金属－橡胶层叠阻尼肋板对双层壳振声性能的影响＊

夏齐强 陈志坚

（海军工程大学船舶与海洋工程系 武汉 430033）

0 引 言

随着反潜探测手段和反潜武备的发展，潜艇声隐身问题日益突出.双层圆柱壳作为潜艇舱段结构的主要形式，其水下振动和声辐射性能对潜艇的声隐身性显得尤为重要.文献［1－2］指出实肋板等横向构件是内外壳振动能量传递的主要途径，双层壳间耦合很强.当内壳受到激励力振动时，壳间实肋板可直接将振动波非常有效地传递到外壳上，外壳振动引起潜艇向海水中辐射噪声.欲降低双层壳振动与辐射噪声，从抑制振动波传递入手，对壳间肋板进行新材料、新结构的研发应用不失为一种较好的方法.寻求一种能有效抑制振动波的传递的新型肋板结构，对降低双层圆柱壳的辐射噪声具有重要意义.

从引俄潜艇和资料［3］中可以发现，开展结构减振设计的研究和应用，在国外较为成熟，如阻振质量块、浮筏、轴系纵向减振器等结构，但少有探讨壳间连接结构减振设计的报道.国内对壳间连接结构的研究，主要是针对已有的实肋板和托板连接形式下的振声性能分析［4－6］.目前姚熊亮等［7－8］通过在托板上添加阻尼材料的方式提出了阻尼托板结构，以减小托板对双层壳振动声辐射的影响；基于阻抗失配原理，通过在舷间主传递通道上敷设声学覆盖层，设计了几种高传递损失的复合托板结构形式.

本文基于阻尼减振原理，从抑制声桥振动波传递出发，利用结构增阻思想构造了2种金属橡胶层叠阻尼减振肋板，对双层壳进行了振声特性仿真计算，分析了阻尼肋板参数变化对双层壳振声性能的影响.

1 阻尼板减振机理及力学性能测试

1.1 金属－橡胶层叠阻尼板减振机理

对于固体结构的振动和声辐射，尤其是阻尼很小的金属薄板材料，阻尼起着重要作用，可有效衰减振动传递能量.金属橡胶层叠阻尼板既具有金属材料的强度，又有良好的阻尼特性，对共振峰值的抑制、固体传声的降低有明显效果，有着广泛的应用前景.为阐明阻尼减振机理，以图1所示金属橡胶层叠阻尼板为研究对象进行减振分析.

图1 金属－橡胶阻尼板分析模型

由于橡胶属高分子粘弹性材料，不仅具有较大的阻尼，而且具有较小的弹性模量，与钢结构相比质量也很小，这样就形成质量弹簧阻尼减振系统，力学模型见图1b）.系统的运动方程可写为

令m1＝m2＝m，c1＝c2＝c，k1＝k2＝k，应用Cramer法则，可求得实振幅为

于是，η1＝0.382，η2＝2.62.

以阻尼比ζ作参数，按式（3）绘制动力放大系数曲线，见图2.该图表明，振动系统的阻尼比ζ越小，当激振力频率接近振动系统的固有频率时，动力放大系数急剧上升.随着阻尼比ζ的增大，动力放大系数逐渐减小.可见，增加系统的阻尼，动力放大系数在全部频带上都被压低了，尤其是共振峰处降低更明显.因此，为抑制结构振动响应，可增加振动系统的阻尼.

图2 动力放大系数曲线

设系统原有阻尼c，增加阻尼c1.如果原有系统的阻尼比为ζ，那么增加阻尼c1后的阻尼比为

上式表明，如果附加阻尼c1比原先的阻尼c大得多，阻尼比ζ′将远大于ζ，动力放大系数将显著减小，从而达到减振的目的.由此可知，若壳间实肋板采用金属橡胶层叠阻尼钢板，由于橡胶材料的粘弹性高阻尼特性，不仅可以增大结构阻尼，而且还可与金属层形成质量弹簧减振系统，从而有效降低结构的振动响应，起到减振降噪的效果.

