CC BY-NC
19
DOI: 10.24937/2542-2324-2019-2-S-I-104-109 УДК 699.844:629.5
Д.М. Коробицына, А.Д. Кузнецова
Санкт-Петербургский государственный морской технический университет, Санкт-Петербург, Россия
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ АКУСТИЧЕСКОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ВИБРОДЕМПФИРУЮЩИХ ПОКРЫТИИ НА ШУМ В СУДОВЫХ ПОМЕЩЕНИЯХ
Рассматриваются вопросы оценки долговечности вибродемпфирующих покрытий жесткого типа, широко используемых на судах. Такая оценка весьма важна для прогнозирования снижения эффективности шумового воздействия с течением времени в нормируемых помещениях. С интервалом в пять лет проведены измерения коэффициента механических потерь образцов пластин. На основании результатов анализа измерений проверялась статистическая гипотеза о равенстве математических ожиданий для подтверждения/опровержения статистического совпадения величин коэффициентов механических потерь. На примере разработанной модели судна с использованием энергостатистического метода получены оценки влияния вибродемпфирующих покрытий жесткого типа на шум в судовых помещениях.
Ключевые слова: коэффициент механических потерь, вибродемпфирующая мастика, пластины, акустическая долговечность.
Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
DOI: 10.24937/2542-2 324-2019-2-S-I-104-109 UDC 699.844:629.5
D. Korobitsina, A. Kuznetsova
St. Petersburg State Marine Technical University, St. Petersburg, Russia
ACOUSTIC LIFETIME OF ANTI-VIBRATION COATING AND ITS EFFECT UPON NOISE IN SHIP SPACES
This paper estimates lifetime of stiff anti-vibration coatings widely used aboard ships. This assessment is very important because it makes it possible to predict how the efficiency of indoor acoustic coating will deteriorate with time. Mechanical loss factors of coating tile samples were measured with the interval of five years. Measurement data were used to validate the statistical hypothesis about the equality of mathematical expectations so as to make it possible to confirm or refute statistical coincidence of mechanical loss factors. The model of ship developed as per statistical-energy method was used to estimate indoor noise damping efficiency of stiff coatings.
Keywords: mechanical loss factor, anti-vibration putty, tiles, acoustic lifetime. Authors declare lack of the possible conflicts of interests.
Введение
Introduction
Одним из наиболее простых и достаточно эффективных мероприятий по снижению шума и вибрации на судах является применение вибропоглоща-ющих покрытий (ВПП).
Среди известных типов покрытий наиболее распространены жесткие вибропоглощающие по-
крытия (ЖВПГТ), которые представляют собой слой специальной пластмассы, изменяющей свои характеристики с течением времени. В связи с этим могут измениться диссипативные характеристики судовых конструкций в целом, которые эксплуатируются в течение десятка лет.
Согласно ТУ2243-001-26128999-2001 [6]. испытания вибропоглощающих свойств мастики МАВИП производятся на образцах в виде пластин. Более из-
Для цитирования: Коробицына Д.М., Кузнецова А.Д. Оценка влияния акустической долговечности вибродемпфирующих покрытий на шум в судовых помещениях. Труды Крыловского государственного научного центра. 2019; Специальный выпуск 2: 104-109.
For citations'. Korobitsyna D.M., Kuznetsova A.D. Acoustic lifetime of anti-vibration coating and its effect upon noise in ship spaces. Transactions of the Krylov State Research Center. 2019; Special Edition 2: 104-109 {in Russian).
D.M. Korobitsyna, A.D. Kuznetsova. Acoustic lifetime of anti-vibration coating and its effect upon noise in ship spaces
вестнои методикой являются испытания на стержнях, но ЖВПП не эффективны при нанесении на стержневые конструкции, такие как трубопроводы или балки. Поэтому использование методики измерений эффективности ЖВПП на стержневых образцах нецелесообразно. Измерения на образцах в виде пластин позволяют приблизиться в частотной области к области эффективного применения мастики. Использование пластин в качестве испытуемых образцов позволяет проводить измерения в большем количестве точек и тем самым получать более статистически достоверные результаты в широком частотном диапазоне [2]. Коэффициент механических потерь (КМП) энергии изгибных колебаний измеряется на средних и высоких частотах в диапазоне 63-8000 Гц.
