实船基座阻抗对泵组浮筏隔振装置性能影响分析

谢志强

（中国舰船研究设计中心船舶振动噪声重点实验室 武汉 430064）

0 引 言

浮筏隔振装置因可以减少振源设备传递至船体的振动，降低其水下辐射噪声，广泛应用于国内外舰船设备的振动隔离.目前评价浮筏隔振装置性能的方法主要采用隔振效果的方法［1］，即将浮筏上设备机脚的平均加速度振级进行能量平均，再与基座测点振动加速度能量平均的结果相减得到浮筏隔振装置的隔振效果.

目前国内针对浮筏隔振装置设计及性能计算进行了大量深入的研究［2-5］，可用于指导隔振装置的设计及优化，并通过样机配机试验进行隔振效果验证，但由于实船安装环境与配机试验存在一定差异，特别是由于实船基座阻抗不足，导致某些隔振装置上船后实船隔振效果不理想，对产品交货甚至舰船建造周期造成潜在的风险［6］.

本文结合实船试验测量数据分析，以某船泵组浮筏隔振装置作为对象进行深入分析，得到实船基座阻抗对泵组浮筏隔振装置隔振性能影响分析结论.

1 泵组浮筏隔振装置实船隔振效果分析

泵组浮筏隔振装置由泵组、筏架、上层隔振器、下层隔振器等组成.筏上两台泵并排卧式安装，每台泵均采用4个上层隔振器与筏架相连，筏架与船体基座连接采用6个下层隔振器，泵进出口管路通过橡胶软管与系统管路相连，泵组浮筏隔振装置见图1.实船工作状态下仅开启其中的1台泵.

图1 泵组浮筏隔振装置示意图

在某船上前后辅机舱分别安装了1＃和2＃2套泵组浮筏隔振装置（以下简称1＃隔振装置和2＃隔振装置），在系泊试验中发现1＃隔振装置隔振效果良好，但2＃隔振装置则不佳，其隔振效果仅24.0dB，其振动传递特性曲线见图2.10～125Hz频率范围内隔振效果为30.8dB，满足设计要求，而160 Hz～10kHz频率范围内隔振效果仅为24.0dB，整个频率范围内基座振级为96.0dB.

2＃隔振装置与相同工况下的1＃隔振装置隔振效果相比差11.3dB，见图3.2 套隔振装置在中低频率范围内隔振效果基本相当，甚至2＃隔振装置还略好，但在160～5000 Hz频率范围内2＃隔振装置隔振效果普遍较差，在1600 Hz中心频率处最大相差23.5dB，同时由于泵机脚振动能量主要集中在中高频段范围内，最终导致2＃隔振装置隔振效果不佳.在实船现场初步排除了泵进出口管路振动传递至基座对隔振效果的影响，并通过基座阻抗测量、隔振效果换算等工作证明了2＃隔振装置基座阻抗不足是导致其隔振效果不佳的主要原因.

图2 2＃隔振装置振动传递特性曲线

图3 两套隔振装置隔振效果对比图

2 基座阻抗对隔振效果影响研究

将实船泵组浮筏隔振装置简化为一个机械结构振动子系统［7］，见图4.则设备机脚响应速度v1和基座安装点响应速度v2表示为

式中：v0为设备机脚自由振速；F1为设备机脚对隔振器的作用力；YS为设备机脚导纳矩阵；v2为基座响应速度；F2为下层隔振器对基座的作用力；YR为基座导纳矩阵.

图4 隔振系统4端参数

利用4端参数法，机脚、基座上下两端的速度可以表示为

式中：Yii、Yij分别表示点导纳和传递导纳.

由以上公式可以推导得到设备机脚响应速度v1、基座响应速度v2与设备机脚自由振速v0之间的关系：

当设备安装基座阻抗发生变化时，可以通过自由振速v0的不变性，相应的计算得到该基座上的隔振器上下端速度及受力，公式如下.

由此可以得到简化的隔振系统速度传递率为

式中：ZR为基座阻抗.式（6）推导过程中运用到基座阻抗远大于等效隔振器输出端阻抗Z22.

