中小型集裝箱船噪聲快速預報與測試研究

傅 斌 陳景昊 韓晨建 吳衛國

(武漢理工大學交通學院1) 武漢 430063) (中國船級社舟山辦事處2) 舟山 316000)(中國船級社溫州辦事處3) 溫州 325000)

中小型集裝箱船噪聲快速預報與測試研究

傅 斌1,2)陳景昊3)韓晨建2)吳衛國1)

(武漢理工大學交通學院1)武漢 430063) (中國船級社舟山辦事處2)舟山 316000)(中國船級社溫州辦事處3)溫州 325000)

利用基于統計能量分析法的ESI.VA one軟件對某中小型集裝箱在設計階段進行聲學建模,采用快速預報的方法為設計階段的船舶艙室噪聲控制提供指導,并在后期的實船測試中對其預報精度進行了驗證.結果表明，由于預報時選用的激勵計算往往偏大，同時未計及一些艙室的防火分隔帶來的隔聲效果，因此，若按上述保守方式建模預報對比公約偏大值控制在3 dB以內，在實測時基本可以滿足公約要求.在測試階段時，對于部分人員嘈雜的艙室，需要合理的協調并處理，最后由于統計能量分析法無法考慮局部共振的影響，對于振動計算中局部共振區域要特別關注.

噪聲快速預報;噪聲測試;統計能量分析法

0 引 言

隨著近代科學技術的飛速發展和船舶體系管理的日益完善，對船舶的要求也不再局限于其安全性、快速性和經濟性等方面，對船舶的舒適性即船員和乘客的居住環境提出了更高的要求，其中，船舶的振動與噪聲問題一直是困擾研究者的一個重要問題[1-2].由文獻[3]可知，船舶的噪聲等級被列為公約要求的法定指標，這給我國中小型船廠帶來了巨大的沖擊.文中基于對某2 339 TEU集裝箱船的噪聲預報與測試，以期為該類型船舶在設計階段的噪聲預報與控制及后期的測試提供有益建議.

在聲學有限元計算中對網格的尺寸要求非常高，一般要求其最大邊長需小于1/6的彎曲波波長[4]，這就對計算機的計算能力和計算效率提出了很高的要求.而統計能量分析法(statistical energy analysis method,SEA)，采用統計的思想，利用系統能量去研究外激勵下結構的動力學響應問題，可以提高計算效率，同時其精度也可以被工程上所接受，因此目前工程上普遍采用SEA進行噪聲預報.

1 聲學模型的建立

1.1 建模的基本原則

本文的研究對象為一艘2 339 TEU尾機型集裝箱船，該船的主尺度及主要參數見表1.

表1 2339TEU集裝箱主尺度及主要參數

對于該船，其生活區與主要的噪聲源均位于尾部，因此，對模型進行簡化，只對從尾封板到機艙前端壁區域(Fr.-5-200 mm～Fr.50)進行建模，基本原則如下.①由于介質的不同，將水線上下的板分別建模.②各類開口和門窗均直接采用板結構建模而不予模擬.③由于結構的自然邊界，可能劃分出部分模態數較小的聲腔，不利于后續的計算，因此在進行艙室劃分時，充分考慮同類艙室的相似性，將其劃分在一起.④根據艙室結構布置圖對實際的內裝材料進行統計，充分考慮其對噪聲預報的影響.⑤駕駛室、集控室、船員房間等艙室采用聲腔形式來進行模擬.⑥外界流場采用空氣或者海水的半無限域流場來模擬.

1.2 建模的基本流程

通過對預報船總布置圖、艙室布置圖、設備布置圖及設備說明書等資料的分析，通過MSC.PATRAN軟件對本船尾部機艙及上層建筑區域進行有限元模型的建立，并通過將導出*.bdf文件輸入ESI.VAone軟件中，構建基于統計能量分析法的聲學預報模型見圖1.

圖1 建模基本流程及模型圖

2 噪聲源及基本參數的確定

2.1 激勵源

本船尾機型集裝箱船，采用了一臺滬東重機生產的6G60ME-C9.2型12 840 kW的主機，額定轉速為97 r/min，螺旋槳采用槳葉直徑為6 700 mm的5葉槳，同時該船還配備了現代重機生產的HFC7 568-08P型1 368 kW和HFC7 636-08P 型1 824 kW的發電機各兩臺，額定轉速均為900 r/min.