Экспериментальные исследования коэффициента механических потерь образцов, облицованных жестким вибропоглощающим покрытием
Experimental studies on mechanical loss factor of samples tiled with stiff anti-vibration coating
В 2013 г. были проведены серии измерений коэффициентов механических потерь на образцах пластин, предоставленных производителем. В 2018 г. серии измерений проводились повторно.
Объектом исследований являются стальные пластины, облицованные с одной стороны вибро-демпфирующей мастикой МАВИП. КМП измерял-
ся для десяти партии мастики, по три пластины в каждой партии. Размер испытуемых пластин -600x150x3 мм с толщиной покрытия, равной 5 мм в соответствии с [6]. На рис. 1 представлены измеряемые образцы.
В рамках исследования выбран ревербераци-онный метод измерения КМП способом ударного воздействия [6]. Схема измерения КМП ревербе-рационным способом представлена на рис. 2.
На рис. 3 представлен пример временной записи ударного воздействия на частоте 63 Гц. Согласно [1] время реверберации Грев следует снимать с начального участка кривой спада, т.к. конечные участки не могут аппроксимироваться с достаточной точностью вследствие затухания колебаний конструкции.
КМП определяется по известному выражению [4]
1,35 /0 А/
(1)
На рис. 4 представлены значения коэффициента механических потерь для 10 партий покрытий, измеренных в 2018 г. Разброс измеренных значений в зависимости от частотного диапазона составляет 0,1-0,4, который определяется погрешностью измерений и естественным разбросом параметров КМП от образца к образцу.
После проведения повторных измерений КМП, измеренные в 2018 г., сопоставлены с КМП, измеренными в 2013 г.; результаты сравнения представлены на рис. 5. Снижение значений КМП за 5 лет наблюдается во всем рассматриваемом частотном диапазоне. Учитывая существенный раз-
Рис. 1. Измеряемые образцы
Fia. 1. Test samples
Вибродатчик
Виброметр
Рис. 1. Схема измерения коэффициента механических потерь реверберационным способом
Fig. 2. Layout of mechanical loss factor measurement as per reverberation method
Рис. 3. Реверберограмма на частоте 63Гц
Fig. 3. Reverberation data for 63 Hz frequency
брос величин КМП от партии к партии, следует определить значимость этого снижения.
Для определения достоверности измерений выполнена оценка погрешности измерений. В табл. 1 представлены результаты вычисления случайной погрешности измерений 5г|, а также среднеквадратичного отклонения (СКО).
Величина 5г| связана со случайной погрешностью метода измерений и определена на основании Уг временного шага записи (0,0025 мс) и шага снятия уровня вибрации (1 дБ) с реверберограммы (рис. 3). Величина СКО определяется, кроме погрешности измерений, естественным разбросом параметров КМП от образца к образцу и от одной точки измерения к другой. Согласно табл. 1 погрешность измерений намного меньше естественного разброса параметров КМП.
15:03:04.680 15:03:04.920 15:03:05.160 15:03:05.400 15:03:05.640 15:03:05.880 15:03:06.120 Time
• 50/:__ 39/100 39/76
• В-40
• 50/76 0 00 • Среднее —
40 400
Рис. 2. Результаты измерений коэффициента механических потерь в 2018 г.
Fig. 4. Results of mechanical loss factor measurements in 2018
4000
Рис. 5. Средние значения КМП за 2013 и 2018 гг. Fig. 5. Average mechanical loss factors in 2013 and 2018
Таблица 1. Оценка погрешности измерений Table 1. Measurement error assessment
Статистическая обработка результатов измерения Statistical processing of test data
На рис. 6 представлены графики средних величин КМП для измерений 2013 и 2018 гг. с учетом их статистического разброса для всех испытуемых партий.
Величины доверительных интервалов получены для 99,5 % вероятности. Из рис. 6 видно, что на всех частотах, доверительные интервалы значений КМП 2013 и 2018 гг. перекрываются. Возникает вопрос, могут ли значения КМП, измеренные
Параметр Частота, Гц
63 125 250 500 1000 2000 4000 8000
5т| 0,0052 0,0058 0,0069 0,0066 0,0081 0,0093 0,0091 0,0091
СКО 0,0572 0,0588 0,0364 0.0139 0,0076 0,0164 0,0211 0,0241
Среднее 2013 -Среднее 2018
0,01
63 125 250
1000
2000
4000
D.M. Korobitsyna, A.D. Kuznetsova. Acoustic lifetime of anti-vibration coating and its effect upon noise in ship spaces
Рис. 4. Разброс значений КМП за 2013 и 2018 гг.
