劉瑞霞 裴東亮 王育人

?(中國科學(xué)院力學(xué)研究所，北京100190)

?(中國科學(xué)院大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院，北京100049)

艦船設(shè)備常用隔振器或隔振系統(tǒng)安裝在與船體連接的基座上進(jìn)行隔振[1-2]，這是因?yàn)闄C(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的振動(dòng)除了直接輻射空氣噪聲外，很大一部分會(huì)通過基座傳遞給船體，是船體輻射噪聲的重要來源之一[3]。這些噪聲不僅會(huì)加重海洋噪聲污染，危害人類和動(dòng)物的健康，而且降低了艦船的穩(wěn)定性和隱身性，所以對(duì)機(jī)械設(shè)備振動(dòng)進(jìn)行隔振處理具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前，船用設(shè)備基座的隔振器主要有單層隔振系統(tǒng)(穩(wěn)定性差)、雙層隔振系統(tǒng)(中間質(zhì)量過多)、浮筏隔振系統(tǒng)(多個(gè)不同設(shè)備一起隔振)。這些隔振系統(tǒng)增加了結(jié)構(gòu)復(fù)雜度和重量[3-4]，并且當(dāng)設(shè)備激勵(lì)頻率等于或低于系統(tǒng)共振頻率時(shí)，這些隔振系統(tǒng)會(huì)失效[3]。同時(shí)，船上常用的基座多為金屬材料：鑄鐵、鑄鋼、鋁制合金鋼等，重量大，阻尼小，隔振性能不能滿足工況需求[5-6]。另外，廣泛應(yīng)用于航空、車輛等領(lǐng)域的隔振技術(shù)研究，如準(zhǔn)零剛度隔振技術(shù)和反共振技術(shù)[7]、鋼絲繩隔振器[8]、精密儀器和設(shè)備的非線性隔振器[9]、磁流變阻尼器應(yīng)用在整星隔振平臺(tái)研究[10]、彈性梁彎曲振動(dòng)隔振研究[11]等在頻段和隔振性能上不斷提高，但這些研究大多還未聚焦到艦船機(jī)械設(shè)備隔振基座的應(yīng)用上。因此，研究輕質(zhì)寬頻的高強(qiáng)度阻尼基座進(jìn)行直接隔振具有重要的意義。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)由于具有高的比強(qiáng)度、比剛度和阻尼性能等優(yōu)點(diǎn)，可用于隔振基座的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，但復(fù)合材料基座目前仍處在研究探索階段[12-13]。文獻(xiàn)[1,4,14]提出了鋼材和黏彈性材料構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)彈性基座，可以在寬頻段隔振。趙樹磊等[5]研究了復(fù)合阻尼材料基座對(duì)4 kHz以下的振動(dòng)隔振性能平均為4 dB，比鋼基座的隔振性能更優(yōu)，但隔振性能和頻段有待進(jìn)一步提高和拓寬。羅忠等[12]研究了三明治夾芯的復(fù)合材料基座，有效克服了鋼制隔振器的阻尼小和高頻隔振不足的固有缺陷，但研究中主要是在有限的若干個(gè)頻點(diǎn)處。李江濤[14]設(shè)計(jì)了復(fù)合結(jié)構(gòu)基座并研究了隔振性能，發(fā)現(xiàn)隔振效果比鋼制基座明顯，但其復(fù)合結(jié)構(gòu)基座是由復(fù)合材料構(gòu)件組裝而成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且強(qiáng)度有限。溫華兵等[15]用多層復(fù)合阻尼減振膠板對(duì)基座進(jìn)行阻尼處理，降低了船體振動(dòng)加速度級(jí)1～5 dB。另外也有關(guān)于碳纖維復(fù)合材料用于隔振基座的研究報(bào)道，如李國亮[6]研究的隔振頻段在200 Hz以下，牟文珺等[13]研究的隔振頻段在500 Hz以下，且研究的隔振頻段都較窄。另外，隨著聲子晶體的發(fā)展，關(guān)于宏觀負(fù)泊松比超材料隔振基座的設(shè)計(jì)與優(yōu)化的研究已有報(bào)道[16-19]，雖然這種負(fù)泊松比的多孔結(jié)構(gòu)減輕了基座的重量，但隔振性能有待進(jìn)一步提高。概括起來這些復(fù)合材料基座的隔振研究總體具有兩個(gè)方面的不足：(1)結(jié)構(gòu)復(fù)雜和重量較大，不能兼顧強(qiáng)度與阻尼兩個(gè)矛盾的性能；(2)隔振頻率范圍與隔振性能或振級(jí)落差較小。因此，需要在輕質(zhì)和結(jié)構(gòu)簡單的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高基座寬頻隔振性能。