文中計及預報船主要激勵源，包括螺旋槳激勵、主機激勵和發電機的激勵.在預報中激勵源可以采用實測數據和經驗公式，一方面在進行噪聲預報階段時多數船還處于設計階段無法采取實測，另一方面該船為系列船首制船無姊妹船可以參考，因此，在預報時均采用經驗公式.選用文獻[5]中主機及發電機基座處振動加速度級式(1)進行估算,主機及發電機的空氣聲采用式(2)進行計算；同時采用式(3)對螺旋槳在船底板引起的激勵進行估計[6].

(1)

式中：m為發動機質量，kg；ne為發動機工作轉速，r/min；Pe為額定功率，kW；n為發動機工作轉速，r/min;f為頻率，Hz.

Lw=57+10 lg(hp)+C0(dB)

(2)

式中：hp為主機額定馬力；C0為修正值，參考聲功率為10-12W.

Lv(propeller)=c+10 lg(M×z)+

refV0=10-9m/s

(3)

2.2 模態數

在SEA分析中，z≥5為高頻區，1

圖2 模態數圖

2.3 損耗因子

損耗因子分為內損耗因子和耦合損耗因子，船結構模型在分析時視為弱耦合結構動力學問題的求解，而VA ONE自帶的基于波分析法的損耗因子的計算可以適用于這類結構的求解[7-9].

2.4 噪聲預報結果

根據對板子系統和聲腔子系統模態數的計算，確定對模型80～8 000 Hz范圍內1/3倍頻程中心頻率進行預報，各艙室聲壓級曲線見圖3.

圖3 各艙室聲壓級曲線圖

在設計階段的預報，激勵源的計算往往采用偏大選取，同時一些特殊的內裝材料也先不在考慮范圍內，一般會造成艙室噪聲比實測值大，因此某些艙室的噪聲預報值稍微大一點并不要緊，但是本次計算中的醫院的噪聲值明顯偏大接近了64 dB，考慮到其周圍還有一個風道在預報中未計及，因此在設計階段對該艙室的內裝材料進行了特別考慮，增加了一些吸聲材料，而后預報值下降至約61 dB左右.其余個別艙室預報值雖有稍大于公約值的現象，但大體還在控制范圍中.

3 噪聲測試

船上噪聲測試所需的儀器包括聲級計、倍頻層濾波器、傳聲器風罩和聲音校準器.根據CCS要求，聲壓級測量須采用精密積分聲級計進行，同時應符合IEC61672-1(2002-05)1類型/級標準.

3.1 測試條件

試航時，天氣狀況良好，蒲氏風力約為3級，目測波高不超過1 m，同時船舶處于開闊水域，周圍無島嶼或大型船舶等大面積反射物，水深58 m，大于5倍吃水(d=8.5).噪聲測量時，船舶處于壓載工況，主機功率為額定功率12 840 kW，轉速為額定轉速97 r/min，四臺發電機處于正常工作狀態，分別為900 r/min，1 368 kW和900 r/min，1 824 kW，除此之外正常航行所需的機械、航行儀器、無線電、雷達等裝置均處于正常工作狀態.除個別航行中必須開啟的門窗外，艙室門窗處于緊閉狀態.

3.2 測試的基本原則

1) 對于居住艙室和工作間，測量點盡可能選擇靠近人員工作的位置，工作間測量時傳聲器應放在甲板以上1.2 m(模擬坐著的人員)和1.6 m(模擬站著的人員)的高度處，居住艙室測量時需要考慮將床頭作為一個測量點[10].

2) 兩個測量點之間的距離至少應為2 m，在無機艙的大處所內，整個處所應按不超過10 m的間距進行測量.

3) 傳聲器位置應距離反射表明1 m以上，并盡可能遠離反射表面.

4) 在測量噪聲級時，傳聲器的位置應盡可能與氣流方向的夾角不小于30°，且距發動機、通風、空調和冷卻系統的進氣口或排氣口邊緣不小于1 m.

5) 在電力設備附近測量時，應考慮電磁場對測量結果的影響.如果改變傳聲器方位(不改變位置)發現積分聲級計指示的聲級有明顯變化，應變換聲級計的方位或者在離磁場更遠的地方進行測量.

6) 在振動明顯的環境中進行測量時應考慮振動對測量結果的影響，避免振動方向與聲級計的膜片方向垂直.

4 噪聲預報與測試結果對比分析

表2為噪聲預報與測試結果.

