基于TPA的船舶雙層隔振系統(tǒng)計算模型與試驗驗證

徐建龍，許銳，彭利國

基于TPA的船舶雙層隔振系統(tǒng)計算模型與試驗驗證

徐建龍，許銳，彭利國

武昌船舶重工集團有限公司，湖北武漢430064

針對船舶雙層機械隔振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，遇到振動噪聲異常問題時難以排查的情況，將傳遞路徑分析方法（TPA）引入船舶建造的過程之中，在理論分析的基礎(chǔ)上，建立了雙層機械隔振系統(tǒng)的縮比模型，并進行了試驗測試工作，得到了各路徑到目標(biāo)點處的結(jié)構(gòu)振動合成值，且在200 Hz以下的低頻段合成結(jié)果與實測結(jié)果高度吻合。此外，通過分析各路徑貢獻量的標(biāo)量云圖及典型頻點處的路徑貢獻矢量圖，從傳遞路徑的能量分布出發(fā)，找出異常路徑，并通過檢查分析以明確異常的問題。結(jié)果表明：該方法可有效分段排查異常問題的成因，滿足工程實際的需求。

船舶；隔振系統(tǒng)；傳遞路徑分析；船舶建造

期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

引用格式：徐建龍，許銳，彭利國.基于TPA的船舶雙層隔振系統(tǒng)計算模型與試驗驗證［J］.中國艦船研究，2015，10（5）：71-75，91.

XU Jianlong，XURui，PENG Liguo.The calculationmodeland experimental verification ofship'sdouble-layervibration isolation systems based on TPA［J］.Chinese Journal of Ship Research，2015，10（5）：71-75，91.

0　引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，聲吶探測技術(shù)水平的提高，如何提高船舶自身的隱蔽性，增強海軍的作戰(zhàn)能力，成為各國在進行船舶研究時的主要研究方向。

目前國內(nèi)在進行船舶減振降噪研究時主要通過改變船舶線型、更換低噪聲設(shè)備、增加隔振裝置等手段來降低船舶輻射噪聲［1］。上述手段在設(shè)計上有效保證了船舶整體噪聲水平，但驗證降噪效果時，均需等到系泊試驗或航行試驗時方可進行相關(guān)測試，此時若發(fā)現(xiàn)問題，從安裝工藝到設(shè)計均需通過大量測試、反復(fù)排查，并且后期整改時仍面臨許多問題。因此，若在建造過程之中盡早驗證降噪手段、及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計或建造上的問題則可有效降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，且在設(shè)計或建造修改方面均具有較大的彈性空間。為此，本文引入了汽車領(lǐng)域中較為成熟的技術(shù)——傳遞路徑分析法（TPA）［2］，針對船舶三大噪聲源之一的機械噪聲［3］，對船舶建造階段的振動噪聲傳遞路徑進行分析，通過在船臺建造階段及系泊試驗階段的分階段振動測試，掌握建造過程中各階段的試驗數(shù)據(jù)，并通過傳遞函數(shù)分析及傳遞路徑分析法分析各路徑是否存在振動異常現(xiàn)象。及時查找、發(fā)現(xiàn)問題路徑及問題對象，便于整改，降低成本。為驗證該方法的準(zhǔn)確性，本文將以雙層機械隔振系統(tǒng)的縮比模型為試驗對象，進行傳遞路徑分析，并將針對異常問題提出分析與解決思路，以驗證該方法在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

1　傳遞路徑分析計算模型

對于雙層機械隔振系統(tǒng)，激勵源即機械設(shè)備及其附屬管路，而目標(biāo)點則多分布在結(jié)構(gòu)上，2者分屬于2個不同的系統(tǒng)，激勵源區(qū)域的結(jié)構(gòu)稱為主動方，目標(biāo)點區(qū)域的結(jié)構(gòu)稱為受動方，一般它們在耦合點處（分界處）通過耦合元件（隔振器、馬腳等）連接起來，受動方在耦合點處的每一個自由度到目標(biāo)點均形成1條傳遞路徑。通常只考慮x，y，z這3個平動自由度而忽略3個旋轉(zhuǎn)自由度［4-9］。

