天津德赛海洋船舶工程技术有限公司天津市300456
摘要：在民船领域，国际海事组织、欧盟、世界各主要船级社均对船舶水下噪声提出了严格的限值要求；在军船领域，随着电磁、红外等技术不断突破，船舶水下声学设计日益成为短板。在船舶水下噪声评估领域，国内外学者普遍认为设备激励船体结构振动产生的结构声辐射是船舶水下噪声的主要成分，并提出有限元法、边界元法、波动分析法、统计能量法等方法对船舶水下噪声进行预报评估。采用统计能量法进行船舶水下噪声预报评估，关键是获取船舶结构子系统的模态密度、内损耗因子和耦合损耗因子等基础性参数。其中，损耗因子是衡量系统阻尼特性并决定其振动能量耗散能力的重要参数，对于船舶水下噪声预报具有重要影响，可通过理论分析和实验测试等方法获取。
关键词：船舶典型结构；损耗因子实验；应用
引言
实验测试作为获取结构损耗因子最准确的方法，主要包括稳态能量流法、瞬态衰减法等。稳态能量流法需准确计算输入功率，这无疑给测量内损耗因子带来不便，同时其误差也较大；瞬态衰减法适用于快速估算结构和声容积的频带平均内损耗因子，且无需测量输入功率，其统计误差相对较小。为此，本文基于瞬态衰减法，开展船舶典型结构损耗因子测试实验，对其特性规律进行分析；在此基础上，开展损耗因子在船舶结构水下噪声预报应用研究，探索损耗因子在船舶水下噪声预报中的参与度，为船舶结构水下噪声预报评估提供参数输入依据。
1瞬态衰减法原理
假设结构受力锤敲击后的加速度响应信号为实函数x（t），其对应的Hilbert变换为：
其逆变换为：
式中*表示卷积。
于是得实函数的解析信号为：
u（t）的复数表达式为：
式中，即为响应信号x（t）的包络，瞬时相位为，故任意实函数可重新表示为。将响应信号的包络取对数，就可得到衰减曲线，该曲线斜率的绝对值即为结构阻尼η，将其除以频率得到阻尼比ζ=η/ω，阻尼比除2即为被测试结构的频段内的平均损耗因子ξ=ζ/2。
2船舶典型结构损耗因子实验
2.1实验模型及过程
实验主要测试内底板、舱壁板以及甲板三种典型结构的内损耗因子。实验构件采用弹性吊装方式进行固定，一般地，弹性吊装时实验构件完全暴露于空气中，只有钢丝绳与吊钩项链，与实际船体结构固定方式相比，所测得损耗因子将略有偏小，即此种方法实验结果是保守的。实验采用力锤敲击的方法进行，由布置于测点位置的传感器记录振动响应。实验模型尺寸及加筋形式见表1，内底板架模型实物见图1（a），实验数据采集流程见图1（b）。
表1船舶典型结构模型参数
图1损耗因子实验模型及数据采集流程
2.2数据处理和结果
2.2.1数据处理
以加速度计记录的加速度响应信号为基础，通过Hil-bert变化得到响应信号的包络线，计算由包络线取对数得到的衰减曲线斜率绝对值，该绝对值即是结构阻尼，再将得到的结构阻尼除以频率的2倍得到该中心频点代表频段内的平均损耗因子。首先，将各通道采集来的数据经Matlab软件处理转化后得到响应信号。
得到加速度时历曲线后，然后需要对每一个通道的加速度时历曲线做Hilbert变换，得到20～8000Hz频段上响应信号包络线斜率图，然后以1/3倍频程划分频率区间，给出各频率区间中心频点处的响应信号包络线斜率图，该斜率即为当前通道在1/3倍频程中心频点处的阻尼。
最后，再将阻尼除以频率的2倍得到该中心频点代表频段内的平均损耗因子，同理，可得到1/3倍频程其他中心频点处的平均损耗因子。
2.2.2数据处理结果
由以试验测试和数据处理方法，同理，可得到船舶典型结构舭部外板板架和船底外板板架两种典型结构的1/3倍频程损耗因子曲线。
由此可以得到的舰船典型结构构件包括横舱壁板架、舭部外板板架和船底外板板架的损耗因子基本是10－3量级上。其中，横舱壁板架损耗因子随频率变化曲线在40，315，3150Hz频点处出现峰值，但整体上损耗因子变化比较平缓，在40～315Hz，315～3150Hz，3150～8000Hz峰值点之间的频段内，损耗因子呈下降趋势。而舭部外板板架损耗因子随频率变化曲线在125，3150Hz频点处出现峰值，但整体上损耗因子变化比较平缓，125～3150Hz，3150～8000Hz峰值点之间的频段内，损耗因子呈下降趋势。船底外板板架损耗因子随频率变化曲线在20，250Hz频点处出现峰值，但整体上损耗因子变化波动较大，峰值点数值是峰谷点数值的5～6倍左右。但在20～250Hz，250～8000Hz频段内，损耗因子呈下降趋势。三种典型结构构件损耗因子变化规律因板架尺度不同各异，数值上的大小主要与加筋形式有关，刚度大的板架损耗因子相对较大，横纵加筋的结构损耗因子波动程度较单向加筋更为剧烈。
