本文結(jié)合實(shí)船試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)分析，以某船泵組浮筏隔振裝置作為對(duì)象進(jìn)行深入分析，得到實(shí)船基座阻抗對(duì)泵組浮筏隔振裝置隔振性能影響分析結(jié)論.

1 泵組浮筏隔振裝置實(shí)船隔振效果分析

泵組浮筏隔振裝置由泵組、筏架、上層隔振器、下層隔振器等組成.筏上兩臺(tái)泵并排臥式安裝，每臺(tái)泵均采用4個(gè)上層隔振器與筏架相連，筏架與船體基座連接采用6個(gè)下層隔振器，泵進(jìn)出口管路通過(guò)橡膠軟管與系統(tǒng)管路相連，泵組浮筏隔振裝置見(jiàn)圖1.實(shí)船工作狀態(tài)下僅開(kāi)啟其中的1臺(tái)泵.

圖1 泵組浮筏隔振裝置示意圖

在某船上前后輔機(jī)艙分別安裝了1＃和2＃2套泵組浮筏隔振裝置（以下簡(jiǎn)稱1＃隔振裝置和2＃隔振裝置），在系泊試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)1＃隔振裝置隔振效果良好，但2＃隔振裝置則不佳，其隔振效果僅24.0dB，其振動(dòng)傳遞特性曲線見(jiàn)圖2.10～125Hz頻率范圍內(nèi)隔振效果為30.8dB，滿足設(shè)計(jì)要求，而160 Hz～10kHz頻率范圍內(nèi)隔振效果僅為24.0dB，整個(gè)頻率范圍內(nèi)基座振級(jí)為96.0dB.

2＃隔振裝置與相同工況下的1＃隔振裝置隔振效果相比差11.3dB，見(jiàn)圖3.2 套隔振裝置在中低頻率范圍內(nèi)隔振效果基本相當(dāng)，甚至2＃隔振裝置還略好，但在160～5000 Hz頻率范圍內(nèi)2＃隔振裝置隔振效果普遍較差，在1600 Hz中心頻率處最大相差23.5dB，同時(shí)由于泵機(jī)腳振動(dòng)能量主要集中在中高頻段范圍內(nèi)，最終導(dǎo)致2＃隔振裝置隔振效果不佳.在實(shí)船現(xiàn)場(chǎng)初步排除了泵進(jìn)出口管路振動(dòng)傳遞至基座對(duì)隔振效果的影響，并通過(guò)基座阻抗測(cè)量、隔振效果換算等工作證明了2＃隔振裝置基座阻抗不足是導(dǎo)致其隔振效果不佳的主要原因.

圖2 2＃隔振裝置振動(dòng)傳遞特性曲線

圖3 兩套隔振裝置隔振效果對(duì)比圖

2 基座阻抗對(duì)隔振效果影響研究

將實(shí)船泵組浮筏隔振裝置簡(jiǎn)化為一個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)振動(dòng)子系統(tǒng)［7］，見(jiàn)圖4.則設(shè)備機(jī)腳響應(yīng)速度v1和基座安裝點(diǎn)響應(yīng)速度v2表示為

式中：v0為設(shè)備機(jī)腳自由振速；F1為設(shè)備機(jī)腳對(duì)隔振器的作用力；YS為設(shè)備機(jī)腳導(dǎo)納矩陣；v2為基座響應(yīng)速度；F2為下層隔振器對(duì)基座的作用力；YR為基座導(dǎo)納矩陣.

圖4 隔振系統(tǒng)4端參數(shù)

利用4端參數(shù)法，機(jī)腳、基座上下兩端的速度可以表示為

式中：Yii、Yij分別表示點(diǎn)導(dǎo)納和傳遞導(dǎo)納.

由以上公式可以推導(dǎo)得到設(shè)備機(jī)腳響應(yīng)速度v1、基座響應(yīng)速度v2與設(shè)備機(jī)腳自由振速v0之間的關(guān)系：

當(dāng)設(shè)備安裝基座阻抗發(fā)生變化時(shí)，可以通過(guò)自由振速v0的不變性，相應(yīng)的計(jì)算得到該基座上的隔振器上下端速度及受力，公式如下.

由此可以得到簡(jiǎn)化的隔振系統(tǒng)速度傳遞率為

式中：ZR為基座阻抗.式（6）推導(dǎo)過(guò)程中運(yùn)用到基座阻抗遠(yuǎn)大于等效隔振器輸出端阻抗Z22.

