利用综合波技术进行 船体结构的声学设计外文翻译资料

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利用综合波技术进行

船体结构的声学设计

纪方

中国船舶研究与发展研究院，北京

哈尔滨大学船舶工程学院，哈尔滨，中国

摘要：根据非均匀结构中的阻抗失配和波转换，从理论上分析了典型船体结构的振动波传播特性。此外，弹性层间引入型船体结构封闭质量、船体结构的主要因素，可以通过构建多声阻抗失配减少。在此基础上，结合波阻碍技术动力舱结构声学设计是通过数值计算验证。结果表明，采用刚性隔振的聚氨酯弹性夹层组合，可提高隔振性能，扩大隔振频率，具有较高的性价比。

关键词：波传播；封堵；弹性夹层；集成波阻技术；结构声学设计

1. 引言

近年来，随着现代探测设备和武器向高精度、远距离发展，舰船的暴露和被命中率大幅提高，生存力和战斗力受到严重威胁。舰船声隐身技术是通过系统地应用多种技术来控制舰船声场，改变舰船声目标特性，同时也提高本舰对目标的发现、跟踪和打击力。因此，声隐身技术是提高现代舰船的生存力和战斗力的有效手段。舰船主机、辅机等众多机械设备的气阀、活塞连杆等在摩擦、冲击等交变应力作用下产生的结构噪声，通过基座—艇体—流场的结构振动噪声主传递途径以弹性波的方式向外传递。然而，机械动载荷作用产生的振动不是立刻影响到艇体的，振动的传播需要一定的时间，并必须通过一定的通道。因此，结构动力响应分析从本质上讲是一个波动问题。舰船结构声传递机理与阻抑特性研究，是一个涉及结构振动声辐射和弹性波控制的交叉领域的研究课题。

减少振动和噪音是充分的关注和挑战。船舶结构噪声的传递规律及衰减措施研究。由钢板和型钢装配而成的船舶，材料的阻尼系数低^{[ 1 ]}。而且结构的破坏是有限的（如材料、厚度和结构的物理性质）。因此，如果隔声量得到最大限度的话，就必须对其进行合理有效的装配工艺 ^{[ 2 ]}。这是说，在船舶结构中要进行刚性隔离与弹性层压。

本文从波浪理论出发，分析了典型船体结构的振动波传播特性。同时，引入了粘弹性夹层以及振动隔振质量的典型船体结构。采用刚性隔振的聚氨酯弹性夹层的叶螨量表组合，总结出一种综合波的方法。在船体结构中，引入了新的综合逼近波技术，并进行了数值试验研究。基于波动理论的分析处理方法，讨论阻振质量偏心布置、阻振质量固定方式对其隔振特性的影响，分析船体结构中弹性复合材料夹层对声振动传递的阻抑特性，初步给出基座结构隔振度与阻振质量参数的经验公式。提出了在船体结构刚性隔振的基础上联合应用弹性夹层的新型复合阻波技术。基于敷设声学覆盖层的加肋双层圆柱壳的频散、聚能效应、功率流及声辐射特性分析，将具有高传递损失特性的结构形式和新型阻波技术引入典型动力舱段空间体系声学设计，给出了具有高传递损失特性的舱壁、基座、舷间托板结构形式。在上述理论分析及数值试验基础上，通过大尺度舱段模型水下振动及声辐射模型试验验证了结构声学设计的有效性，初步形成典型动力舱段空间体系声学设计方法。

1. 典型船体连接结构的振动波传播

窗体顶端

定常结构发生突变(质量、刚度等),会引起结构的阻抗失配,对声波起到很好的反射作用。船舶结构由大量的纵横骨架、板架组成,结构声沿其传递途径中会遇到具有隔离作用的自然障碍,如板或杆的铰支承、结构的接头和加强筋等,这些自然障碍对结构声的传递起到隔离作用[1]。对于钢船,离声源中心5 m至10 m处,结构声在一般频率范围内衰减1 dB/m,但在更大的范围内,衰减值下降至0.5 dB/m[2]。若在船壳与舱壁上采取一些减振措施,则能将衰减量提高到2 dB/m以上。

图1显示了典型的基地的结构图，它是由水平和垂直的板架组成的不同的连接结构。如果对振动波的传播特性进行深入的分析，并在此基础上进行声学设计，那么弹性波传播的分离效果较好，基础重量增加，它对船舶的声学隐身性能有着重要的意义。简化交船基地两交错半无限薄板刚性连接沿宽度方向入射的平面弯曲波的振幅是AB和纵向波的振幅是从x = -00，如图一所示 .