在線性系統(tǒng)假設(shè)的基礎(chǔ)上，總響應(yīng)可認為是各傳遞路徑貢獻量的線性疊加

式中：N為傳遞路徑數(shù)；Hi（ω）是傳遞函數(shù)；Fi（ω）是激勵力的頻譜。

1.1傳遞函數(shù)的測量

基于上述原理，在對Hi進行測量時擬采用力錘激勵法。測量時，裝有力傳感器的力錘在隔振器的幾何中心處激勵（圖1），在目標(biāo)點處采集加速度信號，使用力錘激勵時應(yīng)依據(jù)分析頻段選擇合適的錘頭材質(zhì)，由于本文重點分析200 Hz以下的低頻信號，因此試驗時采用橡膠錘頭進行激勵，有效降低了高頻干擾信號，此外每個激勵點應(yīng)激勵3～5次，將最后的結(jié)果求平均。具體的結(jié)構(gòu)傳遞函數(shù)如下

式中，aj（ω）為目標(biāo)點處的響應(yīng)譜。

圖1　雙層隔振系統(tǒng)試驗安裝布置圖Fig.1　The installation adjustmentofdouble-layer vibration isolation system

1.2激勵力估算

利用TPA進行耦合點處激勵力的估算時，可以采用懸置剛度法或矩陣求逆法進行計算。但由于船舶機械隔振系統(tǒng)各耦合連接結(jié)構(gòu)的剛度較難測量，且機械隔振系統(tǒng)中的管路直接通過支架與船體相連。支架的剛度較大，在振動時會引起兩端支撐結(jié)構(gòu)的變形，因此，對于此種情況，需采用矩陣求逆法進行各力值的估算以及各路徑的貢獻量分析，以便得到較高的測試精度。

對于雙層機械隔振系統(tǒng)，可以近似認為是線性系統(tǒng)，當(dāng)各耦合位置處有激勵力F1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)n的激勵時，必會存在響應(yīng) X1，X2，…，Xm，由系統(tǒng)的運動方程可得

于是載荷力向量可由下式進行估計

簡寫為

式中：｛f｝on為載荷力向量；｛X｝om為響應(yīng)點上的載荷響應(yīng)向量；Hij=Xi/Fj為響應(yīng) Xi到輸入Fj的頻響函數(shù)。

為增加機械隔振系統(tǒng)各耦合點處載荷力估計的可信度，應(yīng)使m≥2n。即傳感器的布置數(shù)量應(yīng)大于等于耦合路徑的數(shù)目。但由于m＞n，導(dǎo)致并不存在，此時，可采用最小二乘法對頻響函數(shù)矩陣求廣義逆來求解，同時，為避免因H可能是變態(tài)矩陣而引起的計算錯誤，需要對［H］進行奇異值分解，以去除矩陣中的相關(guān)行，而后計算出［H］+，最后計算出等效載荷力。

2　雙層隔振系統(tǒng)傳遞路徑試驗分析

2.1傳遞路徑試驗

本試驗在上海交通大學(xué)的振動試驗室中進行，選取一個典型雙層機械隔振系統(tǒng)的縮比模型作為研究對象，該系統(tǒng)主要由2臺電機、過渡機架、上層隔振器、大剛度墊塊、力環(huán)、中間機架、下層隔振器、艙體、空氣彈簧和支撐結(jié)構(gòu)等組成。該系統(tǒng)上下2層各有4個隔振器組件，共8條路徑。測試時共布置16個單向加速度傳感器（垂向）于隔振器兩側(cè)，用于測量參考點處的加速度信號，2個單向加速度傳感器（垂向）布置于筏架和艙底中部，用于測量目標(biāo)點處的加速度信號。目標(biāo)點的選取原則應(yīng)根據(jù)測試對象的特性及測試者重點關(guān)注的位置進行選取，如欲降低船體振動產(chǎn)生的輻射噪聲，則可將目標(biāo)點布放在船體結(jié)構(gòu)強度偏弱處。測試工況為左機2 100 r/m in，右機3 000 r/m in。其測點及整體安裝圖如圖1所示。

對于本試驗系統(tǒng)，設(shè)備振動的能量通過上層4個隔振器傳遞至筏架上，繼而通過下層4個隔振器傳遞至船體基座上，從而在整個船體結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生振動噪聲。

