11.4萬噸油船全頻段艙室噪聲預報分析

吳晨飛，瞿小凌，付 佳

（上海外高橋造船有限公司，上海200137）

船舶一直以來都是最主要的水上交通運輸工具，隨著科學技術的發展，造船水平不斷提高，人們越來越重視船上的低噪聲舒適性。國際海事組織（IMO）第91屆海安會（MSC91）通過了第338號關于SOLAS 修正案的決議，要求船舶構造應符合MSC.337（91）決議所要求的《船上噪聲等級規則》，以保護人員免受噪聲的傷害[1]。新的噪聲等級規則的生效對船廠提出了更高的要求，為了使船舶能夠滿足MSC.337（91）規范的要求，設計人員需要在初期即對船舶開展艙室噪聲預報分析工作，對于不能滿足規范的艙室，協同其他人員在建造前提出相應的解決方案。

經典的有限元模態分析法局限于低頻段噪聲的分析，隨著頻率增高，誤差迅速增大[2]。在運用統計能量法分析時，需要保證聲學模型的子系統模態密度足夠高（≥5），才能保證其計算分析的精確度，因此，統計能量法適用于高頻段的噪聲分析[3]。VA One是法國ESI集團推出的全頻域噪聲分析軟件，它能夠用有限元分析法（FEM）、統計能量法（SEA）和混合有限元-統計能量法（Hybrid FE-SEA）進行全頻段的噪聲預報分析[4]。

本文基于SEA 方法和Hybrid FE-SEA 方法，以我公司11.4 萬噸阿芙拉油船為研究對象，進行艙室噪聲的預報分析研究。主要考慮的噪聲源有：主機噪聲、發電機噪聲、主要風機（包括排氣機、送氣機、空調）噪聲等。對于超標的艙室，選擇隔音效果更好的甲板敷料和絕緣材料。最后將計算結果與MSC.337（91）規范限值進行比對和討論。

1 聲學分析模型建立

1.1 模型概況

船舶艙室噪聲分析頻率范圍為63 Hz 至8 000 Hz，主要包含了船舶噪聲的中頻域和高頻域，本文采用混合法（Hybrid FE-SEA）和統計能量法（SEA）分別對中頻域和高頻域進行艙室噪聲的預報分析。具體區分的頻率范圍將通過判斷“單位帶寬模態數”的具體數值來決定，參考的標準為[5]：

（1）N＞5，該頻段屬于高頻段，運用SEA法進行分析計算；

（2）1≤N≤5，該頻段屬于中頻段，運用Hybrid FE-SEA法進行分析計算；

（3）N＜1，該頻段屬于低頻段，運用FEM 法進行分析計算。

最后，對不同頻段模型的計算結果進行數據整合處理，得出全頻段的計算結果。

在已有11.4萬噸阿芙拉油船有限元模型的基礎上，對模型進行修改。油船艏部和貨艙區域沒有噪聲源，不作為主要的研究對象，因此對于艏部和貨艙只保留最基本的框架；機艙、艉部、上建和煙囪存在大量的噪聲源，結構和艙室布置較為復雜，僅刪除其一些無用的板架結構，基本保留了所有主要艙室的框架。利用中國船級社有限元模型快速轉換系統PreSEA，對修改后的有限元模型進行快速子系統劃分，針對曲率較大的機艙及艉部的外板區域子系統進行手動分割和合并。

將生成的子系統直接導入到聲學軟件VA One中，生成結構平板子系統，考慮到海水對船舶噪聲的影響，設置半無限流體模擬噪聲在海水中的傳播（全船平板子系統和設置的半無限流體如圖1所示，局部平板子系統見圖2）。根據艙室的布置情況建立聲腔子系統，為了模擬煙囪與上層建筑之間的噪聲傳遞，在煙囪和上建中間建立了聲腔，如圖3所示。上層建筑各層主要艙室分布如表1所示。

