阻尼材料在水面舰船的应用

刘 海

（中国舰船研究设计中心，上海 201108）

阻尼材料在水面舰船的应用

刘 海

（中国舰船研究设计中心，上海 201108）

振动和噪声影响舰船安全性、舒适性以及战术性能的实现，敷设阻尼材料作为减振降噪的有效措施，已广泛应用于各类船舶尤其是水面舰船，对于水面舰船还可提高其生命力。介绍了阻尼材料减振降噪的机理、影响材料阻尼性能的因素和阻尼材料分类以及阻尼效果评定方法等。从设计的角度提出应用于水面舰船的阻尼材料的一般要求；结合相关标准介绍国内应用较广泛、且具代表性的阻尼材料的基本情况、特征性能参数；又从施工角度对阻尼材料在水面舰船上的应用提出要求。阻尼材料科学是近年发展起来的一种减震降噪技术，随着高新科技的发展，对阻尼材料的要求也越来越高，且正朝着宽温、宽频、功能复合化的方向发展。随着阻尼材料的发展及其在舰船上的广泛应用，可提高舰船的安全性、舒适性以及保障实现其战术性能。

阻尼材料；阻尼机理；舰船；减震降噪

0 引 言

对于现代舰船而言，设备和船体的振动不仅影响其结构强度，而且影响设备的正常工作；同时，由于振动引起的噪声以及设备自身产生的噪声不仅影响舰员的工作和身心健康，而且会降低舰船水声设备作用距离，更严重的是舰船噪声会降低舰船声隐身能力，使其成为敌方声制导兵器跟踪的信号源。因此，减振降噪对于提高现代舰船安全性、战术性能及舒适性至关重要。

近年来，随着阻尼材料技术的发展，阻尼材料在舰船上的应用更趋广泛，不仅可敷设振动源和噪声源表面或用于制作振动源和噪声源的零部件，甚至还可用作结构件，这些应用为舰船提高减振降噪的能力作出巨大贡献。

1 阻尼材料

1.1阻尼机理

从减振降噪的角度考虑，阻尼是指损耗振动能量的能力，也就是将机械振动及声振的能量，转变成热能或其他可耗损的能量，从而实现减振降噪。阻尼的实现可以通过系统、结构和材料本身等途径予以实现，阻尼材料是本身具备高阻尼特性并可以在工程实际中实现减振降噪功能的材料。

1.2阻尼材料影响因素

阻尼材料复弹性模量实部G′随环境条件的变化而表化，材料损耗因子β也随之变化。对于材料复弹性模量实部和损耗因子主要的影响因素是温度和频率［1］。

1.2.1温度的影响

复弹性模量实部G′与材料损耗因子β值随温度变化而变化，典型曲线见图 1。在特定频率下G′随温度升高而降低，而β起初随着温度升高而增大，但到一定温度后则随着温度升高而减小。β的最大值称为阻尼峰值，对应的温度应在材料允许的工作温度范围内。

1.2.2频率的影响

与温度相似，复弹性模量实部G′与材料损耗因子β值随频率变化而变化，典型曲线见图2。在特定温度下G′随频率提高而增大，而β在一定频率下有最大值，低于或高于这一频率，β均下降。

图1　G′与β随温度变化曲线

图2　G′与β随频率变化曲线

1.3阻尼材料分类

阻尼材料可分为黏弹性阻尼材料、金属类阻尼材料、阻尼复合材料和智能型阻尼材料。

1.3.1黏弹性阻尼材料

顾名思义该材料同时具有黏性和弹性固体特性。当材料受到外力时，分子链在被拉伸的同时，分子之间链段还会产生滑移。当外力消失后，被拉伸的分子链恢复原位，释放外力所做的功，表现为弹性；而链段滑移不能完全恢复原位，外力所做的功转变为热能耗散于周围环境中，表现为黏性。

1.3.2金属类阻尼材料

其阻尼机理可以归因于热弹性阻尼、磁性阻尼、黏性阻尼和缺陷阻尼。热弹性阻尼是材料受力不均匀在内部造成温度差，从而产生热流引起能量耗散产生阻尼。磁性阻尼是铁磁金属受外力作用，引起磁畴壁的微小移动而产生磁化，损耗能量从而产生阻尼。黏性阻尼是当温度很高时，材料具有黏弹性而引起的阻尼，此时应力与应变间关系为非线性，变形也不能完全恢复。缺陷阻尼是由于材料本身对缺陷区域原子运动的阻碍引起的阻尼，是材料的固有阻尼。对于金属材料，缺陷阻尼是总体阻尼的主要组成部分。

