基于VAOne的船舶噪聲預(yù)報(bào)及分析

歐禮堅(jiān)，李德玉， 歐家銘，徐海汐

（1.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院；2.自動(dòng)化學(xué)院，廣州510640; 3.廣州理堅(jiān)船舶工程有限公司，廣州 510640）

1 前言

國(guó)際海事組織（IMO）海上安全委員會(huì)（MSC）第90次會(huì)議批準(zhǔn)了《船上噪聲等級(jí)規(guī)則》修訂草案，對(duì)1 600 總噸適用的船型、船舶不同區(qū)域的噪聲限值、艙壁和甲板隔聲指數(shù)、噪聲的測(cè)量?jī)x器和測(cè)量方法等進(jìn)行了修訂，修訂案已經(jīng)生效執(zhí)行，對(duì)船舶的降噪性能提出了更高要求，對(duì)造船業(yè)產(chǎn)生重大影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在已建造好的船上安裝聲學(xué)器材的代價(jià)約為設(shè)計(jì)中預(yù)先采取措施所需費(fèi)用的3 倍左右。在船舶設(shè)計(jì)階段對(duì)船舶艙室噪聲給出合理的預(yù)報(bào)，使其噪聲水平滿足任務(wù)書和相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的要求是很有必要的。在設(shè)計(jì)階段對(duì)船舶艙室噪聲進(jìn)行預(yù)報(bào)并提出聲學(xué)設(shè)計(jì)的改進(jìn)措施對(duì)縮短造船周期、降低造船成本、提高船舶安全性能有著非常重要的作用。

與先進(jìn)國(guó)家的造船企業(yè)相比，我國(guó)船企目前在船舶降噪理論和對(duì)新技術(shù)的研究，尤其在應(yīng)用技術(shù)研究方面有很大差距，因此船舶艙室噪聲的預(yù)報(bào)方法已經(jīng)成為我國(guó)現(xiàn)階段學(xué)術(shù)界及工程界的研究熱點(diǎn)之一。

2 統(tǒng)計(jì)能量分析理論及VA One軟件概況

2.1 統(tǒng)計(jì)能量分析理論

統(tǒng)計(jì)能量分析（SEA）是20世紀(jì)60 年代初期為模擬大型結(jié)構(gòu)物的振動(dòng)噪聲而提出的用于研究結(jié)構(gòu)高頻動(dòng)態(tài)特性的一種計(jì)算方法，在航空、艦船、汽車、高速列車等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。

統(tǒng)計(jì)能量分析方法運(yùn)用統(tǒng)計(jì)的觀點(diǎn)，從能量角度分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)在外載荷作用下的響應(yīng)，可以成功預(yù)測(cè)耦合結(jié)構(gòu)元件和聲學(xué)容積的振級(jí)和噪聲，也能很好地解決聲場(chǎng)與結(jié)構(gòu)間的耦合問題。對(duì)于受高頻、寬帶隨機(jī)激勵(lì)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)及其噪聲輻射問題，用統(tǒng)計(jì)能量法尤為有效。該方法以統(tǒng)計(jì)物理學(xué)原理為基礎(chǔ)，將復(fù)雜結(jié)構(gòu)分解成一系列子系統(tǒng)，以每一子系統(tǒng)內(nèi)的能量作為其基本變量。方程表示的是子系統(tǒng)間的能量傳遞，可以較好地描述每個(gè)子系統(tǒng)的平均振動(dòng)聲學(xué)特征。

統(tǒng)計(jì)能量分析法的基本關(guān)系方程是在一些假設(shè)（弱耦合、保守耦合、激勵(lì)源不相關(guān)等）限制條件下建立的。在各子系統(tǒng)的激勵(lì)相互獨(dú)立（不相關(guān)）且保守弱耦合情況下穩(wěn)態(tài)響應(yīng)時(shí)的功率流平衡方程為：

其中，

式中：ni、hj為子系統(tǒng)i的模態(tài)密度和內(nèi)部損耗因子；hij為振動(dòng)能量從子系統(tǒng)i傳遞至子系統(tǒng)j的耦合損耗因子；ω為倍頻程的中心頻率；pi為外界對(duì)子系統(tǒng)i的輸入功率；Ei為子系統(tǒng)i的能量。