Fig. 6. Scatter of mechanical loss factors in 2013 and 2018
0,001
0,0001
Среднее 2013 Среднее 2018
Доверительный интервал шах 2013
Доверительный интервал шт 2013
Доверительный интервал шах 2018
Доверительный интервал шт 2018
в 2013 г., статистически совпадать со значениями КМП, измеренными в 2018 г., и можно ли измеренные расхождения объяснить ошибками проведения измерений, или же различия значимы.
Законом распределения измеренных значений КМП является нормальный закон распределения логарифма этой величины [1]. Была проверена нулевая гипотеза о равенстве математических ожиданий (Hq\ Мх = М2) при заданном уровне значимости а по выборке объема Ni случайной величины Х\ и выборке объема N2 случайной величины Х2 с помощью критериев.
Для проверки гипотезы примем наиболее подходящим двусторонний статистический критерий (при Ни: Mi Ф М2). Гипотеза Н0 о совпадении коэффициентов механических потерь 2013 и 2018 гг. принимается, если \t\ < z (1 - all), в противном случае нулевая гипотеза отвергается, делается вывод о значимости отличий [7]. В табл. 2 представлены результаты проверки. Из таблицы видно, что результаты не удовлетворяют заявленному условию \t\<z(l-a/2) Следовательно, выявленные различия значимы.
По результатам проверки нулевой гипотезы о равенстве математических ожиданий можно утверждать, что значения КМП, измеренные
Таблица 2. Результаты проверки гипотезы Table 2. Hypothesis verification results
в 2018 г., статистически не совпадают со значениями КМП, измеренными в 2013 г.
При повторных измерениях использована та же аппаратура, которой проводились измерения в 2013 г., и та же методика, основанная на относительных измерениях. При этом хранение образцов происходило в помещении без кардинальных изменений параметров микроклимата. Учитывая эти факторы, снижение величины КМП главным образом связано с изменением свойств исследуемого покрытия.
Оценка влияния демпфирующих свойств судовых конструкций на уровень шума в судовых помещениях
Damping properties of ship structures and their effect upon indoor noise
Для количественной оценки влияния «старения» ЖВПП на уровень шума в судовых помещениях разработана модель судна на основании проектно-технической документации [3]. Расчет выполнен на основе энергостатистического метода. На рис. 7
Параметр Частота, Гц
63 125 250 500 1000 2000 4000 8000
t 2,277 2,186 3,767 7,824 4,317 3,227 4,055 8,323
z{ l-a/2) 1,911 1,911 1,911 1,911 1,911 1,911 1,911 1,911
Рис. 7. Расчетная модель судна Fig. 7. Analytical model of ship
УЗД 70
60
50
40
30
20
10
0
1 1 1 1 1 -КЭ ХР
-KG ) 2 X Р 2
N
1аст ота, Гц
63
125 250 500 1000 2000 4000
Рис. 8. Сравнение уровней звукового давления в ходовой рубке (ХР), каюте экипажа (КЭ) при различных значениях коэффициента механических потерь, соответствующих данным за 2013 и 2018 гг.
Fig. 8. Acoustic pressure levels for wheelhouse and crew cabin at different mechanical loss factors corresponding to measurement data of 2013 and 2018
приведена расчетная модель судна в виде связанных акустических объемов, перекрытий и переборок. Для снижения шума в судовых помещениях палубы и переборки судна в районе МО и кают экипажа облицованы ВПП МАВИП. В разработанную модель поочередно вносились значения КМП для 2013 г. и значения КМП для 2018 г. соответственно. Результаты сравнения уровней шума в нормируемых помещениях, для помещений кают экипажа и ходовой рубки представлены на рис. 8.
В 2018 г. по сравнению с 2013 г., уровень звукового давления (УЗД) в каюте экипажа увеличился на 2-3 дБ на средних частотах и на 5 дБ на высоких частотах. Для УЗД в ходовой рубке прослеживается увеличение на 2-3 дБ в частотном диапазоне 400-1250 Гц, на высоких разница составляет более 5 дБ.
Заключение
Conclusion
На основании испытаний 10 партий облицованных образцов в виде стальных пластин с нанесенной вибродемпфирующей мастикой жесткого типа МАВИП определен КМП. Измерения производились реверберационным методом путем ударного воздействия по необлицованной части пластины.
При сравнении результатов измерений 2013 и 2018 гг. установлено, что снижение значений КМП за 5 лет наблюдается во всем рассматриваемом частотном диапазоне.
