船舶艙室聲能量分析及預測設計

黃志武，葉林昌，童宗鵬

（中國船舶重工集團公司 第七一一研究所，上海 201108）

船舶艙室聲能量分析及預測設計

黃志武，葉林昌，童宗鵬

（中國船舶重工集團公司 第七一一研究所，上海 201108）

以一艘高噪聲指標要求的電力推進船舶為研究對象，基于統計能量理論利用VA One軟件進行全船的艙室聲能量分析及降噪預測設計研究。通過評估分析主要噪聲源的聲能量貢獻度，實現降噪指標的定量分配，針對關鍵艙室的噪聲比50 dB（A）限值高出約40 dB（A）的降噪難點，采用柴油發電機組低噪聲箱裝體設計，應用推進電機硬彈性復合隔振、基座阻尼減振等技術；分析主要噪聲源能量傳遞路徑，在路徑上采取吸隔聲處理措施。降噪處理后，實船效果滿足噪聲指標要求。

聲學；統計能量法；噪聲評估；聲能量分析；降噪優化

船舶作為最主要的水上交通工具，隨著建造水平的不斷提高，人們開始更加關注它的低噪聲舒適性，要求能夠“安靜航行。國際海事組織IMO在進一步提高船舶噪聲指標要求的的同時，也對我國的造船水平提出了更高的要求。船舶由各種不同結構尺寸的加筋板，動力裝置以及輔助設備組成，主要噪聲源有主機噪聲、推進器噪聲和水動力噪聲［1］。結構的復雜性，設備的多樣性以及噪聲來源的不唯一性使得船舶噪聲的計算變得非常困難。經典的模態分析方法局限于對能夠清楚辨識的有限數量的低階模態進行分析，隨著頻率向更高擴展，結構的模態變得更加密集，模態分析方法誤差迅速增大，且高頻模態參數對結構參數的微小變化十分敏感，高頻分析具有極大的不確定性［2］。統計能量法（Statistical EnergyAnalysis）對局部細節不感興趣，關心時域、頻域和空間上的統計平均，抽取研究對象的集合特征，對共振模態進行平均，對分析高頻、高模態密度的復雜結構具有很好的效果，模態越是密集，計算精度也就越高［3］。

經過諸多學者的不懈努力，統計能量法已經廣泛應用于航空航天［4］、軌道交通［5］、建筑［6］、汽車［7］、船舶［8］等領域的聲振問題計算。本文基于統計能量法的基本原理，對某船艙室噪聲水平，噪聲傳遞路徑，關鍵艙室噪聲貢獻量進行計算分析，并在此基礎上對船舶進行降噪處理。

1　統計能量法的基本原理

統計能量分析法的基本方程為功率流平衡方程，將復雜結構耦合動力學系統分解成N個子系統，各子系統的輸入功率等于該子系統傳遞給其它子系統的功率流與該子系統內部的損耗功率流之和。

設Pi，in為外界向子系統i的輸入功率，Pi，diss為子系統i的損耗功率，Pij為子系統i傳遞到子系統 j的凈傳遞功率（子系統間的功率傳遞為雙向傳遞）。

子系統內部損耗功率Pi，diss

式中ωn為固有頻率，E為系統內部能量，ηi，diss為內部損耗因子，n（ω）為模態密度，φ為模態功率。

引入保守耦合假設和互易關系，則子系統i傳遞到子系統j的凈功率流為

引入弱耦合假設，各子系統的激勵相互獨立，則子系統i穩態振動時功率流平衡方程可表示為

將上式擴展到N個子系統，并寫成矩陣形式

通過求解上述矩陣，得到系統中各子系統的能量，就可以得出系統的時間和空間平均振動速度以及聲壓

在改革進程中，全國人大常委會是否有權授權進行監察體制改革試點，存在較大爭議。監察體制是政治體制的重要組成部分，監察體制改革超越了當時憲法規定，人大常委會采取授權試點的方式，一定程度上解決了改革合憲性問題，為緩解改革與法治之間的緊張關系，提供了一種變通模式。但有學者認為，授權監察體制改革試點屬于全國人大的職權，沒有全國人大授權，作為全國人大常設機構的常委會，無權授權監察體制改革試點[15]。而“授權試點”是改革過程中的一項憲法工程，應當具有法律依據。這表明，《立法法》第13條能否為“授權試點”提供規范依據，如何使其具有更堅固的法律基礎，是個值得研究的問題。

