小型船舶低頻輻射噪聲分析方法研究

邵 亮

(鎮江市交通運輸綜合行政執法支隊，江蘇 鎮江 212000)

0 引言

船舶艙室噪聲特別是低頻輻射噪聲不僅會導致船體結構和材料的損壞與疲勞，危害船員及船上乘客的身體健康，還會嚴重影響船舶的安全性、實用性和可靠性。因此，在船舶設計時需要對船舶艙室噪聲進行有效的聲學分析方法和控制技術研究。

盛美萍[1]利用統計能量分析法研究了兩型水下航行器殼體的振動和聲輻射響應，并對兩型水下航行器結構減振降噪進行了評估和分析。彭臨慧等[2]用統計能量法對湍流邊界層脈動壓力激勵下水下結構物自噪聲進行了分析，得到相應的自噪聲工程估算關系，為自噪聲的治理提供了理論依據。張娟娟等[3]基于高頻分析軟件AutoSEA2針對船舶典型動力源進行了輻射噪聲的分析。

本文以某小型船為研究對象，應用有限元法和邊界元法并結合試驗對其輻射噪聲進行低頻預報，利用低頻噪聲計算軟件進行船舶全三維整體模型振動聲學計算，通過對該小型船的試驗測試得出了有效的噪聲控制方法。

1 實驗建模

1.1 有限元建模

本文利用MSC.PATRAN軟件構建某小型船的有限元模型(包括內部結構)。該小型船模型長約4 402 mm，型寬652 mm，型深323 mm。船體外板材料為鋼質，厚度為2.32 mm。船體內部布置加強筋以增加模型外板的強度，內部加強筋的厚度為2.22 mm。材料參數為：彈性模量2.060×1011Pa，泊松比0.26，密度7 800 kg/m3。全船共設置7個艙室，整個結構共有1 762個有限元單元，1 279個節點。構建劃分后的有限元模型見圖1和圖2。

圖1 有限元模型

圖2 船體環肋、縱向肋板的有限元模型

1.2 船舶振動模態分析

在船舶設計時，對整個船舶模型的模態進行分析，并計算整個船舶模型的固有頻率，這不僅有利于保證機械設備的安全性、共振性、可靠性及居住舒適性等，同時還是解決其動力特性問題及其噪聲預報分析的基礎。在忽略阻尼影響的情況下，引入超單元進行模態計算，并將超單元合理劃分，得到船體總振動在前18階的典型模態特性頻率及振型，見圖3。由圖3可見，振動模態主要體現為水平面(X-Y)和垂直面(X-Z)的彎曲振動情況和扭轉變形。

圖3 前18階有限元計算典型模態振型圖

聲學振動結構表面振動快慢的分布和量級在特定的激勵力條件下，主要取決于結構本身的振動屬性，其輻射噪聲的結構分布規律及量級與物質結構表面的振動速度有著非常密切的關系，利用對其特有模態的計算來分析結構的特有屬性，再加一振動效果并對聲信號進行分析，從而能夠找出優勢模態，精準定位并能及時調整內部結構形式，最終達到降噪減振的目的。

1.3 聲學計算模型建立

聲學計算模型建立時，首先利用有限元軟件提取三維船舶整船有限元模型的邊界元網格，通過數據接口傳遞到邊界元軟件中；其次使用聲學軟件SYSNOISE進行建模分析。本文利用有限元軟件MSC.PATRAN及噪聲分析軟件SYSNOISE采用直接邊界元法BEM DIRECT進行聲學計算。

在建立船舶的聲學邊界元模型時需要把前面建立的有限元模型作為聲學邊界元模型網格,在聲學計算中作為聲學邊界元模型的輸入激勵條件,因此要將有限元模型中的所有梁單元和質量點單元全部刪除,但所有節點不作處理以保持邊界元模型與有限元模型節點的一致性,從而確保數據輸入的準確性[4]。但由于聲學邊界元軟件的分析模塊不支持質量點單元和三維梁單元，也不支持不同屬性的材料板單元,因此必須對上述有限元模型進行適當處理后才可轉化為相應的邊界元模型。在SYSNOISE軟件讀入該文件并加入流體材料數據,取節點振動時的加速度作為聲學輸入條件，就可得到該船三維聲學邊界元網格模型(見圖4)。

圖4 邊界元模型

建立聲學邊界元模型后,利用SYSNOISE聲學軟件分析了該船的近場聲學性能。為了能更好地顯示出不同艙室對于同一噪聲源噪聲計算結果的差異，計算所選場點網格平面應位于船體中心的水平截面上，見圖5、圖6。

圖5 場點平面位置

圖6 場點網格平面位置

噪聲源的位置選取在艙室3中心處(見圖7)，其大小和坐標位置見表1。噪聲源放置在模擬機艙位置采用Omnipower 4296設備作為空氣聲源。

1～7—艙室編號。

表1 噪聲源的大小及坐標位置

2 船舶輻射噪聲低頻預報及試驗驗證

計算時定義該船的阻抗邊界條件：實部大小為5 000，虛部大小為0。流體的材料屬性為聲波在空氣中傳播的速度和空氣的密度：傳播波速340 m/s，空氣密度1.204 kg/m3，比熱容比1.40，其粘度為1.480×10-5m2/s。定義邊界元自由邊跳動量為0的聲壓邊界條件，聲學頻響分析中采用1/3倍頻程頻率，選取低頻典型計算頻率范圍為20～400 Hz。

試驗設備采用PULSE 聲學測量系統，包括Input/Output Module Type 3032A 型數據采集前端、Charge Amplifier Type 2635 型電荷放大器、筆記本、Omnipower 4296空氣聲源和Microphone Type 4190傳感器。試驗時，在艙室3內加一噪聲源，噪聲大小控制在130 dB，并在每個艙室收集測試數據。聲輻射聲場分布見圖8。圖9～圖12給出了部分頻率下不同艙室實驗值與預報值的對比曲線。

圖8 100、350 Hz時各場點的聲壓分布

圖9 艙室1預報值與實測值對比曲線

圖10 艙室2預報值與實測值對比曲線

圖11 艙室5預報值與實測值對比曲線

圖12 艙室7預報值與實測值對比曲線

由以上4幅圖可知，預報值與實驗值均隨著頻率的增加而減小，預測值曲線比較平緩而實測值曲線波動幅度較大。與實測數據相比較,計算預報值與實測值的數據是基本接近的，當然也存有一定的誤差, 相對比較誤差值約為8 dB。分析誤差的產生原因：可能來源于利用軟件構建船舶模型及振動計算誤差和簡化模型結構所產生的誤差等。

3 結論

本文運用有限元和邊界元與試驗相結合的方法對某船建模并對其輻射噪聲進行低頻預報，利用低頻噪聲計算軟件SYSNOISE進行船舶全三維整體模型振動聲學計算，實現了有限元軟件與邊界元軟件連接分析。將某小型船的試驗測試結果與計算數值進行比較，結論如下：

(1)數值計算結果在總聲壓級上與實測結果僅相差1～8 dB，這進一步說明本文的船舶噪聲的低頻預報方法切實可行。

(2)由每個艙室不同頻率下的聲場分布圖可知，聲場聲壓值大小是以聲源為中心，向四周逐漸衰減規律分布。

(3)船舶結構的聲輻射特性與其振動方式、模態頻率大小和振型都有很大關系，因此，降噪需要充分考慮船體結構和板材規格的固有特性。