舰船阻振质量刚性隔振特性研究

姚熊亮 计 方 钱德进

1哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨 150001

2海军装备研究院舰船所，北京 100161

舰船阻振质量刚性隔振特性研究

姚熊亮1计 方1钱德进2

1哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨 150001

2海军装备研究院舰船所，北京 100161

利用波动理论的分析、处理方法，分析了阻振质量对船体结构中振动波传递的阻抑特性，讨论了阻振质量偏心布置对其隔振性能的影响。在此基础之上，突破传统柔性隔振理论的局限，开展双层壳动力舱段阻振质量刚性隔振特性研究，从阻抗失配的角度出发，初步给出了具有高传递损失特性的舱壁及出海管道系统结构形式，为船舶结构声学提供参考。研究结果表明：不同形式的阻振质量增大了船体结构的阻抗失配程度，加剧了振动波在船体结构中的波型转换、散射和反射，显著降低了动力舱段中高频带的振动和声辐射。

波动理论；阻振质量；舱壁；出海管道；刚性隔振

1 引言

船舶结构由大量的纵横骨架、板架和舱室组成，结构噪声在船舶结构中的传递规律及其衰减措施的研究十分重要。而就船舶这种由钢板和各种型钢构建而成的大型钢结构而言，材料本身的阻尼系数很低。同时，为了保证结构强度及水密性，钢板之间必须焊接得十分牢固，不允许采用弹性连接方式来减少振动传递。因此，开展船体结构的阻振质量刚性隔振特性研究具有重要的意义。

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［1］。Cremer等［2］对阻振质量作了简单论述，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。刘见华等［3-4］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，并采用算例分析和实验研究论证了理论分析的正确性。石勇等［5-6］利用波动理论分析了在板中嵌入一块阻振质量块对振动波传播的阻碍作用，并通过NASTRAN有限元软件以及模型实验进行了阐述。本文在上述文献的基础上，突破传统隔振理论的局限性，深入探讨了阻振质量对船体结构中振动波传递的阻抑特性，开展了双层壳动力舱段阻振质量刚性隔振特性研究，从阻抗失配的角度出发，研究具有高传递损失特性的舱壁及出海管道系统结构形式。

2 振动波斜入射阻振质量传递机理

如图1所示，假设一无限长阻振质量块布设在一无限大的板上，设板的左侧有单位幅值的平面弯曲波以角度φ沿x正向入射阻振质量，入射板平面弯曲波的频率为ω，波数为kp，对于无限板，板边界不存在波的反射，则阻振质量两侧的位移为：

式中，kx＝kpcosφ为x方向的弯曲波的波数；ky＝kpsinφ为y方向的弯曲波的波数；为近场波波数；R、T分别为波的反射系数和透射系数；RN、TN分别为近场波衰减的反射系数和透射系数。

当激励引起的平面弯曲波Win以角度φ入射阻振质量时，使阻振质量产生z方向的弯曲振动和y方向的扭转振动，忽略阻振质量的回转运动，Лялуноь［7］根据板和阻振质量的耦合边界条件求解得到透射系数：

其中，rm为相对其旋转中心的阻振质量横截面的惯性半径；kbm为阻振质量弯曲振动波数；ktm为阻振质量扭转振动波数；ρp为板单位面积的质量。

阻振质量对结构声传递的阻抑作用通过隔振度来量化，隔振度越大，阻抑作用越强［8］。当形成扩散（二维）场的波通过阻振质量时，其隔振度定义为：

式中，＜T2＞φ为振动能通过阻振质量时的透射系数的平均值：

图2所示为板厚3 mm，不同截面尺寸的阻振质量隔振度随频率变化曲线。在全透射频率以前，阻振质量对弯曲波几乎没有隔离作用；在全透射频率之后，阻振质量对振动噪声的隔离效果越来越好，激励频率到达全阻隔频率时，阻振质量的隔振效果达到最好。随着阻振质量截尺寸的逐渐增大，全透射频率向低频移动，同时全隔离频率也向低频移动，且隔振峰值呈下降趋势。

固定振动频率为1 000 Hz时，改变阻振质量的截面长度l，研究了阻振质量隔振度随截面尺寸l的变化曲线，如图3所示。可见，阻振质量的隔振效果对应着一个全透射尺寸，在选择阻振质量尺寸时，应避开这一长度；也同样存在一全隔离尺寸，阻振质量的截面大小应尽量趋近于该尺寸，使得隔振效果达到最佳。

