基于AutoSEA的高速船靜噪聲預報與控制

1 引 言

高速船是自20世紀50年代以來，在船舶航速上出現突破、概念新穎的新一代船型，它的出現在很大程度上改變了傳統交通運輸的結構局面，給水運業注入新的活力[1]。但是，高速化的同時卻帶來了嚴重的振動與噪聲問題。對于高速客船而言,由于其高航速而要求安裝大功率高轉速的推進主機,從而為自身設置了一個巨大的振動和噪聲源，使得高速客船往往具有較高的噪聲水平，加上高速客船的服務對象層次較高，對居住環境的要求苛刻。因此,在高速船開發設計初期預報艙室噪聲，進而采取減振降噪措施以滿足規范要求顯得至關重要。

使用傳統的模態分析方法研究工程結構系統的動力學問題已有很長的歷史，這種研究動力學問題的方法局限于對能夠清楚辨認的有限數量的低階模態進行分析，分析誤差隨著頻率范圍向更高擴展而增大，分析難度隨著結構復雜程度而增加。研究工程結構系統振動問題的困難是高階模態參數的不確定性。因此，使用統計模態的概念，把振動能量作為描述振動的基本參數，并根據振動波和模態間存在著的內在聯系，建立分析聲、結構振動和其它不同子系統耦合動力學的統計能量分析方法(Statistical Energy Analysis縮寫為SEA)[2]。統計能量分析方法適用于分析含有高頻、高模態密度的復雜系統(含聲子系統和結構子系統，或只含結構子系統)的耦合動力學問題，例如使用統計能量分析可預示復雜系統的內外聲振環境等問題。

2 統計能量分析基本原理

統計能量分析法是將能量守恒方程應用于每一個子系統，即子系統消耗的能量加上傳遞給其它子系統的能量，應等于輸入給該子系統的能量。圖1所示為兩個相互耦合的線性單自由度振子系統，其能量平衡方程可以用下式表示：

(1)

(2)

式中，ω是分析帶寬內的中心頻率；Pi是時間平均上的輸入能量；E1，ni，ηi分別是i系統的能量、模態密度和內損耗因子，ηij是振動能量從i系統傳至j系統的耦合損耗因子。

圖1 簡單的SEA系統

對于由N個子系統組成的系統，其能量平衡方程可以寫成如下矩陣形式[3]：

(3)

只要獲得輸入功率、模態密度、損耗因子，就能求解方程獲得子系統能量E，由子系統能量E求解工程量。

對于每個結構或者聲學的子系統，具有一個與其時間平均或空間平均振動速度vi或者聲壓p2成比例的穩態能量關系。對于質量為M的結構子系統，有

v2

(4)

對于體積為V的閉空間聲場子系統，有

p2

(5)

式中,ρ為聲場介質密度;c為聲速。

3 AutoSEA軟件簡介

Autosea統計能量分析軟件是Vibro-Acoustic Sciences有限公司開發的基于統計能量分析方法的噪聲及振動控制設計軟件,目前已應用于航空、造船、汽車以及普通消費品等各個行業。其應用范圍包括噪聲預估、主要聲源及噪聲控制、外噪聲輻射分析等。

在AutoSEA的幫助下，產品設計師在產品初始設計階段就可以方便而準確地預估和控制產品的振動和聲學特性，發現潛在問題；可以模擬采取降噪措施后的效果。

4 高速船噪聲預報實例仿真

4.1 船舶聲振模型的建立

本論文的研究對象是武漢南華高速船舶股份有限公司140客位高速客船，依據基本結構圖和橫剖面圖，在AutoSEA中建立船舶聲振模型。圖2和圖3分別為船舶外部結構子系統的劃分與聲空間子系統的劃分。

圖3 船舶聲空間子系統

4.2 船舶艙室噪聲預報

從140客位高速船的總體布置圖可以看出，作為主振源和主聲源的主、輔機和螺旋槳均安裝在船尾，客艙區為噪聲級重點控制區?？团摰脑肼暭壷饕梢韵聨撞糠纸M成：

1) 主、輔機空氣噪聲透過空隙直接向艙中輻射；

2) 由主、輔機振動引起機艙壁、機艙上空甲板、舷側振動，此振動沿著結構向客艙傳播并引起客艙圍壁的振動，圍壁再向客艙輻射的噪聲；

3) 由螺旋槳縱向振動作用在船體結構上引發的結構噪聲。

由于在此船中，主機功率大、轉速高，且靠近機艙前部與乘客艙室毗鄰，輔機、螺旋槳等引起的噪聲與主機相比處于次要地位，從而本文主要模擬由主機的激振力引起的船舶噪聲。

在3D模型中設置輸入激勵，即主機對主機梁的兩個點源激勵，最后將它們應用于相應的輸入子系統，模擬計算得到客艙1和客艙2的噪聲頻譜值如圖4所示。

圖4 客艙噪聲頻譜值

4.3 船舶艙室噪聲控制

在AutoSEA中，能直接得出其相鄰子系統對某一系統的能量貢獻，利用這一功能，可以找出相鄰子系統中對我們所感興趣的客艙輸入能量最多的子系統，從而找到減振降噪措施實施的主要對象。

由圖5可以看出對客艙輸入能量最多的兩個子系統是位于兩客艙上部的駕駛甲板，本論文主要對這兩個子系統添加吸聲結構，在AutoSEA的NCT(noise control treatments)模塊中添加自定義的兩層復合吸聲結構[4，5]，第一層為硬橡膠，第二層為玻璃纖維，并應用于上述兩個子系統。

圖5 子系統對客艙的能量輸入

對客艙進行隔聲降噪處理后，重新對模型進行計算，再次取兩個客艙的噪聲值，并與處理前的結果進行比較，結果如圖6所示。

圖6 結果比較

5 結 論

本文應用基于統計能量原理的軟件對高速船舶的客艙噪聲進行了模擬計算，計算得出船舶艙室噪聲的值與客艙各相鄰子系統對客艙能量的貢獻值，從而采取相應的措施對船舶客艙噪聲進行吸聲處理，最后模擬計算出采取吸聲處理后的艙室噪聲值。對在船舶設計初期進行船舶艙室噪聲值的預報并采取相應的措施提供了一定的幫助。

[1] 文功啟．高速船結構噪聲傳播及其阻尼被動控制的研究[D]．武漢理工大學，2002.

[2] 伍先俊，朱石堅．統計能量法及其在船舶聲振預測中的應用綜述[J]．交通科學與工程,，2004,28(2).

[3] 姚德源，王其政．統計能量分析原理及其應用[M]．北京：北京工業大學出版社,1995.

[4] 朱石堅，何琳．船舶減振降噪技術與工程設計[M]．北京：科學出版社，2002.

[5] 陳越澎，譚林森．船舶艙室噪聲控制技術綜述[J]．武漢造船，1995(6):34-40.