36 m全回轉拖輪艙室噪聲預報與控制技術研究

呂全亮

(江蘇省鎮江船廠(集團)有限公司，江蘇 鎮江 212002)

0 引言

港口業的發展在促進我國經濟發展中扮演著極其重要的角色。隨著停泊船舶噸位的加大和船東個性化的需求，作為港口運行兩大必備機械之一的全回轉拖輪的功率也不斷增大，我國港口目前投產使用的全回轉拖輪最大功率達到6 000 kW。然而在船型無變化且艙室空間有限的情況下，主機功率越大，噪聲控制的手段就越有限，從而無法確保艙室的舒適度。

為了滿足船舶規范對船舶環保性和舒適性的要求，全回轉拖輪在設計建造過程中就應對噪聲的控制提出解決方案，并在設計的初期階段，對艙室的降噪效果進行仿真預報和分析，優化設計方案。為此，本文在分析船舶噪聲源分布情況和噪聲控制方法的基礎上，利用VA One軟件對36 m全回轉拖輪艙室進行新型降噪材料仿真預報，并與傳統降噪材料進行減噪效果對比。

1 船舶噪聲源分布

1.1 內燃機系統的噪聲源

現有的船用動力系統中的主機和輔機絕大多數都是內燃機，同時也是船舶上主要的噪聲源，各艙室的噪聲級主要取決于船舶內燃機的噪聲級。以主機排氣系統為例，內燃機的進排氣系統不僅會產生空氣動力性噪聲，而且進排氣閥部件與機體的撞擊也會產生強烈的機械噪聲。

1.2 通風和空氣調節系統的噪聲源

機艙的通風設備主要用于保障主機的充分燃燒和機艙的通風。由于機艙艙室較大，機艙風機數量較多且功率很大,因此在航行過程中會產生較大的噪聲。另外，空調系統中的噪聲源雖然功率不大且數量不多，但是由于其處于生活區，也會對生活區艙室產生一定的噪聲影響。

1.3 螺旋槳推進器系統的噪聲源

相對于船舶艙室機械設備來說，螺旋槳推進器系統的噪聲強度較小，主要影響水線附近的機艙和船員艙。根據噪聲頻率可將其分為2種：

(1)由螺旋槳槳葉和水流相互作用的流體動力效應及推進過程中水沖擊艉柱引起的低頻噪聲。

(2)由螺旋槳葉片表面壓力驟降造成的空泡現象并由此引起的葉片高頻振動噪聲。

1.4 船舶泵的噪聲源

船舶泵的種類及數量較多，主要布置在機艙中，用于傳輸油、水、氣，而在船舶航行中絕大多數泵都會開啟并產生雜亂的噪聲源。

2 噪聲控制方法和仿真預報手段

2.1 噪聲控制方法

現代船舶噪聲控制方法所涵蓋的領域較為廣且專業性和技術性較強，例如：增加減振設備；優化船舶制造工藝；合理布置艙室和設備；采用新型降噪材料、復合阻尼材料及多孔吸聲材料等。

2.2 仿真預報手段

仿真預報手段的發展經歷了由簡單結構到復雜結構、由單個自由度系統到多個自由度系統、由有限元低頻到統計能量高頻分析的發展過程，最終形成了能夠全頻段分析的FE-SEA混合方法。該方法能夠對復雜結構中頻噪聲段進行精確預報，并基于該混合法開發出集成了有限元、邊界元和統計能量分析法的VA One軟件。通過該聲學軟件，以高速船艇作為研究對象，逐步解決了船舶艙室噪聲的全頻段預報困難的問題。

3 新型降噪材料仿真預報分析

3.1 FE-SEA耦合模型

本文建模對象為某36 m全回轉拖輪，該輪采用雙推進器系統。在VA One軟件中，根據船體布置將船舶艙室劃分成機艙、駕駛臺、船員室、會議室、高級船員室等，并將船體結構中的曲面板與不規則面板簡化為平面板。根據船體結構面板的幾何面積特征及模態密度[1]，將船舶結構劃分為7個主要子模塊，分別為主機基底結構(有限元子模塊)、主機基底板(有限元子模塊)、水線下船殼外板(統計能量子模塊)、船艏外板(統計能量子模塊)、甲板(統計能量子模塊)、船舷外側板(統計能量子模塊)、生活區結構(統計能量子模塊)。全回轉拖輪FE-SEA耦合模型見圖1。