2.2 VA One軟件

2005 年法國(guó) ESI 集團(tuán)推出全頻段振動(dòng)噪聲分析軟件 VA One，該軟件集成了Nastran 求解器用于低頻段的有限元分析、Rayon 求解器用于邊界元分析，并且繼承了高頻分析軟件 Auto SEA2 的功能用于高頻分析及基于FE-SEA 的混合方法的中頻求解器用于中頻分析，因此VA One 軟件能夠進(jìn)行全頻段范圍內(nèi)的振動(dòng)噪聲問題求解，被認(rèn)為是近二十年來振動(dòng)噪聲問題分析歷程上的一個(gè)重大突破。

目前 VA One 軟件在各行各業(yè)已得到廣泛的應(yīng)用。在航天航空領(lǐng)域的應(yīng)用主要為：商業(yè)、軍用飛機(jī)內(nèi)部的噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)；分析衛(wèi)星、火箭等飛行設(shè)備的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)在惡劣環(huán)境下受到隨機(jī)振動(dòng)和環(huán)境作用引起的沖擊；優(yōu)化噪聲處理措施來減輕并提高燃燒效率；研究并優(yōu)化新材料新結(jié)構(gòu)用于結(jié)構(gòu)的振動(dòng)-聲學(xué)性能分析。在汽車行業(yè)的應(yīng)用主要為：根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙對(duì)各種車型進(jìn)行建模分析，通過內(nèi)部聲學(xué)安裝、吸聲阻尼材料處理等措施實(shí)現(xiàn)整車噪聲預(yù)報(bào)，達(dá)到駕駛室內(nèi)部噪聲和內(nèi)飾材料的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。在船舶行業(yè)主要應(yīng)用為：創(chuàng)建船舶、潛艇和豪華游艇等的模型，預(yù)測(cè)整體噪聲及振動(dòng)，設(shè)計(jì)降低船用聲納系統(tǒng)的自噪聲及研究潛艇水下輻射噪聲的控制措施。

3 計(jì)算模型建立及仿真計(jì)算

3.1 船舶的特點(diǎn)及參數(shù)

船舶是一個(gè)漂浮于水上的大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)，不但受到船體周圍水流的不規(guī)則隨機(jī)激勵(lì)作用，還受到船內(nèi)各種機(jī)器設(shè)備發(fā)出的激勵(lì)作用，主要包括主機(jī)、輔機(jī)發(fā)電機(jī)、空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)、螺旋槳等。為了研究方便，本文只分析主機(jī)和發(fā)電機(jī)組柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)聲和空氣聲對(duì)艙室噪聲產(chǎn)生的影響。基于統(tǒng)計(jì)能量分析軟件 VA One 建立計(jì)算模型，以梁、桿、板及空氣等基本子系統(tǒng)為基本單元來模擬船舶結(jié)構(gòu)和艙室，預(yù)報(bào)艙室噪聲。

引起接受點(diǎn)艙室噪聲的主要因素有：室內(nèi)噪聲源引起的空氣聲輻射；室外或臨近艙室噪聲通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳入艙室的空氣聲；圍護(hù)結(jié)構(gòu)振動(dòng)所引起的聲輻射。

噪聲源估算就是利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)公式或借助理論分析來確定各類噪聲源的源強(qiáng)度，包括：室內(nèi)機(jī)電設(shè)備輻射的聲功率級(jí)LW（基準(zhǔn)值：10-12W）；室外或相鄰艙室噪聲在接受點(diǎn)艙室圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面引起的聲壓級(jí)Lp（基準(zhǔn)值：20×10-6Pa）；引起接受點(diǎn)艙室圍護(hù)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的各類機(jī)電設(shè)備的結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度級(jí)La（基準(zhǔn)值：10-6m/s2）。

本文 研究對(duì)象為內(nèi)河自卸砂船，其主尺度為：船長(zhǎng) 82 m、型寬 17 m、型深 5.1 m、設(shè)計(jì)吃水 4.4 m。船尾區(qū)域主要有機(jī)艙、舵機(jī)艙、船員室和駕駛室。

