ATHS生活艙室噪聲預報分析及處理

蔡旭龍， 陳超核， 劉月琴

(華南理工大學 土木與交通學院， 廣東 廣州 510000)

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ATHS生活艙室噪聲預報分析及處理

蔡旭龍， 陳超核， 劉月琴

(華南理工大學 土木與交通學院， 廣東 廣州 510000)

基于能量統計原理，運用VA-ONE軟件對多噪聲源作用下的生活艙室進行噪聲預報，分析它們在不同噪聲源影響下的噪聲特性,可知在遠離主機的生活艙室，主機結構振動噪聲為其主要誘因。然后根據計算所得到的聲壓級圖分別計算了三種不同吸聲材料及其組合的吸聲效果，發現根據不同頻段的噪聲選取合適的吸聲材料，吸聲效果會更好。

多激勵源能量統計原理噪聲預報吸聲

0　引言

隨著對船舶舒適性要求的提高，船舶噪聲越來越成為了人們所關注的焦點。由于船舶結構復雜、設備繁多，在不同的環境下，噪聲問題的許多邊界條件、載荷及其所涉及的運算因子都難以確定和量化，對船舶進行準確的噪聲預報難度大且一直是研究的熱點。

目前，噪聲預報通常運用的方法分為數值法和解析法兩大類。解析方法中主要有積分變換法、模態分析法和波動法等[1]；數值方法中主要有有限元法、能量法、波導法、灰色預測法[2]等。理論上，有限元法能夠解決全頻段的噪聲問題，但對流體和結構進行有限元離散時，其網格單元尺寸須小于最小彈性波波長的1/6～1/4[2]。隨著頻率的增大，有限元的網格數也快速增加以至于超過目前一般計算機的極限，所以一般認為有限元法只適合用于解決低頻段噪聲問題。統計能量法則是針對船舶艙室噪聲的空間、時間和寬帶高頻分量的不確定性，采用統計能量的原理進行艙室噪聲預報，特別適合于高頻段[3]。

本文采用統計能量法來預報艙室的噪聲水平以及討論不同吸聲材料的吸聲效果。

1　統計能量法(SEA)基本原理

統計能量法是由Lyon首先提出的用于研究結構高頻的動態特性。SEA法最早用于航空航天工業，經過幾十年的發展逐步被用于船舶行業。統計能量法中“統計”是其基本觀點，同已有有限元方法不同，它忽略了結構的許多具體細節，即允許模型比以往的結構模型粗略，并將母體模型劃分為一系列的子系統。使用子系統的動力學“能量”來描述系統的狀態，由個別子系統受到外力激勵，子系統間通過連接傳遞能量，利用能量變量建立子系統間的功率流平衡方程，來描述耦合子系統間的相互作用。然后將各子系統的統計參數代入方程，統一處理結構、聲場等子系統間的相互作用問題，并根據能量預示的結果，可再將其換算成所需要的各種響應量。

假設，將船體劃分為N個子系統，創建SEA模型，則第i個子系統的輸入功率為

(1)

式中：Pi,in為外界對子系統i的輸入功率；Pi,d為子系統i自身的損耗功率；Pij為從子系統i傳遞到子系統j的純功率流。

(2)

式中：ηi為內損耗因子，定義為子結構在單位頻率、單位時間損耗能量與平均儲存能量之比 ；ηis表示子結構的結構損耗因子；ηir為結構子系統振動聲輻射阻尼形成的損耗因子；ηib表示子結構間連接邊界損耗因子；Ei為子系統i的能量；ω表示該頻帶內的幾何平均中心頻。

(3)

式中：Pij′=ωηijEi為子系統i傳遞到子統j的單向功率流；Pji′=ωηjiEj為子系統 j 傳遞到子系統 i 的單向功率流；ηij和ηji分別為從子系統i傳遞到子系統j、從子系統j傳遞到子系統i的耦合損耗因子。

將式(2)、(3)代入到式(1)中，可得

(4)

式中:i=1,2,…，N；ni和nj分別表示子系統i和j的模態密度。

將式(4)擴展為平衡方程組為

(5)

式中：矩陣[L]表示如式(6)，是保守弱耦合系統損耗因子矩陣，它包括了子系統的內損耗因子和子系統間的耦合損耗因子。

(6)

由于統計能量法計算的是結構或聲學子系統的時間和空間平均能量水平，對于質量為m的結構子系統，能量與響應量之間的關系為

(7)

對于體積為V的聲場：

(8)

