基于VA One船舶艙室動力設備空氣噪聲控制分析

胡凡，車馳東，李正陽

（上海交通大學 動力裝置及自動化研究所，上海 200240）

隨著現代化船舶對安全性及舒適性要求的不斷提高，船舶艙室噪聲的預報及控制在船舶設計階段受到越來越多的關注。根據國際海事組織（IMO）最新的《船上噪聲等級規則》，對于10 000總噸級以上的船舶，其噪聲上限值均在原來的基礎上降低了5 dB，增加了噪聲控制的難度[1]。因此，船舶早期聲學設計的重要性日益突出，若能在船舶總體設計階段及早發現噪聲超標隱患，則可極大降低后續設計階段的噪聲控制成本。

船舶噪聲的傳播主要有兩種途徑：1）結構聲傳播，即動力設備工作時產生的結構噪聲，然后通過剛性連接由船舶結構向其他艙室傳播；2）空氣聲傳播，即動力設備工作時產生空氣噪聲，然后通過空氣或者其他介質透過艙壁傳播至其他艙室[2-3]。由于聲音也是機械振動能量的一種形式，當能量從聲源產生，進而經過若干條傳播途徑到達接收者，此過程也是噪聲源能量從產生到耗散的一個過程[4]。按照聲源-路徑-接受者這個過程分析，控制噪聲也就有三種途徑：聲源噪聲的控制、傳播途徑的控制、接受者噪聲防護設備的使用。

目前在船舶艙室噪聲控制方面，對于阻尼與吸聲材料在復合結構板中對隔聲性能的影響研究較少，因此文中研究的重點在于阻尼復合板的隔聲性能[5]。主要從噪聲傳播途徑的控制展開，利用VA One軟件建立艙室統計能量分析（SEA）模型，對艙室壁板隔聲性能進行研究，分析不同約束條件及敷設方式對于艙壁隔聲量的影響，為艙室動力設備空氣噪聲控制措施提供參考。

1 兩個子系統SEA模型

統計能量分析中的子系統必須是可貯存振動能量的子系統，由這些子系統組成的統計能量分析模型可以表示出該模型能量的輸入、儲存、耗損和傳輸的特征[6]。

1）單個子系統。對單個子系統的損耗功率Pd有如下基本關系：

式中：ωn為振子固有頻率；E為能量；η為內損耗因子。

2）兩個子系統。圖 1為由兩個子系統耦合而成的系統，其中一個子系統由外載荷直接激勵，另一個子系統則僅是通過耦合來驅動的。

兩個子系統間能量平衡方程為：

式中：P為系統輸入能量；ηij為耦合損耗因子；n為模態密度；E為能量；ω為分析頻段的中心頻率；ηi為阻尼損耗因子。

通過計算將阻尼損耗因子代入統計能量分析平衡方程，求解方程得到各子系統的能量，再利用聲腔子系統質點振動速度、聲壓和能量之間的關系式（3）求出某聲腔子系統的聲壓[7-9]。

式中：m為板質量；V為聲腔體積；ρ為空氣密度；c為聲速。

2 艙室間空氣聲傳遞損失計算

空氣聲隔聲是噪聲控制中最常用的技術之一，包圍船舶艙室間的艙壁結構，本身就具有一定的隔聲性能。其隔聲效果在一定程度上決定了艙室內的噪聲等級，是計算艙室噪聲水平的重要參數。

圖2為兩相鄰艙室間空氣聲傳遞示意圖。在計算與聲源相鄰艙室的空氣噪聲時，受聲室的聲壓級可表示為：

式中：Lp,S為聲源室聲壓級，dB；δTL為艙室間的傳遞損失，dB；S為聲源室與接受室之間的隔板面積，m2；AE為受聲室的總吸聲面積，m2。

船舶艙室中空氣聲的傳播受到艙室邊界和其他物體的反射，同時還受到其他聲波的干擾，室內聲波不再遵循自由聲場中的傳播規律。為了便于計算，通常假設船舶艙室噪聲聲源為平均聲能處相等的擴散聲場，則式（4）中 δTL為隔板隔聲量，它是入射到隔聲結構與投射過隔聲結構的聲功率差，是工程中最常使用的評價結構隔聲性能的指標[10]，其計算公式為：