1.3.3阻尼复合材料

包括聚合物基阻尼复合材料和金属基阻尼复合材料。聚合物基阻尼复合材料是用纤维增强具有一定力学强度和较高损耗因子的聚合物而形成的复合材料。金属基阻尼复合材料可通过在金属基体中添加金属基复合材料、两种不同的金属板叠合或由金属板和树脂黏合等多种方法制成。无论聚合物基阻尼复合材料还是金属基阻尼复合材料，其阻尼均来源于基体和复合相的固有阻尼、复合材料的界面滑动和界面处的错位运动。

1.3.4智能型阻尼材料

包括压电阻尼材料和电流变流体，其最大特点是损耗因子可控。压电阻尼材料是在高分子材料中填入压电粒子和导电粒子。当材料受到振动时，压电粒子能将振动能量转换成电荷，导电粒子再将其转换成热而散发出去。压电阻尼材料产生的电荷量与材料所受力的大小成比例，也就是说损耗因子根据外力变化而变化。电流变流体是在油质基液中加入微小的多孔性固体颗粒组成的易受电场影响的特殊流体，可根据所施加电场的变化在很短时间内改变其表观黏度，且损耗因子随之变化。

1.4阻尼材料效果评定

1.4.1插入损失评定

阻尼材料的应用效果一般都采取类似隔振装置插入损失评定的方法进行评估［2］，即比较评估点在阻尼材料敷设前后的振动级或声级，阻尼处理的减振效果可近似为：

式中：η0，ηD——阻尼处理前、后结构的复合损耗因数；M0，MD——阻尼处理前、后结构的质量； K0，KD——阻尼处理前、后结构的刚度；A、B、C——取决于结构的形式及其固定条件的系数。

式（1）中系数A、B、C可通过对阻尼材料敷设部位敷设阻尼材料前后的噪声测量值由曲线拟合得到。阻尼材料损耗因子的变化可由简单构件的测量值取得，质量的变化也很容易取得，但刚度的变化则与激励频率有关，需由计算或测量得到。

1.4.2噪声衰减

工程中还常采用水下噪声级和空气噪声级的衰减量作为阻尼技术应用效果的评估参数。在一般室内声场中，离声源一定距离处的声压级Lp可以采用式（2）估算：

式中： Lw——声源的声功率级；r——计算处到声源的距离；R——房间常数，S——室内总表面积；α——室内平均吸声系数；吸声系数指被材料吸收掉的声能与入射声能之比，即Q——声源指向性因数。

室内吸声处理的平均减噪量ΔLp可按式（4）计算：

式中： T1、 T2——处理前后室内的混响时间。

式（4）在实际使用中，部分参数求取困难，如处理前后室内平均吸声系数等采用理论计算相当复杂，若采用试验的方法则费时费力。在工程实际中可采用式（5）估算［3］：

式中：rs——阻尼处理面积与实际面积之比；R——阻尼材料与底材的厚度比；β——材料的复合损耗因子。

由式（5）可知，对舱室所有表面均敷设阻尼材料后，按照材料复合损耗因子为0.25进行计算，则舱室空气噪声可降低约12dB。

2 舰用阻尼材料现状

2.1阻尼材料的要求

阻尼材料种类繁多，从工程实践而言，良好的阻尼材料应具备以下条件：

1） 材料的损耗因子峰值βmax要高，峰值温度 Tc要和工作温度相一致。现有的各种高分子聚合物虽然具有黏弹性材料的性能，但是大部分橡胶类材料峰值温度低于室温，而塑料类材料峰值温度又远高于室温；

2） 材料损耗因子大于0.7的温度范围，ΔT0.7要尽可能宽。而一般黏弹材料ΔT0.7过于狭窄；

3） 有适当的模量，普通黏弹性材料模量偏高；

4） 材料不容易老化，无毒，阻燃，容易粘贴，有良好的工艺性能；

5） 在海洋环境中保持性能稳定，耐水、耐油、耐盐雾。

2.2应用情况

我国自20世纪70年代前后开始阻尼材料的研究工作，到目前取得较大进展，有10多个单位的20多种产品先后在各类舰船上使用。目前国内阻尼材料以黏弹性材料为主，按材料形态可分为片材型和涂料型；按材料耗能方式可分为自由阻尼材料和约束阻尼材料。国内也已颁布了黏弹性阻尼材料通用规范（GJB 3045-1997）［4］对于非金属黏弹性阻尼材料的分类、技术要求等内容进行了规定，对于阻尼材料的阻尼性能的具体要求为：自由阻尼材料损耗因子≥0.3；约束阻尼材料损耗因子≥0.7，在使用环境中保持性能稳定。