1.2 阻尼板力学性能测试

参照GB／T18258—2000《阻尼材料、阻尼性能测试方法》，对3件橡胶阻尼板进行阻尼性能测试.样件长200 mm、厚8 mm、宽10 mm、密度1180kg／m3，见图3.将橡胶阻尼材料制成非自由支撑阻尼材料件，一端固定，一端自由安装.用激振器对自由端进行正弦扫描激励，由信号发生器发出10～325Hz范围内，步长为25Hz的正弦信号，用力传感器、加速度传感器测试激励力和结构响应，得到频响函数.采集数据时，分析频率取2000Hz，选取128次线性平均，6400条线谱，采用汉宁窗.利用半功率带宽法测试结构共振频率.对3组样件测试结果取平均值，表1为阻尼板储能模量和损耗因子在固有频率处测试值，图4 为10～325 Hz频段内储能模量和损耗因子测试频谱曲线.

图3 阻尼板样件

图4 阻尼板储能模量和损耗因子测试频谱

表1 阻尼板前5阶储能模量和损耗因子测试值

2 金属橡胶阻尼肋板在双层壳中的应用

2.1 不同肋板型式双层壳振声性能计算［9］

以一典型的双层壳体舱段为例，壳体长度L＝8m、外壳半径R1＝2.75 m、内壳半径R2＝2.25m；内壳外环肋截面积A＝7.4×10－3m2、惯性矩I＝2.52×10－5m4；肋距l1＝0.8m，外壳厚h1＝8mm，内壳厚h2＝20 mm，2 层壳体间采用实肋板连接，厚度h3＝8mm.壳体、肋骨、实肋板采用相同材料，密度ρ＝7.8×103kg／m3，弹性模量E＝2.1×105MPa，泊松比ν＝0.3.

基于第1节阻尼板减振理论分析，将金属橡胶层叠阻尼板引入到实肋板结构设计中，提出两种型式金属－橡胶层叠阻尼肋板，见图5.利用FEM／BEM 法对肋板改进前后双层壳振声性能进行计算与分析.设集中点力为单位简谐力，激励频率10～325Hz，激励位置为壳体中心.所选的橡胶阻尼材料性能参数按实验测试值作为原始输入.流体密度1025kg／m3，声速1560m／s；参考振动速度vref＝10－9m／s，声功率Wref＝0.67×10－18W.

图5 金属－橡胶层叠阻尼肋板

图6为不同肋板型式连接下双层壳振声性能比较，其中Original为设计前双层壳，肋板连接型式为普通实肋板连接；design－1和design－2分别为2种层叠阻尼肋板型式连接双层壳，模型design－1为金属－橡胶－金属复合阻尼肋板，模型design－2为橡胶－金属－橡胶复合阻尼肋板.由图6a）、b）可以看出，壳间声桥采用金属－橡胶层叠阻尼肋板后，内壳振动速度级大体上较原结构增大，而外壳振动速度级均有效降低；这主要是由于复合阻尼肋板刚度较原肋板降低，减小了两层壳间耦合，从而引起内壳振动响应增大；另一方面，阻尼肋板增大了声通道阻尼，使得振动能量在声桥中大幅耗散，因此外壳振动响应降低.由图6c）可以看出，除个别频率点外辐射声功率级较原结构明显降低，主要表现为：在前两阶共振区50Hz和60Hz处线谱峰值降低约为40dB；随着频率的升高，采用层叠阻尼肋板形式的双层壳辐射声功率线谱峰值呈现减小的趋势，这说明复合阻尼肋板对抑制振动噪声有很好的效果；橡胶－金属－橡胶型式肋板较金属－橡胶－金属型式声功率级总体上要小，减振降噪效果更好；由图6d）可以看出，原结构径向均方速度级比在0.6～1.2之间频变，这说明原结构中内壳的振动能量很大一部分经实肋板传递到外壳，有的甚至出现放大效应，实肋板是声通道主要传递途径；壳间声桥改进后，壳体均方速度级比显著降低，这表明采用层叠复合阻尼肋板新型壳间连接结构具有很好的减振性能，可以有效地控制并衰减振动能量的传递.

2.2 层叠阻尼肋板参数变化对双层壳辐射噪声影响

下面分析阻尼材料频变特性及弹性模量、损耗因子和阻尼层厚度变化对双层壳声辐射性能的影响.

