艦船艙室噪聲綜合預報及聲學優化設計

,,大海,

(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

船上噪聲不僅會導致某些結構聲振疲勞破壞，還會影響艙內各種儀器、設備等的正常運轉，而且船舶噪聲對船上人員的健康、生活、休息和工作甚至心理都存在很大的影響[1-3]。如果在結束船舶總體設計之后再采取各種降低振動和空氣噪聲的辦法，在大部分情況下只能局部地解決面臨的問題，而且費用高昂，在已經建造好了的船上，安裝聲學器材的代價要比在船舶設計過程中預先采取措施的費用高約2.5倍[4]。所以，在船舶設計的早期階段就考慮到聲學要求，事先完成船舶聲學設計，則可以事半功倍。由于船上激勵源眾多(主機、輔機、螺旋槳、泵類、空氣壓縮機、空調器等)、船體結構復雜、振動噪聲的傳遞途徑復雜多變，使得船舶艙室噪聲控制的變得十分困難[5]。本文應用統計能量分析方法，具體針對船舶典型艙室在船舶聲學主要激勵所引起直接聲輻射載荷和振動加速度載荷的影響下的艙室噪聲進行預報，進而研究在激勵源設備添加隔振器和艙壁敷設阻尼材料等情況下艙室噪聲的改變，對比相關規范，給出典型艙室的優化設計措施。

1 統計能量分析

1.1 統計能量分析方法基本原理

SEA方法是依據結構系統在外載荷作用下能量平衡的原則，從能量輸入、損耗和傳遞的角度來對系統進行建模的。對復雜系統的高頻響應預示是從子系統的劃分開始的，對于一個復雜結構系統，一旦確定每個子系統后，則對于每個子系統都有與其相鄰的子系統的功率流方程。

Pini=Pdissi+Pij

(1)

式中:Pini——子系統的輸入功率；

Pdissi——子系統i的損耗功率，其大小為Pdissi=ωηiEi；

Pij——子系統i與子系統j之間的傳遞功率，其大小為Pij=ωηijEi-ωηjiEj。

其中:ηi——子系統i的內損耗因子；

ηij——子系統i對子系統j的耦合損耗因子;

ηji——子系統j對子系統i的耦合損耗因子。

由這樣一系列的子系統功率流方程式聯列，則可得到方程組：

(2)

式中:ω——頻帶中心頻率，rad/s；

ni——子系統i的模態密度。

每一個結構子系統或聲學子系統都具有一個與時間平均和空間平均振速或聲壓成比率的穩態能量水平。

對于質量為ms的結構子系統

(3)

對于體積為V的聲場

(4)

由此建立能量與響應之間的關系，由能量可得到響應量，由響應量亦可計算出能量。

2 船舶典型艙室噪聲預報

船舶是一個浮于水上的復雜大型結構，其上結構龐大眾多，激勵眾多。本文主要考慮由主機、空調和風機等激勵所引起的空氣和結構噪聲的影響，分別應用統計能量分析的板、梁、圓柱以及空氣、海水介質等系統來模擬船舶結構和艙室。

2.1 艙室噪聲預報模型

以某民用船舶典型艙段為研究對象，研究其振動噪聲特性。該船的主尺度及船型系數為總長54.4 m、型寬21.6 m、型深9 m、吃水5.2 m、排水量1 350 t。

首先在ANSYS Preprocessor里建立船體典型艙段詳細幾何模型，包括船體外板、甲板、各部位型材、艙壁及其它加強構件等。根據船體結構的特點，建立船體結構，然后賦予其物理屬性，進行網格劃分，建立船體結構有限元模型，導入VA One。在簡化模型的基礎上，建立板殼子系統和艙室聲腔子系統，見圖1。