式中：Wi為聲源室入射聲功率，W；Wt為透射聲功率，W；τ為透射系數。

3 典型艙室隔聲性能分析

3.1 數值分析模型

在船舶進行減振降噪處理時，大量使用粘彈性阻尼材料，根據其阻尼結構形式的不同可以分為兩種基本形式：一種是阻尼材料或者阻尼層直接添加在基材的表面，稱為自由阻尼；另一種是在自由阻尼層的基礎上又添加一層彈性模量遠遠大于阻尼層的約束層，稱為約束阻尼。自由阻尼結構其原理主要是阻尼材料隨著基材振動而發生拉伸變形，從而起到減振的作用；約束阻尼結構其原理是隨著自由阻尼的拉伸變形，依靠約束層和自由阻尼的相對位置使阻尼層產生剪切變形，從而起到減振的作用[11-12]。兩種結構如圖3所示。

針對自由阻尼和約束阻尼結構的隔聲效果，在艙壁厚度一定的條件下，建立兩個艙室的 SEA模型。定義板結構的尺寸為3 m×3 m，兩側聲空間尺寸均為5 m×5 m×4 m，如圖4所示。其中左邊是聲源室，右邊是受聲室，中間為一塊使用粘彈性阻尼材料的粘接復合板。復合板金屬層材料選用的是鋼板，阻尼層選用的材料為橡膠板，兩種材料的屬性見表1。

表1 復合板材料屬性

3.2 隔聲量分析

在不考慮溫度和頻率等對阻尼性能的影響下，選取31.5~8000 Hz之間的9個倍頻程作為主要的分析頻帶。設定自由阻尼結構參數為：100 mm鋼板+50 mm阻尼層；約束阻尼結構參數為：50 mm鋼板+50 mm阻尼層+50 mm鋼板。圖5和表2為兩種不同阻尼結構對應的隔聲量。

表2 兩種結構隔聲量

分析結果顯示，約束阻尼結構隔聲量A計權聲壓級比自由阻尼結構高出約 1.1 dB，說明對于 0.15 m厚壁板而言，約束阻尼結構其隔聲性能要好于自由阻尼結構。為了探究此結果對于不同厚度壁板的適用性，選擇不同厚度壁板作進一步分析。圖6和表3、表4分別為0.09 m厚與0.25 m厚壁板兩種結構的隔聲量數據，對應的結構參數為：40 mm鋼板+50 mm阻尼層，20 mm鋼板+50 mm阻尼層+20 mm鋼板；200 mm鋼板+50 mm阻尼層，100 mm鋼板+50 mm阻尼層+100 mm鋼板。

表3 0.09 m壁板兩種結構隔聲量

表4 0.25 m壁板兩種結構隔聲量

從上述結果可知，兩種結構的隔聲性能是隨著壁板厚度的變化而變化。對于0.09 m壁板，自由阻尼結構隔聲量A計權聲壓級比約束阻尼高出約1.6 dB；對于0.25 m壁板，約束阻尼結構隔聲效果則更好。根據以上分析，對于高頻噪聲，約束阻尼結構隔聲效果總是優于自由阻尼結構。當壁板厚度較低時，自由阻尼結構 A計權隔聲效果更好。隨著厚度的增加，約束阻尼結構優勢更加明顯。

如圖7所示，將自由阻尼結構金屬層和阻尼層之間的相對位置進行調整，分析其隔聲性能的變化，圖8為分析結果。根據圖7顯示，自由阻尼結構改變金屬層和阻尼層的相對位置，對其隔聲性能沒有任何影響。

在保證阻尼層厚度和壁板總厚度不變的條件下，對約束阻尼結構兩側金屬層厚度作進一步分析，厚度差對隔聲量的影響見表5。從表5可以看出，采用兩側金屬層厚度方式敷設時，約束阻尼結構的隔聲性能是最好的。隨著厚度差的增大，其隔聲效果也逐漸降低。

4 結論

文中建立了兩相鄰艙室的 SEA模型，討論了約束阻尼結構和自由阻尼結構對壁板隔聲性能的影響。通過VA One軟件計算結果比較可見，在阻尼層厚度和壁板總厚度一定時：1）對于高頻噪聲，約束阻尼結構隔聲效果總是優于自由阻尼結構；2）對自由阻尼結構，金屬層與阻尼層之間的相對位置對實際的隔聲性能并沒有影響；3）對于約束阻尼結構，兩側金屬層等厚敷設時，其隔聲效果最優，且兩側厚度差越大隔聲量越小。

表5 厚度差對隔聲量的影響