魏 征，高 聰

(1.中國人民解放軍92578 部隊，北京 100161；2.哈爾濱工程大學，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

近年來，隨著海洋開發(fā)活動的不斷增加，由船舶機械設(shè)備激勵船體引起的振動噪聲問題引發(fā)人們廣泛關(guān)注。與此同時，國際海事組織也對船舶振動噪聲制定了嚴格的規(guī)范，因此，精準預(yù)報船舶振動噪聲對保護海洋環(huán)境，保障船舶安全性和舒適性具有重要意義。在設(shè)計階段對船舶振動噪聲預(yù)報評估，離不開損耗因子等參數(shù)輸入，因此開展損耗因子獲取相關(guān)研究具有重要工程應(yīng)用價值。

系統(tǒng)內(nèi)損耗因子是衡量其阻尼特性的重要參數(shù)[1]，常見的損耗因子測試方法主要有共振梁法、模態(tài)圓法、輸入功率法、衰減法等。張志軍等[2-3]基于瞬態(tài)衰減法，研究了典型船舶結(jié)構(gòu)損耗特性，并對典型船舶結(jié)構(gòu)的水下輻射噪聲進行了預(yù)報。此外，研究人員還針對阻尼材料損耗特性開展了大量理論與實驗研究[4-5]。Zhang 等[6]考慮了粘彈性阻尼材料耗能影響，基于有限元模態(tài)應(yīng)變能法對粘彈性層合梁的模態(tài)損失因子進行了研究。Khan 等[7]通過自由振動和強迫振動試驗研究了含多壁碳納米管復(fù)合材料和碳纖維增強聚合物復(fù)合材料的減振特性，認為碳納米管的加入提高了復(fù)合材料的阻尼比。張若平等[8]用DMA 動態(tài)粘彈譜分析儀測出不同黏彈性阻尼材料的損耗因子隨溫度和頻率的變化關(guān)系。李輝等[9]基于實驗分析了一定溫度范圍內(nèi)阻尼層橡膠性能對結(jié)構(gòu)損耗特性的影響。王獻忠等[10]基于統(tǒng)計能量方法，研究了流場中部分敷設(shè)阻尼材料的有限長圓柱殼的聲輻射特性。

目前針對阻尼結(jié)構(gòu)衰減特性的分析方法較為豐富，但忽略了對結(jié)構(gòu)敷設(shè)阻尼材料后能量衰減特性相關(guān)研究，特別是缺乏結(jié)構(gòu)水下?lián)p耗因子實驗測試。為此，本文以鋼質(zhì)曲板為基層，橡膠為阻尼層，基于瞬態(tài)衰減法，研究不同介質(zhì)中的板厚、長寬比和阻尼層對曲板結(jié)構(gòu)阻尼性能的影響，為船舶結(jié)構(gòu)水下輻射噪聲數(shù)值計算提供參數(shù)輸入。

1 瞬態(tài)衰減法原理

根據(jù)自由振動信號的衰減特點，Hilbert 變換可以得到響應(yīng)信號的外包絡(luò)線，從而可以測量結(jié)構(gòu)在任意頻率的內(nèi)損耗因子。

設(shè)結(jié)構(gòu)受力錘敲擊后Hilbert 變換[11]為

式中：x(t)為加速度響應(yīng)信號的實函數(shù)；*表示卷積。

其逆變換為

實函數(shù)的解析信號為

瞬時相位為

故實函數(shù)可表示為

將響應(yīng)信號的外包絡(luò)線取對數(shù)，就可得到衰減曲線，該曲線斜率的絕對值即為結(jié)構(gòu)阻尼 η。

阻尼比為

被測試結(jié)構(gòu)頻段內(nèi)的平均損耗因子為

2 曲板結(jié)構(gòu)損耗因子實驗

2.1 實驗?zāi)Ｐ?/h3>

以船用曲板構(gòu)件為實驗對象，考慮不同尺寸曲板敷設(shè)不同厚度阻尼材料前后在空氣中和水下的能量衰減特性，模型基層材質(zhì)為CCS 船用鋼，阻尼材料為橡膠，實驗結(jié)構(gòu)如圖1 所示，實驗?zāi)Ｐ途幪柡统叽缛绫? 所示。