图6 双层壳振声性能比较

图7 阻尼材料参数变化对双层壳声辐射性能的影响

图7为阻尼材料参数变化双层壳声辐射性能的影响.Modulus，damping，h 分别为储能模量、损耗因子、厚度3个参量，其中Modulus1＞Modulus2＞Modulus3；damping1＞damping2＞damping3；h3＜h1＜h2.从图7a）可以看出，在60～160 Hz频段，由于橡胶力学性能参数随频率变化平缓，辐射声功率变化较小；当阻尼材料的力学性能参数随频率变化明显时，计算结果会发生较大变化，这说明动力分析中有橡胶等频变材料时，应考虑材料的储能模量和损耗因子频变特性.从图7b）可以看出，随着橡胶储能模量的增大，辐射声功率增大，这说明在一定范围内，减小橡胶的储能模量对减振降噪更有利.从图7c）可以看出，在10～200Hz频段，增大材料损耗因子在较低频段辐射声功率级反而增大；在高于200Hz外，辐射声功率级随着损耗因子的增大而减小；这说明橡胶阻尼材料的能量耗散效果在中高频更好，这也与式（6）吻合，动力放大系数在频率较高阻尼较大时衰减更快.由图7d）可以看出，阻尼层厚度对双层壳影响较为复杂，增大橡胶阻尼层厚度，辐射声功率反而更大；减小阻尼层厚度，辐射声功率也较设计结构增大.这主要是由于双层壳中阻尼肋板高度相对固定，增大橡胶阻尼层厚度势必会减小钢板厚度，从而使壳间肋板总体刚度减小，如果刚度降低太小，必然引起外壳振动剧烈，辐射较高的噪声；另一方面，如果减小橡胶阻尼层厚度，则会导致振动能量在声通道传递中损耗减小，使减振效果降低.可见，它涉及动力系统的优化，在声学结构设计中应综合考虑，合理选择阻尼层厚度.

3 结 论

1）壳间声桥采用金属－橡胶层叠阻尼肋板，可有效衰减沿结构传递的振动能量，显著降低双层壳辐射噪声，是一种较好的减振降噪措施.

2）在动力分析中，材料力学参数的频变特性对计算结果有一定影响，频变剧烈区，结果差异较大，必须考虑材料的力学参数频变性能.

3）随着橡胶储能模量的减小，金属－橡胶层叠阻尼肋板减振降噪效果更好；增大阻尼材料的损耗因子对隔离高频振动更有效；在壳间间距一定的情况下，过大或过小对减振降噪都不利，需要对动力系统参数进行优化，阻尼层的厚度选择既要保证结构的总体刚度，又要尽量增大阻尼层以提高能量耗散能力，这将在后续的工作中作进一步研究.

综上所述，金属－橡胶层叠阻尼肋板结构在双层壳壳间声桥的应用是一种较好的减振降噪措施.需要注意的是，鉴于结构强度因素，下一步还需要对壳间连接强度及橡胶材料选取、连接工艺进行深入研究.

［1］陈美霞，骆东平，杨叔子.壳间连接形式对双层壳声辐射性能的影响［J］.振动与冲击，2005，24（5）：77－80.

［2］ 姚熊亮，钱德进，刘庆杰，等.双层圆柱壳振动传递及近场声辐射特性研究［J］.声学技术，2007，26（6）：1226－1234.

［3］尼基福罗夫.船体结构声学设计［M］.谢 信，王轲，译.北京：国防工业出版社，1998.

［4］陈美霞，骆东平，陈小宁，等.复杂双层壳体声辐射性能分析［J］.声学学报，2004，29（3）：209－215.

［5］高 菊，陈美霞，陈清坤，等.不同流场中双层圆柱壳层间声振传递特性研究［J］.中国舰船研究，2010，5（5）：34－39.

［6］殷学文，王贡献，华宏星，等.通过周期环板和附连流体的两同心圆柱壳体间的振动耦合效应［J］.声学学报，2009，34（1）：87－95.

［7］姚熊亮，计 方，钱德进，等.壳间连接介质对双层壳声辐射性能的影响［J］.声学技术，2009，28（3）：312－317.

［8］姚熊亮，计 方，钱德进.双层壳舷间复合托板隔振特性研 究［J］.振动、测试与诊 断，2010，30（2）：123－127.

［9］夏齐强，陈志坚.基于结构增抗技术的环肋圆柱壳声振特性［J］.华中科技大学学报，2012，40（1）：90－94.