游艇主要噪聲聲源對(duì)艙室噪聲影響研究與分析

摘? ? 要：為了研究螺旋槳結(jié)構(gòu)噪聲、螺旋槳水噪聲、主機(jī)結(jié)構(gòu)噪聲和主機(jī)空氣噪聲等主要噪聲源對(duì)游艇艙室噪聲的影響，建立了基于統(tǒng)計(jì)能量法的艙室噪聲預(yù)報(bào)模型。分析了游艇主要噪聲源螺旋槳結(jié)構(gòu)噪聲、螺旋槳水噪聲、主機(jī)結(jié)構(gòu)噪聲和主機(jī)空氣噪聲對(duì)游艇主要艙室噪聲的貢獻(xiàn)值。預(yù)報(bào)結(jié)果表明：螺旋槳及主機(jī)結(jié)構(gòu)噪聲對(duì)艙室的影響大小與艙室和噪聲源的距離成反比，隨著距離增加，噪聲顯著下降;螺旋槳水噪聲通過(guò)舷外水傳播，主要影響鄰近的艙室;主機(jī)空氣噪聲主要影響機(jī)艙，對(duì)相鄰艙的影響顯著下降。研究結(jié)果可為游艇減振降噪提供噪聲聲源治理的優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞：統(tǒng)計(jì)能量法;噪聲聲源;艙室噪聲

中圖分類號(hào)：U661.313 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： In order to study the influence of main noise sources such as propeller structure noise， underwater noise of propeller， structure-borne noise， and airborne noise on yacht cabin noise， a cabin noise prediction model was established based on statistical energy analysis method （SEA）. This paper analyzes the contribution of the main noise sources such as propeller structure noise， underwater noise of propeller， structure-borne noise， and airborne noise to the main yacht cabin noise. The results show that the influence of propeller structure noise and structure-borne noise on cabin is inversely proportional to the distance between cabin and noise source. As the distance increases， the noise drops significantly. Underwater noise of propeller spreads through outboard water， mainly affecting the adjacent cabins. Airborne noise mainly affects the engine room （source cabin）， and the effect on adjacent and isolated cabins is significantly reduced. The research results can provide the optimal scheme of noise source control for yacht vibration reduction and noise reduction.

Key words： Statistical energy analysis method （SEA）; Noise source; Cabin noise

1? ? 引言

游艇通常用于商務(wù)活動(dòng)及休閑、娛樂(lè)，具有較高的時(shí)尚性和舒適性，對(duì)噪聲性能要求甚高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在已建好的游艇上安裝聲學(xué)器材的代價(jià)約為設(shè)計(jì)中預(yù)先采取措施所需費(fèi)用的3倍左右。因此，在游艇設(shè)計(jì)階段對(duì)艙室噪聲進(jìn)行預(yù)報(bào)，使噪聲水平滿足任務(wù)書和相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的要求是很有必要的。在設(shè)計(jì)階段對(duì)艙室噪聲進(jìn)行預(yù)報(bào)并提出聲學(xué)設(shè)計(jì)的改進(jìn)措施，對(duì)縮短生產(chǎn)周期、降低成本、提高游艇舒適性有著非常重要的作用。中國(guó)船級(jí)社對(duì)船舶產(chǎn)品噪聲控制制定了預(yù)報(bào)及檢測(cè)指南，為船舶噪聲預(yù)報(bào)及研究提供了行業(yè)指導(dǎo)方法和思路[1]。

船舶艙室噪聲的預(yù)報(bào)方法及減振降噪優(yōu)化設(shè)計(jì)已成為現(xiàn)階段學(xué)術(shù)界及工程界的研究熱點(diǎn)之一。邱斌[2]、李峰[3]、徐偉[4]、王充[5]、范明偉[6]、馮博[7]及劉錕[8]等采用統(tǒng)計(jì)能量分析法（SEA）對(duì)游艇及船舶進(jìn)行艙室噪聲預(yù)報(bào)，從預(yù)報(bào)結(jié)果來(lái)看，滿足了工程精度的要求;張桂臣[9]采用“源-路徑-接受點(diǎn)” 系統(tǒng)分析法，結(jié)合房間聲學(xué)提出了一套經(jīng)驗(yàn)型的船舶艙室噪聲快速預(yù)報(bào)方法。歐禮堅(jiān)[10]經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，認(rèn)為經(jīng)驗(yàn)法預(yù)報(bào)艙室噪聲非常高效，但精度較差;而統(tǒng)計(jì)能量法預(yù)報(bào)艙室噪聲精度較高。因此，本文應(yīng)用統(tǒng)計(jì)能量法建立游艇艙室噪聲預(yù)報(bào)模型，分析游艇主要聲源（螺旋槳結(jié)構(gòu)噪聲、螺旋槳水噪聲、主機(jī)結(jié)構(gòu)噪聲和主機(jī)空氣噪聲）對(duì)游艇主要艙室噪聲的貢獻(xiàn)值，并分析各個(gè)艙室的主要聲源，從噪聲聲源治理的角度出發(fā)，為游艇減振降噪優(yōu)化設(shè)計(jì)提供可行方案。

