船體低噪聲復合基座水下振動聲輻射試驗研究＊

計 方

（1．哈爾濱工程大學船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001；2．中國艦船研究院，北京 100192）

引 言

隔離船體結構振動噪聲有效的方法是在振動能量傳遞途徑上對其進行吸收和使其反射，其實質就是使結構不連續(xù)、結構的阻抗發(fā)生突變，進而達到減振降噪目的［1，2］。因此，突破傳統(tǒng)柔性隔振理論的局限，從阻抗失配的角度出發(fā)，開展典型基座結構聲學設計，這對艦船聲隱身研究意義重大。

水下艦船結構噪聲預報研究涉及結構、流體和聲場的耦合問題，基于物理－數(shù)學模型的聲輻射數(shù)值模擬十分復雜，因此有必要開展聲學模型試驗［3，4］。大尺度聲學模型試驗一方面研究了艦船結構振動和聲輻射的產(chǎn)生機理及傳遞規(guī)律；另一方面驗證了艦船結構聲學設計的有效性并及時反饋到艦船設計的初期階段，為艦船結構聲學設計提供重要的水聲測試保障。

在文獻［5～7］中系統(tǒng)分析了各類船體連接結構波動特性對比分析，給出了具有高傳遞損失特性的基座連接結構形式，應用機械阻抗法分析了剛性阻振質量對基座振動波傳遞的阻抑特性，基于混合法對基座結構含阻振質量帶的動力艙段減振降噪效果進行了全頻段數(shù)值分析，提出了基座剛性隔振效果的工程預報方法。本文在上述研究基礎上，提出了綜合運用高傳遞損失的基座連接形式、阻振質量帶及貼面阻尼層的船體低噪聲復合基座結構形式，并初步給出了實船應用方案。在此基礎上，開展了大尺度模型的水下振動、聲輻射及輸入功率流的試驗研究，以此驗證船體低噪聲復合基座的減振降噪效果。

1 低噪聲復合基座結構設計研究

在理論分析及數(shù)值試驗基礎上［5～7］，將高傳遞損失的T形、形基座連接結構延拓到基座面板、腹板和安裝板架中，綜合運用阻振質量以及貼面消聲阻尼層最大程度增大基座結構的阻抗失配程度，初步給出了典型船體低噪聲復合基座結構形式，如圖1所示。

圖1 船體低噪聲復合基座結構形式Fig．1 Sketch of composite low－noise base structures

若將其應用到實船減振降噪中，應在滿足基座結構強度要求下，綜合考慮安裝工藝要求和設備總布置［8］，其與船體結構連接示意圖如圖2所示。詳細實施方法為：

（2）應滿足T形連基座面板延伸部分厚度與原面板厚度比n≥3，在不影響設備布置的情況下應盡量增加面板延伸長度。

（3）根據(jù)基座根部處船體結構阻抗與基座自身阻抗的比值確定阻振質量的最佳布置位置，建議布置在基座腹板中部偏下處。

圖2 低噪聲復合基座與船體結構連接示意圖Fig．2 Composite low－noise base connected with hull

2 雙殼振動、聲輻射試驗方案

為了驗證低噪聲復合基座的減振降噪效果，通過測量外激勵下原有模型和聲學改進后模型中典型部位（基座、液艙壁、內殼）的水下加速度、輻射噪聲頻響函數(shù)以及輸入功率流。試驗模型實物圖如圖3所示。

圖3 基座試驗模型實物圖Fig．3 Practical object of the base experiment model

1）縮尺比例的選取。綜合考慮吊裝設備，艙內激振、測試設備的安裝以及阻振質量布置的各種因素，最終確定縮尺比例為1∶4。

2）殼體結構形式的選取。艙段模型的長度取艙內10檔肋位，分別向模型首尾方向各延長了一檔肋位以便更好地模擬實際邊界條件［9］。

3）阻振質量的布置。阻振質量采用偏心布置的方式焊接［6］。

4）輔助激勵基座結構的設計。為將激振作用平穩(wěn)的傳遞到整個模型上，在內殼內部設計了多個基座結構，通過4個減振器固定激振器。

圖4給出了試驗振動測量系統(tǒng)示意圖。振動測量系統(tǒng)是由功率放大器、激振器、力傳感器、加速度傳感器、數(shù)據(jù)采集前端、采集與分析軟件等部分組成。力傳感器為石英壓電式結構，無需校準，其靈敏度在使用年限內基本穩(wěn)定。試驗前應使用手持式加速度校準儀進行加速度傳感器校準。

