阻尼結構對鋼質基座減振效果的實驗評價研究

肖玉龍，趙丕東

（大連船舶重工集團有限公司，遼寧大連，116021）

船舶是一種由薄金屬板構成的復雜的彈性結構，在其運轉過程中不可避免地會受到主機、螺旋槳、波浪等外界激勵的作用，被激發(fā)生彎曲，會產生不利的振動[1]。在艦船結構中傳遞的振動為結構噪聲，結構噪聲輻射到空氣中就成為空氣噪聲；輻射到水中就形成影響艦艇隱蔽性的水下噪聲。表面敷設阻尼材料對多數剛性結構而言都是比較有效的減振方案，阻尼結構減振效果的評價尚沒有完全統(tǒng)一的方法。陳慶華提出使用減振前后的位移響應比值來評判減振效果[2]，周勁松等用頻響函數來評價減振效果[3]。本文以基座常用的鋼板結構件為研究對象，采用激振器對鋼板結構件進行激勵，以激振器產生的正弦激勵力作為振源，測試鋼板結構件阻尼處理前后的振動響應，以參考點的加速度振級落差為評價指標來衡量并評價經阻尼處理的鋼板結構件的減振效果， 為改進阻尼材料及優(yōu)化阻尼結構提供參考。

1 試驗方案的設計

1.1 結構件尺寸

底板尺寸：長×寬=500mm×400mm，厚度10mm；示意圖如圖1 所示。

圖1 實驗用鋼板結構件示意圖

1.2 阻尼材料敷設方案

鋼板中部400mm×400mm 區(qū)域敷設阻尼材料。

方案1：自由層阻尼結構，阻尼材料厚度為10mm；

方案2：約束層阻尼結構，阻尼材料厚度為10mm，約束板為普通鋁板，厚度為3mm；

方案3：方案1 的基礎上，阻尼材料加厚至20mm；

方案4：約束層+自由層結構：約束阻尼層厚度為10mm，以自由層阻尼材料為約束板，厚度為10mm；

1.3 激勵點及接收點的設置

將鋼板通過吊裝孔懸掛放置。選擇距離鋼板底邊25mm 左右的位置為激勵點，如圖所示“1”點。

選擇不同特征位置的接收點：2、3、4、5、6、7。

1.4 激勵頻率的選擇

每次實驗進行10～1000Hz 的隨機信號激勵，測試接收點的振動加速度。

2 振動加速度頻響函數的測試

實驗采用的測試儀器及處理軟件為丹麥BK公司2702 功率放大器；4808 激振器；1027 信號發(fā)生器；8200 力傳感器；2971 加速度傳感器；2692D 電荷放大器；東方振動與噪聲技術所INV數據采集與分析系統(tǒng)。

頻響函數及振動加速度的測試原理圖如圖2所示：

圖 2 頻響函數振動加速度測試原理圖

為測試頻響函數及振動加速度，通過激振器對結構件激勵，將激勵信號通過壓電式力傳感器轉換為電信號，響應信號則通過壓電式加速度傳感器轉換為電信號。通過計算機及專用信號處理軟件對激勵及響應信號進行分析，從而得到系統(tǒng)的頻響函數及各點的振動加速度。

根據測試要求，實驗臺主要工作在中低頻，本次實驗采用10～1000Hz 的隨機信號激勵，采用激振器激振，單點輸入、多點輸出的方式測試各點的振動加速度。

振動加速度級的定義[4]：

其中La 為振動加速度級，dB；

a 為振動加速度有效值，m/s2；

a0為振動加速度參考值，m/s2，a0=10-6m/s2

由儀器測出各接收點的振動加速度有效值，然后按照以上公式計算振動加速度級。用阻尼處理前后特定參考點的振動加速度級的差值作為加速度振級落差。

4 結果與分析

4.1 無阻尼處理的空白鋼板下各接收點的振動加速度級分析

各接收點與激振點的距離不同，橫向比較相同激勵條件下不同接收點的振動加速度級，對于全面了解鋼板結構件的不同部位受激振動情況具有一定的意義，同時也便于比較在進行阻尼處理前后相同部位振動加速度級。