2? ?統(tǒng)計(jì)能量分析法的基本原理

統(tǒng)計(jì)能量分析方法運(yùn)用統(tǒng)計(jì)的觀點(diǎn)，從能量角度分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)在外載荷作用下的響應(yīng)，預(yù)測(cè)耦合結(jié)構(gòu)元件和聲學(xué)容積的振動(dòng)和噪聲，解決聲場(chǎng)與結(jié)構(gòu)間的耦合問(wèn)題。統(tǒng)計(jì)能量法以統(tǒng)計(jì)物理學(xué)原理為基礎(chǔ)，將復(fù)雜結(jié)構(gòu)分解成一系列子系統(tǒng)，以每一個(gè)子系統(tǒng)內(nèi)的能量作為其基本變量。

統(tǒng)計(jì)能量分析法的基本關(guān)系方程是在弱耦合、保守耦合、激勵(lì)源不相關(guān)等假設(shè)條件下建立的。在各子系統(tǒng)的激勵(lì)相互獨(dú)立且保守弱耦合情況下，穩(wěn)態(tài)響應(yīng)時(shí)的功率流平衡方程為：

SEA包含“統(tǒng)計(jì)”、“能量”和“分析”三方面內(nèi)容：“統(tǒng)計(jì)”表示SEA運(yùn)用了數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方面的思想，用從研究系統(tǒng)取出來(lái)的隨機(jī)變量的標(biāo)準(zhǔn)偏差和平均值來(lái)表達(dá)預(yù)示的結(jié)果。也就是說(shuō)，SEA雖然不能準(zhǔn)確給出每一個(gè)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)狀態(tài)，但能從統(tǒng)計(jì)意義上預(yù)示整個(gè)子系統(tǒng)的平均動(dòng)力學(xué)響應(yīng);“能量”是指使用能量作為系統(tǒng)變量來(lái)表征動(dòng)力學(xué)子系統(tǒng)所處的狀態(tài)，用包含聲壓級(jí)、應(yīng)力和壓力等動(dòng)力學(xué)參數(shù)的能量平衡方程來(lái)描述系統(tǒng)模型中各子系統(tǒng)之間的藕合作用;“分析”主要是指一些統(tǒng)計(jì)能量分析的參數(shù)，如輸入功率、模態(tài)密度、內(nèi)損耗因子η、艙室的吸聲系數(shù)α等幾何與材料特性等，都是與所研究的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)相關(guān)的函數(shù)。

3? ?模型建立及預(yù)報(bào)計(jì)算

3.1? 目標(biāo)游艇的主要參數(shù)

某游艇總布置如圖1：總長(zhǎng) 26.00 m、水線長(zhǎng) 22.30 m、型寬 5.80 m、型深 2.90 m、設(shè)計(jì)吃水 1.00 m;設(shè)有水手房、機(jī)艙、 KTV室、客房、主人房和沙龍等;采用雙機(jī)雙槳推進(jìn)，主機(jī)額定功率1 200 HP、額定轉(zhuǎn)速2300 r/min、減速比1.97：1;螺旋槳直徑0.80 m、螺距0.82 m、葉數(shù)為5。

3.2? 主要噪聲源強(qiáng)度估算

游艇不但受到船體周圍水流的不規(guī)則隨機(jī)激勵(lì)作用，而且也受到艙內(nèi)機(jī)器設(shè)備發(fā)出的激勵(lì)作用。通常，機(jī)艙內(nèi)主機(jī)結(jié)構(gòu)聲及空氣聲屬于主要聲源，齒輪箱和發(fā)電機(jī)等設(shè)備聲屬于次要聲源可以忽略。因此，游艇艙室噪聲的預(yù)報(bào)，主要考慮主機(jī)和螺旋槳兩大主要噪聲源的作用。

聲源的噪聲級(jí)頻譜或總聲級(jí)最好采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)缺乏的情況下，可以采用文獻(xiàn)[1]中的方法進(jìn)行估算。

3.3? 艙室噪聲模型建立

運(yùn)用全頻振動(dòng)噪聲仿真分析軟件VAOne進(jìn)行建模及計(jì)算分析。首先，采用 ANSYS 建立幾何模型，將幾何模型劃分為有限元網(wǎng)格;其次，在 VAOne 里導(dǎo)入網(wǎng)格，生成 SEA 模型，定義各種材料的屬性及各種加筋板，將它們賦予給對(duì)應(yīng)的子系統(tǒng);最后，定義各類設(shè)備的空氣噪聲和結(jié)構(gòu)噪聲，輸入或約束到對(duì)應(yīng)子系統(tǒng)。

