利用附加质量法降低加筋平板声辐射

利用附加质量法降低加筋平板声辐射 利用附加质量法降低加筋平板声辐射 第38卷第6期 2009年12月 船海工程 SHIP&OCEANENGINEERING Vo}-38No.6 Dec.2009 利用附加质量法降低加筋平板声辐射 王伟 (海军驻葫芦岛431厂军事代表室,葫芦岛125004) 摘要:为降低加筋平板在等幅简谐均布压力激励下的声辐射,考虑在矩形激励区域内均匀和离散布置 不同附加质量,分析其结加筋平板固有频率及声辐射功率的影响.结果表明,附加质量对加筋平板首阶固有 频率以上的低频段具有降噪效果,而且均匀布置附加质量的降噪能力更为稳定. 关键词:加筋平板;附加质量;固有频率;声辐射功率 中图分类号:U661.4文献标志码:A文章编号:1671—7953(2009)06—0167—04 船舶许多局部结构(例如甲板,舱壁,舷侧,船 底等)的振动及声辐射特性分析都可以简化为加 筋平板来进行模拟.对加筋平板结构振动声辐射 特性的研究具有现实意义_1.].在实际结构中,由 于新的激励源的存在,可能会导致局部结构出现 很大的振动噪声,通常可采用主动控制和被动控 制两种方法达到降噪目的.但由于主动控制 相当复杂而且性能不稳定,较少应用于局部噪声 控制.被动控制在处理上简单迅速,见效快,费用 低,是较为可取的方法.例如可以敷设阻尼材料 对振动能量进行吸收l_4],但不可避免地会出现粘 弹性材料的老化,易损等问题,而针对平板],刚 架结构[9]采用附加质量和附加刚度对现有结构的 局部振动声辐射特性进行调整,可以避免此类问 题的发生,经济性更好.因此考虑在此基础上研 究附加质量对加筋平板结构的振动及其声辐射特 性的影响. l加筋平板振动及声辐射计算方法 对加筋平板进行离散,将具有无限个自由度 的加筋平板振动问题转化为有限个自由度体系的 振动问题.由于在轻质流体(例如空气)中,弹性 平板的辐射阻尼很小Do],可不考虑加筋平板结构 与空气之间的振声耦合,因此其简谐强迫振动方 程为(略去时间简谐因子): 收稿日期:2009—05—12 修回日期:2009—06—08 作者简介:王伟(1963一),男,学士,助理工程师. 研究方向:舰船设计与制造. E-mail:wangwei一0312@163.com [一?M+i叫C+K]H—F(1) 式中:ll——加筋板节点位移矢量; M——加筋板总质量矩阵; C_一加筋板总阻尼矩阵; K—一加筋板总刚度矩阵; F——加筋板受外界激励载荷矢量; —— 激励力角频率. 对式(1)进行直接求解,得到加筋平板稳态响 应为: u:GF~(2) 式中:G一一传递函数矩阵, G一[一?.M+jo.C+鲥_.. 由于阻尼对加筋板结构固有频率影响很小, 在自由振动计算时,可以忽略不计,因此加筋板的 自由振动方程为: [一CO2M+K]u:O(3) 令det[--60.M+K]一0,结合加筋平板的边 界约束条件,求解该多项式可得一组固有频率,对 于每一个固有频率(i一1,2,3,…),可由式(3) 得到一个包含一个待定常数的振动形状,通过正 则化处理后,即为加筋平板的固有振型. 由式(2)可得节点法向速度向量为: Yn=N[jwGFe】(tf(4) 式中:N——法向矢量转换矩阵. 对于镶嵌在无限大刚性障板上的矩形加筋平 板,忽略加强筋对声辐射的贡献,矩形平板上任意 一 点的声压可由瑞利积分得到: 舢)一===d5 7rJ}瓜一J'l (5) 式中:R和R——平板上的任意两点; 167 第6期船海工程第38卷 l一Rj——两点的距离; (R)——R点的法向振速; S——矩形平板面积; 声介质密度; —— 声介质中声波波数,志一?/c. 其中:c——声介质中声速. 在强迫振动频响分析中,设平板已被划分成 个面积相等的微小单元,由于每个单元的面积 很小,可假设单元上的法向速度和声压均为定 值[n].设第z(z一1,2,3,…,)个单元S上任意 一 点R的等效法向速度均为7J,从而第q(g一1, 2,3,…,)个单元上的声压由式(5)可表示为: Pq一 薹'fasc6 式中:R,一第q个单元上的任意一点. 由式(6)可得平板上任一单元的声压P.,则 加筋平板的辐射声功率为: w一专JsPds一Re[](7) 式中:p——单元声压向量,p一[户,Pz,…,P]; —— 单元法向速度向量,一嗽,,…,]. —— 的共轭复数. 