圖1 全船平板子系統

模型的大部分平板與艙室聲腔子系統的模態數在全頻段均大于5，圖4和圖5分別給出了低頻段內模態數不足5的平板子系統和聲腔子系統在不同頻率下的模態數。

圖2 局部結構平板子系統

圖3 聲腔子系統

表1 上層建筑各層主要艙室分布

圖4 部分平板子系統模態數

圖5 部分聲腔子系統模態數

由此可知：

（1）主要的平板子系統和聲腔子系統模態數均大于1，僅對中頻段和高頻段進行艙室噪聲預報分析，滿足分析精度要求；

（2）在63 Hz 至250 Hz，部分平板和聲腔子系統模態數在1至5之間，部分模態數大于5，滿足混合法分析要求；

（3）在500 Hz至8 000 Hz，平板和聲腔子系統模態數均大于5，符合統計能量法分析要求。

在確定了混合法和統計能量法的計算分析頻段后，針對混合法模型，在原有SEA模型的基礎上進行修改，將63 Hz至250 Hz內模態數不足5的艙室模型修改成有限元模型，即將圍成這些艙室的平板子系統和艙室本身的聲腔子系統劃分成有限元單元，模型如圖6和圖7所示。

圖6 混合模型平板子系統

圖7 混合模型聲腔子系統

1.2 聲學參數

聲音在鋼板和艙室中傳播都會有一定的內損耗。平板子系統的內損耗因子采用船級社推薦的經驗值，鋼板內損耗因子如表2所示[6]。

聲腔子系統的內損耗因子可以通過計算平均吸聲系數得到，其計算公式為[6]

式中：η為內損耗因子，A為艙室總面積，c0為聲音在艙室中的傳播速度，V為艙室體積，ω為倍頻程的中心頻率，α為吸聲系數。若艙室無內飾板，則平均吸聲系數為艙室內流體介質的吸聲系數，比如空氣的吸聲系數為1%。

表2 鋼板內損耗因子

根據我公司以往船型的建造經驗以及試航測試的結果，為了滿足MSC.337(91)對于艙室噪聲規范限值的要求，在進行船舶建造的時候，主要的生活工作艙室都會在甲板上鋪設敷料，在艙壁和天花板布置木作和相應的絕緣材料。在VA One分析軟件中，需要根據甲板敷料和艙室絕緣布置圖，逐層進行材料參數設置并施加到對應艙室的平板子系統中。對于布置了甲板敷料、木作和絕緣的艙室，聲腔子系統采用船級社推薦的折合吸聲系數，如表3所示[6]；對于沒有布置任何聲學材料的艙室，聲腔子系統的吸聲系數設置為艙室內流體介質的吸聲系數，比如空氣的吸聲系數為1%。

表3 艙室折合吸聲系數

1.3 噪聲源

船上噪聲激勵主要分為結構噪聲和空氣噪聲。分析中主要考慮的噪聲源包括：主機噪聲、發電機噪聲、風機（包括排氣機、送風機、空調）噪聲等，設備的噪聲譜均采用廠商提供的數據資料，主機、發電機、主要風機噪聲譜見表4至表6，參考聲壓級Lp=2×10-5Pa，參考聲功率級為LW=1×10-12W，參考速度級為Lv=5×10-8m/s。不同的噪聲源類型在軟件中需要使用不同的模塊進行加載，表4和表5中的排氣管和空氣噪聲及表6 中的風機噪聲均需要轉換成聲功率級，選取輻射噪聲模塊進行加載；表4中結構噪聲需要在軟件中以對結構施加約束的形式加載。

表4 主機噪聲譜

表5 發電機噪聲譜

表6 主要風機噪聲譜（A計權）

2 艙室噪聲預報分析結果

根據混合分析方法，在63 Hz 至250 Hz 對混合模型進行艙室噪聲預報分析，首先需對有限元平板子系統和有限元聲腔子系統進行振型模態和質量的計算，然后再進行艙室的噪聲預報分析；根據統計能量分析方法，在500 Hz 至8 000 Hz 對統計能量模型直接進行艙室預報分析。由于規范MSC.337(91)評價艙室噪聲等級采用A計權聲級，因此，在軟件中直接提取A計權下各個頻率對應的聲級。采用混合法和統計能量法分析，分別得到兩個頻段的噪聲預報結果，需要自行計算63 Hz至8 000 Hz整個頻段的總聲級，具體公式如下[7]：