圖1 板殼子系統和艙室聲腔子系統

與水相連的部分通過經驗公式添加附連水質量，模擬水對結構振動的影響，與空氣相鄰的界面為自由邊界。

2.2 SEA參數確定

1)模態密度由VA one軟件自動進行模態密度的計算。

2)通過近似估算，板的損耗因子為0.004，由此得到聲腔的內損耗因子。

3)輸入功率的確定。由于輸入功率可以表達為力譜與速度譜的乘積，涉及到的輸入阻抗也與頻率有關，因而輸入功率也是頻率的函數。

設備在工作過程中，由于設備的動力不平衡，導致基座發生振動，從而引起甲板、艙壁、外板等的振動并向艙室內輻射噪聲，稱為結構噪聲。

載荷包括兩個部分：一部分為空氣噪聲，一部分為結構噪聲。將各空氣噪聲輻射聲功率加載到對應的艙室聲腔中，將各振動加速度級加載到對應的艙室甲板上。各艙室設備空氣噪聲聲功率隨頻率的變化曲線見圖2。各艙室設備振動加速度級隨頻率的變化曲線見圖3。

圖2 艙室設備空氣噪聲聲功率

圖3 艙室設備振動加速度級

2.3 典型艙室噪聲預報結果分析

應用統計能量分析方法，針對船舶典型艙室在船舶聲學主要激勵所引起直接聲輻射載荷和振動加速度載荷的影響下的艙室噪聲進行預報。典型艙段聲壓級分布情況見圖4。

圖4 船舶典型艙段聲壓級分布

選取典型艙室來進行分析，典型艙室總聲壓級見表1。

表1 典型艙室總聲壓級 dBA

典型艙室聲壓級曲線隨頻率變化曲線見圖5。

圖5 典型艙室聲壓級

船長室的總聲壓級為67.1 dBA，主要由兩艙室內柜式空調的直接聲輻射造成。當把船長室和會議室的空調關掉后，其艙室聲壓級減小很多。由于船長室安裝1臺柜式空調，且遠離其他各種振動設備，關閉空調后總聲壓級下降24 dBA；會議室安裝一臺柜式空調機，且離其他振動設備較近，其艙室噪聲下降20.6 dBA。

機艙總聲壓級為108.7 dBA，主機艙屬于激勵源所在艙室，其中機艙柴油機殼體表面直接聲輻射是機艙噪聲的主導分量。由于機艙值班室距離柴油機艙較近，而柴油機的直接聲輻射較大，導致臥室聲壓級偏大。

3 典型艙室的優化設計

對于船舶聲學設計，既包括在船舶設計的早期階段選擇聲學上最佳的船舶建造型式，也包括阻尼減振技術。阻尼減振技術是通過提高材料或結構的損耗因數，將振動能量轉化為其它形式的能量而達到減振降噪目的的。因此，阻尼技術在艦船結構噪聲控制中有著重要的地位。從船舶艙室噪聲的傳遞途徑入手，找到船舶艙室噪聲主導傳遞途徑、主導分量，并以此給出相應的降噪措施，為船舶的艙室噪聲設計提供依據。

分別以典型的激勵源艙室和典型的非激勵源艙室為研究對象，計算并且說明各項措施的減震降噪效果。典型的激勵源艙室以船長室、主機艙為例，典型的非激勵源艙室以機艙值班室、臥室為例。

3.1 激勵源艙室噪聲的優化設計

3.1.1 船長室噪聲優化

船長室的總聲壓級為67.1 dBA，大于噪聲級限值。對船長室艙室的柜式空調機按正常工作、不考慮振動加速度載荷(僅考慮直接聲輻射載荷)、不考慮直接聲輻射載荷(僅考慮振動加速度載荷)三種狀態進行分析，其聲壓級見表2。

表2 空調不同狀態下船長室的聲壓級 dBA

船長室安裝1臺柜式空調且遠離其它各種振動設備。對于船長室，不考慮空調振動加速度載荷(即僅考慮直接聲輻射載荷)，船長室的聲壓級降低0.1 dBA。而不考慮空調直接聲輻射載荷(即僅考慮振動加速度載荷)，船長室聲壓級降低24.4 dBA。可見船長室噪聲的主導分量為空調的直接聲輻射。解決的辦法是對空調設備進行隔聲處理，將空調設備轉移至空調機房，能使船長室的聲壓級滿足要求。