3 偏心阻振质量阻隔振动波传递机理

在振动波斜入射阻振质量传递特性分析基础上，将阻振质量偏心布置，弯曲波引起的受迫转动产生轴向加速度，这意味着轴向力作用在板上会产生波型变换，即衍生的纵波。

rs是运动点（即板的中心）到阻振质量重心的距离：

偏心阻振质量与板连接线处产生了一个旋转角速度w，重心处速度为：

阻振质量近似作刚体运动，与板连接线处纵向速度连续：

由阻振质量与板接线处的力与力矩平衡：

弯矩阻抗是由偏心质量的旋转惯性和板的弯矩阻抗组成：

阻振质量的惯性矩是对板的中心点而言，因此：

联立以上各式，得到阻振质量偏心布置产生的衍生波的透射系数：

基于互易原理，偏心阻振质量产生的附加隔声量为：

为了分析偏心阻振质量阻抑振动波传递的特性，给出了附加振级落差ΔLν＋：

从图5可以看出：阻振质量偏心布置显著提高了负值低谷频率以外全频段的隔振性能。既改善了其中低频隔振性能、拓宽了阻振质量的工作频带，同时又增加了高频最大隔声量的幅值。

在上述阻振质量对振动波传递的阻抑特性机理性分析基础上，基于阻抗失配、波型转换原理，在设备—基座—艇体的振动噪声主传递途径中布置刚性阻振质量，将阻振质量引入双层壳动力舱段舱壁、出海管道系统的隔振设计之中。在此基础上，通过数值实验验证阻振质量隔振设计的有效性。

4 双层壳舱壁阻振质量环路隔振特性

在理论分析阻振质量阻抑振动波传递特性的同时，从阻抗失配的角度出发，开展阻振质量在动力舱段舱壁中的隔振设计，研究高传递损失的舱壁结构形式对双层壳的减振降噪具有重要的意义。前面讨论了阻振质量对板中振动波传播的影响。在实际应用中，通常会在设备周围施加一阻振质量环路来减小结构的振动。接下来研究阻振质量环路对船体板振动波传播的影响。

在平板上布置阻振质量环路，在保证阻振质量重量不变的情况下，分3种情况讨论了阻振质量环路的隔振性能，具体尺寸如下：

其中，R为阻振质量环路的外半径；r为阻振质量环路的内半径；h阻振质量环路的高度。平板厚度为 3 mm，宽度为 0.3 m。

图6所示为阻振质量环路隔振模型以及考察点布置情况。计算出各点在0～3 000 Hz频率段上的加速度响应值，将计算得出的加速度结果转化成传递函数的形式，利用各点的频率响应以及激励载荷频谱，通过下式计算得到各点的加速度传递函数值：

式中，a（fi）为某频率下加速度响应值；F（fi）为某频率下激励载荷。

图7所示为3种阻振质量环路部分测点的传递函数比较曲线，在环形质量带质量不变的前提下，质量带的高度越高，对振动波的阻隔效果越好。质量带C外半径跟板的宽度相等，使得板平面内声振动源的周围形成了闭式回路，具有很强的滤波功能，其隔振效果高于前两种形式。

综上所述，在进行阻振质量环路隔振应用时，在保持阻振质量重量不变的情况下，应尽量增大其高度，同时减小其厚度，使其能更好地阻隔振动波的传递。并同时满足以下条件［9］：

1）为了获得较好的阻振效果，必须让横截面（高l1，宽l2）的尺寸远小于阻振质量截面内弯曲波波长；

式中，fB表示所研究范围内的最高频率。

由上文讨论可知，阻振质量环路能有效阻隔振动波的传递。接下来将阻振质量环路引入复杂双壳动力舱段舱壁的刚性隔振设计中，以此考察阻振质量环路在实际船舶结构中的应用效果。

本文应用壳、梁和3D等单元构造一个接近于实艇的设备—基座—艇体一体化有限元模型，该模型不仅在形状上和实际结构相似，而且所有的几何参数和物理参数都是正确的。舱段模型在进行有限元网络划分时，其内部结构以及舰体外表面均采用每个波长范围有5个节点的网络划分原则。采用振动噪声集成分析软件VA ONE进行分析，以动力舱段结构模态密度为判据，低频采用FEM＋BEM方法，中高频采用SEA方法，数值计算了10 Hz～3 kHz的振动激励下，双壳动力舱段含阻振质量舱壁结构振动加速度级及水下辐射声压，从而验证刚性阻振质量隔振设计的有效性。

该舱段舱壁结构由横向及纵向加强筋加固，舱壁上布置有水平桁材，且与铺板结构相连。综合考虑其尺寸以及模型总重量限制等问题，取阻振质量截面尺寸为70 mm×50 mm，重约0.09 t。图8所示为舱壁布置阻振质量环路的动力舱段结构图。