為不影響船舶建造的安裝進度，有效分析、診斷該系統(tǒng)是否存在異常問題，且準(zhǔn)確查找問題成因，試驗時采取分層測試和分層分析的方式。對應(yīng)于船舶的建造過程，則應(yīng)在船臺階段基座焊接完畢后進行下層隔振器安裝位置的定位，并測量各隔振器安裝點至參考點和目標(biāo)點（船體之上）處的傳遞函數(shù)；然后繼續(xù)進行建造安裝工作，待隔振器及中間質(zhì)量安裝完畢后進行上層隔振器的安裝點定位，并測試各隔振器安裝點至參考點和目標(biāo)點（中間質(zhì)量上）處的傳遞函數(shù)。對于參考點的布置位置通常要求布置在隔振器安裝位置的附近，每個耦合點附近不低于2個參考測點，且應(yīng)呈不對稱分布。測試完成后，安裝設(shè)備及上層隔振器開機運行，測試相關(guān)測點的工況加速度，測試完畢后分層分析上下層路徑是否存在問題。此外，在進行傳遞函數(shù)及工況加速度的測量時可參考GJB 4058中關(guān)于振動的相關(guān)測試要求。

圖2　左機2 100 r/m in，右機3 000 r/m in上、下層目標(biāo)點加速度響應(yīng)實測值與計算合成值對比圖Fig.2　The contrastdiagrams of composite values and measured values atupper and under layer targetpoint which the rotation speed of leftand rightengine are 2 100 and 3 000 r/min respectively

2.2傳遞路徑結(jié)果分析

2.2.1準(zhǔn)確性驗證

將測得的上下層各路徑的傳遞函數(shù)及在運行工況下測得的各測點的加速度信號，代入式（5）即可計算出各耦合激勵點處激勵力的頻響值，再將其代入式（1）則可得出各路徑的加速度貢獻值及目標(biāo)點處的計算合成值。

在進行數(shù)據(jù)處理時，需要重點考慮傳遞函數(shù)矩陣中數(shù)值的選取，即需要依據(jù)分析頻率、傳遞函數(shù)特性等方面的因素，有選擇性地選擇參與計算的測試數(shù)據(jù)，才能得到可靠的計算分析結(jié)果［10］。為驗證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，首先需要判斷在分析頻段內(nèi)目標(biāo)處的加速度信號實測值與計算合成值之間的一致性，其上、下層加速度響應(yīng)實測值與計算合成值的對比圖如圖2所示。

從圖2（a）可以看出，在上層激勵頻點處，實測值與計算合成值的一致性較好，峰值相差1 dB左右，且在10～1 000 Hz頻段內(nèi)，其均方根值（RMS）僅相差0.2 dB；在圖2（b）中，下層激勵頻點處，實測值與計算合成值之間的峰值一致性要略差于上層，這主要是由于激勵電機功率較小，當(dāng)經(jīng)過上下兩層隔振器隔振后，能量被大幅衰減，因此，計算結(jié)果準(zhǔn)確性略差。但整個分析頻帶內(nèi)的RMS值相差并不明顯，僅為2 dB。此外，考慮到激勵電機在高頻段能量不足，因此分析時，主要分析200Hz以下的頻段。

2.2.2路徑貢獻量分析

利用傳遞路徑貢獻量分析法進行雙層隔振系統(tǒng)的降噪質(zhì)量檢查時，需對路徑的貢獻量進行分層分析以排除彼此之間的相互影響。分析時，主要采取2種方案：1）需預(yù)先測量分析標(biāo)準(zhǔn)安裝工藝條件下，目標(biāo)點處的響應(yīng)函數(shù)各路徑對目標(biāo)點處的貢獻量分布情況，此后，在進行工藝安裝質(zhì)量檢測時可以與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)對比，判斷哪條路徑存在安裝工藝問題；2）在事先不能掌握相關(guān)數(shù)據(jù)時，可直接進行相關(guān)測試工作，針對振動噪聲異常的路徑提出問題的解決方案。在此，本文以方案2為例，進行分析。

圖3為標(biāo)準(zhǔn)安裝工藝條件下，上、下層各激勵路徑在不同頻點處的貢獻量分布云圖。從圖中可以看出，在分析頻帶范圍內(nèi)，Total計算合成值與Measure實測值相比，二者具有較高的一致性，可見上、下層的測試結(jié)果較為準(zhǔn)確。此外，上層路徑中，3號路徑對目標(biāo)點的貢獻量要大于其余3條路徑，在激勵頻率及其倍頻處，35 Hz時的貢獻量要大于50 Hz時的路徑貢獻量。由此可見，若想降低目標(biāo)點處的振動能量，則可初步擬定通過降低35 Hz時3號路徑的能量，達到降低目標(biāo)點能量的目的。在下層路徑分析時，可以看出，16號路徑對目標(biāo)點的貢獻量要略大于其余3條路徑，主要表現(xiàn)在50和70 Hz這2個頻點處的能量，由圖2（b）分析其原因，可能是由于16號路徑的上方為3號路徑的耦合激勵點，因此，針對此問題可以通過降低3號路徑的能量來嘗試解決問題。

