船舶典型结构构件损耗因子试验研究*

张志军，吴 闯，庞福振，3，李海超

(1.中国舰船研究设计中心701 所，湖北 武汉430000;2.哈尔滨工程大学 船舶工程学院，黑龙江 哈尔滨150001;3.中国人民解放军92581 部队，北京100161)

0 引 言

在水面舰艇机械噪声预报领域，国内广大学者普遍认为设备激励船体结构振动产生的结构声辐射是水面舰艇机械噪声的主要成份，并提出分别采用声学有限元法和统计能量分析(statistical energy analysis，SEA)法等方法对水面舰艇针对低频机械噪声和中高频机械噪声进行预报。声学有限元法仅对低频噪声预报较为有效;在高频段采用统计能量法［1～5］对水面舰艇高频机械噪声预报可在保障计算精度的前提下较好地降低计算规模，提高计算效率。

采用统计能量分析法进行计算，关键的环节是对复杂结构系统的模态密度、内部损耗因子和耦合损耗因子三参数准确的估算［6］。其中，损耗因子是衡量系统的阻尼特性并决定其振动能量耗散能力的重要参数，所以，也称为阻尼损耗因子。耦合损耗因子是统计能量分析中唯一用于表征耦合系统间能量交换的重要参数。获得损耗因子的方法很多，包括理论分析方法和实际测量方法，是统计能量分析法研究的一个热门。

结构或材料损耗因子最常用且最可靠的确定途径是通过测量来决定。目前，诸如半功率法、模态圆拟合法都是伴随模态分析与参数识别技术而产生的，测量结果是结构的单频损耗因子，即模态损耗因子。用于测量频带平均内损耗因子的方法通常有稳态能量流法和瞬态衰减法［7］。但是稳态能量流法需要准确计算输入功率，这无疑给测量内损耗因子带来不便，误差也会很大。瞬态衰减法适用于快速估算结构和声容积的频带平均内损耗因子，且无需测量输入功率，其统计误差相对较小。根据自由振动信号的衰减特点，利用Hilbert 变换得到响应信号的包络线函数，实现结构在任意频率范围内的频率平均内损耗因子的测量［8，9］。

1 试验原理

假设结构受力锤敲击后的加速度响应信号为实函数x(t)，其对应的Hilbert 变换为

其逆变换为

式中 *表示卷积。

于是得实函数的解析信号为

u(t)的复数表达式为

2 试验方案

2.1 试验模型

试验主要是测试船用典型结构构件损耗因子，考虑横舱壁板架1#、舭部外板板架2#和船底外板板架3#三种典型结构，共有3 块尺度不同的加筋板架作为试验模型。模型的材质全部采用CCS 船用钢，试验环境为空气，试验构件采用弹性绳吊装的方式进行固定。模型尺寸和图形如表1，模型实物如图1 所示。

2.2 试验过程和布置

试验时，用力锤敲击构件不同位置，由布置在构件表面上典型位置处的加速度传感器测量构件振动响应的衰减情况。对从敲击构件开始直至构件响应至微小的完整过程中的加速度响应信号进行记录。试验布置如图2 所示。

表1 试验模型件具体尺寸表Tab 1 Size table for test model

图1 舭部板架实物Fig 1 Physical map of bilge plate

图2 瞬态衰减法测量构件损耗因子试验框图Fig 2 Block diagram of component loss factor measured by transient decay method

3 数据处理和结果

3.1 数据处理

以加速度计记录的加速度响应信号为基础，通过Hilbert 变化得到响应信号的包络线，计算由包络线取对数得到的衰减曲线斜率绝对值，该绝对值即是结构阻尼，再将得到的结构阻尼除以频率的2 倍得到该中心频点代表频段内的平均损耗因子。试验数据处理流程如图3 所示。

