基于統計能量法的郵輪艙室噪聲預報與控制

吳曉佳，溫華兵，吳俊杰，李 軍，李曉亮

（江蘇科技大學 能源與動力學院，江蘇 鎮江 212003）

由于近年來中國經濟快速增長，讓郵輪在國內市場有了廣闊的發展前景。同時政府相關政策的支持，也為我國進軍郵輪建造領域提供了寶貴的發展機遇。郵輪是典型的高技術、高附加值的船舶[1]，其對舒適性要求極高，郵輪的舒適度主要體現在艙室振動和噪聲控制方面。因此開展郵輪艙室減振降噪技術的研究工作，對于以后國內在該領域的發展具有重要的意義和實用價值。

目前船舶艙室噪聲預報的方法主要有有限元法、邊界元法和統計能量分析法(SEA)等[2],近年來，許多學者已經利用統計能量法對相關船舶艙室進行了噪聲預報分析。溫華兵等[3]對全回轉拖輪艙室進行了噪聲預報分析，確定了激勵源的大小和位置，并將預報結果和實驗結果進行了對比分析，計算了激勵源對目標艙室噪聲水平的貢獻率，驗證了SEA方法在艙室噪聲預報中的可行性。陳攀等[4]以海洋平臺為研究對象，分析了艙室有無舾裝材料時的噪聲情況，得到了舾裝材料對噪聲預報精度有明顯影響，在參數設置時則需要考慮舾裝影響的結論。Xi[5]研究了自升式鉆井平臺結構噪聲的傳播規律，分析可得噪聲源艙室及相近艙室需要優先分析考慮，可通過在源艙室邊界進行吸隔聲處理來降低噪聲的傳播。王充[6]對海上豪華游艇艙室噪聲進行了預報分析，得到了對于噪聲超標艙室可以根據能量傳遞路徑來提出具體的處理措施。劉錕等[7]研究了某油船居住艙室的噪聲情況，對噪聲較大的艙室鋪設了浮動地板，分析得浮動地板能有效降低船舶艙室的噪聲，可以在艙室中廣泛應用。

本文以大型郵輪為對象，對其艙室進行了噪聲預報分析。根據郵輪激勵源布置特點，主要考慮了柴油機等動力設備的空氣和結構噪聲，并將動力設備艙室和生活娛樂艙室的預報噪聲結果與IMO標準限值進行比較，隨后對相關的艙室鋪設了不同的浮動地板結構并討論了其降噪性能，并分析浮動地板中不同厚度的礦棉對其聲學特性的影響。

1 郵輪SEA分析模型

1.1 模型的建立

本文研究對象為一艘航行于國際短途航線的郵輪，全船總共有10層甲板。郵輪下層船體（1甲板至4甲板）主要為動力設備艙和車輛艙，上層船體（5甲板至9甲板）密集布滿了居住艙室及日常工作艙室。主要參數如表1所示。

表1 郵輪主要參數/m

根據郵輪的總布置圖和各甲板結構圖等運用PATRAN建立了郵輪的有限元模型，基于SEA子系統劃分原則，利用VA ONE軟件將有限元模型轉化成SEA模型，如圖1(a)所示。按照艙室布置情況，以船舶艙室為基本分析單元，將各艙室內部空間簡化為空氣聲腔，如圖1(b)所示。根據圖紙定義12種不同厚度的鋼板，并根據圖紙將不同位置板子系統設置為不同的厚度，將板的材料屬性附到SEA板子系統中。根據全船甲板敷料布置圖、全船絕緣布置圖等在相應的板子系統上添加對應的聲學處理層。水線以下的板單元添加附連水，模擬海水對結構振動的影響。最后將全船進行自動連接。全船SEA模型共有1 365 227個節點，8 281個板子系統，492個聲腔。

圖1 郵輪模型

1.2 模態數

統計能量法中的模態數是描述振動系統存儲能量能力大小的一個物理量。一般認為在一定頻段內，子系統的模態數越多，計算結果越精確。因此將模態數大于5作為統計能量法應用的條件之一[2]。圖2列舉了本文所分析艙室典型子系統的模態數，在頻率范圍為63 Hz～8 000 Hz內，它們的模態數都大于5，符合統計能量分析方法的應用條件。

