刚性阻振降噪技术的应用研究及发展

1 引 言

定常结构发生突变(质量、刚度等)，会引起结构的阻抗失配，对声波起到很好的反射作用。结构中材料物理性质的突变、截面突变、加强肋条的存在等都会使弹性波在传播过程中遇到不连续处，反射或抑制一部分弹性波，从而起到隔离弹性波或结构声波的作用。船壳上布置的许许多多肋骨，集中了很多质量，就像一道道防浪堤一样，将振动波阻挡在一定的范围内，对结构噪声[1]来说，形成了明显的反射部位，起到了非常良好的隔离作用。利用阻抗失配技术可以有效阻隔结构声的传递，从而达到抑振降噪的目的。国外某型导弹驱逐舰在隐声性上采用了许多先进的、值得借鉴的技术[2]，如对基座设置质量隔振物的技术，即在基座与船体结构的连接部位加设方钢刚性隔振结构。阻隔质量与传统减振器的减振机理有很大不同，控制噪声的频率范围也与大多数减振器不同，它主要控制中、高频的结构噪声。

目前使用的隔振降噪手段，如弹簧或阻尼物质,都属于柔性隔振，但一些机械在运行时不允许自身有较大的位移，因此必须研究使用刚性减振器，而国内这方面的研究还较少。本文比较全面地综述了声振动沿不连续结构的传播特性以及国内外刚性阻振质量的研究概况，并首次阐述了阻振质量在水下复杂双壳减振降噪中的应用，最后对刚性阻振技术的实艇应用做了展望。

2 声振动在突变结构中传播特性研究

在船舶动力设备机座下安装减振器，可以使噪声源的振动得到相当程度的隔离。但是由于重量、尺寸、成本等各方面的原因，上述措施的应用以及实际隔振效果往往受到限制，关于结构噪声在船体结构中的传递规律及衰减措施的研究十分重要。隔离船体结构振动噪声的有效方法，是在振动能量传播途径上对其进行吸收和使其反射。在结构表面敷加阻尼材料[3]，虽然可以起到一定的减噪作用，但同时也带来了诸如材料易老化、易发生火灾、经济性差等一系列问题。所以，若要更好地解决结构噪声的问题，还必须深入研究噪声在船体结构中的传播机理，从而充分利用结构自身的不连续特性而达到减振降噪的目的。许多工程技术人员已经针对振动能量在板梁等元件所组成的工程突变结构中的传递规律开展了一定的研究。

2.1 板、梁突变结构

到目前为止，平板、梁中振动波传播的研究已经较为成熟，通过振动的经典方程及应用数值解法可以得到较为准确的解，同时也得出了一些很有价值的结论。

文献[3]对工程中常用的发生质量和刚度突变或加有粘弹性阻尼材料的组合L形板结构进行了振动功率流研究，应用拉普拉斯变换和迁移矩阵方法得到了板的挠度表达式以及其它的物理量。分析了不连续材料的质量、刚度和自由阻尼层的特性对输入功率流及传递功率流的影响，结论是在弯曲波的传播路径上粘贴阻尼材料能有效降低传递功率流的量值，进行多个局部阻尼处理，减振效果更加明显。

尼基福罗夫·阿·斯[4]采用波动理论给出了声振动沿均质结构的传播特性，采用能量理论阐述了声振动沿不均质结构的传播特性，讨论了不均质结构中的波型变换，并给出了直射情况下平面弯曲波能量通过厚度为0.005 m的半无限板角接头时，波型转化的反射系数和通过系数与频率的关系：由弯曲波向纵向波的转化，随着频率的升高而加剧，因为这时板的抗弯刚度和纵向刚度值已经彼此接近，转化则由于组成接头的板的厚度增大而加剧。

BONDARK、FLOTOW、YONG及KEANE[5-8]在研究组合式结构时，提出对复杂桁架甚至是板架结构，振动波在各桁架、板架联接点处存在波型转换、反射及折射从而导致振动能量的衰减，而且振动波传播距离的增加，使得结构阻尼的作用增加。

文献[4]给出了平面波直射时的纵向波和弯曲波能量通过平面结构的不同连接(线形连接、角形连接、T 形连接、十字形连接等)时的传播系数值。

文献[9]采用波动分析法研究了在由板加强的梁中结构波的传递规律，主要分析了振动能量从梁向与之水平连接的板的传递，并且把板看作为梁的一种局部反应阻抗，其理论分析和试验结果相当吻合，体现了波分析法的有效性。

