隔振器参数及高频驻波效应对浮筏隔振性能的影响

宋金明 张乔斌 尹成彬 吴开峰

（1. 92910部队，浙江舟山 316000；2. 海军工程大学，武汉 430033；3. 92771部队，山东胶南266405；4. 91343部队，山东威海 264200）

0 引言

动力装置振动引起的机械噪声是船舶水下辐射噪声的主要噪声源之一。振动隔离技术是减小机械设备振动能量传递到基础上的一个重要手段。浮筏隔振装置由于其结构紧凑、效果突出，已成为舰船动力机械减振降噪的有效工具。

浮筏有多种评价指标，从工程实用的观点来看，振级落差可测量、易操作，本文选择振级落差作为浮筏隔振性能的评价指标[1]。在实际浮筏隔振系统中，由于结构复杂，影响系统隔振效果的因素有很多。主要包括隔振器参数、筏架、基座的刚度、阻尼等，其中隔振器参数对浮筏的隔振器效果影响最为显著。分析隔振器参数对隔振效果的影响对浮筏的设计具有一定的指导意义[2,3]。本文利用有限元方法首先计算分析了隔振器刚度、阻尼对隔振效果的影响。然后介绍了隔振器的高频驻波效应，并定性分析了驻波效应对浮筏隔振性能的影响。

1 浮筏振级落差的有限元计算

浮筏系统的设备、上下层隔振器组、筏架以及基座构成一个空间物理结构，从一般意义上讲，这是一个具有分布质量、分布弹性和分布阻尼的物理系统，因而是一个连续参数系统。有限元方法则是将连续参数系统离散化，即以集中参数系统逼近分布参数系统，能在较宽频带内揭示浮筏的振动特性[4]。

有限元分析时简谐力作用下系统运动方程为：

在有限元分析时，对结构进行离散，得到其质量、刚度、阻尼矩阵，即可得到各节点的响应值[5]。

振级落差D的定义为机组在弹性安装情况下，机器基脚处和基座与隔振器连接点处的振动响应之比：

在区间(t1,t1)内，信号能量的时间平均为：

对于稳态振动信号，若区间变为无穷大，（3）式仍大于零。

振动加速度级为

从信号能量这个意义上来讲，振动加速度的振级落差评定也代表了时间平均振动能量的评定。当用dB为单位表示时，可得振级落差(Vibration level difference)：

这里，L a1及L a2分别为机器基脚处和基座与隔振器连接点处的加速度振级[6]。

2 浮筏有限元模型建立

以实艇浮筏有限元为研究对象，建立浮筏有限元模型。建模时时作如下处理：动力设备用刚性固体块等效其质量、转动惯量和惯性矩；中间筏体和基座用壳单元模拟；每个隔振器用3个弹簧单元模拟其3个方向的刚度和阻尼；浮筏有限元模型如图1所示。浮筏上两设备对称布置，每台设备通过4个隔振器与筏体相连，筏体通过6个隔振器与基座相连，中间筏体和基座由厚度为8 mm和10 mm的多块钢板焊接而成。材料阻尼系数为0.005，材料密度为37800 kg/m ，弹性模量为2.1 11EPa，泊松比为0.3，隔振器刚度参数见表1，上下层隔振器阻尼比均为0.05。设备激励由试验测得的机脚加速度推算得到。

图1 浮筏有限元模型

表1 隔振器刚度参数

3 隔振器参数对振级落差的影响

隔振器是隔振系统的重要组成部分，对浮筏性能有很大影响，计算分析相关参数对隔振性能的影响有助于在浮筏设计阶段选取隔振器参数、确定使用的隔振器型号。

在浮筏的有限元建模时，以三个相互垂直的combin14单元模拟上下层隔振器，即以刚度-阻尼模型代替实际隔振器，这有助于分析在低频段隔振器参数对隔振效果的影响。在高频段隔振器的质量效应凸显出来，具体体现为驻波效应。文中根据试验测得的隔振器阻抗特性，定性分析了高频驻波效应对隔振性能的影响。

3.1 隔振器刚度对振级落差的影响

分别改变上下层隔振的刚度参数，计算对应的浮筏振级落差。图2、3分别给出了上、下层隔振器刚度变化时浮筏隔振系统的振级落差。

图2 上层隔振器刚度对隔振性能的影响

图3 下层隔振器刚度对隔振性能的影响

从图2、3中可以看到，无论是上层隔振器还是下层隔振器，隔振器刚度的增加对隔振效果均会产生不利影响，尤其是在中低频影响更为显著。可以得出隔振器刚度的变化主要影响系统低频部分的隔振性能，对高频部分影响不大。所以从理论上说，降低隔振器刚度有利于隔振性能的提高，但是在实际设计中，我们又不能把它们设计得太小，否则结构的抗冲击性能会变得很差。

