舱段的声振特性分析和舱壁的振动控制

夏齐强，陈志坚，王珺

（1.海军工程大学舰船工程系，武汉430033；2.海军装备研究院，上海200235）

舱段的声振特性分析和舱壁的振动控制

夏齐强1，陈志坚1，王珺2

（1.海军工程大学舰船工程系，武汉430033；2.海军装备研究院，上海200235）

为降低舱壁振动对圆柱壳舱段声振性能的影响，对舱壁展开结构声学设计，并采用阻尼减振理论措施。在舱壁表面敷设阻尼材料以减小结构振动响应；利用阻抗失配原理，在舱壁根部与壳体连接处添加贴板支撑垫以增大振动波传递损失。采用FEM/BEM法对改进舱壁前后舱段的声振性能进行数值计算，分析舱壁的振动控制效果。结果表明：舱壁敷设阻尼材料和添加贴板支撑垫不仅可有效降低舱段振动和声辐射，也进一步地隔离振动波向舱段壳体的传递，是一种较好的减振降噪措施。

振动与波；舱壁振动；舱段；隔振设计；声辐射

潜艇耐压船体因总体性能和布置需要，通常设置多个内部舱壁。舱壁的存在可以大幅提高舱段结构的强度和稳定性。由于动力装置等机械设备的激励，舱壁会受到沿艇体纵向周期性激励作用而引起振动。舱壁的振动传递到壳体上，直接影响潜艇结构的声振性能。因此，开展舱壁振动控制研究对舱段结构声学优化设计和潜艇的减振降噪具有十分重要的意义。目前，对舱壁的研究主要从安全性考虑，集中在结构强度方面[1]；文献[2]利用有限元法研究了结构参数改变对舱壁振动的影响；文献[3]利用空间简谐分析法探讨了舱壁参数对圆柱壳受激振动输入功率流的影响；文献[4]基于Flügge壳体理论和Helmholtz波动方程，用解析法研究了有无舱壁对圆柱壳声辐射的影响。由于对舱壁振动的处理没有规范性的方法，一般在研究舱段振动辐射噪声时，没有考虑舱壁振动的影响或者简化舱壁边界条件，这样容易产生较大的误差[5]，基于舱段声学性能考虑的舱壁结构减振隔振设计研究较少，只有文献[6]利用阻振质量锯和阻振质量环路对舱壁进行了隔振优化设计，但是存在的不足是阻振质量环路和阻振质量锯会使原舱段重量增加很多，因此实际应用效果有所下降。如果能降低舱壁振动水平及振动传递能力，不仅可以有效减小以舱段模型进行噪声估算的误差，而且为研究环肋圆柱壳舱段水下辐射噪声机理提供方便。本文在上述研究的基础上，从降低舱壁振动水平和振动传递能力两个方面，对舱壁进行了振动控制，利用FEM/BEM法[7，8]研究舱壁振动控制前后舱段的振动声辐射性能，旨在为潜艇结构声学设计提供参考。

1 振动控制理论

1.1 阻尼减振原理

根据振动力学理论，单自由度系统动力放大系数的解析式为[9]

设系统原有阻尼c，增加阻尼c1，则阻尼比ξ′将变为

如果附加阻尼c1比原先的阻尼c大得多，阻尼比ξ′将远大于ξ，动力放大系数将显著减小，而且是在全部频带上都被压低了，从而达到减振的目的。

1.2 振动波传递阻抑机理

以不同截面线形连接板为研究对象，阐明振动波沿舱壁传递阻抑机理。假设入射弯曲波速度为ve-jk1xejωt，其中v为入射波振动速度幅值，k1是板1中弯曲波波数，ω为圆频率。为简化隨后的推导，过程中与时间相关的简谐因子ejωt均被略去。由波动理论[10]可知，当弯曲波垂直入射到突变截面上，由于阻抗失配，不仅是振动能量重新分配，波动形式也会发生转换，即除部分转化为透射波和反射波外，还会在转角处产生向两边衰减的近场波。因此，突变截面两侧速度场具有如下形式

其中，r和rj分别是弯曲波反射系数和近场波反射系数，t和tj分别为弯曲波透射系数和近场波透射系数，k2是板2中的弯曲波波数。

图1给出了截面变化处弯曲波各参量变化情况。在突变截面处，左右两侧横向速度v、和角速度ω应连续，力F、弯矩M满足平衡条件，即边界条件为

根据结构力学知识，速度、角速度与力及弯矩存在以下关系

图1 不同截面线形连接板弯曲波参量图

式中B为平板的弯曲刚度，B=EI/(1-μ2)，E为弹性模量，μ为泊松比。

将式（3）和式（5）代入式（4）中，得到四个独立的关于r，rj，t和tj的方程组

引入无量纲因子χ和ψ[10]

其中χ表示两板中弯曲波波长之比，ψ表示弯曲波力阻抗与弯矩阻抗几何平均之比。求解式（4）可得弯曲波透射系数

为揭示截面变化率对隔振的影响，引入截面厚度比σ=h2/h1。假定变截面两边的材料相同，对于板状结构来说，χ=σ-1/2、ψ=σ2。可进一步求得

工程应用中一般更关心振动能量的传递，通常采用隔声量R表示

图2给出了不同截面线形连接板隔声量随厚度比变化曲线。从图中可以看出，当厚度比h2/h1=1时，隔声量变为零，此时为等截面；当h2/h1＞1时，隔声量随厚度比的增大而增大。可见，如果在舱壁根部用大截面支撑贴板相连，可有效阻抑振动波沿舱壁的传递。