国内主要阻尼材料阻尼性能参数见表1。

表1　国内主要阻尼材料阻尼性能参数

从表1可知，国内阻尼材料阻尼性能已经可以基本满足黏弹性阻尼材料通用规范的要求，阻尼材料的阻尼温域也可满足舰船使用环境的要求。但是对于阻尼材料最重要的参数损耗因子，规范中规定了材料自身的损耗因子，但是在工程实践中衡量材料阻尼性能的应为根据敷设部位板材实际厚度确定阻尼材料厚度后，整个结构的损耗因子也既是复合损耗因子。因此规范中应增加关于复合损耗因子的要求。

2.3施工工艺

阻尼材料施工工艺根据阻尼材料形态不同大致可分为两类，片材型和涂料型。

2.3.1片材型

片材型阻尼材料一般适用于甲板、舱壁等比较平整的部位，使用时通常采用胶黏剂黏接到敷设部位（或胶接加机械固定），也有个别产品具有自黏性（压敏型或热敏型）。

片材型阻尼材料进行施工时，首先要做好施工条件、施工材料和设备及工装等准备工作，其施工工艺主要分为4个部分［5］：①粘贴表面处理（包括敷设部位和阻尼材料）；②裁剪和定位；③涂胶、粘贴、接缝处理；④检验及后处理。

2.3.2涂料型

涂料型阻尼材料一般适用于舷侧、底舱等曲率变化比较大的部位，一般采用刮刀、油灰刀等工具进行涂敷，可分为单组分、双组分和多组分等。

涂料型阻尼材料进行施工时，前期准备工作与片材型大致相同，其施工工艺过程主要分为3个部分：①敷设部位表面处理；②阻尼材料配置；③涂敷。

3 结 语

阻尼材料是近年发展起来的一种减震降噪技术。随着高新科技的发展，对阻尼材料的要求也越来越高。阻尼材料正朝着宽温、宽频、功能复合化的方向发展。

［1］ 戴德沛. 阻尼减振降噪技术［M］. 西安：西安交通大学出版社，1986.

［2］ 朱英富，张国良. 舰船隐身技术［M］. 哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2003.

［3］ 邓 凌，等. 3500t客货船的舱室噪声分析及计算［J］. 船舶设计通讯，2001 （11）： 34-38.

［4］ GJB 3045-1997. 黏弹性阻尼材料通用规范［S］.

［5］ 蔡国栋. 船用阻尼材料应用概况及施工工艺探讨［J］. 材料开发与应用，2009 （12）： 76-79.

Application of Damping Material on Surface Vessels

LIU Hai
（China Ship Development and Design Center， Shanghai 201108）

Vibration and noise have influence on the safety， comfort and tactical performance realization of naval ships. Application of damping material as an effective vibration and noise reduction measure has been widely applied in all kinds of ships， especially surface warships， for which the damping material can also improve ships' vitality. This paper introduces the mechanism of damping material for vibration and noise reduction， the factors affecting damping properties of materials， their categorization and damping effect evaluation method. Meanwhile， the general requirements on the damping material applied to surface vessels are proposed from the perspective of design. And the basic information and characteristic performance parameters of typical and widely-used damping materials both at home and abroad are introduced in combination with relevant standards. Besides the application requirements of damping material on the surface ships are put forward from the angle of construction. Damping material science is a kind of vibration absorption and noise reduction technology developed in recent years. With the development of high and new technologies， the requirements of damping materials are increasingly higher， which are developing towards the direction of wider temperature and wide frequency range and multiple functions. With the development of damping materials and its wide application on ships， the safety， comfort will be further improved and the tactical performance can be further ensured.

damping material； damping mechanism； ship； vibration and noise reduction

U668.5

A

2095-4069 （2016） 01-0074-05

10.14056/j.cnki.naoe.2016.01.014

2015-04-08

刘海，男，高级工程师，1974年生。1997年毕业于天津大学海洋工程专业，现从事船舶设计工作。