船舶典型結(jié)構(gòu)構(gòu)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(shè)計中心701 所，湖北 武漢430000;2.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)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(yù)報領(lǐng)域，國內(nèi)廣大學(xué)者普遍認為設(shè)備激勵船體結(jié)構(gòu)振動產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)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(xué)有限元法和統(tǒng)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(yù)報。聲學(xué)有限元法僅對低頻噪聲預(yù)報較為有效;在高頻段采用統(tǒng)計能量法［1～5］對水面艦艇高頻機械噪聲預(yù)報可在保障計算精度的前提下較好地降低計算規(guī)模，提高計算效率。

采用統(tǒng)計能量分析法進行計算，關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是對復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的模態(tài)密度、內(nèi)部損耗因子和耦合損耗因子三參數(shù)準確的估算［6］。其中，損耗因子是衡量系統(tǒng)的阻尼特性并決定其振動能量耗散能力的重要參數(shù)，所以，也稱為阻尼損耗因子。耦合損耗因子是統(tǒng)計能量分析中唯一用于表征耦合系統(tǒng)間能量交換的重要參數(shù)。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(tǒng)計能量分析法研究的一個熱門。

結(jié)構(gòu)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(tài)圓擬合法都是伴隨模態(tài)分析與參數(shù)識別技術(shù)而產(chǎn)生的，測量結(jié)果是結(jié)構(gòu)的單頻損耗因子，即模態(tài)損耗因子。用于測量頻帶平均內(nèi)損耗因子的方法通常有穩(wěn)態(tài)能量流法和瞬態(tài)衰減法［7］。但是穩(wěn)態(tài)能量流法需要準確計算輸入功率，這無疑給測量內(nèi)損耗因子帶來不便，誤差也會很大。瞬態(tài)衰減法適用于快速估算結(jié)構(gòu)和聲容積的頻帶平均內(nèi)損耗因子，且無需測量輸入功率，其統(tǒng)計誤差相對較小。根據(jù)自由振動信號的衰減特點，利用Hilbert 變換得到響應(yīng)信號的包絡(luò)線函數(shù)，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)在任意頻率范圍內(nèi)的頻率平均內(nèi)損耗因子的測量［8，9］。

1 試驗原理

假設(shè)結(jié)構(gòu)受力錘敲擊后的加速度響應(yīng)信號為實函數(shù)x(t)，其對應(yīng)的Hilbert 變換為

其逆變換為

式中 *表示卷積。

于是得實函數(shù)的解析信號為

u(t)的復(fù)數(shù)表達式為

2 試驗方案

2.1 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

試驗主要是測試船用典型結(jié)構(gòu)構(gòu)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(jié)構(gòu)，共有3 塊尺度不同的加筋板架作為試驗?zāi)Ｐ?。模型的材質(zhì)全部采用CCS 船用鋼，試驗環(huán)境為空氣，試驗構(gòu)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(gòu)件不同位置，由布置在構(gòu)件表面上典型位置處的加速度傳感器測量構(gòu)件振動響應(yīng)的衰減情況。對從敲擊構(gòu)件開始直至構(gòu)件響應(yīng)至微小的完整過程中的加速度響應(yīng)信號進行記錄。試驗布置如圖2 所示。

表1 試驗?zāi)Ｐ图唧w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(tài)衰減法測量構(gòu)件損耗因子試驗框圖Fig 2 Block diagram of component loss factor measured by transient decay method

3 數(shù)據(jù)處理和結(jié)果

3.1 數(shù)據(jù)處理

以加速度計記錄的加速度響應(yīng)信號為基礎(chǔ)，通過Hilbert 變化得到響應(yīng)信號的包絡(luò)線，計算由包絡(luò)線取對數(shù)得到的衰減曲線斜率絕對值，該絕對值即是結(jié)構(gòu)阻尼，再將得到的結(jié)構(gòu)阻尼除以頻率的2 倍得到該中心頻點代表頻段內(nèi)的平均損耗因子。試驗數(shù)據(jù)處理流程如圖3 所示。