对式（6）两边取对数，乘以系数得到隔振装置隔振效果与基座阻抗的关系

对2个不同的基座，由于基座阻抗差别引起的隔振效果可以表示为

式（8）即为不同基座阻抗之间隔振装置隔振效果的转换关系式.

3 实船基座阻抗测量

在实船条件下测量了2套隔振装置基座原点速度阻抗，每个下层隔振器安装点均单独进行阻抗测量，每个测点原点速度阻抗表示为

图5 基座阻抗锤击测量系统示意图

图6 实船基座阻抗锤击图

式中：Zi（ω）为i点的阻抗，N·s／m；Fi（ω）为i点的激励力，N；vi（ω）为i点的响应速度，m／s.

测量按照相关标准［8］执行.测量现场无干扰振源，背景振动加速度级（10 Hz～10kHz）小于测量振动加速度级10dB 以上.由于2＃隔振装置在160～5000 Hz频率范围内隔振效果较差，因此采用较硬的紫铜头进行锤击，获取两个基座100～5000Hz频率范围内的原点速度阻抗.

测量系统为B&K 3560D 型噪声振动多分析系统，力锤为PCB086C05 型，加速度传感器为B&K 4513加速度计.

两套泵组隔振装置基座速度阻抗测量值如图7所示，由图可以看出2＃隔振装置基座各点阻抗有很大不均匀性，测点2和测点5阻抗值明显较其他测点阻抗值低，中高频阻抗量级在103量级，与1＃隔振装置基座速度阻抗相比明显偏低，可见2＃隔振装置基座偏弱，需要优化改进.

4 基座阻抗与隔振效果转换

通过实船基座阻抗测量证明了2＃隔振装置基座振级偏高、隔振效果不佳的主要原因在于其基座阻抗不足.2套隔振装置每个中心频率处隔振效果相差的分贝数与基座阻抗相差的分贝数除个别点差别较大外其趋势基本一致，误差大部分在3dB以内，见图8，近似满足式（8），差别与背景噪声、基座各测点之间的振动耦合及管路振动传递至基座等因素有关.

图7 两套泵组浮筏隔振装置基座阻抗测量值

根据不同基座阻抗之间隔振装置隔振效果的转换关系式，若将2＃隔振装置基座优化设计，其中高频段阻抗提高到1＃隔振装置基座阻抗水平，则其隔振效果将提高到36.1dB，基座加速度振级将降低12.1dB，见图9.

图8 隔振效果与阻抗相差对比图

图9 基座阻抗提高前后基座振级对比图

5 结 论

本文利用4端参数法，推导了实船不同基座阻抗之间隔振装置隔振效果的转换关系式，并以实船两套泵组浮筏隔振装置测量数据分析进行验证，结果表明：

1）基座阻抗不足是导致实船2＃泵组浮筏隔振装置隔振效果不佳的主要原因；

2）在基座的阻抗大于隔振器输出阻抗的情况下，相同隔振装置安装在不同基座上隔振效果相差的分贝数与基座阻抗相差的分贝数近似相等；

3）受实船测量因素的影响，背景噪声、基座测点之间的振动耦合及管路振动传递至基座等因素引起某些频率点转换关系存在一定的差别，在后续研究中需要进一步考虑.

［1］邵汉林，姚心国，朱显明，等.浮筏隔振装置隔振效果评定［J］.噪声与振动控制，2002（4）：21-23.

［2］马永涛，周 炎.舰船浮筏隔振技术综述［J］.舰船科学技术，2008（4）：22-26.

［3］王国治，李良碧.船舶浮筏系统动力学特性的影响因素研究［J］.中国造船，2002（1）：43-51.

［4］杨德庆.自由阻尼层结构阻尼材料配置优化的拓扑敏度法［J］.振动工程学报，2003（4）：420-425.

［5］行晓亮.弹性基础浮筏的导纳功率流研究［J］.机械科学与技术，2005（7）：761-763.

［6］熊 琳.试验基座阻抗对隔振装置隔振效果的影响［J］.柴油机，2007（4）：39-41.

［7］原春晖.机械设备振动源特性测试方法研究［D］.武汉：华中科技大学，2006.

［8］机电部郑州机械研究所.GB／T11349.3机械导纳的试验确定冲击激励法［S］.北京：中国标准出版社，1993.