文献[10]研究了成角度的板与板间振动能量的传递，但是没有涉及到阻振质量对结构波衰减的作用。

2.2 圆柱壳突变结构

圆柱壳结构噪声的研究对于潜艇壳体和一些管路的减振降噪有非常重要的应用价值。减少壳体振动的方法有许多种，其中一种重要的方法是设置隔振元件，其实质就是通过使结构发生突变，达到减振降噪的效果。

文献[11]研究了壳体中插入接头，或在环向加肋的情形下，振动波的传播情况，文中将这些不连续构件作为壳体的附加结构处理。

FULLER[12]研究了一无限长圆柱壳的波传播特性，把接头作为一段有限区域，分析各种不连续结构对入射“弯曲波”的反射与透射作用。徐慕冰[13]分析当壳体中存在接头时，传播波的反射系数、透射系数随接头的变化情况，结果表明壳壁不连续性对能量流有良好的控制作用，在一些频段上能量透射系数很小。

HARARI[14]研究了两段无液圆柱壳在连接处壳体的加厚对振动波传播的影响。MEAD和BARDELL[15]采用能量法研究了自由振动波在无液的周期加肋圆柱壳中的传播，将肋骨看成圆环，在肋骨与壳体接触面处，壳体和肋骨的三个方向的位移和绕环向的转角相等。

李龙元[16]采用奇异摄动理论的PLK方法研究了环向加筋圆柱壳自由振动问题，在肋骨的处理上则是将肋骨看成壳体在一个肋骨宽度上的壁厚的摄动。

FINNVEDEN[17]则采用谱有限元法研究了带有法兰和刚性质量块的充液圆柱壳的稳态振动，将法兰看成圆环并对其进行单元划分。

陈正翔和金咸定[18]运用结构振动的波动方法对加肋圆柱壳中的能量流传播进行了研究，讨论了肋骨对壳体中的振动波传播的影响。

张小铭和张维衡[19]研究了环肋圆柱壳在周向线分布余弦简谐力激励下由振源输入壳体的功率流及沿壳体传播的功率流，分析了肋骨参数对功率流的作用。

3 阻振质量应用现状

结构振动声沿结构传递的途中会遇到具有隔离作用的自然障碍, 如板或杆的铰支承, 结构的接头(线形连接、角形连接、T 形连接、十字形连接等)和加强筋等。这些自然障碍对结构声的传递起到隔离作用。根据这一思路，人为地在结构声传递途径上敷设障碍，典型的就是阻振质量。阻振质量不同于一般的加强筋，加强筋是船舶上的主要结构形式，筋的存在相当于在板上施加了一个沿筋连续分布的线激励，而阻振质量是一个大而重的条体，其截面一般为矩形、正方形或者圆柱形，沿着声振动传播途径配置在板的结合处，用以隔离结构声的传递。

CREMER和HECKL[20]在其关于结构声的经典著作中对阻振质量作了简单的论述，但没有针对阻振质量参数的变化对振动传递的影响作专门的研究。

车驰东和陈端石[21]运用波分析法对成任意角度连接的两块平板转角处的振动能量传递问题进行了理论分析，通过引入两个局部坐标系及6个新的无量纲数，简化了理论公式的推导，将透射及反射系数与模型的特征阻抗直接联系起来，探讨了附加在转角处的阻振质量对结构波传递的阻挡作用，结果表明转角处的阻振质量对于平面弯曲波透射所起的作用类似于一个“低通滤波器”，“阻带”插入损失的量值主要取决于阻振质量的大小，而“阻带”宽度则取决于其转动惯量。

ЛЯЛУНОЬ[22]等采用波动分析法计算了阻振质量阻抑结构声传递的透射系数和反射系数,并得到其隔振度。

刘洪林和王德禹[23]从结构的角度探求不同阻振质量块结构参数对隔振降噪的影响，主要讨论了矩形截面阻振质量块和圆环阻振质量块这两种结构形式, 结果表明：对于矩形截面质量块,在满足一定条件的基础上,适当增加质量块的高度并相应减少其宽度可以增加质量块的隔振降噪效果；对于环向质量块,适当增加圆环质量块的高度并相应减少其宽度同样可以增加隔振降噪效果，为舰船的减振降噪设计提供了参考。