图3 试验数据处理流程框图Fig 3 Flow chart of test data processing

首先，将各通道采集来的数据经Matlab 软件处理转化后得到响应信号。其中，第九通道测量的响应信号数据经处理后如图4 所示。

图4 第九通道测量的加速度响应信号ig 4 Acceleration response signal measured in the ninth channel

得到加速度时历曲线后，然后需要对每一个通道的加速度时历曲线做Hilbert 变换，得到20 ～8 000 Hz 频段上响应信号包络线斜率图，然后以1/3 倍频程划分频率区间，给出各频率区间中心频点处的响应信号包络线斜率图，该斜率即为当前通道在1/3 倍频程中心频点处的阻尼。80 Hz 1/3 倍频程时响应信号的衰减曲线和包络线斜率如图5 所示。

图5 第九通道测量的响应信号Fig 5 Response signal measured in the ninth channel

最后，再将阻尼除以频率的2 倍得到该中心频点代表频段内的平均损耗因子，同理，可得到1/3 倍频程其他中心频点处的平均损耗因子。舱壁板架结构1/3 倍频程损耗因子曲线如图6 所示。

图6 横舱壁板架结构1/3 倍频程损耗因子曲线Fig 6 1/3 octave loss factor curve of transverse bulkhead plate frame

3.2 数据处理结果

由以试验测试和数据处理方法，同理，可得到船舶典型结构舭部外板板架和船底外板板架两种典型结构的1/3 倍频程损耗因子曲线，如图7，图8 所示。

图7 舭部外板板架结构1/3 倍频程损耗因子曲线Fig 7 1/3 octave loss factor curve of bilge plate frame

图8 船底板板架结构1/3 倍频程损耗因子曲线Fig 8 1/3 octave loss factor curve of bottom plate frame

由图6 ～图8 可知，测试得到的舰船典型结构构件包括横舱壁板架、舭部外板板架和船底外板板架的损耗因子基本是10－3量级上。其中，横舱壁板架损耗因子随频率变化曲线在40，315，3 150 Hz 频点处出现峰值，但整体上损耗因子变化比较平缓，在40 ～315 Hz，315 ～3 150 Hz，3 150 ～8 000 Hz峰值点之间的频段内，损耗因子呈下降趋势。而舭部外板板架损耗因子随频率变化曲线在125，3 150 Hz 频点处出现峰值，但整体上损耗因子变化比较平缓，125 ～3 150 Hz，3 150 ～8000 Hz 峰值点之间的频段内，损耗因子呈下降趋势。船底外板板架损耗因子随频率变化曲线在20，250 Hz频点处出现峰值，但整体上损耗因子变化波动较大，峰值点数值是峰谷点数值的5 ～6 倍左右。但在20 ～250 Hz，250 ～8 000 Hz 频段内，损耗因子呈下降趋势。三种典型结构构件损耗因子变化规律因板架尺度不同各异，数值上的大小主要与加筋形式有关，刚度大的板架损耗因子相对较大，横纵加筋的结构损耗因子波动程度较单向加筋更为剧烈。

4 结 论

1)测试得到的舰船典型结构构件包括横舱壁板架、舭部外板板架和船底外板板架的损耗因子基本是10－3量级上。

2)三种典型结构构件损耗因子变化规律因板架尺度不同各异，数值上的大小主要与加筋形式有关，刚度大的板架损耗因子相对较大，横纵加筋的结构损耗因子波动程度较单向加筋更为剧烈。

3)从三种典型结构构件损耗因子分布可以发现，在大部分频段内，损耗因子数值上下波动比较平缓，在舰船结构噪声数值计算中可以将整个分析频段分为两段或三段，每段取一个固定的损耗因子数值进行简化。

［1］ 翁长俭，吴卫国.高速船的振动与噪声控制［J］.武汉交通科技大学学报，2000，24(1):16－19.

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［5］ 程广利，伍先俊，朱石坚.基于AutoSEA 的船舶噪声统计能量分析仿真［J］.海军工程大学学报，2005(3):70－73.

［6］ Lyon R H，Maidanik G.Power flow between linearly coupled oscillators［J］.Journal of the Acoustical Society of America，1962，34:632－639.

［7］ Norton M P.工程噪声和振动分析基础［M］.北京:航空工业出版社，1993.

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［9］ 张宏亮，孔宪仁，刘 源，等.宽频域的内损耗因子试验辨别方法研究［J］.振动与冲击，2013，32(12):112－116.