其中 ρ為聲傳播介質密度，c為聲速，V為聲腔體積。

2　噪聲評估與貢獻量分析

本文研究對象為2015年承制的一艘演藝船，配置三臺柴油發電機組，采用電力推進方式。主要艙室有表演區域和貴賓包廂等，表演區域為中空結構，沿船長方向劃分為ABCD區，下部為下陷池，用于布置升降舞臺。在VAOne軟件中建立全船SEA模型，如圖1所示，實船見圖2。

圖1　全船SEA模型

圖2　實船

求解頻率范圍為63 Hz～8 kHz，考慮全船主要的噪聲源：柴油發電機組、推進電機、舵槳以及空調的結構噪聲與空氣噪聲，激勵數據根據設備主要參數通過經驗公式計算并結合試驗數據對比修正后得出。

通過統計能量法求解，各艙室聲壓級列于表1中，表演區域的艙室噪聲超過限值要求約40 dB（A），貴賓包廂超標22 dB（A）。對艙室噪聲進行聲能量貢獻量分析，結果列于表2。

表1　艙室噪聲評估/dB（A）

3　降噪處理與結果分析

從表2中可以看出，關鍵艙室的噪聲能量主要來自于柴油發電機組，其次為推進電機。基于聲能量貢獻量分析來分配降噪指標，對柴油發電機組和推進電機進行降噪處理。

3.1柴油發電機組低噪聲箱裝體設計

將柴油發電機組彈性安裝于箱裝體中，形成低噪聲動力模塊，如圖3所示。

采用雙層隔振形式，柴油機先通過圓錐形隔振器安裝在筏體上，整個箱體再通過平板型隔振器安裝在發電機組基座上，隔振量為50 dB。箱體采用特殊的隔聲材料，外部安裝有進排氣消聲器，總隔聲量為25 dB（A）。基座采取阻尼處理，進一步抑制傳遞到船體的振動。

表2　艙室噪聲能量貢獻量分析

圖3　箱裝體模塊

3.2推進電機硬彈性隔振設計

對柴油發電機組降噪處理之后，其貢獻量下降為33.96%，推進電機成為最主要的噪聲貢獻源，貢獻量上升為41.78%，其中結構噪聲占41.61%。電力推進方式與傳統的推進方式相比，噪聲情況有很大的改善，所以民用船舶推進電機較少做隔振處理。由于本船噪聲指標要求較高，推進電機為第二大噪聲源，有必要對其進行隔振設計。采用硬彈性隔振技術，隔振裝置由硬彈性隔振器和高分子阻尼材料組成，推進電機剛性安裝在過渡墊板上，再通過硬彈性隔振器與高分子阻尼梁連接，阻尼梁固定在船體上，如圖4所示，隔振量為25 dB。

圖4　推進電機隔振裝置

3.3結果分析

設備降噪處理后，重新評估全船噪聲水平，表演區域聲壓級下降約25 dB（A），貴賓包廂聲壓級下降11 dB（A）。在此基礎上，考慮全船的甲板敷料、絕緣布置以及木作處理，艙室噪聲值進一步下降，如下表3所示。