圖4 振動測試系統(tǒng)的組成Fig．4 Constitution of the vibration measure system

本試驗的測試內容包括三方面：

1）結構振動測試：通過布置在試驗模型不同部位的若干加速度傳感器來測量；

2）結構聲輻射測試：通過布置在試驗模型周圍2個水聽器（RHS－200型）來測量；

3）結構輸入功率流測試：由阻抗頭力信號和加速度信號，采用互譜法測得［10］。

圖5給出了典型船體艙段基座對比方案振動加速度測點布置示意圖。

圖5 艙段基座對比方案振動加速度測點布置圖Fig．5 Location of cabin′s vibration measuring points

試驗場地選用水面寬闊的內陸湖，試驗環(huán)境如圖6所示。

圖6 水聲試驗環(huán)境Fig．6 Acoustic environment of underwater model test

在水深12m處距外殼體2m和5m處布置了2個水聽器。為分析試驗模型聲輻射的指向性，模型是由升降桿連接，水聽器固定，以艙段底部中心處為0°，按30°步長開動回轉裝置帶動模型旋轉。

3 基座改進前后雙殼振動特性

分別在艙段基座改進前后對基座面板中心處激勵，激勵力為20～1 000Hz白噪聲，對測試數(shù)據(jù)進行歸一化處理。圖7為基座改進前后基座根部處典型測點加速度級對比曲線。從中可以看出，基座結構本身的振動加速度級在20～1 000Hz頻段除個別頻點外均有不同程度的降低。

圖7 改進前后基座根部測點加速度級對比曲線Fig．7 Comparison curves of vibration acceleration level at the bottom of base

圖8給出了基座改進前后液艙壁典型測點加速度級頻響曲線。當基座結構和液艙壁采用形連接形式后，液艙壁結構的中低頻振動得到了顯著的抑制，共振峰數(shù)目明顯減少，且曲線變得和緩。

圖8 改進前后液艙壁典型測點加速度級頻響曲線Fig．8 Comparison curves of vibration acceleration level at tank wall

圖9為基座改進前后內殼體典型測點加速度級頻響曲線。內殼體的中高頻振動得到了有效的衰減和隔離，在低頻段亦有一定的減振效果。綜上，低噪聲復合基座結構有效阻抑了基座－液艙壁－內殼的振動傳遞主通道。表1給出了基座結構改進前后艙段典型測點20～1 000Hz頻段的減振效果。

表1 基座改進前后艙段20～1 000Hz減振效果／dBTab．1 The 20～1 000Hz variation reduction with composite low－noise base／dB

續(xù)表1

圖9 改進前后內殼體典型測點加速度級頻響曲線Fig．9 Comparison curves of vibration acceleration level at inner shell

圖10給出了艙段基座改進前后輸入功率流的對比曲線。如圖10所示：基座結構改進后顯著降低了艙段的輸入功率流幅值，曲線變化趨勢平緩，峰值頻率略向高頻移動。

圖10 基座結構改進前后輸入功率流對比曲線Fig．10 Comparison curves of input power flow with composite low－noise base

4 基座改進前后雙殼聲學特性

圖11給出了船體艙段引入低噪聲復合基座前后聲輻射聲壓對比曲線。

圖11 基座改進前后輻射聲壓對比曲線（90°方向）Fig．11 Comparison curves of sound pressure level with composite low－noise base（90°direction）

基座改進后艙段聲輻射在20～1 000Hz頻段顯著降低。2m水聽器受近場效應的影響比較顯著，中低頻降噪效果略差。表2給出了基座結構改進前后艙段20～1 000Hz頻段的降噪效果。

表2 基座改進前后艙段20～1 000Hz降噪效果／dBTab．2 The 20～1 000Hz noise reduction with composite low－noise base／dB

為了深入分析基座改進前后艙段結構的聲輻射特性，圖12給出了20～200Hz頻帶輻射聲壓級周向分布圖。

圖12 改進前后艙段20～200Hz輻射聲壓周向分布圖Fig．12 Comparison curves of sound pressure circumferential distribution in 20～200Hz

如圖12所示：距艙段2m處20～200Hz頻帶輻射聲壓級除了0°方向外得到了有效的抑制，距艙段5m處的輻射聲壓級顯著降低。

圖13給出了引入低噪聲復合基座前后艙段20～1 000Hz頻帶輻射聲壓級周向分布。艙段聲輻射特性與上圖呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律，由此可見本文提出的船體低噪聲復合基座結構具有優(yōu)良的中低頻降噪效果。

圖13 改進前后艙段20～1 000Hz輻射聲壓周向分布Fig．13 Comparison curves of sound pressure circumferential distribution in 20～1 000Hz

5 結 論

本文提出了船體低噪聲復合基座結構形式，并初步給出了實船應用方案。在此基礎上，開展了大尺度雙殼模型水下振動、聲輻射及輸入功率流的試驗研究。結論如下：

1）試驗結果表明典型艙段引入低噪聲復合基座后，20～1 000Hz頻帶基座結構、液艙壁、內殼體振動加速度級均降低2dB以上；

2）基座結構改進后顯著降低了艙段的輸入功率流幅值，曲線變化趨勢平緩且峰值頻率略向高頻移動；

3）基座結構改進后艙段5m處20～1 000Hz頻帶近場輻射聲壓級降低5dB以上，艙段中低頻降噪效果顯著。

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