控制和降低机械噪声是提高船舶声隐身性能的首要环节[1-4]．减振装置是降低船舶机械噪声最重要的技术之一[5-6]．针对上述噪声源振动问题，隔离控制措施包括单层减振、双层减振(浮筏和整舱减振装置)．新型船舶的发电机组及其他辅机设备已广泛应用于浮筏装置．传统浮筏采用整体框架式板、梁结构作为设备安装平台，随着浮筏尺度越来越大，其上安装的设备越来越多，存在诸多影响减振效能发挥的潜在因素．为保证筏架具有足够的刚度和机械阻抗，一般会增加筏架的质量至被减振设备总质量的30%以上．浮筏减振装置也存在相应弊端：浮筏减振装置质量过大，导致设计难度增大且妨碍总体指标的实现，因而总体对于减振装置的空间、质量约束也提出了更严苛要求，亟需开展轻量化减振技术研究；使用双层减振器导致浮筏减振装置易受外界扰动力的影响，难以保持稳定平衡状态，当筏架偏离平衡位置时，会导致与装置相连的外接管路受力过大，出现减振效果降低、威胁设备及管路安全等问题．为解决浮筏减振装置质量过大与姿态易偏离平衡位置的问题，本研究首先对双层减振系统进行深入的理论分析，采用阻抗法推导了整体框架式与分散质量块的不同中间质量结构的双层减振系统的减振效果计算公式，对不同中间质量结构的双层减振系统开展了相应的定性定量对比研究．当前针对双层减振系统主要是采用多刚体动力学法[7]、四端参数法[8]和阻抗综合法[9]等进行动力学特性分析，但对不同结构形式中间质量双层隔振系统的性能对比研究较少．本研究以气囊减振技术[10-11]为基础，设计了一种双层减振模块，利用多个模块构成新型模块化减振系统，其具有结构紧凑、中间质量可调节范围大、减振装置姿态精确可控等优点．1 双层减振系统力学特性分析1.1　振动传递计算模型双层减振系统通过增加中间质量和下层减振器提高减振效果．中间质量对减振效果有很大的影响，其设计是双层减振装置设计中的关键点和难点[12]．中间质量一般采用整体框架式结构和分散质量块式结构两种结构形式．为对比分析两者减振效能，建立不同中间质量形式的力学分析模型，采用阻抗法推导系统减振效果的计算公式．整体框架式结构是由板、梁等构成的平台，结构刚度相对较弱，存在大量的中、高频振动模态，为模拟其质量和弹性的分布特性[13]，用简支梁结构模拟中间质量如图1(a)所示；分散式质量块结构是尺寸相对较小的金属块，刚度大，可将其简化为刚性块，如图1(b)所示．图1中：F0为作用力；F1为上层减振器传递至中间质量的力；F2为中间质量传递至下层减振器的力；FR为下层减振器传递至基础的力；V0为上层减振器的速度；Vm为中间质量的速度；VR为基础的速度．减振器为均匀杆，基础为均匀简支梁，减振器位于简支梁中点．10.13245/j.hust.220423.F001图1双层减振系统简化模型减振器(均匀杆)的阻抗矩阵ZI元素[14] 分别为Z11=Z22=ErArkl(coskl)hr/[jω(sinkl)hr]；(1)Z12=Z21=-ErArkl/[jωsinklhr]，(2)式中：Er为杆的材料弹性模量；ρr为杆的材料密度；Ar，hr，kl=ω(Er/ρr)-1/2分别为代表杆的截面积、高度和杆中准纵波的波数．由导纳矩阵与阻抗矩阵的关系MI=ZI-1可求出导纳矩阵元素．图1所示的双层减振系统中，对于上层减振器，有V0Vm=M11(1)M12(1)M21(1)M22(1)F0F1，(3)式中Min1为上层减振器的导纳矩阵元素，其中：i=1,2；n=1,2．对于中间质量，有Mm(F1-F2)=Vm，(4)式中Mm为中间质量的导纳．对于刚性块，Mm=1/(jωmm)， 其中mm为刚性中间块质量．对于简支梁(激励点位于中点)，有Mm=jω[tan(kblb/2)-tanh(kblb/2)]/(4EbIbkb3)，式中：Eb，Ib，lb分别为中间质量梁材料的弹性模量、梁截面的惯性矩和长度；kb=[ω2ρ/(EbIb)]1/4为弯曲波的波数，ρ为线密度，ω为角频率．对于下层减振器，有VmVR=M11(2)M12(2)M21(2)M22(2)F2FR．(5)对于基础，有VR=MRFR，(6)式中MR=jω[tan(kb'lb'/2)-tanh(kb'lb'/2)]/(4Eb' ∙ Ib'k'b3)为基础的导纳，其中Eb'，Ib'，lb'分别为基础简支梁材料的弹性模量、梁截面的惯性矩和长度，kb'=[ω2mb'/(Eb'Ib')]1/4为基础简支梁的弯曲波的波数，ρ'为基础简支梁的线密度．