3.1.2 機艙室噪聲優化

機艙總聲壓級為108.7 dBA，大于噪聲級限值。根據提供的隔振器設備的振動加速度級，柴油機添加隔振器前后傳遞到船體結構上的加載曲線見圖6。

圖6 柴油機通過隔振器后的加載曲線

對主機艙的柴油機添加基座、不考慮振動加速度載荷(僅考慮直接聲輻射載荷)、不考慮直接聲輻射載荷(僅考慮振動加速度載荷)進行分析，其聲壓級曲線見圖7，總聲級見表3。

圖7 柴油機通過隔振器后機艙聲壓級

表3 不同狀況下的機艙聲壓級 dBA

機艙總聲壓級為108.7 dBA，大于噪聲級限值。由計算可見，當柴油機添加基座后，其艙室聲壓級降低1.3 dBA；不考慮振動加速度載荷(即僅考慮直接聲輻射載荷)，主機艙室的聲壓級相對于不添加基座時降低1.3 dBA；而不考慮直接聲輻射載荷(即僅考慮振動加速度載荷)，主機艙室聲壓級降低52.2 dBA。可見主機艙的噪聲主導分量為直接聲輻射。艙室的邊界條件(艙壁敷設阻尼材料)對艙室內聲壓級的影響不大。

主機艙屬于激勵源所在艙室，主機艙的噪聲主導分量為主機的直接聲輻射，艙室的邊界條件(艙壁敷設阻尼材料)對艙室內聲壓級的影響不大。對主機設置隔聲罩，可降低主機艙內柴油機的直接聲輻射。機艙在柴油機采取隔振措施后的結構噪聲在允許限值范圍內。

3.2 非激勵源艙室的優化設計

柴油機殼體表面直接聲輻射是機艙內噪聲的主導分量。機艙附近的艙室屬于非激勵源艙室，聲壓級也較大，且不滿足規范要求。

非激勵源艙室以機艙值班室、臥室為例，分別分析主機艙室內側艙壁敷設阻尼材料時主機不添加基座、主機添加基座，以及主機艙室內側艙壁不敷設阻尼材料時主機不添加基座、主機添加基座等狀況，檢測機艙值班室和臥室的聲壓級的變化情況。

3.2.1 機艙值班室噪聲優化

分別分析主機艙室內側艙壁敷設阻尼材料時主機不添加基座、主機添加基座，以及主機艙室內側艙壁不敷設阻尼材料時主機不添加基座、主機添加基座等狀況，檢測機艙值班室的聲壓級的變化情況，見表4。

由計算可知，當主機有基座，主機艙敷設阻尼材料時，能保證機艙值班室滿足艙室噪聲級限值規定。且由于機艙值班室臨近激勵源設備主機，敷設阻尼材料能較大幅度地降低機艙值班室的艙室噪聲。

3.2.2 臥室噪聲優化

對于臥室，分別分析主機艙室內側艙壁敷設阻尼材料時主機不添加基座、主機添加基座，以及主機艙室內側艙壁不敷設阻尼材料時主機不添加基座、主機添加基座行裝狀況，檢測臥室的聲壓級的變化情況，表5。

表5 不同狀況下的臥室聲壓級 dBA

當主機有基座，主機艙敷設阻尼材料時，能保證臥室滿足艙室噪聲級限值規定。柴油機殼體表面直接聲輻射是機艙附近非激勵源艙室的噪聲主導分量。解決的方法是在主機艙室內側艙壁敷設阻尼材料。同時柴油機的結構振動噪聲也是影響臨近艙室噪聲聲壓級的重要因素，對主機添加基座可降低噪聲。

4 結論

1)對于激勵源艙室而言，其艙室噪聲的主導分量為激勵源設備的表面直接聲輻射。激勵源所在艙室的噪聲優化可以通過轉移激勵源設備的位置，對激勵源設備添加隔聲罩，以降低對應艙室噪聲的聲壓級。

2)對于臨近激勵源設備的非激勵源艙室而言，其艙室噪聲來源既有直接聲輻射，又有激勵源

設備的結構振動。遠離激勵源的非激勵源艙室，其艙室噪聲的主導分量為激勵源設備的振動加速度載荷；離激勵源設備越近，非激勵源艙室的艙室噪聲中的激勵源設備的直接聲輻射所占比例越大。

3)在激勵源所在艙室敷設阻尼材料，不會明顯降低此艙室噪聲，但對臨近激勵源所在艙室的艙室有降噪作用。

4)對激勵源設備添加隔振器，能有效地降低非激勵源艙室的艙室噪聲。

[1] 尼基福羅夫阿斯.船體結構聲學設計[M].謝 信，譯.北京：國防工業出版社，1998.

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