艙段的聲振特性分析和艙壁的振動控制

夏齊強，陳志堅，王珺

（1.海軍工程大學(xué)艦船工程系，武漢430033；2.海軍裝備研究院，上海200235）

艙段的聲振特性分析和艙壁的振動控制

夏齊強1，陳志堅1，王珺2

（1.海軍工程大學(xué)艦船工程系，武漢430033；2.海軍裝備研究院，上海200235）

為降低艙壁振動對圓柱殼艙段聲振性能的影響，對艙壁展開結(jié)構(gòu)聲學(xué)設(shè)計，并采用阻尼減振理論措施。在艙壁表面敷設(shè)阻尼材料以減小結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)；利用阻抗失配原理，在艙壁根部與殼體連接處添加貼板支撐墊以增大振動波傳遞損失。采用FEM/BEM法對改進艙壁前后艙段的聲振性能進行數(shù)值計算，分析艙壁的振動控制效果。結(jié)果表明：艙壁敷設(shè)阻尼材料和添加貼板支撐墊不僅可有效降低艙段振動和聲輻射，也進一步地隔離振動波向艙段殼體的傳遞，是一種較好的減振降噪措施。

振動與波；艙壁振動；艙段；隔振設(shè)計；聲輻射

潛艇耐壓船體因總體性能和布置需要，通常設(shè)置多個內(nèi)部艙壁。艙壁的存在可以大幅提高艙段結(jié)構(gòu)的強度和穩(wěn)定性。由于動力裝置等機械設(shè)備的激勵，艙壁會受到沿艇體縱向周期性激勵作用而引起振動。艙壁的振動傳遞到殼體上，直接影響潛艇結(jié)構(gòu)的聲振性能。因此，開展艙壁振動控制研究對艙段結(jié)構(gòu)聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計和潛艇的減振降噪具有十分重要的意義。目前，對艙壁的研究主要從安全性考慮，集中在結(jié)構(gòu)強度方面[1]；文獻[2]利用有限元法研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)改變對艙壁振動的影響；文獻[3]利用空間簡諧分析法探討了艙壁參數(shù)對圓柱殼受激振動輸入功率流的影響；文獻[4]基于Flügge殼體理論和Helmholtz波動方程，用解析法研究了有無艙壁對圓柱殼聲輻射的影響。由于對艙壁振動的處理沒有規(guī)范性的方法，一般在研究艙段振動輻射噪聲時，沒有考慮艙壁振動的影響或者簡化艙壁邊界條件，這樣容易產(chǎn)生較大的誤差[5]，基于艙段聲學(xué)性能考慮的艙壁結(jié)構(gòu)減振隔振設(shè)計研究較少，只有文獻[6]利用阻振質(zhì)量鋸和阻振質(zhì)量環(huán)路對艙壁進行了隔振優(yōu)化設(shè)計，但是存在的不足是阻振質(zhì)量環(huán)路和阻振質(zhì)量鋸會使原艙段重量增加很多，因此實際應(yīng)用效果有所下降。如果能降低艙壁振動水平及振動傳遞能力，不僅可以有效減小以艙段模型進行噪聲估算的誤差，而且為研究環(huán)肋圓柱殼艙段水下輻射噪聲機理提供方便。本文在上述研究的基礎(chǔ)上，從降低艙壁振動水平和振動傳遞能力兩個方面，對艙壁進行了振動控制，利用FEM/BEM法[7，8]研究艙壁振動控制前后艙段的振動聲輻射性能，旨在為潛艇結(jié)構(gòu)聲學(xué)設(shè)計提供參考。

1 振動控制理論

1.1 阻尼減振原理

根據(jù)振動力學(xué)理論，單自由度系統(tǒng)動力放大系數(shù)的解析式為[9]

設(shè)系統(tǒng)原有阻尼c，增加阻尼c1，則阻尼比ξ′將變?yōu)?/p>

如果附加阻尼c1比原先的阻尼c大得多，阻尼比ξ′將遠大于ξ，動力放大系數(shù)將顯著減小，而且是在全部頻帶上都被壓低了，從而達到減振的目的。

1.2 振動波傳遞阻抑機理

以不同截面線形連接板為研究對象，闡明振動波沿艙壁傳遞阻抑機理。假設(shè)入射彎曲波速度為ve-jk1xejωt，其中v為入射波振動速度幅值，k1是板1中彎曲波波數(shù)，ω為圓頻率。為簡化隨后的推導(dǎo)，過程中與時間相關(guān)的簡諧因子ejωt均被略去。由波動理論[10]可知，當(dāng)彎曲波垂直入射到突變截面上，由于阻抗失配，不僅是振動能量重新分配，波動形式也會發(fā)生轉(zhuǎn)換，即除部分轉(zhuǎn)化為透射波和反射波外，還會在轉(zhuǎn)角處產(chǎn)生向兩邊衰減的近場波。因此，突變截面兩側(cè)速度場具有如下形式