2　基于統計能量法(SEA)的模型建立

2.1船舶主要參數

研究的船舶是某69.5 m的三用工作船，研究對象為中機型船舶，主機位于船舯部，生活艙室位于艏部，全船共有5層甲板。

內底板主要布置主機、鍋爐等；

主甲板上主要布置有醫務室、娛樂健身室、餐廳、廚房、冷藏室和干糧庫等；

下艏樓甲板主要為船員的居住艙室，單人間、雙人間和四人間；

上艏樓甲板主要布置單人間客房、船長室、大管輪室、船東辦公室和會議室；

駕駛甲板主要為駕駛艙室。

船舶主尺度為

總長69.5 m；

型深6.8 m；

型寬16.8 m；

設計吃水5.2 m。

本船采用W12V32型的主機兩臺，重35 t，柴油機額定功率為2 666 kW，額定轉速720 r/min。采用4葉螺旋槳雙槳，螺旋槳直徑為1 950 mm，額定轉速1 200 r/min。

2.2模態密度確定

統計能量法中的模態密度是描述振動系統貯存能量能力大小的一個物理量。簡單的子系統(桿、梁、板、圓柱殼等簡單固體結構和簡化聲場)的模態密度有其相應的計算方法及公式，如表1所示。

表1　簡單子系統的模態密度計算公式

在表1中，給出了一維桿梁、二維平板振動系統以及三維聲場系統分別用波數K、圓頻率ω、無量綱頻率v、頻率f表示的模態密度，其中Cl為縱波速，Ca為聲速，KB為縱波數，Ap=l1l2為平板系統面積、l1和l2為平板的長，R是平板截面的回轉半徑，V0為聲場的體積[3]。

統計能量法只適用于高頻段區域。對于頻段高低的區分，業內專家通常以模態數N作為標準，當：

模態數N>5時，屬于高頻區域；

模態數5>N>1時，屬于中頻區域；

模態數N>1時，屬于低頻區域。

一般認為頻段內，子系統模態數越多，也就意味著總體數量越多，計算出來結果就越準確,因此把N≥5作為SEA法使用的良好條件[4]。

2.3內損耗因子確定

由于能量統計法是概率統計的方法，計算是否準確與SEA參數的精確程度密切相關。內損耗因子是其中的重要參數，這些數據來自于大量的試驗和長期的積累，VA-One軟件中也集成了大量的數據。板的損耗因子的獲取是通過文獻[5]的半經驗公式計算

(9)

式中：f為頻率,繪制圖如圖1所示。

圖1　結構內損耗因子示意圖

艙室內部由于沒有具體的吸聲系數等數據，無法通過經驗公式計算，因此統一采用軟件默認值。

2.4耦合損耗因子確定

耦合損耗因子表征子系統之間耦合作用的大小，描述子系統之間能量傳遞過程中損耗特性。子系統之間的耦合連接關系保證了能量的傳遞，被激勵的子系統通過耦合作用，將激勵力傳遞到沒有直接受到激勵作用的相鄰子系統。能量通過一些點、線和面方式的連接傳遞實現子系統之間的耦合，而這些結構與結構、結構與聲場直接的耦合損耗因子由VA-ONE軟件自行計算得出，在模型中選取某一連接，由Result>Coupling loss factor得出。

2.5 三用工作船的SEA模型

全船的SEA模型如圖2所示。全船的門、窗均簡化建立為板子系統。全船模型共有159 890個節點，985個板子系統和92個聲腔子系統。板子系統劃分原則是將具有相似共振形式、相同厚度的結構作為一個子系統，同時也要合理劃分以便于建立聲腔子系統。

由于VA-ONE軟件無法識別T型連接，因此，在T型連接處的板需分開建立成單獨的子系統，如圖3所示。

板1和板2這樣的連接，需要在它們的連接處將板1分為兩塊板建立，這樣才能使板2的能量傳遞到板1上，如圖4所示。

圖2　三用工作船SEA模型　　　　　　圖3　T型連接板　　　　　　　　　圖4　T型連接板正確建立圖

3　激勵源的確定

船舶的噪聲源主要包括主機、柴油發電機組、螺旋槳、齒輪箱及主輔機的排氣管產生的噪聲[2]。它既有進排氣系統空氣噪聲，又有運動部件的撞擊和主機本身不平衡而產生振動所造成的結構噪聲。一般情況下，以上噪聲源中主機和螺旋槳的激勵對艙室噪聲貢獻較明顯。模型以主機和螺旋槳的振動作為結構噪聲的激勵，主機對機艙聲腔的聲輻射為空氣噪聲激勵。