3损耗因子在船舶水下噪声预报中的应用
基于船舶典型结构损耗因子实验测试结果，以2.1∼2.2节船舶典型结构损耗因子实验实测值作为输入，以加筋圆柱壳受激振器激励以及某船受主要设备激励为例，对比分析不同损耗因子对船舶水下辐射噪声预报的影响。
3.1加筋圆柱壳水下辐射噪声预报
现在考虑加筋圆柱壳在激振器激励作用下的水下噪声预报问题，模型主尺度为ϕ1200mm×1800mm×710mm，内部建有平台、基座、筋等结构，激振器施加白噪声激励于基座面板。
本节中圆柱壳模型的损耗因子实验测试值得自于2.1∼2.2节船舶典型结构损耗因子实验结果，并未单独针对加筋圆柱壳进行损耗因子测试。这么做的考虑在于，利用SEA法进行船舶噪声预报时，理想的做法是针对不同的实船进行测试，得到其实测数据后针对该船进行预报，即输入与输出存在一对一关系。但在实际上大多数情况下并不具备此条件，往往需要利用以往数据及经验来确定输入端的损耗因子参数。因此本文利用典型结构损耗因子实验所得实测值作为加筋圆柱壳预报的输入，旨在探究利用典型、局部构件所测得损耗因子在预报中应用的准确性。
以该激振器激励作为输入载荷，以加筋圆柱壳水下某测点作为考核点，对比分析损耗因子为实验测试值和评估设定值（1%）时水下噪声预报值与加筋圆柱壳模型实验测试值之间的异同，加筋板在水中的声辐射阻尼远大于在空气中的声辐射阻尼，本文在两次仿真计算中将其以流体损耗因子的形式体现出来，其值均为0.5%。
由此可知加筋圆柱壳水下噪声实验测试值与统计能量预报值走势基本一致。统计能量预报损耗因子分别采用实验测试值与评估测定值（1%）时，两者预报曲线在125Hz以内的低频段吻合较好，而在之后的中高频段差异明显，这说明损耗因子对水下噪声的中高频段影响更为显著；采用实验测试值为损耗因子的统计能量预报值与加筋圆柱壳水下噪声实验测试值更为接近，说明实测损耗因子对于水下噪声预报的精确度具有很大帮助，因此开展水下噪声预报时，应先行对损耗因子进行实验测试，以提高预报精确度。
3.2实船结构水下辐射噪声预报
本算例为某水面船舶在主辅机、发电机组、螺旋桨等主要振动源激励作用下的水下噪声预报问题，该船主尺度参数如表2所示。
表2某船主尺度参数
基于某船设计图纸等资料，建立水下辐射噪声预报统计能量模型。在此基础上，以该船母型船实测设备激励载荷为输入，开展船舶水下辐射噪声预报评估，探究损耗因子对水下声辐射的影响。本次计算输入载荷曲线，为该船母型船码头系泊实测基座振动加速度级，参考值为1×10−6m/s2。以该船水下某定点为考核点，以该船母型船实测设备激励载荷为输入，损耗因子分别为评估设定值（1%）和实验测试值时（损耗因子实验测试值来自于2.1∼2.2节船舶典型结构损耗因子实验结果）进行修正。这也与加筋圆柱壳水下噪声预报的结论相符。
4结论
综上，本文基于瞬态衰减法，开展了船舶典型结构损耗因子实验，建立了内底板架、舱壁板架以及甲板板架等实验模型，分析了船舶典型结构损耗因子特性，并将其应用于加筋圆柱壳及实船水下噪声预报。主要结论如下：船舶典型结构损耗因子呈现“低频大、高频小”的特点，在低频段（20∼125Hz），损耗因子较大，量级为10-3，其随频率增加急剧降低；在125∼8000Hz频段，损耗因子较小，量级为10-4，其随频率变化逐渐趋于平缓。损耗因子对船舶结构水下辐射噪声（尤其是中高频段）影响较大，开展船舶结构水下辐射噪声预报评估，需开展相关损耗因子实验测试。
参考文献：
[1]张志军，吴闯，庞福振，李海超.船舶典型结构构件损耗因子试验研究[J].传感器与微系统，2015，34（06）：30-32+36.
[2]陈景昊，吴卫国，林永水.基于有限元能量流的混合结构间耦合损耗因子[J].中国舰船研究，2016，11（04）：79-86.
[3]李永正，沈杰，窦培林.船舶典型结构焊接残余应力的有限元分析[J].船舶，2012，23（04）：54-59.