船舶典型結構構件損耗因子試驗研究*

張志軍，吳 闖，龐福振，3，李海超

(1.中國艦船研究設計中心701 所，湖北 武漢430000;2.哈爾濱工程大學 船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱150001;3.中國人民解放軍92581 部隊，北京100161)

0 引 言

在水面艦艇機械噪聲預報領域，國內廣大學者普遍認為設備激勵船體結構振動產生的結構聲輻射是水面艦艇機械噪聲的主要成份，并提出分別采用聲學有限元法和統計能量分析(statistical energy analysis，SEA)法等方法對水面艦艇針對低頻機械噪聲和中高頻機械噪聲進行預報。聲學有限元法僅對低頻噪聲預報較為有效;在高頻段采用統計能量法［1～5］對水面艦艇高頻機械噪聲預報可在保障計算精度的前提下較好地降低計算規模，提高計算效率。

采用統計能量分析法進行計算，關鍵的環節是對復雜結構系統的模態密度、內部損耗因子和耦合損耗因子三參數準確的估算［6］。其中，損耗因子是衡量系統的阻尼特性并決定其振動能量耗散能力的重要參數，所以，也稱為阻尼損耗因子。耦合損耗因子是統計能量分析中唯一用于表征耦合系統間能量交換的重要參數。獲得損耗因子的方法很多，包括理論分析方法和實際測量方法，是統計能量分析法研究的一個熱門。

結構或材料損耗因子最常用且最可靠的確定途徑是通過測量來決定。目前，諸如半功率法、模態圓擬合法都是伴隨模態分析與參數識別技術而產生的，測量結果是結構的單頻損耗因子，即模態損耗因子。用于測量頻帶平均內損耗因子的方法通常有穩態能量流法和瞬態衰減法［7］。但是穩態能量流法需要準確計算輸入功率，這無疑給測量內損耗因子帶來不便，誤差也會很大。瞬態衰減法適用于快速估算結構和聲容積的頻帶平均內損耗因子，且無需測量輸入功率，其統計誤差相對較小。根據自由振動信號的衰減特點，利用Hilbert 變換得到響應信號的包絡線函數，實現結構在任意頻率范圍內的頻率平均內損耗因子的測量［8，9］。

1 試驗原理

假設結構受力錘敲擊后的加速度響應信號為實函數x(t)，其對應的Hilbert 變換為

其逆變換為

式中 *表示卷積。

于是得實函數的解析信號為

u(t)的復數表達式為

2 試驗方案

2.1 試驗模型

試驗主要是測試船用典型結構構件損耗因子，考慮橫艙壁板架1#、舭部外板板架2#和船底外板板架3#三種典型結構，共有3 塊尺度不同的加筋板架作為試驗模型。模型的材質全部采用CCS 船用鋼，試驗環境為空氣，試驗構件采用彈性繩吊裝的方式進行固定。模型尺寸和圖形如表1，模型實物如圖1 所示。

2.2 試驗過程和布置

試驗時，用力錘敲擊構件不同位置，由布置在構件表面上典型位置處的加速度傳感器測量構件振動響應的衰減情況。對從敲擊構件開始直至構件響應至微小的完整過程中的加速度響應信號進行記錄。試驗布置如圖2 所示。

表1 試驗模型件具體尺寸表Tab 1 Size table for test model

圖1 舭部板架實物Fig 1 Physical map of bilge plate

圖2 瞬態衰減法測量構件損耗因子試驗框圖Fig 2 Block diagram of component loss factor measured by transient decay method

3 數據處理和結果

3.1 數據處理

以加速度計記錄的加速度響應信號為基礎，通過Hilbert 變化得到響應信號的包絡線，計算由包絡線取對數得到的衰減曲線斜率絕對值，該絕對值即是結構阻尼，再將得到的結構阻尼除以頻率的2 倍得到該中心頻點代表頻段內的平均損耗因子。試驗數據處理流程如圖3 所示。