建立好SEA模型后，進(jìn)行噪聲預(yù)報(bào)時(shí)需要設(shè)置一些參數(shù)，像內(nèi)損耗因子、耦合損耗因子和噪聲源激勵(lì)等：

（1）內(nèi)損耗因子

指單位頻率單位時(shí)間內(nèi)損耗的能力與平均存儲(chǔ)的能力的比值。主要包括三個(gè)部分：因摩擦形成的內(nèi)損耗因子;因振動(dòng)向環(huán)境進(jìn)行聲輻射的阻尼形成的內(nèi)損耗因子;因邊界連接阻尼形成的內(nèi)損耗因子。這三個(gè)部分是互相獨(dú)立的，可以線性疊加得到總內(nèi)損耗因子。

（2）耦合損耗因子

指兩個(gè)系統(tǒng)振動(dòng)時(shí)能量流的關(guān)系，表征被直接激勵(lì)的子系統(tǒng)的能量傳到被間接激勵(lì)的子系統(tǒng)的量。它代表了兩個(gè)系統(tǒng)耦合程度的強(qiáng)弱，只有在振動(dòng)能量傳遞時(shí)才會(huì)體現(xiàn)出來(lái)。

各噪聲源作用下各艙室的噪聲數(shù)值，可根據(jù)[1]中的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算，如表1所列。

3.4? 噪聲源對(duì)艙室噪聲貢獻(xiàn)值計(jì)算及優(yōu)化設(shè)計(jì)

計(jì)算模型如圖2。分別在模型上施加螺旋槳結(jié)構(gòu)噪聲、螺旋槳水噪聲、主機(jī)結(jié)構(gòu)噪聲和主機(jī)空氣噪聲進(jìn)行計(jì)算，獲得4種聲源作用下各艙室的聲壓級(jí)（見(jiàn)表1）。

螺旋槳距水手房最近、距主人房最遠(yuǎn)，螺旋槳結(jié)構(gòu)噪聲對(duì)水手房影響最大、對(duì)主人房影響最小;主機(jī)與水手房和KTV房距離基本一樣;主機(jī)結(jié)構(gòu)噪聲對(duì)該2個(gè)艙室的影響基本一樣，主機(jī)與主人房之間的距離最大，結(jié)構(gòu)噪聲的貢獻(xiàn)值最小。因此，結(jié)構(gòu)噪聲對(duì)艙室的影響大小與艙室和聲源的距離成反比，隨著距離增加，結(jié)構(gòu)噪聲顯著下降;螺旋槳水噪聲通過(guò)舷外水傳播，主要影響鄰近的艙室，如水手房及機(jī)艙;主機(jī)空氣噪聲主要影響機(jī)艙，對(duì)相鄰艙及相隔艙的貢獻(xiàn)值顯著下降。計(jì)算結(jié)果表明，游艇艙室噪聲的主要聲源為：螺旋槳水噪聲、主機(jī)結(jié)構(gòu)噪聲和主機(jī)空氣噪聲。

為了降低主要艙室的噪聲水平，可以通過(guò)選擇低噪聲設(shè)備或采用彈性安裝減少結(jié)構(gòu)噪聲的影響。如：螺旋槳設(shè)計(jì)時(shí)處理好空泡問(wèn)題，降低水噪聲功率;選擇低空氣噪聲的主機(jī)，且主機(jī)采用彈性安裝等。為此，提出了螺旋槳水噪聲和主機(jī)空氣噪聲功率分別降低50%、且主機(jī)采用彈性安裝的聲源治理優(yōu)化方案，主要聲源對(duì)艙室噪聲貢獻(xiàn)結(jié)果如表2。

4? ?結(jié)論

實(shí)船測(cè)試值與仿真預(yù)報(bào)值比較，預(yù)報(bào)誤差值在3dBA以內(nèi)，滿足了工程應(yīng)用的精度要求，表明統(tǒng)計(jì)能量法預(yù)報(bào)艙室噪聲是可行的。

螺旋槳及主機(jī)的結(jié)構(gòu)噪聲對(duì)艙室的影響大小與艙室和噪聲聲源的距離成反比，隨著距離增加，結(jié)構(gòu)噪聲顯著下降;螺旋槳水噪聲通過(guò)舷外水傳遞，主要影響鄰近的艙室;主機(jī)空氣噪聲主要影響機(jī)艙（源艙），對(duì)相鄰艙和相隔艙的影響顯著下降。根據(jù)主要噪聲聲源對(duì)艙室噪聲的貢獻(xiàn)值，從噪聲聲源治理的角度出發(fā)，可為游艇降噪優(yōu)化設(shè)計(jì)提供可行方案。

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