新型轻质阻尼基座设计与隔振性能研究

2021-08-30刘瑞霞裴东亮王育人

力学与实践 2021年4期

刘瑞霞裴东亮王育人

∗(中国科学院力学研究所，北京100190)

†(中国科学院大学工程科学学院，北京100049)

舰船设备常用隔振器或隔振系统安装在与船体连接的基座上进行隔振[1-2]，这是因为机械设备运转过程中产生的振动除了直接辐射空气噪声外，很大一部分会通过基座传递给船体，是船体辐射噪声的重要来源之一[3]。这些噪声不仅会加重海洋噪声污染，危害人类和动物的健康，而且降低了舰船的稳定性和隐身性，所以对机械设备振动进行隔振处理具有重要的现实意义。目前，船用设备基座的隔振器主要有单层隔振系统(稳定性差)、双层隔振系统(中间质量过多)、浮筏隔振系统(多个不同设备一起隔振)。这些隔振系统增加了结构复杂度和重量[3-4]，并且当设备激励频率等于或低于系统共振频率时，这些隔振系统会失效[3]。同时，船上常用的基座多为金属材料：铸铁、铸钢、铝制合金钢等，重量大，阻尼小，隔振性能不能满足工况需求[5-6]。另外，广泛应用于航空、车辆等领域的隔振技术研究，如准零刚度隔振技术和反共振技术[7]、钢丝绳隔振器[8]、精密仪器和设备的非线性隔振器[9]、磁流变阻尼器应用在整星隔振平台研究[10]、弹性梁弯曲振动隔振研究[11]等在频段和隔振性能上不断提高，但这些研究大多还未聚焦到舰船机械设备隔振基座的应用上。因此，研究轻质宽频的高强度阻尼基座进行直接隔振具有重要的意义。

复合材料结构由于具有高的比强度、比刚度和阻尼性能等优点，可用于隔振基座的设计与应用，但复合材料基座目前仍处在研究探索阶段[12-13]。文献[1,4,14]提出了钢材和黏弹性材料构成的复合结构弹性基座，可以在宽频段隔振。赵树磊等[5]研究了复合阻尼材料基座对4 kHz以下的振动隔振性能平均为4 dB，比钢基座的隔振性能更优，但隔振性能和频段有待进一步提高和拓宽。罗忠等[12]研究了三明治夹芯的复合材料基座，有效克服了钢制隔振器的阻尼小和高频隔振不足的固有缺陷，但研究中主要是在有限的若干个频点处。李江涛[14]设计了复合结构基座并研究了隔振性能，发现隔振效果比钢制基座明显，但其复合结构基座是由复合材料构件组装而成，结构复杂且强度有限。温华兵等[15]用多层复合阻尼减振胶板对基座进行阻尼处理，降低了船体振动加速度级1∼5 dB。另外也有关于碳纤维复合材料用于隔振基座的研究报道，如李国亮[6]研究的隔振频段在200 Hz以下，牟文珺等[13]研究的隔振频段在500 Hz以下，且研究的隔振频段都较窄。另外，随着声子晶体的发展，关于宏观负泊松比超材料隔振基座的设计与优化的研究已有报道[16-19]，虽然这种负泊松比的多孔结构减轻了基座的重量，但隔振性能有待进一步提高。概括起来这些复合材料基座的隔振研究总体具有两个方面的不足：(1)结构复杂和重量较大，不能兼顾强度与阻尼两个矛盾的性能；(2)隔振频率范围与隔振性能或振级落差较小。因此，需要在轻质和结构简单的基础上进一步提高基座宽频隔振性能。

声子玻璃是基于局域共振机理[20]的互穿网络结构声学超材料[21-24]，它将金属互穿网络结构的承重强度性能与聚氨酯互穿网络的阻尼性能复合在一起，互穿网络结构的大量接触界面使得振动引起的界面摩擦增多，从而增加耗能，因此通过改变声子玻璃中孔的大小、数量及分布来增多接触界面可提高其阻尼性能。综合其潜在的高阻尼高强度特点，本文将在已有研究的基础上，用声子玻璃设计和制备阻尼基座，通过振级落差的隔振分析方法，对轻质阻尼基座进行20∼10 000 Hz频率范围的隔振研究，从而进一步有效降低舰船机械振动传递和辐射噪声。