其中：Face plate——划线平板

Web plate——腹板

Rack mounting plate——支架安装板

Bracket——支架

1. 基础结构 （b）简化模型

图1：典型的船体结构和简化模型示意图

由于不连续的截面的阻抗失配，入射波不仅部分转化为透射波和反射波，而且也产生衰减的近场波和波模式转换。所谓“波模转换”是在双板的角度连接处弯曲波穿过时，产生了两种剪切力引起的透射和反射纵波。这个结构的速度场分布如下[ 3 ]：

其中，R和RJ分别指的是平面弯曲波和近场波的反射系数，T和TJ分别指的是平面弯曲波和近场波的透射系数，Rb1和TBL分别指的是原波的波型转换产生的反射系数和透射系数。

从上面的分析我们可以看到，当平面简谐波沿面注入正常的两板连接线从无限远的距离，不是只有振动能量的重新分配，而且波动的类型转换发生。在这一点上，在不连续的横截面的边界，不仅速度和角速度在所有方向上是连续的，而且也应平衡的剪切力和弯曲力矩。

从连续条件的速度和角速度在突变截面的应用，我们可以得到：

方程组（2）中有12个方程和12个未知量，并得到了一些明显的简化线性方程组：

在求解过程中定义的符号：Chi;指的是两板弯曲波的波长比，psi;指的是两板力阻抗的几何平均值与弯曲波的弯矩阻抗之比，sigma;指的是两板的厚度比，

因此，对于板结构：

如果平面弯曲波是单独的事件(AL=0,h1=h3ne;h2=h4)，每个板的传输系数和声音的传输损耗，得到通过求解线性方程组：

我们可以看到平面弯曲波在拐角处的能量再分配关系主要取决于双板的特性阻抗。如图2（a）所示或非常薄的跨板，横向的传声损失R13不会小于3dB，随着厚度的增加，R13不断攀升直越来越接近刚性夹持的价值；对于相同厚度的钢板，R13 = R12达到9dB。

T型连接结构可以看作是上半of-t结群，代入线性方程组：

(a)十字型连接 （b）T字型连接

图2：厚度不同的结构声传输损耗

如图2（B）所示与厚度比的增加，横向的传声损失R13增加3dB。对称的垂直线R12不再psi;/Chi;=1。

推导是基于泊松基尔霍夫板假设，弯曲波的长度和厚度必须满足在板上lambda;Bgt;6h, 因此，对上述分析有一个频率限制[ 5，6 ]：

1. 粘弹性夹层结构中的波传播特性

现代船舶的减振降噪始终是一个令人重视和具有挑战性的课题,而就船舶这种大型钢结构而言,材料本身的阻尼系数很低,船体结构本身的结构突变对结构噪声传播的阻碍作用有限,因此要想获得较大的隔声量,必须采取行之有效且装配工艺合理的措施.

基于波动理论分析了含粘弹性材料夹层的船体板架中振动波传递特性,给出粘弹性夹层对弯曲波的隔声量公式.同时将粘弹性夹层引入转角含阻振质量的典型船舶L型结构中,通过多次构造阻抗失配有效地阻断船体振动噪声主分量的传递.在此基础上,将这种复合隔振技术引入到动力舱段声学设计中并开展相应的数值实验.结果表明:粘弹性夹层对船体结构波具有较强的阻抑作用,夹层隔振性能随其杨氏模量降低及尺度增加而增大,夹层杨氏模量对隔声量的影响较其尺度更为显著,在刚性隔振基础上联合应用较小尺度的聚氨酯夹层可显著增加隔振效果并有效拓宽了隔振频带,具有较高的效费比.

