新型輕質(zhì)阻尼基座設(shè)計(jì)與隔振性能研究

劉瑞霞 裴東亮 王育人

?(中國科學(xué)院力學(xué)研究所，北京100190)

?(中國科學(xué)院大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院，北京100049)

艦船設(shè)備常用隔振器或隔振系統(tǒng)安裝在與船體連接的基座上進(jìn)行隔振[1-2]，這是因?yàn)闄C(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的振動除了直接輻射空氣噪聲外，很大一部分會通過基座傳遞給船體，是船體輻射噪聲的重要來源之一[3]。這些噪聲不僅會加重海洋噪聲污染，危害人類和動物的健康，而且降低了艦船的穩(wěn)定性和隱身性，所以對機(jī)械設(shè)備振動進(jìn)行隔振處理具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前，船用設(shè)備基座的隔振器主要有單層隔振系統(tǒng)(穩(wěn)定性差)、雙層隔振系統(tǒng)(中間質(zhì)量過多)、浮筏隔振系統(tǒng)(多個(gè)不同設(shè)備一起隔振)。這些隔振系統(tǒng)增加了結(jié)構(gòu)復(fù)雜度和重量[3-4]，并且當(dāng)設(shè)備激勵頻率等于或低于系統(tǒng)共振頻率時(shí)，這些隔振系統(tǒng)會失效[3]。同時(shí)，船上常用的基座多為金屬材料：鑄鐵、鑄鋼、鋁制合金鋼等，重量大，阻尼小，隔振性能不能滿足工況需求[5-6]。另外，廣泛應(yīng)用于航空、車輛等領(lǐng)域的隔振技術(shù)研究，如準(zhǔn)零剛度隔振技術(shù)和反共振技術(shù)[7]、鋼絲繩隔振器[8]、精密儀器和設(shè)備的非線性隔振器[9]、磁流變阻尼器應(yīng)用在整星隔振平臺研究[10]、彈性梁彎曲振動隔振研究[11]等在頻段和隔振性能上不斷提高，但這些研究大多還未聚焦到艦船機(jī)械設(shè)備隔振基座的應(yīng)用上。因此，研究輕質(zhì)寬頻的高強(qiáng)度阻尼基座進(jìn)行直接隔振具有重要的意義。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)由于具有高的比強(qiáng)度、比剛度和阻尼性能等優(yōu)點(diǎn)，可用于隔振基座的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，但復(fù)合材料基座目前仍處在研究探索階段[12-13]。文獻(xiàn)[1,4,14]提出了鋼材和黏彈性材料構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)彈性基座，可以在寬頻段隔振。趙樹磊等[5]研究了復(fù)合阻尼材料基座對4 kHz以下的振動隔振性能平均為4 dB，比鋼基座的隔振性能更優(yōu)，但隔振性能和頻段有待進(jìn)一步提高和拓寬。羅忠等[12]研究了三明治夾芯的復(fù)合材料基座，有效克服了鋼制隔振器的阻尼小和高頻隔振不足的固有缺陷，但研究中主要是在有限的若干個(gè)頻點(diǎn)處。李江濤[14]設(shè)計(jì)了復(fù)合結(jié)構(gòu)基座并研究了隔振性能，發(fā)現(xiàn)隔振效果比鋼制基座明顯，但其復(fù)合結(jié)構(gòu)基座是由復(fù)合材料構(gòu)件組裝而成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且強(qiáng)度有限。溫華兵等[15]用多層復(fù)合阻尼減振膠板對基座進(jìn)行阻尼處理，降低了船體振動加速度級1～5 dB。另外也有關(guān)于碳纖維復(fù)合材料用于隔振基座的研究報(bào)道，如李國亮[6]研究的隔振頻段在200 Hz以下，牟文珺等[13]研究的隔振頻段在500 Hz以下，且研究的隔振頻段都較窄。另外，隨著聲子晶體的發(fā)展，關(guān)于宏觀負(fù)泊松比超材料隔振基座的設(shè)計(jì)與優(yōu)化的研究已有報(bào)道[16-19]，雖然這種負(fù)泊松比的多孔結(jié)構(gòu)減輕了基座的重量，但隔振性能有待進(jìn)一步提高。概括起來這些復(fù)合材料基座的隔振研究總體具有兩個(gè)方面的不足：(1)結(jié)構(gòu)復(fù)雜和重量較大，不能兼顧強(qiáng)度與阻尼兩個(gè)矛盾的性能；(2)隔振頻率范圍與隔振性能或振級落差較小。因此，需要在輕質(zhì)和結(jié)構(gòu)簡單的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高基座寬頻隔振性能。

