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$\sim$5 dB。另外也有关于碳纤维复合材料用于隔振基座的研究报道,如李国亮[6]研究的隔振频段在200 Hz以下,牟文珺等[13]研究的隔振频段在500 Hz以下,且研究的隔振频段都较窄。另外,随着声子晶体的发展,关于宏观负泊松比超材料隔振基座的设计与优化的研究已有报道[16-19],虽然这种负泊松比的多孔结构减轻了基座的重量,但隔振性能有待进一步提高。概括起来这些复合材料基座的隔振研究总体具有两个方面的不足：(1)结构复杂和重量较大,不能兼顾强度与阻尼两个矛盾的性能;(2)隔振频率范围与隔振性能或振级落差较小。因此,需要在轻质和结构简单的基础上进一步提高基座宽频隔振性能。
1 研究方法
1.1 声子玻璃材料
图1
1.2 阻尼基座设计
在基座的结构设计上,从舰船舱段内设备放置位置和特点出发,本文设计了相应结构尺寸的一种底部为弧形的基座结构,由一块上面板和四块侧肋板组成,如图2所示。其中,肋板和肋板间是互相穿插成一体,面板和肋板通过铆钉联接成一体。另外,根据面板和肋板的受力特征,可将面板和肋板依其边界特点去掉中心部分,其中面板圆形空洞直径为200 mm,肋板的中心去掉200 mm长、100 mm宽和直径100 mm的部分,从而减轻基座的重量,节省原料与成本。基座肋板由于采用了具有黏弹性的声子玻璃阻尼材料,具有弹性储能特点和黏性耗能特点,取代了传统复杂的隔振系统,是基座结构的重要组成部分。声子玻璃阻尼基座的总重量为200 kg,承重大于500 kg。
图2
1.3 数据分析方法
隔振性能的表征方法为加速度振级落差,表达式为
其中$a_{\rm m}$是激振点位于基座面板处的垂向加速度幅值的平均值,$a_{\rm c}$是对应采集点位于舱段处的垂向加速度幅值的平均值,$a_{0}=1$ $\mu$m/s$^2$表示基准加速度值。$L_{\rm m}$和$L_{\rm c}$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 $\sim$ 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, $L_{\rm a}$表示基座面板与舱壁处加速度平均振级之差,$L_{\rm all}$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
图3
2 结果与讨论
根据隔振性能的测试方法,测取20 $\sim$ 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 $\sim$ 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 $\sim$ 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 $\sim$ 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。
图4
图5
从表2和图5中看到,阻尼基座的隔振量在20 Hz以上频段的各个频点上都大于钢基座。钢基座在较多的频点处隔振量为零,表明钢基座在此处没有隔振性能。钢基座的振级落差有的为负值,可能是因为钢基座与舱段同为钢材质,在受到对应频点的激振后,舱段发生共振,引起了钢基座更大的振动 反馈,这也证明了钢基座的隔振性能不理想。从表2可知,钢制基座的总级落差为2.29 dB,阻尼基座的总级落差为12.93 dB,阻尼基座的隔振性能显著优于钢基座,充分验证了轻质高强度声子玻璃阻尼基座的宽频隔振性能。阻尼基座和钢基座的整体结构形式是相同的,不同之处主要是在肋板的材料选取上,阻尼基座选用了声子玻璃作为肋板的构成材料,达到了宽频隔振效果,说明了在隔振上基座肋板起到了关键作用,可见本文对阻尼基座设计的有效性。
3 结论
本文运用声子玻璃设计了一种底部为弧形的轻质阻尼基座,隔振测试结果表明基座在20 $\sim$ 10 000 Hz频率范围的振动落差总级可达12.93 dB,及承重不低于500 kg,具备高强度阻尼的隔振特性,初步克服了强度与阻尼这一对矛盾的力学特性。综上,阻尼基座隔振性能得益于两方面：
(1)声子玻璃材料将高强度和高阻尼性能结合在一起,并由局域共振子和多界面摩擦实现宽频隔振;
(2)阻尼基座的强度由面板和肋板共同承担,基座的隔振性能主要依赖肋板。
因此,选择具有高强度高阻尼的材料用于肋板,同时选择高强度材料如金属钢用于面板是一种提高基座隔振性能的方案,满足强度且能有效降低机械振动传递,有望用于舰船机械设备的隔振,并且可推广到车辆、航空、航天、精密仪器等 设备的隔振研究与应用中。
参考文献
船舶结构动力学的进展与信息化
Advance in ship structure dynamics and application of information technology
潜艇机械噪声控制技术的现状与发展概述
Development review on mechanical-noise control for submarine
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We have fabricated sonic crystals, based on the idea of localized resonant structures, that exhibit spectral gaps with a lattice constant two orders of magnitude smaller than the relevant wavelength. Disordered composites made from such localized resonant structures behave as a material with effective negative elastic constants and a total wave reflector within certain tunable sonic frequency ranges. A 2-centimeter slab of this composite material is shown to break the conventional mass-density law of sound transmission by one or more orders of magnitude at 400 hertz.
A wide band strong acoustic absorption in a locally network anechoic coating
Wide-band underwater acoustic absorption based on locally resonant unit and interpenetrating network structure
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In order to achieve strong wide band acoustic absorption under high hydrostatic pressure, an interpenetrating network structure is introduced into the locally resonant phononic crystal to fabricate a type of phononic composite material called "phononic glass." Underwater acoustic absorption coefficient measurements show that the material owns high underwater sound absorption coefficients over 0.9 in 12-30 kHz. Moreover, the quasi-static compressive behavior shows that the phononic glass has a compressive strength over 5 MPa which is crucial for underwater applications.
Investigation of locally resonant absorption and factors affecting the absorption band of a phononic glass