刘见华和金咸定[24]研究了无限板上受点激励时阻振质量对结构声传递的阻抑(图1)，采用基于能量观点的隔振度定义阻振质量的阻抑作用，通过理论分析验证了隔振度简化公式的可行性，发现板平面弯曲波分别和阻振质量的弯曲波、扭转波达到最佳耦合时，平面弯曲波发生最大透射，并采用算例分析和试验研究论证了理论分析的正确性，图2为其研究的圆形阻振质量的隔振度曲线，可见试验与理论计算的结果吻合很好，为阻振质量应用于结构声传递途径的控制提供了理论和试验基础。

图1 阻振质量和板的组合结构示意图

图2 圆形阻振质量的隔振度曲线

石勇和朱锡[25,26]等从质量引起的阻抗失配原理出发，利用波动理论分析了在板中嵌入一块方钢所引起的对振动波传播的阻碍作用，并且通过NASTRAN有限元软件以及模型试验的方法进行了计算，检验了方钢结构的隔振效果，结果表明方钢的存在阻隔了从锤击点输入的结构振动波,振动波在通过方钢向水平板传递的过程中，大部分被反射，这样就使振动波被限定在方钢所隔离的范围内，且加了方钢后被隔离结构的振动噪声平均下降了9 dB以上，但是方钢阻振的缺点是高频段有明显的效果，而对于低频段，方钢的减振效果差，或者说没有减振效果。

欧大生和易太连等[27]讨论了刚性阻振的概念及用途，应用波动理论分析了刚性阻振的隔振机理，建立了阻振系统的数学模型，预估了其隔振效果，并进行了试验验证，隔振效果达到了3.3 dB，其研究的刚性阻振模型见图3，图4给出了研究模型下隔振量与激励频率关系图。

图3 简化的刚性阻振模型

图4 隔振量与激励频率关系图

实际应用当中, 一般是在装有声振动源的船体结构整个回路上都配有阻振质量, 以阻抑结构声的传递。文献[28]采用波动分析法对平行排列的多个阻振质量阻抑结构声传递的机理做了探讨(图5)，研究了无限板上受点激励时阻振质量对平面弯曲振动波传递的阻抑，并分析了平面弯曲波传递时形成的穿透频段和堵塞频段，数值计算分析和试验研究结果表明，多个阻振质量对结构声的传递具有良好的阻抑效果，且阻抑的振级落差随阻振级数的增加而增大。

图5 多个平行排列的阻振质量和板的组合结构及测点示意图

4 阻振质量在水下复杂双壳减振降噪中的应用研究

从以上的论述可看出，基于阻抗失配技术的阻振质量对结构声的传递具有良好的阻抑效果，但目前的相关研究大多数局限于板的减振降噪，并没有将其应用到水下航行结构的减振降噪中。本文从阻抗失配技术出发，将刚性阻振质量引入圆柱壳的减振降噪，通过在托板上加阻振质量块(称为复合托板)来降低托板振动传递。有限元、边界元法是目前水下结构声辐射常用的数值分析方法[29]，下面使用有限元、边界元法对含复合托板的双层圆柱壳振动与声辐射进行分析，并与含一般托板(不含阻振质量块)的圆柱壳的声学特性进行了对比。

4.1 复合托板对振动波传播的影响

图6 复合托板结构以及各物理量参数

根据文献[25]，阻隔结构的隔声量存在一个全透射频率与全隔离频率，在全透射频率处，无减振效果；在全隔离频率处，减振效果最佳。此外，阻隔质量对振动波起隔离作用的主要参数是：质量块与板结构的质量比、质量块质量惯性矩和板中振动波的波长，而与质量块的绝对质量无关。

下面以双层壳中的托板(150×220×8 mm3)为例，说明各参数对隔声量的影响。其中隔声量R(dB)表达式如下：

(1)

式中,W1、W2分别为入射波的能量和反射波的能量，t为透射系数。隔声量R在Matlab中通过编程计算，图7给出了方钢尺寸为10×10 mm2，20×20 mm2，30×30 mm2，40×40 mm2，50×50 mm2，60×60 mm2时，阻振质量块隔声量随频率变化的曲线。

