阻尼材料在水面艦船的應用

劉 海

（中國艦船研究設計中心，上海 201108）

阻尼材料在水面艦船的應用

劉 海

（中國艦船研究設計中心，上海 201108）

振動和噪聲影響艦船安全性、舒適性以及戰(zhàn)術(shù)性能的實現(xiàn)，敷設阻尼材料作為減振降噪的有效措施，已廣泛應用于各類船舶尤其是水面艦船，對于水面艦船還可提高其生命力。介紹了阻尼材料減振降噪的機理、影響材料阻尼性能的因素和阻尼材料分類以及阻尼效果評定方法等。從設計的角度提出應用于水面艦船的阻尼材料的一般要求；結(jié)合相關(guān)標準介紹國內(nèi)應用較廣泛、且具代表性的阻尼材料的基本情況、特征性能參數(shù)；又從施工角度對阻尼材料在水面艦船上的應用提出要求。阻尼材料科學是近年發(fā)展起來的一種減震降噪技術(shù)，隨著高新科技的發(fā)展，對阻尼材料的要求也越來越高，且正朝著寬溫、寬頻、功能復合化的方向發(fā)展。隨著阻尼材料的發(fā)展及其在艦船上的廣泛應用，可提高艦船的安全性、舒適性以及保障實現(xiàn)其戰(zhàn)術(shù)性能。

阻尼材料；阻尼機理；艦船；減震降噪

0 引 言

對于現(xiàn)代艦船而言，設備和船體的振動不僅影響其結(jié)構(gòu)強度，而且影響設備的正常工作；同時，由于振動引起的噪聲以及設備自身產(chǎn)生的噪聲不僅影響艦員的工作和身心健康，而且會降低艦船水聲設備作用距離，更嚴重的是艦船噪聲會降低艦船聲隱身能力，使其成為敵方聲制導兵器跟蹤的信號源。因此，減振降噪對于提高現(xiàn)代艦船安全性、戰(zhàn)術(shù)性能及舒適性至關(guān)重要。

近年來，隨著阻尼材料技術(shù)的發(fā)展，阻尼材料在艦船上的應用更趨廣泛，不僅可敷設振動源和噪聲源表面或用于制作振動源和噪聲源的零部件，甚至還可用作結(jié)構(gòu)件，這些應用為艦船提高減振降噪的能力作出巨大貢獻。

1 阻尼材料

1.1阻尼機理

從減振降噪的角度考慮，阻尼是指損耗振動能量的能力，也就是將機械振動及聲振的能量，轉(zhuǎn)變成熱能或其他可耗損的能量，從而實現(xiàn)減振降噪。阻尼的實現(xiàn)可以通過系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)和材料本身等途徑予以實現(xiàn)，阻尼材料是本身具備高阻尼特性并可以在工程實際中實現(xiàn)減振降噪功能的材料。

1.2阻尼材料影響因素

阻尼材料復彈性模量實部G′隨環(huán)境條件的變化而表化，材料損耗因子β也隨之變化。對于材料復彈性模量實部和損耗因子主要的影響因素是溫度和頻率［1］。

1.2.1溫度的影響

復彈性模量實部G′與材料損耗因子β值隨溫度變化而變化，典型曲線見圖 1。在特定頻率下G′隨溫度升高而降低，而β起初隨著溫度升高而增大，但到一定溫度后則隨著溫度升高而減小。β的最大值稱為阻尼峰值，對應的溫度應在材料允許的工作溫度范圍內(nèi)。

1.2.2頻率的影響

與溫度相似，復彈性模量實部G′與材料損耗因子β值隨頻率變化而變化，典型曲線見圖2。在特定溫度下G′隨頻率提高而增大，而β在一定頻率下有最大值，低于或高于這一頻率，β均下降。

圖1　G′與β隨溫度變化曲線

圖2　G′與β隨頻率變化曲線

1.3阻尼材料分類

阻尼材料可分為黏彈性阻尼材料、金屬類阻尼材料、阻尼復合材料和智能型阻尼材料。

1.3.1黏彈性阻尼材料

顧名思義該材料同時具有黏性和彈性固體特性。當材料受到外力時，分子鏈在被拉伸的同時，分子之間鏈段還會產(chǎn)生滑移。當外力消失后，被拉伸的分子鏈恢復原位，釋放外力所做的功，表現(xiàn)為彈性；而鏈段滑移不能完全恢復原位，外力所做的功轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎纳⒂谥車h(huán)境中，表現(xiàn)為黏性。

1.3.2金屬類阻尼材料

其阻尼機理可以歸因于熱彈性阻尼、磁性阻尼、黏性阻尼和缺陷阻尼。熱彈性阻尼是材料受力不均勻在內(nèi)部造成溫度差，從而產(chǎn)生熱流引起能量耗散產(chǎn)生阻尼。磁性阻尼是鐵磁金屬受外力作用，引起磁疇壁的微小移動而產(chǎn)生磁化，損耗能量從而產(chǎn)生阻尼。黏性阻尼是當溫度很高時，材料具有黏彈性而引起的阻尼，此時應力與應變間關(guān)系為非線性，變形也不能完全恢復。缺陷阻尼是由于材料本身對缺陷區(qū)域原子運動的阻礙引起的阻尼，是材料的固有阻尼。對于金屬材料，缺陷阻尼是總體阻尼的主要組成部分。

