杨卫国
(海军装备部驻上海地区第八军事代表室，上海 200011)
我国早在20世纪80年代初开始研究使用阻尼材料或阻尼技术降低船舶结构噪声，并开展探索性的实验室试验和实艇测试，并对阻尼技术及其在船舶减振降噪中的应用进行总结，指明基于模态分析与阻尼处理相结合、从“善后处理”发展到“预先设计”和开发多功能阻尼材料等3个发展方向，将发展重心放在设计和材料层面，从工艺角度影响并推进总体设计和材料发展。
随着船舶振动和辐射噪声指标的提升，我国减振降噪研究在设计和材料层面取得重大突破[1]，在基础理论、关键技术、材料[2]和元器件技术等方面形成技术体系，但作为核心建造技术的建造施工工艺缺乏体系化发展，亟待提升。设备基座作为设备振动和噪声传递中的重要环节，在其腹板和肋板上敷设阻尼材料[3-4]对降低基座的振动和噪声具有明显作用，但目前阻尼材料敷设工艺研究较少。
运用模态测试方法，针对阻尼材料敷设不同的贴合率、厚度和规格，研究在不同工艺参数条件下的减振降噪效果，为阻尼技术在船用基座减振降噪方面提供较为科学的试验依据。
1.1 减振降噪原理
阻尼减振降噪是被动控制的主要方面[5]，其技术原理是在振动的结构表面敷设或粘贴阻尼材料，利用阻尼材料在玻璃化转变时的高阻尼特性，增大结构的阻尼耗能，在结构因冲击和振动而变形时通过阻尼材料的拉伸、弯曲和剪切等变形引起的黏性内摩擦，将部分机械能转变为热能耗散振动能量，降低以振动辐射形式出现的弯曲波的声能，抑制中、高频结构的响应，达到降噪效果。
阻尼材料根据结构形式不同可分为自由阻尼结构和约束阻尼结构[6]，如图1所示。自由阻尼层是直接将黏弹性阻尼材料粘贴或涂覆于需要减振降噪的结构原件表面，通过阻尼层结构的弯曲变形耗能达到抑制振动的目的，其受力形式如图2所示，结构和动力特性比较简单，便于在实际工程中使用。
图1 阻尼结构
图2 自由阻尼结构受力形式
1.2 评价指标
对敷设阻尼板前后的结构进行模拟自由边界的模态测试，选取相同位置作为响应测量点，通过前后两次的传递曲线评价减振降噪效果。
对于多自由度线性系统，动力学方程为
(1)
对动力学方程进行Laplace变换可得：
s2MX(s)+sCX(s)+KX(s)=F(s)
(2)
式中：s为变换因子；
X(s)为位移响应向量；
F(s)为外激励向量。
多自由度系统的传递函数矩阵H(s)为
(3)
传递函数矩阵中的对角元素表示同一点的响应和激励比，称为原点传递；
非对角元素表示不同点的响应和激励比，称为跨点传递。
多自由度系统受激振动后的响应仅与系统本身的动态特性和激振性质有关，可用传递函数综合描述系统的动态特性，是一种理论和试验密切结合的方法。应用传递函数可检验结构数学模型的正确性并改善其精度，识别结构的模态参量(例如固有频率和振型等)，预示结构对已知或假定的输入力的响应，确定材料的动态特性，预示相连结构的动态耦合特性，进行振动监控或故障诊断。所进行的研究利用阻尼板敷设前后激励点和响应点均相同的传递曲线作为阻尼板敷设性能的评价手段。
2.1 试验概况
试验过程包括基板模态测试、阻尼板敷设、敷设质量无损检测和被测系统模态测试等4个步骤。
选取若干块150 mm×1 000 mm×10 mm(长×宽×厚)的船用高强度钢板作为测试基板，选定TD09型阻尼板为阻尼材料，选用完全相同的4组海绵垫作为试验件四角的支撑，模拟被测系统自由边界。