从图7可以看出，阻振质量块的全透射频率与全隔离频率随尺寸的增加而降低，隔声量从全透射频率之后单调上升，至全隔离频率后开始单调下降，最终趋于某一定值。表1给出了阻振质量块不同尺寸下的全透射与全隔离频率。

图7 阻振质量块隔声量随频率比较曲线

表1阻振质量块全透射与全隔离频率

方钢/mm2全透射/Hz全隔离/Hz10×1024103231020×206102244030×30270999040×40150562050×50100360060×60702500

4.2 计算模型

双层壳具体尺寸：R1/h1=125，R1/l1=5.83，R1/L=0.583，R2/h2=466.7，R2/l2=3.267，R2/L=0.653，其中L为双层圆柱壳的长度，R1,h1,l1分别为内壳体的半径、厚度和内壳环肋间距；R2,h2,l2分别为外壳体的半径、厚度和外壳环肋间距，托板沿轴向等间距分布，间距为l3=l2，厚度为h3=2.67h2，且双层壳内含基座结构。根据上一节的计算结果，阻振质量块尺寸取50×50 mm2。复合托板圆柱壳模型见图8，复合托板结构见图9。

图8 双层圆柱壳模型

图9 复合托板模型

4.3 阻振质量块对壳体声辐射的影响

图10给出了含有复合托板与一般托板的圆柱壳外壳振动均方速度随频率的对比曲线,图11给出了含有复合托板与一般托板的结构辐射声功率随频率变化的曲线。

图10 振动均方速度级比较曲线

图11 辐射声功率比较曲线

由图10可以看出，低频段各工况下结构外壳的振动均方速度相差不大，并且在100 Hz附近出现全透射现象，阻振质量块的存在反而加剧了壳体振动，随着频率的增加，阻振质量块的作用开始体现；在中高频阶段，阻振质量块具有明显的减振效果。从图11可以看出，在较低频阶段，两条曲线基本重合，随着频率的增加，阻振质量块的作用开始体现；到高频阶段，质量块具有非常明显的降噪效果。

5 刚性阻抗失配减振技术应用展望

从本文论述以及计算可以看出，基于阻抗失配以及波型转换原理，阻振质量块对弯曲声波可以起到很好的反射作用，可以有效降低结构声辐射，阻振质量块有着较为乐观的应用前景，完全可以应用到水下航行体的减振降噪中。本文认为，阻抗失配减振降噪的实艇应用还应开展如下几方面的工作：

1) 低频减振刚性阻振技术研究。

低频振动与噪声控制是声学领域的一大难题，目前刚性隔振结构主要控制中、高频的结构噪声，且阻振质量块质量越大，隔振效果越好。因此，进一步对刚性阻振技术进行研究，将其减振频率范围向低频拓展，同时进行质量块的尺寸优化，使其达到最佳的减振降噪效果。

2) 艇体突变结构隔振研究。

水下航行体是由厚壁环肋耐压壳体和轻型外壳体的圆柱壳和锥壳结构组成，且内壳和外壳之间由一系列托板及实肋板连接，环肋、舱壁、托板、实肋板结构使原本均质的壳体发生了突变，根据阻抗失配原理，突变结构的存在必然会对艇体的振动产生阻隔。因此，进一步加强弹性波在不同突变结构中的传播规律研究，充分利用艇体结构本身的突变特性来达到减振降噪的目的。

6 结 论

本文比较全面地综述了声振动沿不连续结构的传播特性以及国内外阻振质量的研究概况，并将阻振质量块首次应用到水下复杂双壳的减振降噪中，主要得出以下结论：

1) 阻振质量块对弯曲声波可以起到很好的反射作用，可以有效降低结构声辐射，阻振质量块有着较为乐观的应用前景，完全可以应用到水下航行体的减振降噪中；

2) 中高频段，阻振质量块能有效降低双层圆柱壳的振动及声辐射，降噪效果最大能达到15 dB，且其声压指向性更加集中，更加便于治理，为刚性阻振技术的实艇应用提供了基础；

3) 低频振动与噪声控制是声学领域的一大难题，从振动与噪声控制、特别是低频振动与噪声控制的实际需要出发，将刚性阻隔减振范围向低频拓展，同时充分利用艇体本身的突变特性来达到减振降噪，将是阻抗失配减振降噪技术的发展趋势。

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