3.2 隔振器阻尼对振级落差的影响

振动系统的阻尼能有效地控制共振频率附近的振动，为了研究隔振器阻尼对系统隔振性能的影响，图4、5分别给出了上、下层隔振器阻尼变化时浮筏隔振系统的振级落差。

图4 上层隔振器阻尼对隔振性能的影响

从图4、5中可以看到，上层隔振器阻尼变化和下层隔振器阻尼变化对系统隔振性能均造成不利影响，但上层隔振器阻尼对其影响更为显著。当上层隔振器阻尼增加5倍时，在30～1000 Hz范围内隔振效果降低10 dB，而下层隔振器所对应的隔振效果下降5 dB左右。因此，虽然隔振器阻尼能够有效抑制共振峰值，但考虑到其对系统性能的影响说明隔振器阻尼取值存在一定的上限，隔振器的阻尼不能取得太大。

图5 下层隔振器阻尼对隔振性能的影响

4 隔振器驻波效应对振级落差的影响

隔振器是一分布质量系统，在中低频段忽略隔振器的质量这对计算的隔振效果影响并不大。但在高频振动情况下，隔振器不再符合无质量假设，应考虑其分布质量特性。高频声振以弹性波的形式在其中传播而形成驻波效应，使得传递率曲线在高频处形成许多峰值，严重降低了系统的高频隔振性能，见图6，此即为隔振器的高频波动效应[7]。

图6 隔振器驻波效应

驻波效应反映在隔振器的机械阻抗上即在这一系列峰值处，由于机械阻抗迅速增加，相当于弹性原件在局部频段趋向“刚化”状态，其对应的阻抗曲线见图 7。从机械阻抗的对比看，在低频段理想弹性元件与实际弹性元件的计算值吻合，高频段差别较大[8]。

由上述分析以及隔振器机械阻抗理论可知，实际测量隔振器的阻抗特性对全面准确分析浮筏的隔振性能有着至关重要的作用。

隔振器机械阻抗分为加速度阻抗、速度阻抗和位移阻抗，常用的为加速度阻抗或速度阻抗。阻抗测试中影响因素较多，并且隔振器阻抗特性在加载条件下其特性会相应改变。本文利用加速度阻抗或速度阻抗推算出位移阻抗即隔振器的动刚度，虽然在推算过程中存在一定的误差，但对定性分析隔振器高频驻波效应对浮筏隔振效果的影响有一定意义，以BE160隔振器为例，图8即为其速度阻抗与动刚度曲线。

图7 驻波效应下隔振器阻抗曲线

图8 BE160隔振器的速度阻抗和动刚度曲线

从图 8中可知，隔振器动刚度在 0～200 Hz基本上为定值，200～1000 Hz基本上呈线性（在对数坐标下）增加。根据推算得到的动刚度数据，定性分析真实隔振器阻抗特性对浮筏隔振效果的影响，图9分析了高频段（200～1000 Hz）两种隔振器模型对隔振效果的影响。

图9 两种隔振器模型对隔振效果的影响

从图9中可知，隔振器的驻波效应在高频段对浮筏的隔着效果造成严重影响，频率越高影响越大，在800、1000 Hz处振级落差相差达30 dB左右，因此在浮筏隔振性能的计算评估时，充分考虑高频驻波效应对分析的准确性至关重要。

5 结论

本文结合有限元方法，计算分析了隔振器刚度、阻尼参数，以及高频驻波效应对浮筏隔振效果的影响。得到如下结论：

1）隔振器刚度的变化主要影响系统低频部分的隔振性能，对高频部分影响不大，增加隔振器刚度会降低浮筏的隔振性能。

2）虽然隔振器阻尼能够有效抑制共振峰值，但隔振器阻尼的增加不利于浮筏减振降噪尤其在高频段，因此隔振器阻尼取值存在一定的上限，不能取得太大。

3）隔振器的高频驻波效应在对浮筏的隔着效果造成严重影响，频率越高影响越大，因此在浮筏高频段隔振性能计算时应充分考虑隔振器的分布质量，将其建立为刚度-阻尼-质量模型，而不是刚度-阻尼模型。

[1]Sun H L, Chen H B, Zhang K, etc. Research on performance indices of vibration isolation system[J].Applied Acoustics, 2008(69): 789-795.

[2]张华良, 傅志方, 瞿祖清. 浮筏隔振系统各主要参数对系统隔振性能的影响[J]．振动与冲击, 2000,19(2): 5-8.

[3]王永远, 向阳, 周勇, 等. 基于 MSC.PATRAN 的浮筏隔振性能分析[J]. 船海工程, 2008, 37(3): 9-13.

[4]张满满. 船用辅机浮筏隔振系统的静态及动态特性研究[D]. 武汉: 华中科技大学, 2002．

[5]富喜, 王国治．多扰动源下的船舶水泵机组隔振浮筏特性有研究[J]．华东船舶工业学院学报, 2005,19(4): 19-23．

[6]桂洪斌, 沈顺根．浮筏系统隔振效果评估方法[J]. 船舶科学技术, 2006, 2（28）: 69-72．

[7]Du Y, Burdisso R A, Nikolaidis E. Effects of isolators internal resonances on force transmissibility and radiated noise[J]. Journal of Sound and Vibration[J], 2003(268): 751-778.

[8]孙建, 朱石坚, 吕志强. 隔振器机械阻抗特性研究[J]．船海工程, 2003(4): 25-29.