空白板下各點振動衰減情況見下表1。從表中數據可以看出，激勵條件相同的情況下各接收點的振動加速度級基本相同，可以看出，振動在無阻尼處理的空白鋼板中的振動傳遞良好，在實驗范圍內不同位置的振動衰減與其距離激振點距離的遠近關系不大。

表1 空白板下各點振動加速度級（dB）

4.2 不同阻尼敷設形式下減振效果的對比

阻尼敷設形式主要包括自由阻尼結構及約束阻尼結構。自由阻尼結構在工程應用中較多，這主要得益于其結構及敷設工藝等比較簡單，并且可以起到一定的減振降噪效果。約束阻尼由于敷設了一層約束層，在彎曲過程中不僅產生彎曲應力，還產生剪切應力，使得耗能相對于自由阻尼情況較多，減振降噪效果更為明顯。但它的結構工藝相對復雜，另外對于實際結構其參數優(yōu)化也較為復雜，如果不能得到很好的優(yōu)化系數，其減振效果甚至可能低于單層自由阻尼結構。

無阻尼處理情況、自由阻尼結構和約束阻尼結構三種情況下的振動加速度響應曲線如圖3、4、5 所示。在距離較遠的接收點2 的位置，無阻尼空白板下振動加速度的總有效值RMS達到21.0m/s2，振動加速度級為146.5dB。譜圖峰值出現在頻率為573Hz 下，振動加速度達到了26 m/s2。自由阻尼結構下加速度頻響函數曲線的總有效值RMS 為3.8435 m/s2，振動加速度級為131.7dB，與空白板相比，加速度振級落差約為14.8dB。而約束阻尼結構下加速度頻響函數的總有效值RMS 為2.947 m/s2，振動加速度級為129.4dB，與空白板相比，加速度振級落差約為17.1dB。對于500-600Hz 范圍內的振動加速度峰值，從無阻尼狀態(tài)下的26 m/s2，分別下降到了自由阻尼結構下的2.4 m/s2，約束阻尼結構下的1.0 m/s2?？梢钥闯?，約束阻尼和自由阻尼都有很好的減振效果。從總有效值及峰值來看，約束阻尼的效果要優(yōu)于自由阻尼。其主要原因是當鋼結構件發(fā)生振動時，敷設的阻尼結構隨之發(fā)生彎曲振動，在此過程中，自由阻尼通過阻尼層的彎曲消耗能量，使得傳遞下去的振動減弱；對于約束阻尼結構，當鋼結構件發(fā)生振動時，約束層、阻尼層的彎曲，使得阻尼層及約束層兩層材料不僅產生彎曲變形而且產生剪切變形，這樣振動過程中消耗的能量為彎曲和剪切二者耗能之和，所以約束阻尼的減振效果要由于自由阻尼結構。

