船舶舾裝復合結構聲學性能分析方法及應用

曲 雪，董博文，羅 凱，王 禹

(1.中國船舶工業集團公司第七〇八研究所，上海 200011；2.哈爾濱工程大學 船舶工程學院，哈爾濱 150001)

0 引 言

船舶艙室的噪聲與振動控制一直是船舶工程研究的熱點與難點。近年來，隨著船舶減振降噪技術的發展，現代船舶設計對生活、工作區噪聲水平提出了更嚴格的要求，因此，開展船舶噪聲分析和聲學優化設計具有一定的工程實用價值。目前，艙室噪聲預報方法主要有統計能量法（SEA）、有限元法（FEM）和邊界元方法（BEM）等[1]。其中統計能量法可以進行復雜系統高頻寬帶激勵作用下的動力響應分析，相比現有的艙室噪聲分析方法具有一定優勢，但在舾裝復合結構的聲學參數獲取等方面仍存在諸多問題。在此方面，周理杰等[2]基于試驗測試，探究了芯材為苧麻、粘膠纖維、聚酯纖維等8 復合結構在不同空腔厚度下的吸聲性能，研究表明苧麻復合結構的吸聲效果優于其他結構；空腔深度增加時，結構吸聲系數增大。楊永鉀等[3]通過仿真軟件，對多種復合吸聲結構聲學性能參數進行探究，分析得出質量較輕、吸聲性能較好的復合吸聲結構，并應用于某型高速船艙室聲學優化設計，取得了良好的吸聲效果。徐芹亮等[4]通過分析大量舾裝復合結構隔聲性能試驗測試數據，得出海洋平臺常用舾裝結構的隔聲量經驗值。探究了舾裝結構空腔夾層厚度對隔聲性能的影響，研究表明增加夾層厚度可提高低頻隔聲性能。

目前國內的艙室空氣噪聲控制方法還是以結構聲學優化為主，通過敷設吸隔聲材料降低目標艙室噪聲水平。然而，現有的復合結構聲學性能評估方法存在一定缺陷[5-6]，如試驗法存在評估周期長、成本高的問題。因而，本文針對舾裝復合結構聲學性能參數開展研究，建立了舾裝復合結構的聲學性能分析方法，方法具有工程適用性好，計算準確度較高的優點。并進一步基于方法的分析結果探究某型船舶艙室噪聲特性，旨在為船舶聲學設計提供參考依據。

1 船舶舾裝復合結構聲學性能分析模型

舾裝復合結構的聲學性能是統計能量模型的主要輸入參數之一。為準確獲取舾裝復合結構的隔聲量以及吸聲系數，基于傳遞矩陣法，建立了結構聲學性能分析模型，原理如圖1 所示。

圖 1 聲學性能分析模型示意圖Fig.1 Acoustic performance analyse model

由波動理論可知任意單層結構上下界面總壓力、質點振速連續，則圖2 某一層結構上下界面總壓力和質點振速 F1、 F2和 v1、 v2的關系可表示為：

式中： [A]為單層結構傳遞矩陣，各元素計算公式為[7]：

圖 2 隔聲量測試示意圖Fig.2 Schematic diagram for the insertion loss test

當平面波垂直入射，層間交界處的聲壓和法向振速連續，于是可求得多層結構傳遞矩陣 [B]：

當結構末端為空氣時，邊界條件可近似表示為：pi+1= 0，代入式（3）得輸入阻抗：

以 ρaca表示空氣特性阻抗，則入射界面處的反射系數可表示為：

聲強透射系數：

復合結構吸聲系數 α以及隔聲量 B如下式：

2 舾裝復合結構聲學性能研究

舾裝復合結構能夠增加噪聲傳遞能量損耗，其聲學性能是統計能量法的主要輸入參數之一。為此，基于船舶舾裝復合結構聲學性能分析模型，進行船舶典型舾裝復合結構吸聲系數和隔聲量仿真計算，計算結果如表1～表2 所示。典型舾裝復合結構如下：

1）復合巖棉板復合結構：鋼板與復合巖棉板復合，其中鋼板厚度為8 mm，復合巖棉板由49 mm 的巖棉和1 mm 的鍍鋅薄鋼板組成。

2）穿孔吸音板復合結構：鋼板與穿孔吸音板復合，其中鋼板厚度為8 mm，穿孔吸音板由49.1 mm 的巖棉和0.9 mm 的穿孔鍍鋅銅板組成。

3）隔音棉復合結構：鋼板與隔音棉復合，其中鋼板厚度為8 mm，隔音棉厚度為60 mm。

2.1 舾裝復合結構隔聲量計算有效性驗證

基于混響室法開展典型舾裝復合結構隔聲量測試試驗。以上述舾裝復合結構為試驗對象。構件尺寸為2 000×1 500 mm，通過密封膠與墻體彈性連接。試驗示意圖如圖2 所示。以傳聲器測量發聲室和受聲室的聲壓響應P1和P2，分析聲波透射衰減規律，并考慮受聲室吸聲作用，得出舾裝復合結構隔聲量。受構件尺寸限制，對上述分析方法500～8 000 Hz 頻段分析結果進行驗證，隔聲量分析結果對比圖如圖3 所示。