1.3.3阻尼復合材料

包括聚合物基阻尼復合材料和金屬基阻尼復合材料。聚合物基阻尼復合材料是用纖維增強具有一定力學強度和較高損耗因子的聚合物而形成的復合材料。金屬基阻尼復合材料可通過在金屬基體中添加金屬基復合材料、兩種不同的金屬板疊合或由金屬板和樹脂黏合等多種方法制成。無論聚合物基阻尼復合材料還是金屬基阻尼復合材料，其阻尼均來源于基體和復合相的固有阻尼、復合材料的界面滑動和界面處的錯位運動。

1.3.4智能型阻尼材料

包括壓電阻尼材料和電流變流體，其最大特點是損耗因子可控。壓電阻尼材料是在高分子材料中填入壓電粒子和導電粒子。當材料受到振動時，壓電粒子能將振動能量轉(zhuǎn)換成電荷，導電粒子再將其轉(zhuǎn)換成熱而散發(fā)出去。壓電阻尼材料產(chǎn)生的電荷量與材料所受力的大小成比例，也就是說損耗因子根據(jù)外力變化而變化。電流變流體是在油質(zhì)基液中加入微小的多孔性固體顆粒組成的易受電場影響的特殊流體，可根據(jù)所施加電場的變化在很短時間內(nèi)改變其表觀黏度，且損耗因子隨之變化。

1.4阻尼材料效果評定

1.4.1插入損失評定

阻尼材料的應用效果一般都采取類似隔振裝置插入損失評定的方法進行評估［2］，即比較評估點在阻尼材料敷設前后的振動級或聲級，阻尼處理的減振效果可近似為：

式中：η0，ηD——阻尼處理前、后結(jié)構(gòu)的復合損耗因數(shù)；M0，MD——阻尼處理前、后結(jié)構(gòu)的質(zhì)量； K0，KD——阻尼處理前、后結(jié)構(gòu)的剛度；A、B、C——取決于結(jié)構(gòu)的形式及其固定條件的系數(shù)。

式（1）中系數(shù)A、B、C可通過對阻尼材料敷設部位敷設阻尼材料前后的噪聲測量值由曲線擬合得到。阻尼材料損耗因子的變化可由簡單構(gòu)件的測量值取得，質(zhì)量的變化也很容易取得，但剛度的變化則與激勵頻率有關(guān)，需由計算或測量得到。

1.4.2噪聲衰減

工程中還常采用水下噪聲級和空氣噪聲級的衰減量作為阻尼技術(shù)應用效果的評估參數(shù)。在一般室內(nèi)聲場中，離聲源一定距離處的聲壓級Lp可以采用式（2）估算：

式中： Lw——聲源的聲功率級；r——計算處到聲源的距離；R——房間常數(shù)，S——室內(nèi)總表面積；α——室內(nèi)平均吸聲系數(shù)；吸聲系數(shù)指被材料吸收掉的聲能與入射聲能之比，即Q——聲源指向性因數(shù)。

室內(nèi)吸聲處理的平均減噪量ΔLp可按式（4）計算：

式中： T1、 T2——處理前后室內(nèi)的混響時間。

式（4）在實際使用中，部分參數(shù)求取困難，如處理前后室內(nèi)平均吸聲系數(shù)等采用理論計算相當復雜，若采用試驗的方法則費時費力。在工程實際中可采用式（5）估算［3］：

式中：rs——阻尼處理面積與實際面積之比；R——阻尼材料與底材的厚度比；β——材料的復合損耗因子。

由式（5）可知，對艙室所有表面均敷設阻尼材料后，按照材料復合損耗因子為0.25進行計算，則艙室空氣噪聲可降低約12dB。

2 艦用阻尼材料現(xiàn)狀

2.1阻尼材料的要求

阻尼材料種類繁多，從工程實踐而言，良好的阻尼材料應具備以下條件：

1） 材料的損耗因子峰值βmax要高，峰值溫度 Tc要和工作溫度相一致?，F(xiàn)有的各種高分子聚合物雖然具有黏彈性材料的性能，但是大部分橡膠類材料峰值溫度低于室溫，而塑料類材料峰值溫度又遠高于室溫；