對(duì)式（6）兩邊取對(duì)數(shù)，乘以系數(shù)得到隔振裝置隔振效果與基座阻抗的關(guān)系

對(duì)2個(gè)不同的基座，由于基座阻抗差別引起的隔振效果可以表示為

式（8）即為不同基座阻抗之間隔振裝置隔振效果的轉(zhuǎn)換關(guān)系式.

3 實(shí)船基座阻抗測(cè)量

在實(shí)船條件下測(cè)量了2套隔振裝置基座原點(diǎn)速度阻抗，每個(gè)下層隔振器安裝點(diǎn)均單獨(dú)進(jìn)行阻抗測(cè)量，每個(gè)測(cè)點(diǎn)原點(diǎn)速度阻抗表示為

圖5 基座阻抗錘擊測(cè)量系統(tǒng)示意圖

圖6 實(shí)船基座阻抗錘擊圖

式中：Zi（ω）為i點(diǎn)的阻抗，N·s／m；Fi（ω）為i點(diǎn)的激勵(lì)力，N；vi（ω）為i點(diǎn)的響應(yīng)速度，m／s.

測(cè)量按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［8］執(zhí)行.測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)無(wú)干擾振源，背景振動(dòng)加速度級(jí)（10 Hz～10kHz）小于測(cè)量振動(dòng)加速度級(jí)10dB 以上.由于2＃隔振裝置在160～5000 Hz頻率范圍內(nèi)隔振效果較差，因此采用較硬的紫銅頭進(jìn)行錘擊，獲取兩個(gè)基座100～5000Hz頻率范圍內(nèi)的原點(diǎn)速度阻抗.

測(cè)量系統(tǒng)為B&K 3560D 型噪聲振動(dòng)多分析系統(tǒng)，力錘為PCB086C05 型，加速度傳感器為B&K 4513加速度計(jì).

兩套泵組隔振裝置基座速度阻抗測(cè)量值如圖7所示，由圖可以看出2＃隔振裝置基座各點(diǎn)阻抗有很大不均勻性，測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)5阻抗值明顯較其他測(cè)點(diǎn)阻抗值低，中高頻阻抗量級(jí)在103量級(jí)，與1＃隔振裝置基座速度阻抗相比明顯偏低，可見(jiàn)2＃隔振裝置基座偏弱，需要優(yōu)化改進(jìn).

4 基座阻抗與隔振效果轉(zhuǎn)換

通過(guò)實(shí)船基座阻抗測(cè)量證明了2＃隔振裝置基座振級(jí)偏高、隔振效果不佳的主要原因在于其基座阻抗不足.2套隔振裝置每個(gè)中心頻率處隔振效果相差的分貝數(shù)與基座阻抗相差的分貝數(shù)除個(gè)別點(diǎn)差別較大外其趨勢(shì)基本一致，誤差大部分在3dB以內(nèi)，見(jiàn)圖8，近似滿足式（8），差別與背景噪聲、基座各測(cè)點(diǎn)之間的振動(dòng)耦合及管路振動(dòng)傳遞至基座等因素有關(guān).

圖7 兩套泵組浮筏隔振裝置基座阻抗測(cè)量值

根據(jù)不同基座阻抗之間隔振裝置隔振效果的轉(zhuǎn)換關(guān)系式，若將2＃隔振裝置基座優(yōu)化設(shè)計(jì)，其中高頻段阻抗提高到1＃隔振裝置基座阻抗水平，則其隔振效果將提高到36.1dB，基座加速度振級(jí)將降低12.1dB，見(jiàn)圖9.

圖8 隔振效果與阻抗相差對(duì)比圖

圖9 基座阻抗提高前后基座振級(jí)對(duì)比圖

5 結(jié) 論

本文利用4端參數(shù)法，推導(dǎo)了實(shí)船不同基座阻抗之間隔振裝置隔振效果的轉(zhuǎn)換關(guān)系式，并以實(shí)船兩套泵組浮筏隔振裝置測(cè)量數(shù)據(jù)分析進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明：

1）基座阻抗不足是導(dǎo)致實(shí)船2＃泵組浮筏隔振裝置隔振效果不佳的主要原因；

2）在基座的阻抗大于隔振器輸出阻抗的情況下，相同隔振裝置安裝在不同基座上隔振效果相差的分貝數(shù)與基座阻抗相差的分貝數(shù)近似相等；

3）受實(shí)船測(cè)量因素的影響，背景噪聲、基座測(cè)點(diǎn)之間的振動(dòng)耦合及管路振動(dòng)傳遞至基座等因素引起某些頻率點(diǎn)轉(zhuǎn)換關(guān)系存在一定的差別，在后續(xù)研究中需要進(jìn)一步考慮.

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