由表2可知，多數非機器處所艙室的預報值比實測值高3～6 dB，其主要原因有以下兩點：①激勵源的影響，本文的預報時在設計階段進行的，同時該船又是首制船，激勵源只能采用經驗公式，具有一定的誤差，同時考慮到外國船東對噪聲指標比較苛刻，在預報階段的激勵經驗公式選取采取偏保守的方式，因此最后的預報值偏大；②內裝材料的影響，在預報時都只考慮了普通的內裝材料，未計及船上一些特殊的防火分隔材料，如A60，A30等，造成廚房(SOLAS公約中定義為較大失火危險的服務處所)，應急發電機間(SOLAS公約中定義為A類機器處所)等特殊艙室周圍的艙室噪聲預報值偏大更多，本模型預報中應急發電機間的A60防火材料由其他艙室的普通材料代替，因此，上方的醫院和側方的水手廚工室噪聲偏大，醫院的預報值高達63.54 dB，廚工水手6的預報值達到了63.23 dB，高于同層甲板其他艙室3 dB左右.對應急發電機間施加A60防火材料前后，醫院的噪聲預報聲壓級曲線見圖4，下降約3.5 dB.

表2 噪聲預報與測試結果 dB

圖4 處理前后醫院聲壓級曲線

對于部分艙室，如駕駛室的噪聲要比實測值要小很多，主要有兩方面原因：一方面在試航階段，根據振動測試顯示羅經甲板出現了共振現象，而采取統計能量法無法預報到該現象；另一方面試航時，駕駛室人員較多，環境嘈雜，使得其測試值較真實值偏大.而對于廚房，預報值比測試值要大很多，這主要是測試時并不是在廚房工作期間，而預報時外加了一個空氣聲的激勵.

5 結 論

1) 在設計階段時，激勵源的計算值往往偏大，同時不計及一些特殊的防火材料，這樣會造成預報值偏大，因此若按上述保守方式建模預報值對比公約值偏大值控制在3 dB以內，在最后實測時多數能滿足.

2) 噪聲測試時，對一些環境比較嘈雜的艙室，如駕駛時的測量，要與船長等協商好，并在后期對其進行適當的修正.

3) 采用統計能量分析法無法計及到由于局部共振引起的某些艙室的噪聲值偏大，因此當振動計算發現某些結構存在共振現象時，應特別注意其周圍艙室的噪聲情況.

[1] 張立.基于國際新規范的艙室噪聲預報與控制技術研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2012.

[2] 陳實.基于IMO新標準的船舶艙室噪聲研究[D].大連:大連理工大學,2013.

[3] 國際海事組織.船上噪聲等級規則[Z].倫敦:國際海事組織,2014.

[4] 李增剛,詹福良.Virtual.Lab Acoustics聲學仿真計算高級應用實例[M].北京:國防工業出版社,2010.

[5] 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.

[6] NILSSON A C. Noise Prediction and Prevention in Ships[C]. America:Arlington,1978.

[7] 高麗莎.基于實船試驗的鋼鋁混合結構船舶噪聲預報與控制研究[D].武漢:武漢理工大學,2014.

[8] 陳景昊.異種混合結構耦合損耗因子研究[D].武漢:武漢理工大學,2015.

[9] 陳景昊,吳衛國,林永水.基于有限元能量流的混合結構間耦合損耗因子[J].中國艦船研究,2016,11(4):79-86.

[10] 中國船級社.船舶及產品噪聲控制與檢測指南[Z].北京:中國船級社,2013.

Research on Acoustic Rapid Prediction and Noise Test of Small and Middle Size Container Ship

FUBin1,2)CHENJinghao3)HANChenjian2)WUWeiguo1)

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)1)(ZhoushanOffice,ChinaClassificationSociety,Zhoushan316000,China)2)(WenzhouOffice,ChinaClassificationSociety,Wenzhou325000,China)3)

The acoustic rapid prediction of a 2339TEU container ship is carried out by ESI.VA One based on the statistical energy analysis method. Fast prediction method provides a guidance for ship cabin noise control in design phase, and the forecast accuracy is verified by full scale tests. Because the excitation calculation of simulation is relatively large and the fire separation is ignored, the simulation result is more than the requirement of convention about 3dB according to the conservative method above, but the test result meets the requirement of convention. Meanwhile, for some chaotic cabin, a more reasonable method should be adopt in the test phase. Finally, because the statistical energy analysis method can not consider the effect of local resonance, which should be paid special attention.in the calculation of vibration.

acoustic rapid prediction; acoustic test; statistical energy analysis method (SEA)

U661.44

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.05.020

2017-07-12

傅斌(1971—)：男，碩士，高級工程師，主要研究領域為船舶檢驗及結構振動與噪聲控制