圖1 FE-SEA耦合模型圖

3.2 激勵源與降噪材料的選擇

3.2.1 激勵源的參數設定

參考現有文獻和實際情況，艙室各噪聲源的分布情況和貢獻率情況主要是根據設備設施布置情況及性能而確定的，但總體來說主機所產生的噪聲是船舶艙室的主要噪聲源[2]，因此本文中的激勵值僅考慮主機激振力及其聲功率。主機激振力及主機空氣噪聲的經驗公式如下[3-4]：

20lgf-16

(1)

式中：La為振動加速度級；M為發動機質量；NH為發動機額定轉速；N為發動機工作轉速；PH為額定功率；f為頻率。

(2)

式中：LW為聲功率級。

3.2.2 新型降噪材料的選擇

目前多孔吸聲材料是進行吸聲降噪的常用手段。隨著科研機構在吸聲材料及其結構方面的不斷創新和發展，開發出了許多新型吸聲材料。相對于傳統纖維吸聲材料的不耐熱、低強度、易腐蝕的缺點，新型的金屬類吸聲材料的出現解決了上述傳統纖維吸聲材料的很多難題[5]。考慮到船舶艙室的環保要求和吸聲性能，本文選用傳統型礦棉裝飾吸聲板和新型多孔功能材料PML-25泡沫鋁作為降噪材料進行分析比較，板材厚度為10 mm。鑒于混合法仿真分析手段對噪聲分析，特別是對中低頻段的噪聲分析的準確性較高，因此選取中低頻范圍100～1 000 Hz進行分析。該頻率段的兩者吸聲系數見表1。

表1 吸聲系數對比表

3.2.3 2種降噪材料的仿真結果對比

在仿真模型中，將吸聲材料粘貼在主機艙室，雖然能在一定程度上降低主機聲功率輻射，但是并不能降低主機噪聲源，只能對離主機艙室最近的船長室有一定降噪效果，對其他艙室沒有明顯的降噪效果。因此，在模型中將主機艙室除外的各個艙室艙壁和艙頂上粘貼吸聲材料，從而控制噪聲源引起的各個艙室噪聲，并對2種降噪材料的降噪效果進行對比。各艙室降噪效果對比見表2。

表2 減噪效果對比表 單位：dB(A)

對比分析可知，泡沫鋁板的降噪性能明顯好于傳統礦棉裝飾吸聲板，4個艙室的平均降噪量為3.55 dB，其中駕駛室的降噪效果尤為明顯，降噪量為5.5 dB。除了艙室布置的原因外，由于鋁制板材的金屬特性使得降噪材料密度有所增加，而當多孔材料的密度增加時,會降低材料內部的空隙率,從而改善低頻吸聲效果[6]。雖然新型材料在500 Hz和1 000 Hz頻率段的吸聲系數偏低，但由于低頻吸聲效果明顯，使得整個分析頻率范圍內的平均降噪量較高；而駕駛臺所處位置的噪聲頻率相對于其他艙室的噪聲而言較低，因此相對于其他艙室而言，駕駛臺的降噪效果較好。

4 結論

(1)對具有復雜結構的模型進行聲學分析，需要根據幾何面積特征及模態密度建立FE-SEA耦合模型，從而可全頻段分析艙室噪聲，有利于艙室隔音降噪設計。

(2)相對于傳統棉類降噪材料，泡沫鋁板的降噪效果更加明顯，尤其是在低頻段。

(3)多孔功能材料PML-25泡沫鋁具有隔音降噪、高強度、耐高溫、耐水性好的物理特性，在船舶結構設計和隔音降噪應用方面有著較為廣闊的前景。