表1 實驗?zāi)Ｐ途幪柡统叽鏣ab.1 Eexperimental model number and size

圖1 試驗?zāi)Ｐ虵ig.1 Test model

2.2 性能測試

實驗時，通過纜繩、吊鉤將模型懸掛，分別在空氣中和水下使用力錘激勵，實驗數(shù)據(jù)采集示意如圖2所示。其中1#～9#為加速度傳感器布置點，10#～13#為力錘激勵點，依次敲擊激勵點。

圖2 實驗激勵示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental excitation

實驗數(shù)據(jù)處理流程如圖3 所示。對振動加速度傳感器采集的響應(yīng)信號進行處理，得到20～8 000 Hz頻段內(nèi)損耗因子。將9 個測點所得到結(jié)構(gòu)各頻段的損耗因子進行平均，進而得敲擊一個激勵點下結(jié)構(gòu)的平均損耗因子，再將4 個不同激勵點得到的損耗因子進行平均，從而得到結(jié)構(gòu)在各個頻點下的平均損耗因子。

圖3 實驗數(shù)據(jù)處理流程如圖Fig.3 Flow chart of test data processing

3 實驗結(jié)果分析

3.1 不同介質(zhì)影響

以往基于統(tǒng)計能量法對船舶水下輻射噪聲進行預(yù)報時，通常輸入?yún)?shù)為實驗測定結(jié)構(gòu)在空氣中的損耗因子，忽略了流體對結(jié)構(gòu)能量損耗特性的影響，使結(jié)果產(chǎn)生較大誤差，通過測量曲板結(jié)構(gòu)水下?lián)p耗因子，可為精準預(yù)報船舶水下輻射噪聲提供參數(shù)輸入。分別在空氣中和水下激勵結(jié)構(gòu)，以分析不同介質(zhì)對結(jié)構(gòu)能量衰減特性的影響。以a0為基準值，模型1 和模型3在不同介質(zhì)中損耗因子對比結(jié)果如圖4 所示。

(2)邀請老黨員參加一個或幾個學生支部“三會一課”，加強對學生黨員組織生活的指導，講好黨課，做好黨建重點任務(wù)，并計劃擴展到邀請校內(nèi)外有豐富經(jīng)驗的老黨務(wù)工作者。

圖4 不同介質(zhì)中損耗因子對比曲線Fig.4 Comparison curve of loss factors in different media

由圖4 可知，20～8 000 Hz 頻段內(nèi)，模型1 與模型3損耗因子數(shù)值均呈現(xiàn)低頻大、高頻小的特點，由于流體對結(jié)構(gòu)能量損耗性能的影響，水下的損耗因子數(shù)值比其在空氣中的增大，且低頻差異較大，隨著頻率的升高，不同介質(zhì)中損耗因子差異逐漸減小。因此基于SEA 法預(yù)報船舶水下輻射噪聲時，不僅需要開展相關(guān)曲板結(jié)構(gòu)損耗因子實驗測試，更需要考慮流體對結(jié)構(gòu)能量損耗特性的影響，測試結(jié)構(gòu)水下?lián)p耗因子，從而為評估船舶水下輻射噪聲提供更精確的參數(shù)輸入。

3.2 結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)影響

為探究結(jié)構(gòu)板厚對損耗因子的影響，圖5 給出不同板厚結(jié)構(gòu)在空氣中和水下的損耗因子對比曲線。

由圖5 可知，20～8 000 Hz 頻段內(nèi)，當板厚增加時，結(jié)構(gòu)損耗因子明顯增大；在20～100 Hz 中低頻段間，板厚對損耗因子的影響較大；在100～8 000 Hz 中高頻段內(nèi)，隨著頻率的增加，板厚對損耗因子的影響逐漸降低。