式中：LAi為每個頻帶的A聲級。

統計能量法和混合法對應的聲腔子系統的能量云圖分別如圖8、圖9所示。

圖8 統計能量模型聲腔子系統能量云圖

圖9 混合模型聲腔子系統能量云圖

計算結果顯示，大部分上層建筑艙室，包括駕駛室、各級船員臥室、辦公室、餐廳、廚房等均滿足規范MSC.337(91)規定的限值要求，機艙的各類艙室全部滿足規范要求。僅有醫務室、健身房、蘇伊士船員3個房間的噪聲預報值超過了規范的標準。典型艙室的噪聲預報結果見表7，圖10為典型艙室在倍頻程各頻率下的A計權聲壓值，參考聲壓為2×10-5Pa。

表7 典型艙室噪聲預報結果

圖10 典型艙室A計權聲壓值

3 艙室降噪措施

3.1 艙室噪聲超標原因

為了能夠提出有效的艙室降噪方案，需要對噪聲值超標艙室進行噪聲輸入途徑分析，從而提出相應的針對性的降噪措施。以醫務室為例，其噪聲主要輸入途徑見圖11。

圖11 醫務室能量輸入

圖11中，HVAC代表空調通風，FCR代表防火控制室，CCR代表貨控室，RB_1F代表板架（數字代表編號）。從圖中可以看出，主要的噪聲由板架1（RB_1F）引起，為結構噪聲，板架1是醫務室下方甲板，醫務室正下方為防火控制室，防火控制室下方即為機艙，因此可以認為醫務室的主要噪聲來源于機艙的主機、發電機等引起的結構噪聲。

同樣，針對噪聲值超標的健身房和蘇伊士船員間，結合艙室位置可以判定：

（1）健身房超標主要原因：位于主甲板，即處于機艙上方；

（2）蘇伊士船員間超標主要原因：處于機艙上方，并且與通往機艙的梯道直接相鄰。

3.2 艙室降噪措施

控制噪聲一般有3種途徑：控制噪聲源，控制傳播途徑，進行個人防護。在船舶上控制傳播途徑是最為有效、可靠和經濟的措施。

根據分析所得的噪聲超標原因，參考我公司以往針對噪聲超標采用的措施，對噪聲預報值超標的艙室設計提出如下修改：

（1）醫務室主要噪聲都來源于下方的防火控制室，在甲板上鋪設浮動地板，提高甲板隔聲效果；

（2）健身房位于機艙上方，主要噪聲來源于機艙，同樣在甲板鋪設浮動地板；

（3）蘇伊士船員間主要噪聲一部分來自下方機艙，一部分來自相鄰的機艙梯道，在房間內鋪設浮動地板，并且在與機艙梯道相鄰的艙壁上將25 mm的巖棉木作加厚到50 mm。

浮動地板的作用是通過隔開振動來減少傳遞至甲板面的噪聲，主要通過將陶瓷棉等材料均布在甲板敷料與甲板結構之間，形成緩沖或中空層，以隔離或降低振動能量的傳遞，從而達到降噪的效果（浮動地板組成如圖12所示）。浮動地板相較于原先布置的地板，具有更好的降噪作用。巖棉木作中，巖棉具有良好的絕緣、隔聲和吸聲性能，增大木作中巖棉的厚度，可以提高巖棉的降噪效果[8]。

圖12 浮動地板組成示意圖

表8是噪聲超標艙室設計修改前后艙室噪聲預報的對比。由表可知，提出的降噪措施降噪效果明顯，艙室的總聲壓級顯著降低，達到了預期的隔音降噪效果，并且總A 計權聲壓級噪聲也都滿足MSC.337(91)的規范限值。

4 結語

本文以11.4萬噸阿芙拉油船為研究對象，開展了艙室噪聲的預報分析研究。運用VA One分別建立了全船的統計能量模型和混合模型，考慮了艙室內損耗因子和吸聲系數的影響，對主機、發電機、風機等噪聲源進行加載，應用統計能量法和混合法對船舶艙室進行了全頻段的艙室噪聲預報。計算得到大部分艙室的噪聲預報值都符合MSC.337(91)的限值要求，僅醫務室、健身房和蘇伊士船員間3個房間噪聲預報值不滿足規范要求，對3個艙室進行噪聲能量輸入分析，分別找出噪聲超標原因并提出相應的降噪措施，最終使該船的艙室噪聲均滿足規范要求。

表8 艙室噪聲預報對比