圖3　上、下層各激勵路徑在不同頻點處對目標(biāo)點的貢獻量分布云圖Fig.3　The contours ofupper and under layer's contribution at different frequentpoint

此外，考慮到圖3中的路徑貢獻量為標(biāo)量，因此，需要輔以各條路徑的矢量圖及相應(yīng)路徑的傳遞函數(shù)值進行總體綜合分析，才能提出具體的解決方案。圖4為35 Hz時各路徑對目標(biāo)點貢獻量的矢量圖。圖5為上層4條路徑至目標(biāo)點處的傳遞函數(shù)對比圖。

圖4　35 Hz時上層各路徑對目標(biāo)點貢獻量的矢量圖Fig.4　The vectorgraph ofeach upper path to targetpoint's contribution at35Hz

圖5　上層4條路徑至目標(biāo)點處的傳遞函數(shù)對比圖Fig.5　The contrastdiagram of each upper path to targetpoint's FRF

從圖4可以看出，3號路徑對目標(biāo)點處的貢獻量最大，當(dāng)降低3號路徑的能量后，有效降低了目標(biāo)點處的振動噪聲。此外，從圖5可以看出，在35 Hz時，1號路徑的傳遞函數(shù)值要大于3號路徑。綜上所述，引起3號路徑貢獻偏大的原因為激勵力過大。針對該問題，應(yīng)先分析系統(tǒng)的耦合連接元器件（如隔振器等）是否存在安裝問題，繼而分析隔振器的選型、設(shè)備的選型、設(shè)備的空間布放等問題是否存在影響，從而為設(shè)計單位提供數(shù)據(jù)支撐，便于及早解決振動噪聲的異常問題。

3　結(jié)論

為及早發(fā)現(xiàn)船舶機械隔振系統(tǒng)是否達到設(shè)計的降噪效果，分析產(chǎn)生振動噪聲異常的原因，本文引入了汽車領(lǐng)域中使用的傳遞路徑分析法。以縮比的雙層機械隔振系統(tǒng)為例，進行了相關(guān)的測試工作，并對測試結(jié)果進行了分析，得出如下結(jié)論：

1）通過對目標(biāo)點處實測值與合成值的對比分析可知，該方法在船舶雙層隔振系統(tǒng)領(lǐng)域具有較好的適用性，計算結(jié)果較為準(zhǔn)確。

2）該方法通過對貢獻量的分布圖、激勵力矢量圖、傳遞函數(shù)頻譜圖等幾個方面進行綜合分析，較全面地考慮了影響振動異常的各個原因，能較準(zhǔn)確地分析出異常路徑及異常問題的成因。

3）在建造過程中，該方法可對檢測對象進行有效的過程控制，避免后期發(fā)現(xiàn)問題時投入過高的成本，且對問題的針對性強，便于及時解決問題。

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［責(zé)任編輯：胡文莉］

The calcu lation m odeland experim entalverification of ship's doub le-layer vibration isolation system s based on TPA

XU Jianlong，XU Rui，PENG Liguo
W uchang Shipbuilding Industry Co.Ltd.，Wuhan 430064，China

Conventionally，the vibration noise problem within the ship's double-layer vibration isolation system can be rather difficult to locate；therefore，this paper incorporates Transfer Path Analysis（TPA）into the construction p rocess of ships.Based on theoretical analysis，a scaled model of the double-layer vibration isolation system under a certain operating condition is first established.Contrastanalysis of the corresponding composite valuesandmeasured values is then conducted.The resultagreeswellwith the actual data below 200 Hz.Besides，the scalar nephogram for different contributing ways and vector graphs are studied，which helps locate the abnormal problem.In short，the proposedmethod can be applied to find the unusual vibration noise of the ship's doub le-layer vibration isolation system，and it successfully meets the practical engineering requirements.

ship；vibration isolation system；Transfer Path Analysis（TPA）；ship construction

U661.44

ADO I：10.3969/j.issn.1673-3185.2015.05.012

2014-12-25網(wǎng)絡(luò)出版時間：2015-10-8 11∶10

國家部委基金資助項目

徐建龍（通信作者），男，1984年生，碩士，工程師。研究方向：船舶減振降噪。E-mail：77629216@qq.com

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http∶//www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20151008.1110.028.htm l