1 研究方法

1.1 声子玻璃材料

声子玻璃作为一种网络化的局域共振声学超材料，其实物及单元模型如图1(a)所示，不同于传统的局域共振声学超材料的散射体往往是球状或柱状的离散单元，声子玻璃将金属和聚氨酯连续地互穿网络化，不仅具有金属互穿网络结构的高承重强度，也具有软质聚氨酯和硬质聚氨酯互穿网络结构的黏弹性阻尼[24-26]，此外，互穿网络结构中材料组分间大量的界面摩擦促进了大量振动能转化为热能，从而增强阻尼隔振性能。另外，由于局域共振频率因网络化的共振子具有不同尺度而分布较宽，且局域共振频率处共振子振动剧烈，集中了大量振动能，然后经过界面摩擦的转化和消耗，从而实现宽频阻尼隔振。

图1 声子玻璃阻尼复合材料样品及阻尼测试示意图(续)

图1 声子玻璃阻尼复合材料样品及阻尼测试示意图

为了量化声子玻璃的阻尼性能，本文制备了尺寸为600 mm×70 mm×20 mm的声子玻璃矩形条，通过单悬臂测试方法，即按照一端固定另一端自由的方法(图1(c))，测试了声子玻璃的结构阻尼比，测试样品如图1(b)所示。同时，为了更好地表征声子玻璃的阻尼性能，测试了同样尺寸的钢板和铝板的结构阻尼比作对比，结果见表1。测试结果表明，声子玻璃在1阶频率处是钢板的10倍，铝板的2倍，比传统常用的钢质板和铝板具有更高的阻尼比。

表1 样品阻尼测试结果

1.2 阻尼基座设计

图2 阻尼基座模型

1.3 数据分析方法

隔振性能的表征方法为加速度振级落差，表达式为

其中am是激振点位于基座面板处的垂向加速度幅值的平均值，ac是对应采集点位于舱段处的垂向加速度幅值的平均值，a0=1 µm/s2表示基准加速度值。Lm和Lc分别是面板和舱段的振级。加速度的均方根平均值公式为

在20∼10 000 Hz频率范围的每个测试频点的总加速度振级为

其中n=4表示基座面板有4个激励点处的加速度，n=18表示舱壁的响应加速度振级共有18个，La表示基座面板与舱壁处加速度平均振级之差，Lall表示振动总级，通过比较面板和舱段的振级落差得到振动总级落差表征隔振性能。

1.4 隔振性能测试方法

试验测试过程中首先将制作的阻尼基座与钢制基座对称安装于船舶舱段中，如图3(a)所示的舱段内的左右两侧。将水泵电机置于基座上面板，且在上面板和舱段上安装布置好加速度传感器。然后采用水泵电机分别激励阻尼基座与钢基座的上面板，如图3(a)和图3(b)所示，以及实验数据采集示意图3(c)采集面板的加速度振级和舱段的加速度振级，经过快速傅里叶变换将采集的数据进行处理。最后通过对比对称布置于面板与舱段上的振动加速度计的振级，来评估基座的隔振性能。

图3 试验测试方案实物及示意图

2 结果与讨论

根据隔振性能的测试方法，测取20∼10 000 Hz频段的激励加速度振级和舱段响应加速度振级。从图4(a)中可明显看到，激励加速度振级和响应加速度振级基本重合，经过钢基座的激励振动并没有降低。同时，从图4(b)选取测试频率范围中的28个1/3倍频程的加速度振级点的连线图看出，水泵激励钢基座后，面板和舱段上的加速度振级相近，即激振加速度振级与经过钢基座隔振后的振级没有变化，表明钢基座在20∼10 000 Hz的频率范围基本没有隔振性能。图4(c)中蓝色线分布高于红色线分布，这表明水泵激励阻尼基座后，面板和舱段上的加速度振级相差较大，在测试频段20∼10 000 Hz频段的隔振效果显著，如图4(d)，隔振效果明显优于钢基座。为了更加准确地表征基座的隔振性能，根据钢基座和阻尼基座各自所测得的加速度振级数据，按照式(1)计算获得钢基座和阻尼基座的振级落差值，然后选取测试频段20∼10 000 Hz内的1/3倍频程的振级落差列于表2，共28个频率点，绘出两种基座在相应的1/3倍频程的加速度振级落差点线图，如图5所示。