2附加质量的设计分析 矩形加筋平板长3m,宽2m,厚0.005m,纵 向均匀分布3根厂8球扁钢,横向均匀分布2根球 扁钢,材料全部为钢材,弹性模量210GPa,密度 7800kg/m3,泊松比0.3,忽略阻尼,加筋平板四 周简支,位于空气中,空气密度为1.225kg/m3, 声速为340m/s. 在平板中心的矩形区域内存在单位幅值简谐 均布压力激励源,激励频段为10,360Hz,该矩 形区域与平板具有共同的形心,长为1.2m,宽 0.6m.现在激励作用区域布置附加质量对加筋 平板进行降噪,分别采用下列两种方式布置附加 质量:a布置方式,即在整个区域内布置均匀附加 质量,见图1;b布置方式,即将总的附加质量分割 168 图1布置均匀附加质量(a布置方式) 为等质量的55个小质量块布置在该区域内,质量 块之间间距为0.1m,外围质量块距离该矩形区 域的边界亦为0.1m,见图2.两种布置方式中总 的附加质量相等. 图2布置离散附加质量(b布置方式) 为了比较附加质量大小及其布置方式对加筋 平板振动声辐射的影响,设计7种工况,见表1. 表1计算工况 各种计算工况下,加筋平板在360Hz以内的 固有频率及相应模态阶数7"/见图3所示.加筋平 板的声功率级为L===10logW/W.,基准值W.一 1×1O.W,计算结果见图4,5. 由图3可以看出,在附加质量较小时,两种布 置方式基本不改变加筋平板的低频段固有频率, 随着附加质量的增大,对加筋平板固有频率的降 低作用越来越明显,使较高阶模态的固有频率降 低更多,并且两种布置方式的差异也越明显,随着 模态阶数的增大,均匀布置附加质量能够更好的 降低加筋平板的固有频率. 口)横态阶数n一5,35 ???加?舳??加 N工 利用附加质量法降低加筋平板声辐射——王伟 6)横态阶数n一4O,130 图3加筋平板在360Hz以内的固有频率 由图4,图5可以看出,南于附加质量的存在 使得加筋平板的固有频率向低频移动,声辐射功 率的峰值也向低频移动.在质量较4,N,t,两种布 置方式均使得加筋平板的声辐射功率增大,与离 散布置相比,均匀布置附加质量使得加筋平板在 更多频率处出现更大的声辐射功率增加. l0 00 90 80 70 6O 50 40 1 号;980 1 04080I2()l6020024028032036O f/Hz 图4布置均匀附加质量与无附加质量时 加筋平板的声辐射功率级比较 80120160200240280320360 Hz 布置离散附加质量与无附加质量时 加筋平板的声辐射功率级比较 在无附加质量加筋平板首阶固有频率以下的 频段内,由于加筋平板固有频率的降低,两种方式 布置质量都会使得加筋平板的辐射声功率有所增 大.但在整个低频范围内,当附加质量较大时,两 种布置方式均可以降低加筋平板的辐射声功率, 虽然均匀附加质量布置方式在个别频率处降低声 辐射功率效果没有离散布置好,但它的降噪能力 具有较好的稳定性,也即它对更宽的激励频段具 有较好的降噪作用. 3附加质量的实现途径 船舶设计时,一般采用加刚性质量块的方法 为结构添加附加质量.均匀布置附加质量时降噪 性能更加稳定,但如果所添加的附加质量较小,减 振降噪效果不佳,必须要增加较大的附加质量才 能达到降噪目的.如果此时仍然采用加刚性质量 块的方法获得均匀附加质量,质量块将具有较大 的几何尺度,必然改变结构的刚性,影响降噪效 果,另外这样的附加质量还会降低舰船的有效载 荷.因此需要寻找一种既能有效增加局部结构附 加质量,又不改变结构刚度,同时还不损害舰船有 效载荷的附加质量实现途径.为满足这些条件, 可以采用在需要实施降噪的加筋板结构上加设多 用途减振液舱的方法获得均匀附加质量,达到降 噪目的. 对于厚度不超过0.02m的板,如果取参与 振动的液体层厚度近似等于板内弯曲波波长的 1/6,则板弯曲振动时的单位面积的液体附连振动 质量为]: ?(8) 7c 式中:——液体密度; —— 平板中弯曲波波长. 对于实际矩形加筋平板结构,由于板中弯曲 波的波长随着频率的升高而降低,只要液舱中液 体层高度大于矩形加筋平板的首阶弯曲振动波长 的1/6,则对其他弯曲振动将均具有效果,他给加 筋平板提供的均匀附加质量则可由式(8)估算. 在减振液舱中的液体既可降低局部结构噪 声,又可作为舰船储备资源,是一种有效载荷. 4结论 1)随着附加质量的增大,它对加筋平板固有 频率的降低作用越来越明显,并且两种布置方式 的对加筋平板固有频率影响的差异也越明显,随 着模态阶数的增大,均匀布置能够更好的降低加 筋平板的固有频率. 