图9所示为有无阻振质量环路两种工况下，非耐压壳的振动速度随频率变化的曲线。

由图9可以看出，在中低频阶段，振动加速度级曲线基本重合，在某些频率处阻振质量的存在甚至加大了结构的振动响应；随着频率的增加，阻振质量的隔振作用开始体现，曲线趋于平缓且峰值的个数明显减少。舱壁上布设阻振质量环路后，动力舱段振动加速度级平均下降了2.53 dB。

图10所示为在含阻振质量工况与不含阻振质量工况下船舶舱段的辐射声压级频域的对比曲线。由图可以看出，舱段的辐射声压级同振动加速度级呈现相似的变化规律；舱壁上布设阻振质量环路后，动力舱段辐射声压级平均下降3.46 dB，舱壁刚性隔振设计显著降低了动力舱段中高频段的辐射声压。此外，沿舱壁周界布置阻振质量环路，建议安装在离结构边缘一个肋距处。

5 出海管路阻振质量块隔振特性

现代舰船上常常采取许多措施来降低水下辐射噪声，但出海管系水噪声直到近年来才被重视。舰船出海管系是一个很大的 “噪声辐射装置”，它与其他连接件相比尺寸较大 （典型的内径可达200 mm以上），同时它的一端又直接与海洋相通，因此不仅要设法隔离它的结构噪声，更要控制管中水噪声直接向舷外辐射［10］。

管线系统的振动是一种机械振动，引起管道振动的因素较为复杂，通常，管线内部流体激扰及管外的随机载荷作用是其振动的主要原因。流体振动包括流体脉冲、汽液两相流振动和高速流瞬变冲击等。

管线在受到振动引起的交变应力作用下，即使设计满足其强度要求，也可能产生疲劳破坏.尤其是一些如焊缝连接，接管开孔等应力集中处，所以要对管道振动加以控制。由于引起管道振动的激发源非常复杂，根据振动理论，一个机械系统的多自由度振动方程可用以下矩阵式来表示：

［M］｛X¨｝＋ ［C］｛X˙｝＋ ［K］｛X｝ ＝ ｛F｝ （18）式中：［M］为质量矩阵；｛X｝为节点广义坐标；［C］为阻尼矩阵；［K］为刚度矩阵；｛F｝为系统广义力。

从上式中可看出，要改变其管线系统的振动特性，可采取主动减振、隔振等措施尽量减少振动的传递，通过改变系统阻尼矩阵［C］，如在管道的固定支撑的部位放置金属弹簧、橡皮或软木等，其隔振、减振效果较好。增加系统刚度［K］，可在管道的设计布置上尽量减少弯管个数、适当增加支承数、减小其两支承间的跨度等。然而，对于一些已开工操作且无法做上述处理的管道系统，本文提出了一种工程上易于实现的管路减振降噪方法，即在管道外表面添加刚性阻振质量平衡块，通过改变其质量矩［M］，调整系统的固有频率可大大降低管道的振动幅值，并避免与系统产生共振。

根据舰船出海管路系统的布局进行简化处理，在管道的中部添加阻振质量，质量块长0.2 m，径向厚度0.05 m，数值分析了出海管道左端管壁简支，右端带刚性障板的有限长充液管道在流体脉动激励下的振动声辐射特性。图11所示为出海管道系统计算模型的示意图。

在计算振动响应时，假设管道受到随时间变化的激励力的作用，为线弹性振动。设管道一端受到径向激励的作用，其激励力是谐波激励，在ANSYS中设置谐波激励力幅值为100 N，频率范围10～1 000 Hz，谐响应分析的结果保存到结果文件File.RST中，从而获得SYSNOISE声学边界元分析模型的节点法向速度。

图12所示为阻振质量对出海管道振动的影响。可以看出，一阶固有频率以下，阻振质量对管道的振动影响很小，甚至增大了结构的振动及声辐射，即低频段阻振质量没有减振效果；随着频率的增大，一阶频率以上，阻振质量具有明显的减振效果。由此可见，添加阻振质量后，管道表面均方速度平均下降10.4 dB；另外，阻振质量的存在使得结构的固有频率向低频移动，这是因为阻振质量使得结构的总质量变大，从而固有频率下降。

图13所示为添加阻振质量后，考查点1和2的辐射声压，计算结果选取在距右端管口1 m处。同样可以看出，低频段阻振质量没有降噪效果，甚至增大了管路系统的声辐射；随着频率的增大，一阶固有频率以上，阻振质量的存在有效降低了管道辐射到管口外无限大的水域中的噪声。