联合式(1)~(6)可得基础速度响应的表达式为      VR=M21(1)MmM21(2)MR[M22(1)MmMR-M22(1)MmM22(2)+M22(1)M11(2)MR-M22(1)M11(2)M22(2)-MmM11(2)MR+MmM11(2)M22(2)]-1F0. (7)用速度振级落差评估系统的减振效果，由定义可得计算公式为LD'=20lg(|VR/V0|)．(8)1.2　传递特性对比分析选定一组双层减振系统的基本参数，其中上、下减振器简化为均匀杆，材料为黏弹性材料、弹性模量为5 MPa、材料损耗因子为0.1、截面半径为0.03 m、长度为0.15 m、材料密度为1 100 kg/m3．基础简化为简支梁，材料为钢、弹性模量为2×1011 Pa、材料损耗因子为0.001、截面尺寸(长×宽)为0.01 m×0.01 m、长度为1.0 m、材料密度为7 800 kg/m3．中间质量简化为简支梁，材料为钢、弹性模量为2×1011 Pa、材料损耗因子为0.001、截面尺寸(长×宽)为(0.01×0.01)m、长度为1.5 m、材料密度为7 800 kg/m3、质量大小为1.17 kg．为研究中间质量的形式对减振效果的影响，保持其他参数不变，分别取1.0，1.5和2.0 m不同长度的简支梁，并将该简支梁替换为等质量的刚性块，分别计算系统的减振效果，结果如图2所示，图中：β为减振效果；f为频率．10.13245/j.hust.220423.F002图2同等质量、不同中间质量形式的系统减振效果对比进一步减轻刚性块的质量，令其大小等于1/10，1/100的简支梁(1.5 m长)质量．计算系统的减振效果如图3所示．由图可见：在同等质量条件下，中间质量为刚性块的减振系统减振效果明显优于中间质量为简支梁的减振系统．当刚性块质量达到简支梁质量的1/10时，刚性块减振系统在10~8 000 Hz频段内的减振效果为35.5 dB，超过简支梁减振系统在关注频段内的效果34.2 dB；因此若须提高减振效果且当条件允许时，应尽可能在两层减振器之间插入质量较小、刚性较大的金属块．10.13245/j.hust.220423.F0031—中间质量为1/10简支梁质量的刚性块；2—中间质量为1/100简支梁质量的刚性块；3—中间质量为简支梁(1.5 m)．图3　不同质量、不同中间质量形式的减振效果对比1.3　设计参数影响分析1.3.1　中间刚性质量大小的影响保持其他参数不变，分别改变中间质量的大小，取50，100，150，200 kg，进一步探究不同中间质量及同等质量增量对系统减振效果的影响，结果如图4所示．结果表明：增加中间质量能明显提高系统的减振效果，但随着质量的增加，同等质量增量的条件对减振效果的提高量变小，即中间质量对提高减振效果具有边际效益．10.13245/j.hust.220423.F004图4不同刚性块质量大小对系统减振效果的影响1.3.2　上、下减振器刚度配置的影响保持其他参数不变，分别改变上、下层隔振器材料的弹性模量，分别取5，10，20，40 MPa，计算减振效果如图5所示．采取两种不同的上、下层减振器刚度配置方案：“上软下硬”配置，即上层减振器弹性模量为5 MPa，下层减振器弹性模量为40 MPa；“上硬下软”配置，即上层减振器弹性模量为40 MPa，下层减振器弹性模量为5 MPa．比较系统的减振效果，如图6所示．10.13245/j.hust.220423.F005图5不同上、下层减振器弹性模量的系统减振效果10.13245/j.hust.220423.F006图6不同上、下减振器弹性模量配置的减振效果结果表明：a. 单独降低上层或下层减振器的刚度均可提高系统中、高频减振效果，且减振效果提高的幅度与减振器刚度下降的幅度之间的关系基本相同，这是由于弹性模量越低，高频结构声波传递到减振器时产生的反射波能量越大，从而降低传递到基础的振动能量；b. 若须要提高双层减振系统的整体刚度，则采用“上硬下软”或“上软下硬”两种减振器刚度配置方案，减振效果区别不大，其中“上硬下软”方案略优．1.3.3　减振器材料阻尼的影响图7为上、下层减振器不同材料阻尼的隔振效果．保持其他参数不变的情况下，分别改变上、下减振器材料的阻尼损耗因子．根据一般黏弹性材料的损耗因子范围，分别取减振器阻尼损耗因子为 0.05，0.10，0.15和0.20，计算系统的减振效果，分别如图7所示．由图可见：减振器阻尼对高频振动衰减有非常重要的作用，阻尼越大则高频减振效果越好．10.13245/j.hust.220423.F007图7上、下层减振器不同材料阻尼的隔振效果2 模块化减振装置结构布置设计2.1　集成式、可调节双层减振模块结构设计基于双层减振理论分析结果，设计了一种集成式、可调节双层减振模块，如图8所示．集成式、可调节双层减振模块设计的主要特点如下．