2 舱壁振动控制与数值仿真分析

2.1 舱壁受激振动对舱段振声性能的影响

为研究舱壁受激振动对舱段声振性能的影响，采用中间带舱壁的两舱段模型，如图3所示。环肋圆柱壳单舱段模型参数如下：圆柱壳长L=6.4 m，半径R=2.7 m，壳体厚h=0.02 m，T型环肋间距l1=0.8 m，截面积A=0.007 44 m2，惯性矩I=4.5×10-6m4。壳体、环肋、舱壁采用相同的钢材，密度ρ=7 800 kg/m3，弹性模量E=2.1×1011Pa，泊松比μ=0.3。假设壳体在处受单位简谐作用力，激励频率为10 Hz～500 Hz。浸没流体密度ρw=1.0×103kg/m3，声速c=1 500 m/s。振动速度和辐射声功率参考值为v0=1.0×10-9m/s， W0=1.0×10-12W。

图2 线形连接板随厚度比变化曲线

图3 舱段计算模型

从实际潜艇结构来看，中间舱壁一般多与动力设备平台相连，舱壁会因动力设备激励受到垂直于壁面周期性激励力作用。为研究方便，设舱壁受单位简谐作用力，激励频率10 Hz～500 Hz。图4给出了考虑舱壁受激振动与不考虑舱壁受激振动两种情况下舱段振动与声辐射。从图中可以看出，考虑舱壁受激振动时，舱段均方速度级明显高于不考虑舱壁振动工况，在计算频段范围平均增大约3.9 dB；辐射声功率在10 Hz～100 Hz范围内显著提高，平均增幅约为20 dB，主要是由舱壁板的低阶振动引起的。随着频率的升高，考虑舱壁受激振动的舱段辐射声功率基本上也要高于不考虑舱壁振动工况，平均增大约2.5 dB。这说明舱壁振动对舱段振动均方速度影响较大，在低频时对辐射声功率的影响高于中高频，总体上也使得辐射声功率增大。

图4 舱段结构振声性能对比

2.2 舱壁振动控制前后舱段结构振声性能分析

根据第一节中振动控制理论，为减小舱壁受激振动响应和振动对壳体的传递，对普通舱壁进行改进设计。主要措施是：在舱壁面上敷设阻尼材料，通过增加结构阻尼以减小结构振动；另一方面，在舱壁与壳体连接部位安装贴板支撑质量垫，减弱舱壁与壳体的耦合，以减小舱壁振动波向壳体的传递，如图5所示。

图6给出了改进设计前后舱段振动均方速度级和辐射声功率级。从图中可以看出，改进结构后舱段振动均方速度大幅降低，而且随着频率的升高，降低幅度也增大，平均下降量约21.7 dB；辐射声功率峰值较原结构明显减小，但是在较低频段降噪效果有的较原结构还要大，随着频率的升高，质量垫的作用开始体现，辐射声功率较原结构降低，平均降低量约为13.6 dB。可见，采用贴板支撑垫和舱壁敷设阻尼材料改进措施后，能够有效减小舱壁振动对圆柱壳的影响，改善结构的振声性能。

图5 舱壁结构

提取舱壁与壳体连接根部某点、壳体表面某点振动加速度，以舱壁激振点位置为基准，用振级落差评估改进措施对舱壁振动传递阻抑效果。图7所示为舱壁改进前后两个选取点加速度振级落差对比。从图中可以看出，在低频段，舱壁加速度振级落差峰值交错，120 Hz以后随着频率的增大，改进舱壁振级落差较原舱壁要大，在考查频段内振级落差平均增大10.6 dB；壳体表面节点振级落差明显提高，振级落差平均增大22 dB。这说明改进舱壁后有效降低了结构声沿舱壁向邻近舱的传递，具有较好的隔振效果。

图6 舱壁改进前后舱段结构振声性能对比

图7 加速度振级落差对比

3 结语

本文基于阻尼减振理论和阻抗失配原理对舱壁进行了减振隔振设计，用数值方法计算了舱壁振动控制前后舱段结构声振性能，分析表明：舱壁受激振动对舱段振声性能有较大的影响；采用贴板支撑垫和舱壁敷设阻尼材料改进措施后，不仅有效降低了舱段振动和声辐射，改善了舱段的振声性能；而且显著降低了结构声沿舱壁向壳体结构的传递，具有较好的隔振效果。研究结果可为潜艇结构声学设计提供参考。

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Analysis of Cabin’s Vibro-acoustic Characteristics and Control of Bulkhead Vibration

XIA Qi-qiang1,CHEN Zhi-jian1,WANG Jun2

(1.Department of Naval Ship Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China; NavalAcademy of Armament,Shanghai 200235,China)

In order to depress the effect of bulkhead vibration on cabin’s vibro-acoustic characteristics,structural-acoustic design of bulkhead is done.According to the theory of damping vibration attenuation,the bulkhead is coated with a viscoelastic layer for reducing the vibration response.As to increase transmission loss,a back annular plate is attached between the bulkhead and the shell according to the principle of impedance mismatch.The vibro-acoustic characteristics of the cabin are calculated by FEM/BEM and the bulkhead’s vibration control effect is analyzed.The results show that bulkhead coated with the viscoelastic layer and added with the attached back annular plate can not only reduce cabin’s vibration and sound radiation effectively,but also isolate the structure-borne sound from the adjacent cabin significantly.So,this is a better measure for bulkhead’s vibration damping and noise reduction.

vibration and wave;bulkhead vibration;cabin;vibrating isolation design;sound radiation

TB52；U661.44

A

10.3969/j.issn.1006-1335.2013.04.008

1006-1355(2014)01-0032-04

2013-01-31

国防科技预研基金（4011101020101）

夏齐强（1984-），男，湖北广水人，博士生，主要研究方向为船舶结构振动与噪声控制。

E-mail:qqwhhg@163.com.