结合被测系统特点，使用脉冲激励方式对被测件进行模态测试，采用加速度作为测试数据判定结构的模态特征。脉冲激励选用江苏联能LC04A型力锤施加，在试验过程中选取钢材质锤头；
选用江苏东华1A314E型加速度计作为前端的采集器拾取测量点的时间响应曲线；
选用DH5922D型动态数字信号采集仪进行后端的数据分析。脉冲激励测试方法基本框架图如图3所示。
图3 脉冲激励测试方法基本框架图
2.2 试验结果分析
2.2.1 贴合率试验
选取4种不同贴合率试件进行分析，响应曲线如图4所示。由时域图形可知：在4组测试结果中，响应峰值和衰减时间差别不大，在贴合率为80%时衰减时间稍长；
根据传递曲线，峰值点具有较好的一致性，说明贴合率对被测系统固有频率影响较小；
根据幅值，贴合率为80%的响应曲线与其他3组响应曲线具有明显差别，80%贴合率可能会使振动响应降低，但持续时间较长；
对于85%以上的贴合率，响应区别不明显。
图4 不同贴合率试件响应曲线
2.2.2 厚度试验
选取4种不同厚度试件与测试基板一起进行分析，响应曲线如图5所示。由时域图形可知：在4组测试结果中，20 mm和15 mm厚的阻尼板对响应衰减时间的缩短效果明显好于10 mm和5 mm厚的阻尼板。由频域图形可知：①阻尼板厚度与固有频率峰值位置相关，厚度越大，峰值越低；
②阻尼板厚度与峰值大小负相关，厚度越大，峰值越低，且峰值处的曲线二阶导数变小，即峰值锐度降低，说明阻尼板可降低共振频率时的响应；
③阻尼板可改变被测系统的模态特征，两块较厚阻尼板消除被测系统200～300 Hz的1个小峰值。由模态曲线可知：对于10 mm厚的测试基板，15 mm厚的阻尼板的减振降噪效果较10 mm厚的阻尼板变化较大，但20 mm厚的阻尼板的减振降噪效果较15 mm厚的阻尼板不明显。
图5 不同厚度试件响应曲线
2.2.3 规格试验
选取4片×200 mm和2片×400 mm两组不同规格的阻尼板进行分析，响应曲线如图6所示。由图6可知：两组阻尼板相差不大，4片阻尼板组合形式的响应略低于2片阻尼板组合形式。
图6 不同规格试件响应曲线
2.3 试验结论
(1)由传递曲线可知：贴合率高低与基座减振降噪效果并无较好相关性；
根据时域图形，贴合率越高，被测系统振动衰减时间越短，在贴合率高于一定比例后衰减时间降低不明显。
(2)阻尼板厚度与基座减振降噪效果呈现较好相关性；
在小于测试基板1.5倍厚度时，厚度越大，减振降噪效果越好；
在大于测试基板1.5倍厚度时，减振降噪效果提升与厚度提升不成比例。
(3)阻尼板规格对于被测系统的减振降噪效果并无太大影响。
2.4 工艺建议
(1)阻尼板贴合率可由不低于90%调整至不低于85%，贴合率降低在保证减振降噪效果的前提下可提高阻尼板敷设效率。
(2)阻尼板厚度应不低于1.5倍基板厚度，在特殊情况下考虑2.0倍甚至更大，可节省阻尼材料、减轻基座质量。
(3)阻尼板规格与减振降噪效果关系不大，可依据基板形状对阻尼板进行裁剪，充分利用材料。
基于目前船厂使用的船用基座阻尼板敷设工艺，选取3组工艺参数，根据模态测试理论得到敷设工艺参数与减振降噪效果之间的关系。通过对测试结果的分析，可对船厂现行的施工工艺提出改进措施，指导船厂提高船用基座阻尼板敷设效率，节省阻尼材料，降低基座质量，并可反向支撑总体设计部门对基座设计进行优化。
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