聲子玻璃是基于局域共振機(jī)理[20]的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)聲學(xué)超材料[21-24]，它將金屬互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的承重強(qiáng)度性能與聚氨酯互穿網(wǎng)絡(luò)的阻尼性能復(fù)合在一起，互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的大量接觸界面使得振動(dòng)引起的界面摩擦增多，從而增加耗能，因此通過改變聲子玻璃中孔的大小、數(shù)量及分布來增多接觸界面可提高其阻尼性能。綜合其潛在的高阻尼高強(qiáng)度特點(diǎn)，本文將在已有研究的基礎(chǔ)上，用聲子玻璃設(shè)計(jì)和制備阻尼基座，通過振級(jí)落差的隔振分析方法，對(duì)輕質(zhì)阻尼基座進(jìn)行20～10 000 Hz頻率范圍的隔振研究，從而進(jìn)一步有效降低艦船機(jī)械振動(dòng)傳遞和輻射噪聲。

1 研究方法

1.1 聲子玻璃材料

聲子玻璃作為一種網(wǎng)絡(luò)化的局域共振聲學(xué)超材料，其實(shí)物及單元模型如圖1(a)所示，不同于傳統(tǒng)的局域共振聲學(xué)超材料的散射體往往是球狀或柱狀的離散單元，聲子玻璃將金屬和聚氨酯連續(xù)地互穿網(wǎng)絡(luò)化，不僅具有金屬互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高承重強(qiáng)度，也具有軟質(zhì)聚氨酯和硬質(zhì)聚氨酯互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的黏彈性阻尼[24-26]，此外，互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中材料組分間大量的界面摩擦促進(jìn)了大量振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，從而增強(qiáng)阻尼隔振性能。另外，由于局域共振頻率因網(wǎng)絡(luò)化的共振子具有不同尺度而分布較寬，且局域共振頻率處共振子振動(dòng)劇烈，集中了大量振動(dòng)能，然后經(jīng)過界面摩擦的轉(zhuǎn)化和消耗，從而實(shí)現(xiàn)寬頻阻尼隔振。

圖1 聲子玻璃阻尼復(fù)合材料樣品及阻尼測試示意圖(續(xù))

圖1 聲子玻璃阻尼復(fù)合材料樣品及阻尼測試示意圖

為了量化聲子玻璃的阻尼性能，本文制備了尺寸為600 mm×70 mm×20 mm的聲子玻璃矩形條，通過單懸臂測試方法，即按照一端固定另一端自由的方法(圖1(c))，測試了聲子玻璃的結(jié)構(gòu)阻尼比，測試樣品如圖1(b)所示。同時(shí)，為了更好地表征聲子玻璃的阻尼性能，測試了同樣尺寸的鋼板和鋁板的結(jié)構(gòu)阻尼比作對(duì)比，結(jié)果見表1。測試結(jié)果表明，聲子玻璃在1階頻率處是鋼板的10倍，鋁板的2倍，比傳統(tǒng)常用的鋼質(zhì)板和鋁板具有更高的阻尼比。

表1 樣品阻尼測試結(jié)果

1.2 阻尼基座設(shè)計(jì)

圖2 阻尼基座模型

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

隔振性能的表征方法為加速度振級(jí)落差，表達(dá)式為

其中am是激振點(diǎn)位于基座面板處的垂向加速度幅值的平均值，ac是對(duì)應(yīng)采集點(diǎn)位于艙段處的垂向加速度幅值的平均值，a0=1 μm/s2表示基準(zhǔn)加速度值。Lm和Lc分別是面板和艙段的振級(jí)。加速度的均方根平均值公式為

在20～10 000 Hz頻率范圍的每個(gè)測試頻點(diǎn)的總加速度振級(jí)為

其中n=4表示基座面板有4個(gè)激勵(lì)點(diǎn)處的加速度，n=18表示艙壁的響應(yīng)加速度振級(jí)共有18個(gè)，La表示基座面板與艙壁處加速度平均振級(jí)之差，Lall表示振動(dòng)總級(jí)，通過比較面板和艙段的振級(jí)落差得到振動(dòng)總級(jí)落差表征隔振性能。