10.13245/j.hust.220423.F008图8　集成式、可调节双层减振模块示意图1—充放气控制单元；2—气囊减振器；3—附加中间质量；4—中间质量；5—动力吸振器；6—上层减振器；7—机械设备；8—安装基础．a. 当双层减振模块承受的载荷或中间质量发生变化时，控制器根据位移传感器、压力传感器反馈的信号，向电磁阀发出气囊气压调节指令，精确控制双层减振模块的高度，使其保持恒定．b. 气囊减振器具有固有频率基本不变的特点，例如当中间质量增大时，气囊内气压也随之升高，气囊减振器刚度也增大，相应的固有频率可保持基本不变，这对保持系统高效的减振效果具有重要意义．c. 中间质量设置了附加质量块安装接口，通过增加附加质量块的数量，实现中间质量的调节，并保证中间质量始终具有很强的刚度，从而可提高双层减振装置的减振效果．d. 附加质量块安装接口，也可用于安装主动或被动式动力吸振器，以减小机械设备的某些特征频率振动．与将动力吸振器直接安装在设备上的方式相比，该方式既节省安装空间，又增加了中间质量，有利于取得更好的减振效果．2.2　新型模块化减振装置结构布置设计新型模块化减振装置以集成式、可调节的双层减振模块为基础，减振模块上层采用聚氨酯橡胶减振器，通过多个双层减振模块按照一定原则分布以支承设备．该装置具有质量轻、结构紧凑、减振性能好、中间质量方便可调等优点．其中采用了轻型刚性块中间质量结构设计方案，可调质量约占设备质量15%~25%，较采用柔性中间质量的常规浮筏双层减振装置相比，具有更好的适装性．2.3　姿态监测与控制系统设计在减振装置受到舰船倾斜、摇摆和气囊漏气等外界扰动作用下，设备偏离平衡位置，影响船舶的安全运行，导致设备的动力学特性发生改变，振动噪声增大，导致减振系统减振效果变差．姿态监测与控制系统可通过调节气囊载荷来精确控制减振装置的姿态，具有实时姿态高精度控制功能，同时保证气囊对筏架的支撑力均匀分布，使系统恢复正常运行状态．图9为姿态监测与控制系统，由各双层减振模块中的充放气控制单元以及各单元集成的系统控制箱、压缩气源构成．10.13245/j.hust.220423.F009图9姿态监测与控制系统构成示意图位移传感器用于监测减振装置的姿态变化，控制箱根据位移传感器读数可综合解算出减振装置姿态的变化，并通过充放气控制单元独立地对每组气囊进行充放气控制，实现气囊载荷和减振装置姿态调整，控制流程如图10所示．10.13245/j.hust.220423.F010图10减振装置姿态控制流程图3 试验验证研制出模块化减振装置样机(如图11所示)并进行减振效果实测和姿态控制性能试验，表明各项技术性能完全满足船舶推进动力系统使用要求．本研究共布置20个加速度传感器(具体位置见图11)，以双层减振模块上端加速度传感器与双层减振模块下端加速度传感器的平均加速度振级落差为减振性能评价指标．10.13245/j.hust.220423.F011图11模块化减振装置样机3.1　减振性能试验在设备运转下进行了减振性能试验．测试方法及数据处理方法参照文献[15-16]．通过增减质量块进行测试，结果见表1．结果表明：模块化减振装置具有良好的宽频减振效果，在关注频段内，3种不同中间质量配重的振级落差均满足一般设备的减振指标要求；随着中间质量的增加，同等质量带来的减振效果效益变小，验证了数值分析结果．因此，采用轻型刚性块中间质量结构设计方案的模块化减振系统能以较小的质量取得较好的减振效果．从工程实践角度也不建议大幅增加模块化减振系统的中间质量，因为有限幅度增加中间质量通常不会大幅增加其刚性，所以不会大幅提高模块化减振系统的减振效果，反而减少了船舶的承载量．10.13245/j.hust.220423.T001表1不同中间质量配重下减振效果超指标值的大小 dB1/3OCT中心频率/ Hz中间质量占设备质量比25%20%15%509.67.83.91007.26.03.05005.54.01.01 0006.14.51.52 0009.07.74.04 0009.57.03.03.2　姿态控制精度试验图12给出了当减振装置受扰动偏离平衡位置后，姿态监测与控制系统迅速实施控制，各模块高度偏离平衡位置数值变化过程，图中：l为偏移量；t为时间．由图12可知：姿态监测与控制系统能在较短时间内通过对气囊的充、放气使减振装置恢复至平衡位置，其偏移量小于2.0 mm，满足姿态平衡控制精度和设备运行的安全性要求．10.13245/j.hust.220423.F012图12减振装置姿态控制试验曲线与传统双层减振装置相比，新型模块化减振装置能大幅降低减振装置的尺寸质量，减少对船舶总体空间资源、质量资源的需求，具有更好的适装性．