表3　降噪處理后艙室噪聲評估 單位：dB（A）

設備噪聲貢獻量發生變化，主要為柴油發電機組的空氣噪聲和空調系統的結構噪聲，如下表4所示。

4　降噪優化及實船驗證

降噪處理后，關鍵艙室的聲壓級超過限值要求約2 dB（A）。分析噪聲源聲能量傳遞路徑，下圖5給出1 000 Hz處全船聲功率級大于60 dB的聲能量傳遞路徑。柴油發電機組和空調系統的噪聲主要通過艙室上方甲板以及下陷池壁向外傳遞。第一部分能量在傳遞過程中受到甲板敷料，艙室吸隔聲處理的影響，迅速減弱。由于下陷池上方表演區域中空的結構特點，第二部分能量得以完全地輻射到ABC區中，造成聲壓級超標。

根據能量傳遞路徑分析，結合ABC區的具體結構，將下陷池前后圍壁鋼板厚度由5 mm增加為8 mm，增加鋼板的隔聲量，在池壁上敷設50 mm厚復合巖棉板來增加吸聲量，在發電機艙、舵槳艙以及空調機艙敷設阻尼材料。結果表明，優化吸隔聲處理后，超標艙室的聲壓級都下降到了限值以下，同時其他艙室的噪聲情況也得到了改善。下表5給出優化前后艙室噪聲評估結果，與實船噪聲測試結果一并列于表中，測試結果與計算結果相差約2 dB（A），噪聲預測與實船符合較好。

表4　降噪處理后聲能量貢獻量

圖5　聲能量傳遞路徑

表5　優化前后艙室噪聲評估對比/dB（A）

5　結語

本文采用統計能量法對一艘高噪聲指標要求船舶完成全船艙室噪聲的預報評估，通過對關鍵艙室聲能量的主要貢獻源及其傳遞路徑分析，在此基礎上結合艙室具體結構特點，提出對柴油發電機組以及推進電機進行隔振設計，優化吸隔聲敷料處理，增加阻尼處理等措施，降噪效果明顯。實船應用表明，降噪預測設計值與實測值基本一致，形成的艙室降噪預測設計方法可為全船降噪設計提供參考。

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［3］尹忠俊，岳恒昌，陳兵，等.基于統計能量法的排氣管道系統的振動和噪聲分析與研究［J］.振動與沖擊，2010，29（2）：159-162.

［4］張婧雯，孟光，游進，等.基于統計能量法的聲場-結構耦合模型高頻振動隔振分析［J］.振動與沖擊，2009，28（12）：19-22.

［5］段金明，周敬宣，李艷萍.統計能量分析在輕軌交通噪聲預測中的應用［J］.華中科技大學學報，2002，19（3）：57-60；2013，33（6）：129-133.

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Acoustic EnergyAnalysis and Prediction Design of Ship Cabins

HUANG Zhi-wu，YE Lin-chang，TONG Zong-peng
（SMDERI，Shanghai 201108，China）

An electric propulsion ship with serious noise limitation is studied.Based on the statistical energy analysis（SEA）method，the VA One software is used to calculate the noise of the whole ship.The acoustic energy of the cabins is analyzed and the noise reduction and prediction method is studied.Through the analysis and evaluation of the acoustic energy contribution of the main noise sources，a rational quantitative distribution of the noise reduction is realized.Aiming at the difficulty that the noise of the key cabin exceeds the critical value of 50 dB（A）by 40 dB（A），several innovative technologies，such as the low noise package module of the generator，the hard elastic composite isolation system for the propulsion motor and vibration damping system for the base，are designed and applied.Through analyzing the transfer path of the acoustic energy of the main noise sources，the noise absorption and isolation measures are applied in the path.After the de-noising process，the SPL of the real ship can meet the noise reduction requirements.

acoustics；SEA；noise assessment；acoustic energy analysis；noise reduction optimization

TU112.3 U66

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.05.019

1006-1355（2016）05-0090-04

2016-03-31

黃志武（1992-），男，江西省贛州市人，在讀研究生，主要研究方向為船舶動力系統減振降噪。

童宗鵬，男，博士，研究員，碩士生導師。E-mail:tongzongpeng@sina.com