2)虽然通常认为被动降噪只对中高频有效, 但采用附加质量这种被动降噪方式仍能够降低加 筋平板在其首阶固有频率以上的较低频率范围的 声辐射功率. 3)对于加筋平板,采用均匀布置附加质量的 降噪方法降噪很有效;为使降噪能力更稳定,可采 用加设减振液舱的方法实现. 169 5 图 0 第6期船海工程第38卷 参考文献 [1]黎胜,赵德有.流体加载下加肋板结构的声辐射特 性研究[J].应用声学,2000,19(6):28—32. 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NoiseReductionofStiffenedPlateUsing AdditionalMassTechnique ,)I,AlNGWei (NavalDept.ofRepresentativeof431Factory,HuludaoLiaoning125000.China) Abstract:Acousticradiationfromsiiffenedplateexcitedbyharmonicpressurewasreducedbyapassivenoisecontrol method,usingadditionallnasstechnique.Theforcedvibrationequationwassolveddirectlyafterdiscretizationofstiffened platetogetthesurfacesoundpressure.Theinfluenceonthenaturalfrequencyandsoundradiationpowerofstiffened platewasconsideredinthecaseofuniformityanddiscretearrangementofdifferentmassintherectangleexcitationarea. Theresultsshowedthatthenoiseofstiffenedplateisreducedusingadditionalmasstechniqueinlow-frequencybandabove thefirstnaturalfrequency,andtheuniformityarrangementismorereliabletOthenoisereduction. Keywords:stiffenedplate;additionalplate;naturalfrequency;soundradiationpower (上接第166页) TheLoadingSoftwareSystemforSemi—submergedBarge LEIKim.LINYah (ShipCADEngineeringCenter,StateKeyLaboratoryofStructuralAnalysisforIndustrialEquipment, DalianUniversityofTechnology,DalianLiaoning116024,China) Abstract:Thestructuresandfunctionsoftheloadingsoftwaresystem(BLANCENT)wasdescribedwhichwasde— velopedfortheYuantong8semi— submergebargebytherequestofCOSCO(Nantong)bytheshipCADengineeringcenter ofDalianuniversityoftechnology.Somedesignideasandkeytechnologiesoftheloadingsoftwaresystemwerediscussed about.ThesystemhasbeenproventObefeasibleandeffectiveinpracticalusetooperatethesemi-submergebarge. Keyw0rds:semi-submergebarge;pre-ealeulationofballastplan;real-timecalculationofballastplan;floatingcondi tion;stability l7O