图14所示为阻振质量对管口声辐射效率的影响。由图可见，阻振质量的存在使得结构的声辐射效率变大，这是因为阻振质量使管道振动速度下降的比例大于辐射声功率下降的比例，所以辐射效率变大。

从上面的分析可以看出，质量块截面尺寸越大，降低管道振动效果越显著。然而在实际应用过程中，应综合考虑隔振的截止频率以及重量限制等问题，合理选择阻振质量的尺寸。

6 结论

本文基于波动理论，分析了阻振质量对船体结构中振动波传递的阻抑特性；依据阻抗失配原则，开展双层壳动力舱段阻振质量刚性隔振特性研究，初步探讨了具有高传递损失特性的舱壁及出海管道系统结构形式，主要结论如下：

1）阻振质量偏心布置显著提高了负值低谷频率以外全频段的隔振性能，即改善了其中低频隔振性能，拓宽了阻振质量的工作频带。

2）在舱壁阻振质量环路重量保持不变的条件下，应尽量增大截面的高度、相应减少宽度，并使得其外半径与耐压船体相距一个肋位，以此达到最佳减振效果。

3）舱壁阻振质量环路隔振设计有效抑制了动力舱段中高频带振动与声辐射。

4）管道一阶固有频率以上，阻振质量块具有明显的减振降噪效果，阻振质量尺寸越大，对降低管道振动以及管口辐射噪声效果越显著。

［1］阿.斯.尼基福罗夫.船体结构声学设计［M］.谢信，王轲，等译.北京：国防工业出版社，1998.

［2］CREMER L，HECKL M，UNGAR E E.Structure－borne Sound［M］.Berlin：Springer－Verlag，1988.

［3］刘见华.舰船结构声传递的阻抑机理及应用研究［D］.上海：上海交通大学，2003.

［4］刘见华，金咸定.阻振质量阻抑结构声的传递［J］.上海交通大学学报，2003，37（8）：1201－1204.

［5］石勇，朱锡，刘润泉.方钢隔振结构对结构噪声隔离作用的理论分析与试验［J］.中国造船，2004，45（2）：36－42.

［6］石勇，朱锡，胡忠平.方钢刚性减振结构对组合板振动影响的计算分析［J］.海军工程大学学报，2003，15（2）：45－49.

［7］Лялуноь В Т， НLкLфоров А С.ВиброизоляциЯ в судовых конструкциЯх［M］.Л： Судостроение，1975.

［8］姚熊亮，计方.典型船舶结构中振动波传递特性分析［J］.振动与冲击，2009，28（8）：20－24.

［9］刘洪林，王德禹.阻振质量块对板结构振动与声辐射的影响［J］.振动与冲击，2003，22（4）：76－80.

［10］楼红伟，胡光锐，何元安.出海管路系统的噪声振动及声辐射［J］.上海交通大学学报，2002，36（5）：726－729.

Rigid Vibration Isolation Characteristics of Ship Blocking Masses

Yao Xiong－liang1 Ji Fang1 Qian De－jin2
1 College of Shipbuilding Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China
2 Ship Research Institute， Naval Academy of Armament，Beijing 100161，China

Based on the wave analysis theory， the blocking masses attenuating propagation effect on vibration wave were analyzed and the influences of eccentric location on the blocking masses isolation performance were discussed.The traditional flexible vibration isolation theory is known to be limited in the research of rigid vibration isolation of double cylindrical shell power cabin with blocking masses.Our research was carried out on the basis of the impedance mismatching principle，and proposed a set of structural configurations for the bulkhead and the sea pipe system with high transmission loss，providing reference for acoustic design of typical hull structure.The results show that different forms of blocking mass aggravate the wave conversions， scattering and reflection of vibration wave in the hull plates， thus the vibration and sound radiation of double cylindrical shell power cabin can be significantly reduced.

wave theory； blocking mass； bulkhead； sea pipe； rigid vibration isolation

U661.44

A

1673－3185（2010）05－15－07

10.3969/j.issn.1673-3185.2010.05.004

2009－08-22

国防重点预研项目（40*********02）；国际科技合作项目（2007DFR80340）；

高等学校博士学科点专项科研基金（20070217074）

姚熊亮（1963－），男，教授，博士生导师。研究方向：船舶及海洋工程动力学。E-mail：saibei8411@163.com

计 方（1984－ ），男，博士研究生。 研究方向：船舶振动噪声控制。E-mail：heujifang＠ 163.com