圖2 SEA子系統模態數

1.3 內損耗因子

內損耗因子表征子系統阻尼損耗特性，是指子系統在單位頻率內單位時間內損耗能量與平均儲存能量的比值。內損耗因子是影響統計能量分析法計算精確度的重要參數[8]。一般而言，內損耗因子是根據實驗測量得到，在缺少實驗測試數據的前提下，可以根據一些經驗公式大致估算出結構的損耗因子。對于板子系統，可以采用文獻[2]推薦的經驗公式

式中：f為頻率。

則該郵輪板子系統的損耗因子頻譜圖如圖3所示。

1.4 耦合損耗因子

耦合損耗因子是描述兩個子系統之間耦合程度的一種度量，表示了子系統之間能量傳遞過程中損耗特性。其也是統計能量分析法中重要的參數之一。SEA模型中各個子系統之間的耦合損耗因子一般是通過實驗測試獲得。但是在SEA模型建立完成后，也可以在VA ONE軟件自帶的計算模塊中，獲取耦合損耗因子的值。

圖3 板子系統的內損耗因子

1.5 噪聲激勵源

郵輪的噪聲激勵源主要分為結構振動和空氣噪聲，結構振動以加速度級的形式將振動通過機腳傳遞到設備機座及船體結構上，參考加速度為10-6m/s2；空氣噪聲以聲功率級的形式由設備通過空氣介質輻射到相應艙室，參考聲功率為10-12W。

根據廠家提供的資料，郵輪柴油機、發電機組的激勵源分別如表2、表3所示，上層建筑中的風機激勵源如表4所示。

而空調激勵則根據中國船級社規范[9]，選取空調的結構振動和空氣噪聲頻譜，如表3所示。

表2 郵輪柴油機激勵源/dB

表3 郵輪發電機組和空調激勵源/dB

表4 風機的輻射聲功率級/dB

螺旋槳激勵則采用船級社提供的經驗公式[9]來估算。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。由廠家提供資料可得螺旋槳為5葉槳，直徑為4.8 m，額定轉速為130.9 r/min。

對于激勵加載方式主要有，柴油機和發電機組的激振力直接加載在船體基座結構上，在SEA模型中通過點力添加在基座上，而空調系統的激振力則直接添加在空調室的甲板上。螺旋槳產生的脈動壓力轉化為螺旋槳對舵機艙底板的激振加速度，在SEA模型中，通過將加速度激勵添加到螺旋槳上方的板上。柴油機、發電機組以及空調等產生的空氣噪聲，在VA ONE軟件中，通過自定義功率添加在所在艙室的聲腔上。

2 艙室噪聲預報和分析

在完成SEA模型建立，添加子系統的材料屬性以及施加振動噪聲激勵源后，郵輪的艙室噪聲預報結果如圖4所示。

圖4 郵輪艙室噪聲預報云圖

由該圖可得，艙室噪聲最大值位于機艙處，而且隨著距離噪聲源艙室的距離增加，接受艙室的噪聲值在逐步降低。由于郵輪艙室眾多，為了更好地分析其艙室噪聲特性，本文主要研究了動力設備艙室（機艙、舵機室、空調機室、風機室）和距離噪聲源較近的生活娛樂艙室（四人間、貴賓室、診療室、電影院、KTV）等典型艙室的頻譜特性。如圖5(a)和圖5(b)所示，動力設備艙室和生活娛樂艙室的噪聲頻譜圖主要與激勵源的頻譜特性以及艙室的舾裝材料特性有關。動力設備艙室的噪聲在1 000 Hz左右達到峰值，而生活娛樂艙室的噪聲則分別在100 Hz和2 000 Hz左右出現峰值。

在設計和建造郵輪時，需要遵照IMO規定對艙室噪聲進行控制。動力設備艙室和生活娛樂艙室的各噪聲值（A計權）與IMO標準限值的比較如表6所示。

由表6可得，除了四人間的噪聲值不符合IMO標準要求外，其他艙室均符合標準。分析四人間室噪聲能量輸入的路徑可得，如圖6所示，四人間的噪聲主要是通過天花板傳遞進來的，而由圖4可得四人間的上層是空調機室，所以其噪聲超標主要是由上層空調機室的結構振動和空氣噪聲引起的。