表 1 典型舾裝復合結構隔聲量計算結果/dBTab.1 Calculation results for insertion loss of outfitting composite structure /dB

表 2 典型舾裝復合結構吸聲系數計算結果Tab.2 Calculation results for absorption coefficient of outfitting composite structure

由圖3 可知，雖然舾裝復合結構的隔聲量計算曲線和試驗曲線存在數值差異，但分析頻段范圍內，曲線整體趨勢基本一致，總體吻合較為良好。由此可知，以舾裝復合結構聲學分析模型計算結構隔聲量是可行的。

2.2 舾裝復合結構吸聲系數計算有效性驗證

基于阻抗管法開展典型舾裝復合結構吸聲系數測試試驗。構件尺寸為Φ100 mm，能與阻抗管內表面完全貼合。試驗示意圖如圖4 所示。當聲源被激發后，管中形成駐波聲場，以探管測得管長方向駐波聲場的極值，從而求得駐波比和結構的正入射吸聲系數。驗證頻段為80～1 000 Hz，吸聲系數分析結果對比圖如圖5 所示。

由圖4 可知，與隔聲量對比曲線類似，舾裝復合結構的吸聲系數計算曲線和測量曲線在頻點處存在數值差異，但是2 種曲線整體趨勢基本一致，曲線總體吻合較為良好。由此可見，基于傳遞矩陣法的船舶舾裝復合結構聲學性能分析方法有效。

3 船舶艙室噪聲特性研究

基于某型水面艦船結構，探究舾裝復合結構對艙室噪聲特性的影響規律。該船總長79.2 m，型寬17 m，型深4.3 m。依據結構圖、舾裝圖等圖紙資料，建立統計能量模型。為保障寬頻結構響應分析的有效性，一般需各子系統在分析頻帶的模態數大于5。為此，本模型對板子系統的劃分尺寸進行控制，在計算頻率大于63 Hz 時，滿足統計能量分析對模態密度的要求。尾部板殼子系統模型如圖6 所示，聲腔子系統如圖7所示。子系統損耗因子參照文獻[8] 分析結果。

圖 3 典型舾裝復合結構隔聲量Fig.3 Sound insertion loss for composite structure

圖 4 吸聲系數測試示意圖Fig.4 Schematic diagram for absorption coefficient the test

圖 5 典型舾裝復合結構吸聲系數Fig.5 Sound absorption coefficient for composite structure

圖 6 尾部板殼子系統離散視圖Fig.6 Shrink view for stern shell subsystem

圖 7 尾部聲腔子系統離散視圖Fig.7 Shrink view for stern acoustic cavities subsystem

圖 8 考核艙室分布示意圖Fig.8 Schematic diagram of the position distribution of assessed cabins

圖 9 噪聲源設備振動加速度級曲線Fig.9 Vibration acceleration level curve of noise source equipment

圖 10 噪聲源設備聲源級曲線Fig.10 Sound source level curve of noise source equipment

現以該船下甲板報務室與集控室為艙室噪聲特性研究對象（見圖8），以主機設備為激勵源，振動加速度頻譜曲線及聲源級頻譜曲線如圖9～圖10 所示。通過在報務室和集控室地板以及靠近主機艙一側艙壁分別敷設上述3 種舾裝復合結構，探究舾裝結構對考核艙室噪聲特性影響規律。噪聲分析結果如圖11 和表3及表4 所示。

可以看出，敷設舾裝復合結構可有效控制艙室噪聲，舾裝方案對降噪效果影響不大，圖10 中聲源級曲線基本重合。舾裝復合結構對低頻、中頻噪聲控制效果較好，在63～250 Hz 頻段，考核艙室各頻點聲壓級下降10 dBA 左右，在500～8 000 Hz 頻段，聲壓級下降3 dBA 左右。從聲壓總級來看，敷設隔音棉復合結構降噪效果相對較好，報務室和集控室總聲壓級分別下降2.2 dBA 和2.5 dBA。另外，在3 種結構中，復合巖棉板復合結構具有更好的防火性能，在實際應用中應權衡結構綜合性能，選取最優方案。

4 結 語

圖 11 考核艙室聲壓級頻譜曲線Fig.11 SPL（A）level curve for assessed cabins

表 3 報務室聲壓級/dBATab.3 Assessment for telegraph cabins SPL/dBA

表 4 集控室聲壓級/dBATab.4 Assessment for centralized control cabins SPL/dBA

本文基于傳遞矩陣法，建立了舾裝復合結構聲學性能分析方法。并進行舾裝復合結構聲學性能試驗測試，驗證了方法的有效性。在此基礎上，依據方法的分析結果，探究舾裝復合結構對艙室噪聲特性的影響規律，得出以下結論：

1）舾裝復合結構聲學性能分析方法和實驗測試的頻譜分析結果趨勢一致，總體吻合良好，方法可有效分析結構的隔聲量和吸聲系數。

2）舾裝復合結構可有效控制艙室噪聲，其中隔音棉復合結構降噪效果相對較好，報務室和集控室聲壓總級分別下降2.2 dBA 和2.5 dBA。

3）舾裝復合結構對艙室中、低頻噪聲控制效果較好。在63～250 Hz 頻段，各頻點降噪效果約為10 dBA，在500～8 000 Hz 頻段，降噪效果在3 dBA 左右。