圖3 試驗數據處理流程框圖Fig 3 Flow chart of test data processing

首先，將各通道采集來的數據經Matlab 軟件處理轉化后得到響應信號。其中，第九通道測量的響應信號數據經處理后如圖4 所示。

圖4 第九通道測量的加速度響應信號ig 4 Acceleration response signal measured in the ninth channel

得到加速度時歷曲線后，然后需要對每一個通道的加速度時歷曲線做Hilbert 變換，得到20 ～8 000 Hz 頻段上響應信號包絡線斜率圖，然后以1/3 倍頻程劃分頻率區間，給出各頻率區間中心頻點處的響應信號包絡線斜率圖，該斜率即為當前通道在1/3 倍頻程中心頻點處的阻尼。80 Hz 1/3 倍頻程時響應信號的衰減曲線和包絡線斜率如圖5 所示。

圖5 第九通道測量的響應信號Fig 5 Response signal measured in the ninth channel

最后，再將阻尼除以頻率的2 倍得到該中心頻點代表頻段內的平均損耗因子，同理，可得到1/3 倍頻程其他中心頻點處的平均損耗因子。艙壁板架結構1/3 倍頻程損耗因子曲線如圖6 所示。

圖6 橫艙壁板架結構1/3 倍頻程損耗因子曲線Fig 6 1/3 octave loss factor curve of transverse bulkhead plate frame

3.2 數據處理結果

由以試驗測試和數據處理方法，同理，可得到船舶典型結構舭部外板板架和船底外板板架兩種典型結構的1/3 倍頻程損耗因子曲線，如圖7，圖8 所示。

圖7 舭部外板板架結構1/3 倍頻程損耗因子曲線Fig 7 1/3 octave loss factor curve of bilge plate frame

圖8 船底板板架結構1/3 倍頻程損耗因子曲線Fig 8 1/3 octave loss factor curve of bottom plate frame

由圖6 ～圖8 可知，測試得到的艦船典型結構構件包括橫艙壁板架、舭部外板板架和船底外板板架的損耗因子基本是10－3量級上。其中，橫艙壁板架損耗因子隨頻率變化曲線在40，315，3 150 Hz 頻點處出現峰值，但整體上損耗因子變化比較平緩，在40 ～315 Hz，315 ～3 150 Hz，3 150 ～8 000 Hz峰值點之間的頻段內，損耗因子呈下降趨勢。而舭部外板板架損耗因子隨頻率變化曲線在125，3 150 Hz 頻點處出現峰值，但整體上損耗因子變化比較平緩，125 ～3 150 Hz，3 150 ～8000 Hz 峰值點之間的頻段內，損耗因子呈下降趨勢。船底外板板架損耗因子隨頻率變化曲線在20，250 Hz頻點處出現峰值，但整體上損耗因子變化波動較大，峰值點數值是峰谷點數值的5 ～6 倍左右。但在20 ～250 Hz，250 ～8 000 Hz 頻段內，損耗因子呈下降趨勢。三種典型結構構件損耗因子變化規律因板架尺度不同各異，數值上的大小主要與加筋形式有關，剛度大的板架損耗因子相對較大，橫縱加筋的結構損耗因子波動程度較單向加筋更為劇烈。

4 結 論

1)測試得到的艦船典型結構構件包括橫艙壁板架、舭部外板板架和船底外板板架的損耗因子基本是10－3量級上。

2)三種典型結構構件損耗因子變化規律因板架尺度不同各異，數值上的大小主要與加筋形式有關，剛度大的板架損耗因子相對較大，橫縱加筋的結構損耗因子波動程度較單向加筋更為劇烈。

3)從三種典型結構構件損耗因子分布可以發現，在大部分頻段內，損耗因子數值上下波動比較平緩，在艦船結構噪聲數值計算中可以將整個分析頻段分為兩段或三段，每段取一個固定的損耗因子數值進行簡化。

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