船体是由板架和舱壁组成，所以研究入射弯曲波进入L结构是有意义的[ 7 ]。在结构的转角处铺设刚性隔振质量，可以提高阻抗失配，它可以拒绝振动波的传递。但刚隔振质量只是反映了入射波的能量，而声音的能量并没有减少效果。如果采用粘弹性夹层来协调刚性隔振质量，在同一时间，它可以减少振动波在其最佳阻抗失配的时间，以及在结构的转角处的能量吸收和消耗的影响。它对船舶振动和噪声的应用具有重要意义。

其中：Viscoelastic interlayer——粘弹性夹层

Vibration isolation mass——阻振质量

Plate——金属板

图3：L型结构素描块布局弹性夹层

如图3所示，板的弯曲波入射到粘弹性材料在板1，它将产生近场波和透射波。当振动波与隔振质量的L结构连接时，弯曲波的能量会再次传输和反射，而波变换将发生在两板中，会产生纵波的传播和反射：

其中：T1和TJL分别是是传输系数和弯曲波传递到粘弹性夹层的近场波的透射系数，通过文献[ 8 ]中得到。r2和rj2分别是在L结构的反射系数和近场波反射角结构的弯曲波系数。t2和tJ2分别是在角落的透射系数和近场波的传输系数。KB1、KB2、KL1、KL2分别是波数板1和2中的弯曲波和纵波。

振动隔振质量的边界条件：

速度和角速度是连续的：

力量和时间是平衡的：

其中：m是质量的每单位长度的隔振质量。j是每单位长度的隔振质量矩。将方程（11）-（14）带入方程（15）-（20）可得线性方程组：

其中：t是一个列向量｛ r2 rj2 t2 tj2 }·求解线性方程组，通过粘弹性夹层结合隔振质量得到L结构中弯曲波的透射系数

其中：Corner with block——角块

Corner with block and hard rubber interlayer——用块体和硬质橡胶中间层

Corner with block and polyurethane interlayer——角块和聚氨酯中间层

图4：用块布局弹性夹层的L形结构的隔震性能曲线

图4显示的是由天花板和舱壁组成的L结构的阻振质量结合粘弹性层的比较弯曲波传播损失曲线。天花板的厚度为12毫米，隔板的厚度为16毫米，在角落的隔振质量的截面尺寸为72times;72 粘弹性夹层的长度是10毫米，硬质橡胶层的弹性模量和5e8，聚氨酯弹性模量是8e6。

1. 即将到来的集成波技术在船体结构中的应用

船舶实际结构的复杂性，在理论分析的过程中有一个限制。在上述理论分析的基础上，给出了粘弹性夹层在容器结构中的减振性能的数值试验。基于GJB4000-2000的前提，隔振质量与粘弹性夹层相结合在盖板和罐套板上。通过即将到来的集成的波技术，使得阻抗不匹配的结构在最佳程度的增加。

其中：Machinery equipment——机器设备

Shock Absorb——冲击吸收

Base——基础

Pressure hull——耐压壳体

Vertical rack mounting plate——立式机架安装板

Blocking mass viscoelastic interlayer——块粘弹性夹层

Horizontal rack mounting plate—— 水平机架安装板

图5：用集成波技术分析船舱示意图

本文的数值计算是在10hz-1khz振动激发，它证明了在船体结构中声学设计的有效性与集成的波技术。

对10hz-1kHz集成波即将到来的技术动力舱的振动特性进行分析， 动机是通过24个隔振器安装点的基础。在同一时间，在船体结构选择15个测量点。15种结构测量点在压力壳上的响应，使其平均振动水平如下[ 9 ] ：

其中：N是测量点的数目，Ltheta;1是振动加速度级各中心频率的1 / 3倍频[ 10 ]。

其中：Base——基础

Measureing point——测量点

Pressure hull——耐压壳体

图6：测量点位置示意图

对于空间的限制，省略了各测量点的振动水平曲线和详细的计算过程。

线分别是：Original cabin——原始船舱

Rigid blockingmass——刚性阻塞质量

Integrated wave impending technique——集成波技术

图七：动力舱变声级对比曲线

如图7所示，没有大变形的基础方程刚性阻振质量的前提下，振动的传播是孤立在中频和高频（在400hz以上）明显。粘弹性层间组合后，振动频率带向低频移动。在推进电机槽频率的振动能量（200-400hz频段）和吸收明显减少。它在动力舱机械噪声控制工程中的应用价值。也就是说，振动能量被限制在某一领域，然后被粘弹性层吸收。这一技术的性能明显优于刚性隔振质量。

增加各频谱分量的传递函数和加速

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