3.1主機結構振動噪聲

主機結構振動噪聲按如下方法計算。

主機機腳加速度級La(參考加速度1 μm/s2),按下式估算[6]。

(10)

式中：m為主機質量，kg;Pe為主機額定功率，kW;ne為主機額定轉速，r/min;n為主機工作轉速，r/min; f為倍頻程中心頻率，Hz。

根據目標船的主機質量、額定功率和額定轉速，可以利用式(10)估算機腳加速度級,如圖5所示。

圖5　主機機腳加速度級圖

然后將該激勵施加到模型主機艙的內底板上。

3.2主機空氣輻射噪聲

主機空氣輻射聲功率級Lw(參考聲功率w0=10-12w)，按下式估算[6]：

(11)

式中：Pe為主機額定功率，kW；Cw為空氣噪聲的倍頻程修正值，dB；如表2所示[6]。

表2　主機空氣噪聲的倍頻程修正值

利用式(11)可以得到主機的輻射聲功率級Lw，如圖6所示。

然后再將空氣輻射噪聲以擴散聲場的形式加載到主機艙的聲腔上作為輸入功率。

3.3螺旋槳上方船底板激勵

螺旋槳激勵引起的螺旋槳上方船底板加速度級應按式(12)估算[6]。

(12)

式中：M為螺旋槳數量；N為螺旋槳葉片數量；D為螺旋槳直徑，m;ne為螺旋槳額定轉速，r/min。

利用式(12)計算螺旋槳的振動引起的螺旋槳上方船底板加速度級，計算如表3所示。

圖6　主機輻射聲功率級圖

頻率/Hz631252505001000200040008000La/dB123123123123123123123123

然后再將激勵施加到舵機艙的船底板上。

4　目標艙室的噪聲預報

通過研究主機結構噪聲、空氣輻射噪聲、螺旋槳振動這三種激勵的組合影響，分析不同類型激勵對幾個主要的生活艙室包括醫務室、餐廳、雙人間、四人間一、單人間、四人間二、船長室、大管輪室、船東辦公室、會議室的影響(其中醫務室和餐廳位于主甲板上，船員寢室位于下艏樓甲板，船長室、大管輪室、會議室和船東辦公室位于上艏樓甲板)。

由于統計能量法的適用原則是必須是子系統的模態數，首先，在軟件中選取目標聲腔；然后，Results>Modes in Band中，可以查看目標艙室的模態數，如圖7所示。

圖7　目標艙室模態數

在圖7中可以看到，目標艙室的模態數在63 Hz時，模態數最小的雙人間的模態數也≥5，因此，在63 Hz～8 000 Hz內，滿足計算要求。

在主機結構噪聲、空氣輻射噪聲、螺旋槳振動這三種激勵下，分三種情況進行討論。

(1) 情況一：只考慮主機結構振動噪聲和螺旋槳振動的情況下，計算結果如表4所示。

從結果可以看出，噪聲先是逐漸增大，到1 000 Hz處達到最大，再逐漸減小，變化趨勢和主機結構噪聲激勵相吻合。

(2) 情況二：只考慮主機空氣噪聲和螺旋槳振動的情況下，詳細結果如表5所示。

從以上計算結果可以看出，空氣輻射噪聲對生活艙室影響很小，和情況一的結果相比各個艙室的聲壓級的總和平均相差10 dB。

(3) 情況三：同時考慮主機結構噪聲、空氣噪聲和螺旋槳振動的情況下，詳細結果如表6所示。

表4　生活區目標艙室聲壓級(情況一)

表5　生活區目標艙室聲壓級(情況二)

表6　生活區目標艙室聲壓級(情況三)

由于本船屬于中機型船，而上層建筑位于船艏，從情況一和情況三對比可以看出，空氣輻射噪聲對遠離主機艙的生活區影響可以忽略。

5　艙室的降噪措施

根據上面的計算結果，生活艙室的噪聲主要是由于主機的結構振動噪聲所引起，一般在主機艙會采用吸振、隔振的方式來降低噪聲，即對主機等振動源安裝彈性基座或增加基座的尺寸和輸入阻抗，以降低主機對船體結構振動能量的傳遞。在生活艙室內部，一般采用吸聲處理。

