船体低噪声复合基座水下振动声辐射试验研究＊

计 方

（1．哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001；2．中国舰船研究院，北京 100192）

引 言

隔离船体结构振动噪声有效的方法是在振动能量传递途径上对其进行吸收和使其反射，其实质就是使结构不连续、结构的阻抗发生突变，进而达到减振降噪目的［1，2］。因此，突破传统柔性隔振理论的局限，从阻抗失配的角度出发，开展典型基座结构声学设计，这对舰船声隐身研究意义重大。

水下舰船结构噪声预报研究涉及结构、流体和声场的耦合问题，基于物理－数学模型的声辐射数值模拟十分复杂，因此有必要开展声学模型试验［3，4］。大尺度声学模型试验一方面研究了舰船结构振动和声辐射的产生机理及传递规律；另一方面验证了舰船结构声学设计的有效性并及时反馈到舰船设计的初期阶段，为舰船结构声学设计提供重要的水声测试保障。

在文献［5～7］中系统分析了各类船体连接结构波动特性对比分析，给出了具有高传递损失特性的基座连接结构形式，应用机械阻抗法分析了刚性阻振质量对基座振动波传递的阻抑特性，基于混合法对基座结构含阻振质量带的动力舱段减振降噪效果进行了全频段数值分析，提出了基座刚性隔振效果的工程预报方法。本文在上述研究基础上，提出了综合运用高传递损失的基座连接形式、阻振质量带及贴面阻尼层的船体低噪声复合基座结构形式，并初步给出了实船应用方案。在此基础上，开展了大尺度模型的水下振动、声辐射及输入功率流的试验研究，以此验证船体低噪声复合基座的减振降噪效果。

1 低噪声复合基座结构设计研究

在理论分析及数值试验基础上［5～7］，将高传递损失的T形、形基座连接结构延拓到基座面板、腹板和安装板架中，综合运用阻振质量以及贴面消声阻尼层最大程度增大基座结构的阻抗失配程度，初步给出了典型船体低噪声复合基座结构形式，如图1所示。

图1 船体低噪声复合基座结构形式Fig．1 Sketch of composite low－noise base structures

若将其应用到实船减振降噪中，应在满足基座结构强度要求下，综合考虑安装工艺要求和设备总布置［8］，其与船体结构连接示意图如图2所示。详细实施方法为：

（2）应满足T形连基座面板延伸部分厚度与原面板厚度比n≥3，在不影响设备布置的情况下应尽量增加面板延伸长度。

（3）根据基座根部处船体结构阻抗与基座自身阻抗的比值确定阻振质量的最佳布置位置，建议布置在基座腹板中部偏下处。

图2 低噪声复合基座与船体结构连接示意图Fig．2 Composite low－noise base connected with hull

2 双壳振动、声辐射试验方案

为了验证低噪声复合基座的减振降噪效果，通过测量外激励下原有模型和声学改进后模型中典型部位（基座、液舱壁、内壳）的水下加速度、辐射噪声频响函数以及输入功率流。试验模型实物图如图3所示。

图3 基座试验模型实物图Fig．3 Practical object of the base experiment model

1）缩尺比例的选取。综合考虑吊装设备，舱内激振、测试设备的安装以及阻振质量布置的各种因素，最终确定缩尺比例为1∶4。

2）壳体结构形式的选取。舱段模型的长度取舱内10档肋位，分别向模型首尾方向各延长了一档肋位以便更好地模拟实际边界条件［9］。

3）阻振质量的布置。阻振质量采用偏心布置的方式焊接［6］。

4）辅助激励基座结构的设计。为将激振作用平稳的传递到整个模型上，在内壳内部设计了多个基座结构，通过4个减振器固定激振器。

图4给出了试验振动测量系统示意图。振动测量系统是由功率放大器、激振器、力传感器、加速度传感器、数据采集前端、采集与分析软件等部分组成。力传感器为石英压电式结构，无需校准，其灵敏度在使用年限内基本稳定。试验前应使用手持式加速度校准仪进行加速度传感器校准。