為了具體分析空調設備的結構振動和空氣噪聲對四人間的噪聲貢獻量，分別計算了在單獨考慮空調設備結構振動和空氣噪聲激勵下以及綜合考慮兩種激勵的情況下四人間的噪聲值，結果如圖7所示。

由圖可得，在63 Hz～125 Hz和500 Hz～1 000 Hz范圍內，空調設備的結構振動與空氣噪聲對四人間噪聲的貢獻量相近。在125 Hz～500 Hz范圍內，空氣噪聲對四人間噪聲的貢獻量要略高于結構振動，但是在1 000 Hz～8 000 Hz范圍內，空氣噪聲對四人間的貢獻量要顯著低于結構振動，分析可得空調設備的空氣噪聲和結構振動對四人間不同頻段的噪聲貢獻量的主導權不一樣。

圖5 郵輪典型艙室的噪聲頻譜圖

表6 典型艙室噪聲值與IMO限值的比較/dB(A)

圖6 四人間的功率輸入圖

圖7 不同空調激勵下四人間的噪聲值

在考慮空調設備兩種不同激勵特性的情況下，結構振動主要通過板來進行傳遞振動能量，而空氣噪聲也是通過與地板的耦合產生振動，最終由地板將能量傳遞到四人間，為降低四人間的噪聲值，本文主要對空調機室鋪設了3種不同結構的浮動地板進行降噪控制處理，該處理措施可以有效降低空調機組對地板結構振動能量的傳遞，從而可以減小四人間噪聲能量的輸入，不同結構的浮動地板類型如表7所示。

由圖8分析可得，在空調機室鋪設浮動地板1和3后四人間室的噪聲值在頻率為63 Hz到100 Hz的范圍內有2 dB左右的降噪量，這是由于浮動地板中粘彈性阻尼結構起到了衰減振動能量的效果。鋪設浮動地板1、2和3后四人間室的噪聲值在1 000 Hz到8 000 Hz降噪效果一般，主要是因為夾層板結構對振動能量起到了衰減作用。

圖8 不同結構浮動地板下的四人間噪聲頻譜圖

鋪設浮動地板2和3后，對比鋪設浮動地板1四人間室的噪聲值在100 Hz到1 000 Hz范圍內效果顯著，主要是浮動地板中礦棉對該頻段的振動能量起了主要衰減作用。表8為空調機室鋪設不同浮動地板后四人間室總噪聲值與IMO限值的對比。由表可知，鋪設浮動地板2和3后，艙室總得聲壓值顯著降低，且達到了IMO的標準。

為了進一步分析礦棉不同厚度對浮動地板減振降噪性能的影響，以浮動地板3為基準，設計礦棉的厚度尺寸為h=25 mm～140 mm，間隔為5 mm。得到了不同厚度下四人間室的噪聲聲壓級，如圖9所示。

圖9 不同厚度礦棉下的四人間噪聲聲壓級

由該圖可得，隨著礦棉厚度的增加四人間室的噪聲值的下降趨勢由陡峭變為平緩，在考慮經濟性的前提下，浮動地板3中的礦棉厚度取50 mm最合適。

表7 不同浮動地板的組成結構

表8 不同浮動地板下的四人間室噪聲聲級/dB(A)

3 結語

本文以郵輪為研究對象，基于統計能量法對艙室進行了噪聲預報分析。研究表明，除四人間外，其他艙室均符合IMO標準。根據四人間室噪聲的傳遞路徑得，上層空調機室結構振動和空氣噪聲對其影響較大。隨后研究了在空調機室中鋪設不同結構的浮動地板對四人間室噪聲的影響。結果表明，鋪設浮動地板2和3后對四人間室有顯著的降噪效果，且滿足IMO標準。最后分析了不同礦棉厚度對浮動地板減振降噪性能的影響，隨著礦棉厚度的增加，浮動地板減振降噪性能變優，但在考慮經濟性的條件下，取礦棉厚度為50 mm最合適。