選取了三種吸聲材料：礦物棉5 kg/m2、聚氨酯泡沫塑料3 kg/m2和硬橡膠板110 kg/m2在情況三的條件下，針對船長室做吸聲處理。

當將船長室的四壁及頂部均附上0.1 m的玻璃棉時，計算結果如圖8所示。

圖8　船長室處理前后聲壓級對比圖(礦物棉)

由圖8可以看出，礦物棉作為吸聲材料，主要吸收的是125 Hz～2 000 Hz的噪聲。

當將船長室的四壁及頂部均附上0.1 m的聚氨酯泡沫塑料時，計算結果如圖9所示。

圖9　船長室處理前后聲壓級對比圖(聚氨酯泡沫塑料)

由圖9可以看出，聚氨酯泡沫塑料作為吸聲材料，主要吸收的1 000 Hz～8 000 Hz的噪聲。

當將船長室的四壁及頂部均附上0.1 m的硬橡膠板時，計算結果如圖10所示。

圖10　船長室處理前后聲壓級對比圖(硬橡膠板)

由對比圖可以看出，硬橡膠板對于低頻段63 Hz～200 Hz的噪聲吸收效果較好，但對于中、高頻段的吸收效果不如前兩種材料。

因此，根據船長室的聲壓級預報結果，主要噪聲分布在中、低頻段(63 Hz～2 000 Hz)，應當選取以礦物棉和硬橡膠板為主的合成材料吸聲。

當選取0.05 m礦物棉和0.05 m的硬橡膠板作為吸聲材料，計算結果如圖11所示。

圖11　船長室處理前后聲壓級對比圖　　　(礦物棉+硬橡膠板)

根據結果可以看出，相對于采用單一的吸聲材料，吸聲效果顯著，降低了3.63 dB。

由于硬橡膠板是固體材料，密度為110 kg/m2，質量較其他兩種材料要重的多，而且由于聚氨酯泡沫塑料的損耗因子要比礦物棉和硬橡膠板大的多。因此，可以采用三種材料結合的方式以達到同樣的效果。

當采用0.05 m礦物棉、0.015 m的硬橡膠板和0.035 m的聚氨酯泡沫塑料代替硬橡膠板時，計算結果如圖12所示。

從計算結果可以看出，在這種情況下噪聲頻率在63 Hz處的吸聲效果要比圖11中的效果差，但是總體上降噪效果卻要更好一些，降低了3.88 dB。

圖12　船長室處理前后聲壓級對比圖(三種材料)

6　結論

采用統計能量法對三用工作船的目標艙室進行噪聲預報，針對不同的噪聲源及它們對艙室的影響結果，分析艙室各自的噪聲特性。

對于遠離主機艙噪聲源的生活艙室，結構的振動噪聲是其主要誘因。根據預報所得聲壓級頻率譜，選取合適的吸聲材料可以達到較好的降噪效果。

選取的三種針對不同頻段的吸聲材料僅作為對照參考(一般情況下，密度、容重大的材料，其低頻吸聲性能好，高頻吸聲性能較差；而松軟、容重小的材料則相反)。由于材料的厚度、容重或孔隙率對吸聲效果有很大的影響，同一種材料，當厚度不同時，吸聲系數和吸聲頻率特性也不同。因此具體選用時，應根據計算所得聲壓級譜查閱相關聲學手冊。

[1]孫麗萍,聶武.船舶結構振動噪聲分析及其進展[J].船舶力學,2003⑴:116-121.

[2](俄)阿· 斯·尼基福羅夫. 船體結構聲學設計[M].北京:國防工業出版社，1998.

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

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[6]中國船級社，船舶及產品噪聲控制與檢測指南[S].2013.

Cabin Noise Prediction and Control about AHTS

CAI Xu-long, CHEN Chao-he, LIU Yue-qin

(South China University of Technology, Guangzhou Guangdong 510000， China)

Based on the principle of energy statistics, using VA-ONE to make the prediction of target cabins under multiple excitations, and analyze their own noise characteristics in order to achieve the detail sound pressure level. By conclusion, the target cabins far from the main engine are mainly infected by structure-borne noise. Then chose three kinds of suitable acoustic materials and a group of the three referring to the sound pressure level to compare the different results. These analysis could provide that the right acoustic materials chosen according to different frequency, the sound absorption will be better.

Multiple excitationsEnergy statistical principleNoise predictionSound absorption

國家級基金：海上風電浮式基礎動力特性研究(編號：51049010)。

蔡旭龍(1988-)，男，碩士研究生，研究方向為船舶與海洋工程結構物制造。

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