图4 振动测试系统的组成Fig．4 Constitution of the vibration measure system

本试验的测试内容包括三方面：

1）结构振动测试：通过布置在试验模型不同部位的若干加速度传感器来测量；

2）结构声辐射测试：通过布置在试验模型周围2个水听器（RHS－200型）来测量；

3）结构输入功率流测试：由阻抗头力信号和加速度信号，采用互谱法测得［10］。

图5给出了典型船体舱段基座对比方案振动加速度测点布置示意图。

图5 舱段基座对比方案振动加速度测点布置图Fig．5 Location of cabin′s vibration measuring points

试验场地选用水面宽阔的内陆湖，试验环境如图6所示。

图6 水声试验环境Fig．6 Acoustic environment of underwater model test

在水深12m处距外壳体2m和5m处布置了2个水听器。为分析试验模型声辐射的指向性，模型是由升降杆连接，水听器固定，以舱段底部中心处为0°，按30°步长开动回转装置带动模型旋转。

3 基座改进前后双壳振动特性

分别在舱段基座改进前后对基座面板中心处激励，激励力为20～1 000Hz白噪声，对测试数据进行归一化处理。图7为基座改进前后基座根部处典型测点加速度级对比曲线。从中可以看出，基座结构本身的振动加速度级在20～1 000Hz频段除个别频点外均有不同程度的降低。

图7 改进前后基座根部测点加速度级对比曲线Fig．7 Comparison curves of vibration acceleration level at the bottom of base

图8给出了基座改进前后液舱壁典型测点加速度级频响曲线。当基座结构和液舱壁采用形连接形式后，液舱壁结构的中低频振动得到了显著的抑制，共振峰数目明显减少，且曲线变得和缓。

图8 改进前后液舱壁典型测点加速度级频响曲线Fig．8 Comparison curves of vibration acceleration level at tank wall

图9为基座改进前后内壳体典型测点加速度级频响曲线。内壳体的中高频振动得到了有效的衰减和隔离，在低频段亦有一定的减振效果。综上，低噪声复合基座结构有效阻抑了基座－液舱壁－内壳的振动传递主通道。表1给出了基座结构改进前后舱段典型测点20～1 000Hz频段的减振效果。

表1 基座改进前后舱段20～1 000Hz减振效果／dBTab．1 The 20～1 000Hz variation reduction with composite low－noise base／dB

续表1

图9 改进前后内壳体典型测点加速度级频响曲线Fig．9 Comparison curves of vibration acceleration level at inner shell

图10给出了舱段基座改进前后输入功率流的对比曲线。如图10所示：基座结构改进后显著降低了舱段的输入功率流幅值，曲线变化趋势平缓，峰值频率略向高频移动。

图10 基座结构改进前后输入功率流对比曲线Fig．10 Comparison curves of input power flow with composite low－noise base

4 基座改进前后双壳声学特性

图11给出了船体舱段引入低噪声复合基座前后声辐射声压对比曲线。

图11 基座改进前后辐射声压对比曲线（90°方向）Fig．11 Comparison curves of sound pressure level with composite low－noise base（90°direction）

基座改进后舱段声辐射在20～1 000Hz频段显着降低。2m水听器受近场效应的影响比较显著，中低频降噪效果略差。表2给出了基座结构改进前后舱段20～1 000Hz频段的降噪效果。

表2 基座改进前后舱段20～1 000Hz降噪效果／dBTab．2 The 20～1 000Hz noise reduction with composite low－noise base／dB

为了深入分析基座改进前后舱段结构的声辐射特性，图12给出了20～200Hz频带辐射声压级周向分布图。

图12 改进前后舱段20～200Hz辐射声压周向分布图Fig．12 Comparison curves of sound pressure circumferential distribution in 20～200Hz

如图12所示：距舱段2m处20～200Hz频带辐射声压级除了0°方向外得到了有效的抑制，距舱段5m处的辐射声压级显著降低。

图13给出了引入低噪声复合基座前后舱段20～1 000Hz频带辐射声压级周向分布。舱段声辐射特性与上图呈现相似的变化规律，由此可见本文提出的船体低噪声复合基座结构具有优良的中低频降噪效果。

图13 改进前后舱段20～1 000Hz辐射声压周向分布Fig．13 Comparison curves of sound pressure circumferential distribution in 20～1 000Hz

5 结 论

本文提出了船体低噪声复合基座结构形式，并初步给出了实船应用方案。在此基础上，开展了大尺度双壳模型水下振动、声辐射及输入功率流的试验研究。结论如下：

1）试验结果表明典型舱段引入低噪声复合基座后，20～1 000Hz频带基座结构、液舱壁、内壳体振动加速度级均降低2dB以上；

2）基座结构改进后显著降低了舱段的输入功率流幅值，曲线变化趋势平缓且峰值频率略向高频移动；

3）基座结构改进后舱段5m处20～1 000Hz频带近场辐射声压级降低5dB以上，舱段中低频降噪效果显著。

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