圖3 試驗數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)經(jīng)Matlab 軟件處理轉(zhuǎn)化后得到響應(yīng)信號。其中，第九通道測量的響應(yīng)信號數(shù)據(jù)經(jīng)處理后如圖4 所示。

圖4 第九通道測量的加速度響應(yīng)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(yīng)信號包絡(luò)線斜率圖，然后以1/3 倍頻程劃分頻率區(qū)間，給出各頻率區(qū)間中心頻點處的響應(yīng)信號包絡(luò)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(yīng)信號的衰減曲線和包絡(luò)線斜率如圖5 所示。

圖5 第九通道測量的響應(yīng)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(nèi)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(jié)構(gòu)1/3 倍頻程損耗因子曲線如圖6 所示。

圖6 橫艙壁板架結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)處理結(jié)果

由以試驗測試和數(shù)據(jù)處理方法，同理，可得到船舶典型結(jié)構(gòu)舭部外板板架和船底外板板架兩種典型結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)構(gòu)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(xiàn)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(nèi)，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(xiàn)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(nèi)，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(xiàn)峰值，但整體上損耗因子變化波動較大，峰值點數(shù)值是峰谷點數(shù)值的5 ～6 倍左右。但在20 ～250 Hz，250 ～8 000 Hz 頻段內(nèi)，損耗因子呈下降趨勢。三種典型結(jié)構(gòu)構(gòu)件損耗因子變化規(guī)律因板架尺度不同各異，數(shù)值上的大小主要與加筋形式有關(guān)，剛度大的板架損耗因子相對較大，橫縱加筋的結(jié)構(gòu)損耗因子波動程度較單向加筋更為劇烈。

4 結(jié) 論

1)測試得到的艦船典型結(jié)構(gòu)構(gòu)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(jié)構(gòu)構(gòu)件損耗因子變化規(guī)律因板架尺度不同各異，數(shù)值上的大小主要與加筋形式有關(guān)，剛度大的板架損耗因子相對較大，橫縱加筋的結(jié)構(gòu)損耗因子波動程度較單向加筋更為劇烈。

3)從三種典型結(jié)構(gòu)構(gòu)件損耗因子分布可以發(fā)現(xiàn)，在大部分頻段內(nèi)，損耗因子數(shù)值上下波動比較平緩，在艦船結(jié)構(gòu)噪聲數(shù)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(shù)值進行簡化。

［1］ 翁長儉，吳衛(wèi)國.高速船的振動與噪聲控制［J］.武漢交通科技大學(xué)學(xué)報，2000，24(1):16－19.

［2］ Smith Jr.P W.Response and radiation of structural modes excited by sound［J］.Journal of the Acoustical Society of America，1962，34:640－647.

［3］ Heckl M，Ungar E.Structure－borne sound［M］.Berlin:Springer－Verlag，1988.

［4］ 高群濤，姚熊亮，崔洪斌.結(jié)構(gòu)輻射噪聲統(tǒng)計能量分析中參數(shù)的灰色預(yù)測［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2006，27(1):48－53.

［5］ 程廣利，伍先俊，朱石堅.基于AutoSEA 的船舶噪聲統(tǒng)計能量分析仿真［J］.海軍工程大學(xué)學(xué)報，2005(3):70－73.

［6］ Lyon R H，Maidanik G.Power flow between linearly coupled oscillators［J］.Journal of the Acoustical Society of America，1962，34:632－639.

［7］ Norton M P.工程噪聲和振動分析基礎(chǔ)［M］.北京:航空工業(yè)出版社，1993.

［8］ 程廣利，關(guān)成彬，胡生亮.基于Hilbert 變換的結(jié)構(gòu)內(nèi)損耗因子測試研究［J］.噪聲與振動控制，2006，26(4):105－107.

［9］ 張宏亮，孔憲仁，劉 源，等.寬頻域的內(nèi)損耗因子試驗辨別方法研究［J］.振動與沖擊，2013，32(12):112－116.