2） 材料損耗因子大于0.7的溫度范圍，ΔT0.7要盡可能寬。而一般黏彈材料ΔT0.7過于狹窄；

3） 有適當?shù)哪Ａ?，普通黏彈性材料模量偏高?/p>

4） 材料不容易老化，無毒，阻燃，容易粘貼，有良好的工藝性能；

5） 在海洋環(huán)境中保持性能穩(wěn)定，耐水、耐油、耐鹽霧。

2.2應用情況

我國自20世紀70年代前后開始阻尼材料的研究工作，到目前取得較大進展，有10多個單位的20多種產(chǎn)品先后在各類艦船上使用。目前國內(nèi)阻尼材料以黏彈性材料為主，按材料形態(tài)可分為片材型和涂料型；按材料耗能方式可分為自由阻尼材料和約束阻尼材料。國內(nèi)也已頒布了黏彈性阻尼材料通用規(guī)范（GJB 3045-1997）［4］對于非金屬黏彈性阻尼材料的分類、技術(shù)要求等內(nèi)容進行了規(guī)定，對于阻尼材料的阻尼性能的具體要求為：自由阻尼材料損耗因子≥0.3；約束阻尼材料損耗因子≥0.7，在使用環(huán)境中保持性能穩(wěn)定。

國內(nèi)主要阻尼材料阻尼性能參數(shù)見表1。

表1　國內(nèi)主要阻尼材料阻尼性能參數(shù)

從表1可知，國內(nèi)阻尼材料阻尼性能已經(jīng)可以基本滿足黏彈性阻尼材料通用規(guī)范的要求，阻尼材料的阻尼溫域也可滿足艦船使用環(huán)境的要求。但是對于阻尼材料最重要的參數(shù)損耗因子，規(guī)范中規(guī)定了材料自身的損耗因子，但是在工程實踐中衡量材料阻尼性能的應為根據(jù)敷設部位板材實際厚度確定阻尼材料厚度后，整個結(jié)構(gòu)的損耗因子也既是復合損耗因子。因此規(guī)范中應增加關(guān)于復合損耗因子的要求。

2.3施工工藝

阻尼材料施工工藝根據(jù)阻尼材料形態(tài)不同大致可分為兩類，片材型和涂料型。

2.3.1片材型

片材型阻尼材料一般適用于甲板、艙壁等比較平整的部位，使用時通常采用膠黏劑黏接到敷設部位（或膠接加機械固定），也有個別產(chǎn)品具有自黏性（壓敏型或熱敏型）。

片材型阻尼材料進行施工時，首先要做好施工條件、施工材料和設備及工裝等準備工作，其施工工藝主要分為4個部分［5］：①粘貼表面處理（包括敷設部位和阻尼材料）；②裁剪和定位；③涂膠、粘貼、接縫處理；④檢驗及后處理。

2.3.2涂料型

涂料型阻尼材料一般適用于舷側(cè)、底艙等曲率變化比較大的部位，一般采用刮刀、油灰刀等工具進行涂敷，可分為單組分、雙組分和多組分等。

涂料型阻尼材料進行施工時，前期準備工作與片材型大致相同，其施工工藝過程主要分為3個部分：①敷設部位表面處理；②阻尼材料配置；③涂敷。

3 結(jié) 語

阻尼材料是近年發(fā)展起來的一種減震降噪技術(shù)。隨著高新科技的發(fā)展，對阻尼材料的要求也越來越高。阻尼材料正朝著寬溫、寬頻、功能復合化的方向發(fā)展。

［1］ 戴德沛. 阻尼減振降噪技術(shù)［M］. 西安：西安交通大學出版社，1986.

［2］ 朱英富，張國良. 艦船隱身技術(shù)［M］. 哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2003.

［3］ 鄧 凌，等. 3500t客貨船的艙室噪聲分析及計算［J］. 船舶設計通訊，2001 （11）： 34-38.

［4］ GJB 3045-1997. 黏彈性阻尼材料通用規(guī)范［S］.

［5］ 蔡國棟. 船用阻尼材料應用概況及施工工藝探討［J］. 材料開發(fā)與應用，2009 （12）： 76-79.

Application of Damping Material on Surface Vessels

LIU Hai
（China Ship Development and Design Center， Shanghai 201108）

Vibration and noise have influence on the safety， comfort and tactical performance realization of naval ships. Application of damping material as an effective vibration and noise reduction measure has been widely applied in all kinds of ships， especially surface warships， for which the damping material can also improve ships' vitality. This paper introduces the mechanism of damping material for vibration and noise reduction， the factors affecting damping properties of materials， their categorization and damping effect evaluation method. Meanwhile， the general requirements on the damping material applied to surface vessels are proposed from the perspective of design. And the basic information and characteristic performance parameters of typical and widely-used damping materials both at home and abroad are introduced in combination with relevant standards. Besides the application requirements of damping material on the surface ships are put forward from the angle of construction. Damping material science is a kind of vibration absorption and noise reduction technology developed in recent years. With the development of high and new technologies， the requirements of damping materials are increasingly higher， which are developing towards the direction of wider temperature and wide frequency range and multiple functions. With the development of damping materials and its wide application on ships， the safety， comfort will be further improved and the tactical performance can be further ensured.

damping material； damping mechanism； ship； vibration and noise reduction

U668.5

A

2095-4069 （2016） 01-0074-05

10.14056/j.cnki.naoe.2016.01.014

2015-04-08

劉海，男，高級工程師，1974年生。1997年畢業(yè)于天津大學海洋工程專業(yè)，現(xiàn)從事船舶設計工作。