圖3 無阻尼下接收點2 的加速度頻響函數曲線

圖4 自由阻尼結構下接收點2 加速度頻響函數曲線

圖5 約束阻尼結構下接收點2 加速度頻響函數曲線圖

4.3 不同阻尼厚度下自由阻尼結構減振效果對比

根據阻尼的優(yōu)化可知，當敷設阻尼材料的厚度增加時，阻尼減振效果更好[5]。方案3 是在方案1 自由阻尼結構的基礎上，再敷設一層阻尼材料，使阻尼總厚度達到20mm。接收點2 的振動加速度頻譜見圖6 所示。與圖4 相比，500-600Hz范圍內的譜圖峰值進一步降低至0.6709 m/s2，且其總有效值RMS 僅為2.38127 m/s2，振動加速度級為127.5dB，與空白板相比，加速度振級落差約為19dB，比單層阻尼材料處理時落差提高了4.2dB。其主要原因是當阻尼層變厚時，在振動彎曲過程中能量耗散更大，所以減振效果更好。由于阻尼層厚度加大，結構件的總質量增大，其固有頻率有所減小，這主要表現在振動加速度峰值對應的頻率也有所降低。從結果對比可知，對于自由阻尼結構，在相同激勵輸入情況下，隨著阻尼層厚度的增加，其輸出響應減小，減振降噪效果更好。由此可見選用厚度較大的阻尼材料對于取得更好的減振效果非常有幫助。但由于阻尼材料一般較貴，所以在工程實踐中，應根據實際情況選擇滿足振動噪聲要求的最小厚度的阻尼材料，實現更高的性價比。

圖6 自由層加厚結構下接收點2 加速度頻響函數曲線

4.4 自由層與約束層相結合的阻尼結構的減振效果

方案4 是在在方案2 的基礎上，用10mm 的自由層阻尼材料來代替3mm 的鋁板來作為約束層使用，主要評估這種復合結構的減振效果。方案4 下接收點2 的振動加速度譜圖見圖7 所示。其總有效值RMS 為1.4787 m/s2，振動加速度級為123.4dB，與空白板相比，加速度振級落差約為23.1dB，落差幅度要大于方案3 的19dB。方案4阻尼材料的總厚度與方案3 一致，但總體減振效果要優(yōu)于單純的自由層阻尼結構。自由層阻尼材料的模量雖然沒有鋁板高，但其自身所具有的阻尼性能要遠優(yōu)于鋁板，可以在約束阻尼材料的基礎上進一步衰減振動能量。

圖7 接收點2 在方案4 下的加速度頻響函數曲線

4.5 接收點的位置與與減振效果的關系

為了驗證阻尼處理后鋼板各處減振效果與距離激振點的遠近是否存在關系，我們考察了方案1下接收點4 的振動加速度頻響函數曲線，見圖8。其總有效值RMS 為4.7142 m/s2，振動加速度級為133.5dB，與空白板相比，加速度振級落差約為13dB，落差幅度不及同樣條件下接收點2 的14.8dB，可以看出其減振效果要比接收點2 的效果要差。由此可以看出在敷設阻尼材料后與振源距離的大小是影響阻尼減振效果的一項關鍵因素，距離大的位置振動衰減大，相反距離小的位置振動衰減小。實際工程應用可有針對性的在離激振源較近的部位增加阻尼層的厚度以加大其減振效果，而在離激振源較遠的部位厚度也可以相應的減小。為了驗證這一點，在方案1 的基礎上，在激振點4的位置敷設尺寸為400mm×10mm×10mm 的阻尼板，然后再進行振動測試，譜圖如圖9 所示，其總有效值RMS 為2.934 m/s2，振動加速度級為129.3dB，與空白板相比，加速度振級落差約為17.2dB，落差幅度雖然不及方案3 阻尼層整體加厚方案下的19dB，但要明顯優(yōu)于方案1 條件下接收點2 的14.8dB。

圖8 接收點4 在方案1 下的加速度頻響函數曲線

圖9 接收點4 局部位置阻尼加厚處理下的加速度頻響函數曲線

5 結論

（1）在鋼板結構件無阻尼處理的情況下不同位置的振動衰減與各點與激振點距離大小關系較小。

（2）鋼板結構件在敷設阻尼材料后，與振動激勵點的距離遠的位置振動衰減大，距離近的位置振動衰減小。在進行阻尼處理時可適當加大振動激勵點附近位置阻尼層的厚度。

（3）對鋼板結構件進行約束層阻尼處理，并以自由層阻尼材料為約束層的減振效果要優(yōu)于單純使用自由層阻尼材料。

（4）在距離振源近的位置局部加大阻尼材料的厚度可起到更佳的阻尼減振效果。