根據(jù)文獻(xiàn)[6]柴油機(jī)噪聲總聲功率計(jì)算方法及文獻(xiàn)[7]高速柴油機(jī)噪聲頻譜特性，估算得出主機(jī)艙1/1 倍頻帶噪聲源強(qiáng)度如表1 和表2所示。

表1 空氣聲源強(qiáng)度

表2 結(jié)構(gòu)聲源強(qiáng)度

3.2 船舶噪聲預(yù)報(bào)模型的建立

首先，采用 ANSYS 建立幾何模型，將幾何模型劃分為有限元網(wǎng)格；其次，在 VA One 里導(dǎo)入網(wǎng)格，生成SEA 模型，定義各種材料的屬性及各種加筋板，將它們賦予給對(duì)應(yīng)的子系統(tǒng)；最后，定義各類設(shè)備的空氣噪聲和結(jié)構(gòu)噪聲，輸入或約束到對(duì)應(yīng)子系統(tǒng)。

因本文主要研究機(jī)艙、船員室及駕駛室的噪聲，計(jì)算模型不包括船首及貨艙區(qū)域，計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型幾何模型

圖2 統(tǒng)計(jì)能量法計(jì)算模型

3.3 計(jì)算結(jié)果及分析

（1）對(duì)機(jī)艙噪聲仿真計(jì)算中，分別對(duì)空氣噪聲、結(jié)構(gòu)噪聲、空氣噪聲及結(jié)構(gòu)噪聲共同作用3種狀態(tài)進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表3和圖3所示。

表3 機(jī)艙噪聲仿真計(jì)算結(jié)果

圖3 機(jī)艙噪聲分布曲線

（2）在針對(duì)駕駛室（門和窗關(guān)閉）的噪聲預(yù)報(bào)中，也分別對(duì)空氣噪聲、結(jié)構(gòu)噪聲、空氣噪聲及結(jié)構(gòu)噪聲共同作用3種狀態(tài)進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表4和圖4所示。

表4 駕駛室噪聲仿真計(jì)算結(jié)果

圖4 駕駛室噪聲分布曲線

（3）根據(jù)對(duì)該船進(jìn)行實(shí)船噪聲測(cè)量，測(cè)試結(jié)果與預(yù)報(bào)值對(duì)比如表5所示。

表5 預(yù)報(bào)值與實(shí)測(cè)值比較

由表5看出，預(yù)報(bào)值與實(shí)測(cè)值誤差不大于3 dB，達(dá)到了工程精度要求。因此基于VA One的船舶艙室噪聲預(yù)報(bào)是可行的。

4 結(jié)論

基于VA One的統(tǒng)計(jì)能量法對(duì)船舶艙室噪聲預(yù)報(bào)是可行的。此外，預(yù)報(bào)分析結(jié)果表明，機(jī)艙屬于噪聲源，其噪聲組成中占主導(dǎo)的為空氣噪聲；駕駛室（門和窗關(guān)閉狀態(tài)）因遠(yuǎn)離噪聲源，起主要作用的為結(jié)構(gòu)噪聲。

[1]A.N.Bercin.An Assessment of the Effects of In-planeVibrations on the Energy Flow between Coupled Plates[J].Journal of Sound and Vibration, 1996, 191(5).

[2]Fahy F.J.and Mohammed, A.D., A Study of Uncertainty in Application of SEA to Coupled Beam and Plate Systems[J].Journal of Sound and Vibration, 1992, 158(1).

[3]黎勝, 趙德有.用有限元/邊界元方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)聲輻射的模態(tài)分析[J].聲學(xué)學(xué)報(bào), 2001, 26(2).

[4]周振威，李德玉，歐禮堅(jiān).雙層板結(jié)構(gòu)水下振動(dòng)聲輻射的特性[C].第十四屆船舶水下噪聲學(xué)術(shù)討論會(huì),重慶，2013.

[5]李德玉，歐禮堅(jiān)，趙成璧.長(zhǎng)T型聲共振器在船舶噪聲控制中的應(yīng)用[J].廣東造船，2012（6）.

[6]Edward.B.Magrab.Environmental Noise control[M].Canada: John Wiley &Sons, Inc, 1975.

[7]J.W.E.彼得森, J.Fr.斯托姆.船舶噪聲控制[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社, 1983.