圖5 不同板厚結(jié)構(gòu)損耗因子對比曲線Fig.5 Comparison curve of loss factors of different plate thickness structures

為探究結(jié)構(gòu)長寬比對損耗因子的影響，圖6 給出不同長寬比結(jié)構(gòu)在空氣中和水下的損耗因子對比曲線。

由圖6 可知，20～8 000 Hz 頻段內(nèi)，當長寬比增大時，結(jié)構(gòu)損耗因子值明顯增大，在20～250 Hz 中低頻段間，長寬比對損耗因子影響較大；在250～8 000 Hz中高頻段內(nèi)，隨著頻率的升高，長寬比對損耗因子影響逐漸降低。

圖6 不同長寬比結(jié)構(gòu)損耗因子對比曲線Fig.6 Ccomparison curve of loss factors of different aspect ratio structures

3.3 阻尼層及其厚度影響

為探討阻尼層對結(jié)構(gòu)損耗因子的影響，圖7 給出模型1 和模型3 在空氣中和水下的損耗因子對比曲線，表2 給出模型1 敷設(shè)不同厚度阻尼層時振型階數(shù)及固有頻率對比表。

圖7 模型1 和模型3 空氣中和水下的損耗因子對比曲線Fig.7 Comparison curve of air and underwater loss factors of model 1 and model 3

4 結(jié) 語

本文基于瞬態(tài)衰減法，以鋼板為基層，橡膠為阻尼層，研究不同尺度效應(yīng)、不同測試環(huán)境及阻尼層厚度對船舶曲板結(jié)構(gòu)損耗特性的影響。研究結(jié)果表明：

1）20～8 000 Hz 頻段內(nèi)，曲板結(jié)構(gòu)損耗因子在數(shù)值上呈現(xiàn)低頻大、高頻小的特點，由于流體對結(jié)構(gòu)能量損耗性能的影響，水下的損耗因子數(shù)值比其在空氣中的增大，且低頻差異較大，隨著頻率的升高，其損耗特性差異逐漸減小。因此，基于SEA 法預(yù)報船舶水下輻射噪聲時，需要考慮流體對結(jié)構(gòu)能量損耗特性的影響，測試結(jié)構(gòu)水下?lián)p耗因子，從而為評估船舶水下輻射噪聲提供更精確的參數(shù)輸入。

表2 模型1 不同厚度阻尼層振型階數(shù)及固有頻率對比表Tab.2 Model 1 Comparison of modes and natural frequencies of damping layers of different thickness

2）20～8 000 Hz 頻段內(nèi)，當板厚增加時，結(jié)構(gòu)損耗因子數(shù)值明顯增大；在20～100 Hz 中低頻段間，板厚對損耗因子的影響較大；在100～8 000 Hz 中高頻段內(nèi)，板厚對損耗因子的影響逐漸減??；10 mm 板較6 mm 板損耗因子數(shù)值增大約10 %。

3）20～8 000 Hz 頻段內(nèi)，當長寬比增大時，結(jié)構(gòu)損耗因子數(shù)值明顯增大，在20～250 Hz 中低頻段間，長寬比對損耗因子影響較大；在250～8 000 Hz 中高頻段內(nèi)，隨著頻率的升高，長寬比對損耗因子影響逐漸減??；長寬比2∶1 的板較長寬比1∶1 的板損耗因子數(shù)值增大約20 %。

4）阻尼層厚度對結(jié)構(gòu)損耗因子影響顯著。在20 Hz～8 000 Hz 全頻段范圍內(nèi)，隨著敷設(shè)阻尼層厚度的增加，結(jié)構(gòu)損耗因子增大，因此，增加阻尼層的厚度有利于提高結(jié)構(gòu)的損耗特性。當敷設(shè)阻尼層厚度較小時，對結(jié)構(gòu)的固有頻率影響不明顯，隨著敷設(shè)阻尼層厚度增大，對結(jié)構(gòu)固有頻率影響越顯著。