聲子玻璃是基于局域共振機(jī)理[20]的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)聲學(xué)超材料[21-24]，它將金屬互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的承重強(qiáng)度性能與聚氨酯互穿網(wǎng)絡(luò)的阻尼性能復(fù)合在一起，互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的大量接觸界面使得振動引起的界面摩擦增多，從而增加耗能，因此通過改變聲子玻璃中孔的大小、數(shù)量及分布來增多接觸界面可提高其阻尼性能。綜合其潛在的高阻尼高強(qiáng)度特點(diǎn)，本文將在已有研究的基礎(chǔ)上，用聲子玻璃設(shè)計(jì)和制備阻尼基座，通過振級落差的隔振分析方法，對輕質(zhì)阻尼基座進(jìn)行20～10 000 Hz頻率范圍的隔振研究，從而進(jìn)一步有效降低艦船機(jī)械振動傳遞和輻射噪聲。

1 研究方法

1.1 聲子玻璃材料

聲子玻璃作為一種網(wǎng)絡(luò)化的局域共振聲學(xué)超材料，其實(shí)物及單元模型如圖1(a)所示，不同于傳統(tǒng)的局域共振聲學(xué)超材料的散射體往往是球狀或柱狀的離散單元，聲子玻璃將金屬和聚氨酯連續(xù)地互穿網(wǎng)絡(luò)化，不僅具有金屬互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高承重強(qiáng)度，也具有軟質(zhì)聚氨酯和硬質(zhì)聚氨酯互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的黏彈性阻尼[24-26]，此外，互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中材料組分間大量的界面摩擦促進(jìn)了大量振動能轉(zhuǎn)化為熱能，從而增強(qiáng)阻尼隔振性能。另外，由于局域共振頻率因網(wǎng)絡(luò)化的共振子具有不同尺度而分布較寬，且局域共振頻率處共振子振動劇烈，集中了大量振動能，然后經(jīng)過界面摩擦的轉(zhuǎn)化和消耗，從而實(shí)現(xiàn)寬頻阻尼隔振。

圖1 聲子玻璃阻尼復(fù)合材料樣品及阻尼測試示意圖(續(xù))

圖1 聲子玻璃阻尼復(fù)合材料樣品及阻尼測試示意圖

為了量化聲子玻璃的阻尼性能，本文制備了尺寸為600 mm×70 mm×20 mm的聲子玻璃矩形條，通過單懸臂測試方法，即按照一端固定另一端自由的方法(圖1(c))，測試了聲子玻璃的結(jié)構(gòu)阻尼比，測試樣品如圖1(b)所示。同時(shí)，為了更好地表征聲子玻璃的阻尼性能，測試了同樣尺寸的鋼板和鋁板的結(jié)構(gòu)阻尼比作對比，結(jié)果見表1。測試結(jié)果表明，聲子玻璃在1階頻率處是鋼板的10倍，鋁板的2倍，比傳統(tǒng)常用的鋼質(zhì)板和鋁板具有更高的阻尼比。

表1 樣品阻尼測試結(jié)果

1.2 阻尼基座設(shè)計(jì)

圖2 阻尼基座模型

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

隔振性能的表征方法為加速度振級落差，表達(dá)式為

其中am是激振點(diǎn)位于基座面板處的垂向加速度幅值的平均值，ac是對應(yīng)采集點(diǎn)位于艙段處的垂向加速度幅值的平均值，a0=1 μm/s2表示基準(zhǔn)加速度值。Lm和Lc分別是面板和艙段的振級。加速度的均方根平均值公式為

在20～10 000 Hz頻率范圍的每個(gè)測試頻點(diǎn)的總加速度振級為

其中n=4表示基座面板有4個(gè)激勵點(diǎn)處的加速度，n=18表示艙壁的響應(yīng)加速度振級共有18個(gè)，La表示基座面板與艙壁處加速度平均振級之差，Lall表示振動總級，通過比較面板和艙段的振級落差得到振動總級落差表征隔振性能。