其中，r和rj分別是彎曲波反射系數(shù)和近場波反射系數(shù)，t和tj分別為彎曲波透射系數(shù)和近場波透射系數(shù)，k2是板2中的彎曲波波數(shù)。

圖1給出了截面變化處彎曲波各參量變化情況。在突變截面處，左右兩側(cè)橫向速度v、和角速度ω應(yīng)連續(xù)，力F、彎矩M滿足平衡條件，即邊界條件為

根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)知識，速度、角速度與力及彎矩存在以下關(guān)系

圖1 不同截面線形連接板彎曲波參量圖

式中B為平板的彎曲剛度，B=EI/(1-μ2)，E為彈性模量，μ為泊松比。

將式（3）和式（5）代入式（4）中，得到四個獨立的關(guān)于r，rj，t和tj的方程組

引入無量綱因子χ和ψ[10]

其中χ表示兩板中彎曲波波長之比，ψ表示彎曲波力阻抗與彎矩阻抗幾何平均之比。求解式（4）可得彎曲波透射系數(shù)

為揭示截面變化率對隔振的影響，引入截面厚度比σ=h2/h1。假定變截面兩邊的材料相同，對于板狀結(jié)構(gòu)來說，χ=σ-1/2、ψ=σ2?？蛇M一步求得

工程應(yīng)用中一般更關(guān)心振動能量的傳遞，通常采用隔聲量R表示

圖2給出了不同截面線形連接板隔聲量隨厚度比變化曲線。從圖中可以看出，當(dāng)厚度比h2/h1=1時，隔聲量變?yōu)榱?，此時為等截面；當(dāng)h2/h1＞1時，隔聲量隨厚度比的增大而增大?？梢?，如果在艙壁根部用大截面支撐貼板相連，可有效阻抑振動波沿艙壁的傳遞。

2 艙壁振動控制與數(shù)值仿真分析

2.1 艙壁受激振動對艙段振聲性能的影響

為研究艙壁受激振動對艙段聲振性能的影響，采用中間帶艙壁的兩艙段模型，如圖3所示。環(huán)肋圓柱殼單艙段模型參數(shù)如下：圓柱殼長L=6.4 m，半徑R=2.7 m，殼體厚h=0.02 m，T型環(huán)肋間距l(xiāng)1=0.8 m，截面積A=0.007 44 m2，慣性矩I=4.5×10-6m4。殼體、環(huán)肋、艙壁采用相同的鋼材，密度ρ=7 800 kg/m3，彈性模量E=2.1×1011Pa，泊松比μ=0.3。假設(shè)殼體在處受單位簡諧作用力，激勵頻率為10 Hz～500 Hz。浸沒流體密度ρw=1.0×103kg/m3，聲速c=1 500 m/s。振動速度和輻射聲功率參考值為v0=1.0×10-9m/s， W0=1.0×10-12W。

圖2 線形連接板隨厚度比變化曲線

圖3 艙段計算模型

從實際潛艇結(jié)構(gòu)來看，中間艙壁一般多與動力設(shè)備平臺相連，艙壁會因動力設(shè)備激勵受到垂直于壁面周期性激勵力作用。為研究方便，設(shè)艙壁受單位簡諧作用力，激勵頻率10 Hz～500 Hz。圖4給出了考慮艙壁受激振動與不考慮艙壁受激振動兩種情況下艙段振動與聲輻射。從圖中可以看出，考慮艙壁受激振動時，艙段均方速度級明顯高于不考慮艙壁振動工況，在計算頻段范圍平均增大約3.9 dB；輻射聲功率在10 Hz～100 Hz范圍內(nèi)顯著提高，平均增幅約為20 dB，主要是由艙壁板的低階振動引起的。隨著頻率的升高，考慮艙壁受激振動的艙段輻射聲功率基本上也要高于不考慮艙壁振動工況，平均增大約2.5 dB。這說明艙壁振動對艙段振動均方速度影響較大，在低頻時對輻射聲功率的影響高于中高頻，總體上也使得輻射聲功率增大。