Для оценки статистического совпадения значений КМП проверена статистическая гипотеза о равенстве математических ожиданий. В ходе проверки установлено, что полученные значения статистически не совпадают, а это доказывает уменьшение величины КМП со временем.
На основе энергостатистического метода построена модель судна для определения количественной оценки снижения эффективности шумозащитных мероприятий при длительной эксплуатации в предположении, что для снижения шума в судовых помещениях палуба судна в районе МО и кают экипажа облицована ВПП МАВИП.
Разница в УЗД в каюте экипажа составляет 2-3 дБ на средних частотах и 5 дБ на высоких частотах, а в ходовой рубке 1-2 дБ на средних частотах и более 4 дБ на высоких частотах. Таким образом, можно сделать вывод о значимости изменений КМП с течением времени для шума в судовых помещениях.
Библиографический список
1. Грушецкий И.В. Коэффициент внутренних потерь судовых конструкций и их использование в расчетах звуковой вибрации и шума // Электронный журнал: Техническая акустика. 2007. № 7. С. 1-12.
2. Палъникова О.В., Дементьев Н.А. Экспериментальные исследования акустической долговечности вибро-демпфирующего покрытия жесткого типа // Кораблестроение и наука, 2003. № 4. С. 36-48.
3. Skipskompetanse AS, Спецификация SK - 3101R, 2017.
4. Никифоров А.С., БудринС.В. Распространение и поглощение звуковой вибрации на судах. JI.: Судостроение, 1968.
5. Клюкин И.И., Колесников А.Е. Акустические измерения в судостроении. JL: Судостроение, 1966.
D.M. Korobitsyna, A,D. Kuznetsova, Acoustic lifetime of anti-vibration coating and its effect upon noise in ship spaces
6. ТУ 2243-001-26128999-2001 Мастика полимерная вибропоглощающая МАВИП, технологический регламент. Дата введения 2000-09-13.
7. Наумов В.Н. Элементы имитационного моделирования систем: учебное пособие. СПб., 2016. С. 305-306.
References
1. I. Grushetsl'су. Internal loss factors of ship structures and their application in noise and vibration calculations // Electronic journal Technical Acoustics, 2007. No. 7, pp. 1-12 {in Russian).
2. O. Palnikmrn, N. Dementyev. Experimental studies on acoustic lifetime of stiff anti-vibration coating // Kora-blestroenie i nauka (Shipbuilding and Science), 2003, No. 4, pp. 36-48 {in Russian).
3. Skipskompetanse AS-3101R 2017.
4. A. Nikiforov, S. Budrin. Vibration propagation and absorption aboard ships. Lenigrad, Sudostroenie, 1968 {in Russian).
5. A. Kolesnikov. Acoustic measurements in shipbuilding. Leningrad, Sudostroyeniye, 1966 {in Russian).
6. Technical Regulations TU 2243-001-26128999-2001 MA VIP polymeric anti-vibration putty: technical rules. Date of introduction 2000-09-13 {in Russian).
7. V. Naumov. Elements of simulation of systems. Student's guide. St. Petersburg, 2016, pp. 305-306 (in
Russian).
Сведения об авторах
Александра Дмитриевна Кузнецова, заведующая лабораторией Санкт-Петербургского государственного морского технического университета. Адрес: 190121, Санкт-Петербург, Россия, ул. Лоцманская, 3. Тел.: +7 812 495-26-48. E-mail: chlfatämail.ru.
Дарья Матвеевна Коробгщына, магистр Санкт-Петербургского государственного морского технического университета. Адрес: 190121, Санкт-Петербург, Россия, ул. Лоцманская, 3. Тел.: +7 812 495-26-48. E-mail: korobitsina.dashatäyandex.ru.
About the author
Kuznetsova. Aleksandra D., Head of Laboratory, St. Petersburg State Marine Technical University, address: 3, Lotsman-skaya st., St. Petersburg, Russia, post code 190008, tel. +7 812 495-26-48. E-mail: chlfa@mail.ru. Korobitsina, Darya M., Master, St. Petersburg State Marine Technical University, address: 3, Lotsmanskaya st., St. Petersburg, Russia, post code 190008, tel. +7 812 495-26-48. E-mail: korobitsina.dashaMiyandex.ru.
Поступила / Received: 28.06.19 Принята в печать / Accepted: 30.08.19 © Кузнецова А.Д., Коробицына Д.М., 2019