1.4 隔振性能測試方法

試驗(yàn)測試過程中首先將制作的阻尼基座與鋼制基座對(duì)稱安裝于船舶艙段中，如圖3(a)所示的艙段內(nèi)的左右兩側(cè)。將水泵電機(jī)置于基座上面板，且在上面板和艙段上安裝布置好加速度傳感器。然后采用水泵電機(jī)分別激勵(lì)阻尼基座與鋼基座的上面板，如圖3(a)和圖3(b)所示，以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集示意圖3(c)采集面板的加速度振級(jí)和艙段的加速度振級(jí)，經(jīng)過快速傅里葉變換將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。最后通過對(duì)比對(duì)稱布置于面板與艙段上的振動(dòng)加速度計(jì)的振級(jí)，來評(píng)估基座的隔振性能。

圖3 試驗(yàn)測試方案實(shí)物及示意圖

2 結(jié)果與討論

根據(jù)隔振性能的測試方法，測取20～10 000 Hz頻段的激勵(lì)加速度振級(jí)和艙段響應(yīng)加速度振級(jí)。從圖4(a)中可明顯看到，激勵(lì)加速度振級(jí)和響應(yīng)加速度振級(jí)基本重合，經(jīng)過鋼基座的激勵(lì)振動(dòng)并沒有降低。同時(shí)，從圖4(b)選取測試頻率范圍中的28個(gè)1/3倍頻程的加速度振級(jí)點(diǎn)的連線圖看出，水泵激勵(lì)鋼基座后，面板和艙段上的加速度振級(jí)相近，即激振加速度振級(jí)與經(jīng)過鋼基座隔振后的振級(jí)沒有變化，表明鋼基座在20～10 000 Hz的頻率范圍基本沒有隔振性能。圖4(c)中藍(lán)色線分布高于紅色線分布，這表明水泵激勵(lì)阻尼基座后，面板和艙段上的加速度振級(jí)相差較大，在測試頻段20～10 000 Hz頻段的隔振效果顯著，如圖4(d)，隔振效果明顯優(yōu)于鋼基座。為了更加準(zhǔn)確地表征基座的隔振性能，根據(jù)鋼基座和阻尼基座各自所測得的加速度振級(jí)數(shù)據(jù)，按照式(1)計(jì)算獲得鋼基座和阻尼基座的振級(jí)落差值，然后選取測試頻段20～10 000 Hz內(nèi)的1/3倍頻程的振級(jí)落差列于表2，共28個(gè)頻率點(diǎn)，繪出兩種基座在相應(yīng)的1/3倍頻程的加速度振級(jí)落差點(diǎn)線圖，如圖5所示。

圖4 水泵激勵(lì)鋼基座和阻尼基座的隔振測試結(jié)果對(duì)比

圖5 水泵激勵(lì)鋼基座和阻尼基座的振級(jí)落差對(duì)比

表2 兩種基座在20～10 000 Hz頻段隔振性能對(duì)比

3 結(jié)論

本文運(yùn)用聲子玻璃設(shè)計(jì)了一種底部為弧形的輕質(zhì)阻尼基座，隔振測試結(jié)果表明基座在20～10 000 Hz頻率范圍的振動(dòng)落差總級(jí)可達(dá)12.93 dB，及承重不低于500 kg，具備高強(qiáng)度阻尼的隔振特性，初步克服了強(qiáng)度與阻尼這一對(duì)矛盾的力學(xué)特性。綜上，阻尼基座隔振性能得益于兩方面：

(1)聲子玻璃材料將高強(qiáng)度和高阻尼性能結(jié)合在一起，并由局域共振子和多界面摩擦實(shí)現(xiàn)寬頻隔振；

(2)阻尼基座的強(qiáng)度由面板和肋板共同承擔(dān)，基座的隔振性能主要依賴?yán)甙濉?/p>

因此，選擇具有高強(qiáng)度高阻尼的材料用于肋板，同時(shí)選擇高強(qiáng)度材料如金屬鋼用于面板是一種提高基座隔振性能的方案，滿足強(qiáng)度且能有效降低機(jī)械振動(dòng)傳遞，有望用于艦船機(jī)械設(shè)備的隔振，并且可推廣到車輛、航空、航天、精密儀器等設(shè)備的隔振研究與應(yīng)用中。

2朱石堅(jiān).振動(dòng)理論與隔振技術(shù).北京:國防工業(yè)出版社,2006

3俞孟薩,黃國榮,伏同先.潛艇機(jī)械噪聲控制技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展概述.船舶力學(xué),2003,7(4):110-120

11丁虎,邵志華.彈性結(jié)構(gòu)橫向彎曲振動(dòng)傳導(dǎo)率.力學(xué)與實(shí)踐,2019,41(6):661-664