1.4 隔振性能測試方法

試驗(yàn)測試過程中首先將制作的阻尼基座與鋼制基座對稱安裝于船舶艙段中，如圖3(a)所示的艙段內(nèi)的左右兩側(cè)。將水泵電機(jī)置于基座上面板，且在上面板和艙段上安裝布置好加速度傳感器。然后采用水泵電機(jī)分別激勵阻尼基座與鋼基座的上面板，如圖3(a)和圖3(b)所示，以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集示意圖3(c)采集面板的加速度振級和艙段的加速度振級，經(jīng)過快速傅里葉變換將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。最后通過對比對稱布置于面板與艙段上的振動加速度計(jì)的振級，來評估基座的隔振性能。

圖3 試驗(yàn)測試方案實(shí)物及示意圖

2 結(jié)果與討論

根據(jù)隔振性能的測試方法，測取20～10 000 Hz頻段的激勵加速度振級和艙段響應(yīng)加速度振級。從圖4(a)中可明顯看到，激勵加速度振級和響應(yīng)加速度振級基本重合，經(jīng)過鋼基座的激勵振動并沒有降低。同時(shí)，從圖4(b)選取測試頻率范圍中的28個(gè)1/3倍頻程的加速度振級點(diǎn)的連線圖看出，水泵激勵鋼基座后，面板和艙段上的加速度振級相近，即激振加速度振級與經(jīng)過鋼基座隔振后的振級沒有變化，表明鋼基座在20～10 000 Hz的頻率范圍基本沒有隔振性能。圖4(c)中藍(lán)色線分布高于紅色線分布，這表明水泵激勵阻尼基座后，面板和艙段上的加速度振級相差較大，在測試頻段20～10 000 Hz頻段的隔振效果顯著，如圖4(d)，隔振效果明顯優(yōu)于鋼基座。為了更加準(zhǔn)確地表征基座的隔振性能，根據(jù)鋼基座和阻尼基座各自所測得的加速度振級數(shù)據(jù)，按照式(1)計(jì)算獲得鋼基座和阻尼基座的振級落差值，然后選取測試頻段20～10 000 Hz內(nèi)的1/3倍頻程的振級落差列于表2，共28個(gè)頻率點(diǎn)，繪出兩種基座在相應(yīng)的1/3倍頻程的加速度振級落差點(diǎn)線圖，如圖5所示。

圖4 水泵激勵鋼基座和阻尼基座的隔振測試結(jié)果對比

圖5 水泵激勵鋼基座和阻尼基座的振級落差對比

表2 兩種基座在20～10 000 Hz頻段隔振性能對比

3 結(jié)論

本文運(yùn)用聲子玻璃設(shè)計(jì)了一種底部為弧形的輕質(zhì)阻尼基座，隔振測試結(jié)果表明基座在20～10 000 Hz頻率范圍的振動落差總級可達(dá)12.93 dB，及承重不低于500 kg，具備高強(qiáng)度阻尼的隔振特性，初步克服了強(qiáng)度與阻尼這一對矛盾的力學(xué)特性。綜上，阻尼基座隔振性能得益于兩方面：

(1)聲子玻璃材料將高強(qiáng)度和高阻尼性能結(jié)合在一起，并由局域共振子和多界面摩擦實(shí)現(xiàn)寬頻隔振；

(2)阻尼基座的強(qiáng)度由面板和肋板共同承擔(dān)，基座的隔振性能主要依賴?yán)甙濉?/p>

因此，選擇具有高強(qiáng)度高阻尼的材料用于肋板，同時(shí)選擇高強(qiáng)度材料如金屬鋼用于面板是一種提高基座隔振性能的方案，滿足強(qiáng)度且能有效降低機(jī)械振動傳遞，有望用于艦船機(jī)械設(shè)備的隔振，并且可推廣到車輛、航空、航天、精密儀器等設(shè)備的隔振研究與應(yīng)用中。

2朱石堅(jiān).振動理論與隔振技術(shù).北京:國防工業(yè)出版社,2006

3俞孟薩,黃國榮,伏同先.潛艇機(jī)械噪聲控制技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展概述.船舶力學(xué),2003,7(4):110-120

11丁虎,邵志華.彈性結(jié)構(gòu)橫向彎曲振動傳導(dǎo)率.力學(xué)與實(shí)踐,2019,41(6):661-664