圖4 艙段結(jié)構(gòu)振聲性能對比

2.2 艙壁振動控制前后艙段結(jié)構(gòu)振聲性能分析

根據(jù)第一節(jié)中振動控制理論，為減小艙壁受激振動響應(yīng)和振動對殼體的傳遞，對普通艙壁進行改進設(shè)計。主要措施是：在艙壁面上敷設(shè)阻尼材料，通過增加結(jié)構(gòu)阻尼以減小結(jié)構(gòu)振動；另一方面，在艙壁與殼體連接部位安裝貼板支撐質(zhì)量墊，減弱艙壁與殼體的耦合，以減小艙壁振動波向殼體的傳遞，如圖5所示。

圖6給出了改進設(shè)計前后艙段振動均方速度級和輻射聲功率級。從圖中可以看出，改進結(jié)構(gòu)后艙段振動均方速度大幅降低，而且隨著頻率的升高，降低幅度也增大，平均下降量約21.7 dB；輻射聲功率峰值較原結(jié)構(gòu)明顯減小，但是在較低頻段降噪效果有的較原結(jié)構(gòu)還要大，隨著頻率的升高，質(zhì)量墊的作用開始體現(xiàn)，輻射聲功率較原結(jié)構(gòu)降低，平均降低量約為13.6 dB?？梢姡捎觅N板支撐墊和艙壁敷設(shè)阻尼材料改進措施后，能夠有效減小艙壁振動對圓柱殼的影響，改善結(jié)構(gòu)的振聲性能。

圖5 艙壁結(jié)構(gòu)

提取艙壁與殼體連接根部某點、殼體表面某點振動加速度，以艙壁激振點位置為基準(zhǔn)，用振級落差評估改進措施對艙壁振動傳遞阻抑效果。圖7所示為艙壁改進前后兩個選取點加速度振級落差對比。從圖中可以看出，在低頻段，艙壁加速度振級落差峰值交錯，120 Hz以后隨著頻率的增大，改進艙壁振級落差較原艙壁要大，在考查頻段內(nèi)振級落差平均增大10.6 dB；殼體表面節(jié)點振級落差明顯提高，振級落差平均增大22 dB。這說明改進艙壁后有效降低了結(jié)構(gòu)聲沿艙壁向鄰近艙的傳遞，具有較好的隔振效果。

圖6 艙壁改進前后艙段結(jié)構(gòu)振聲性能對比

圖7 加速度振級落差對比

3 結(jié)語

本文基于阻尼減振理論和阻抗失配原理對艙壁進行了減振隔振設(shè)計，用數(shù)值方法計算了艙壁振動控制前后艙段結(jié)構(gòu)聲振性能，分析表明：艙壁受激振動對艙段振聲性能有較大的影響；采用貼板支撐墊和艙壁敷設(shè)阻尼材料改進措施后，不僅有效降低了艙段振動和聲輻射，改善了艙段的振聲性能；而且顯著降低了結(jié)構(gòu)聲沿艙壁向殼體結(jié)構(gòu)的傳遞，具有較好的隔振效果。研究結(jié)果可為潛艇結(jié)構(gòu)聲學(xué)設(shè)計提供參考。

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Analysis of Cabin’s Vibro-acoustic Characteristics and Control of Bulkhead Vibration

XIA Qi-qiang1,CHEN Zhi-jian1,WANG Jun2

(1.Department of Naval Ship Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China; NavalAcademy of Armament,Shanghai 200235,China)

In order to depress the effect of bulkhead vibration on cabin’s vibro-acoustic characteristics,structural-acoustic design of bulkhead is done.According to the theory of damping vibration attenuation,the bulkhead is coated with a viscoelastic layer for reducing the vibration response.As to increase transmission loss,a back annular plate is attached between the bulkhead and the shell according to the principle of impedance mismatch.The vibro-acoustic characteristics of the cabin are calculated by FEM/BEM and the bulkhead’s vibration control effect is analyzed.The results show that bulkhead coated with the viscoelastic layer and added with the attached back annular plate can not only reduce cabin’s vibration and sound radiation effectively,but also isolate the structure-borne sound from the adjacent cabin significantly.So,this is a better measure for bulkhead’s vibration damping and noise reduction.

vibration and wave;bulkhead vibration;cabin;vibrating isolation design;sound radiation

TB52；U661.44

A

10.3969/j.issn.1006-1335.2013.04.008

1006-1355(2014)01-0032-04

2013-01-31

國防科技預(yù)研基金（4011101020101）

夏齊強（1984-），男，湖北廣水人，博士生，主要研究方向為船舶結(jié)構(gòu)振動與噪聲控制。

E-mail:qqwhhg@163.com.