大深度載人潛水器艙室噪聲研究

嚴(yán) 斌，劉文章，黃 河

（中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇無(wú)錫 214082）

0 引 言

隨著深海載人潛水器結(jié)構(gòu)安全性、設(shè)備可靠性等關(guān)鍵技術(shù)的相繼突破，原來(lái)優(yōu)先級(jí)相對(duì)較低的潛航員舒適性問(wèn)題逐步顯現(xiàn)。在溫度、視覺(jué)、光學(xué)、聲學(xué)、人體工程學(xué)等諸多指標(biāo)中，聲學(xué)舒適性最受關(guān)注[1]。噪聲問(wèn)題關(guān)乎潛航員的生理和心理健康，它會(huì)影響正常的工作交流，分散注意力，給載人潛水器正常航行作業(yè)帶來(lái)安全隱患。船舶行業(yè)近年來(lái)隨著IMO 強(qiáng)制執(zhí)行艙室噪聲新標(biāo)準(zhǔn)[2-3]，圍繞船舶振動(dòng)噪聲的評(píng)估與控制水平都得到了大幅度提升，也基本實(shí)現(xiàn)了舊規(guī)范向新規(guī)范的平穩(wěn)過(guò)渡。然而，載人潛水器領(lǐng)域的噪聲研究工作還處在摸索階段，評(píng)估方法尚未建立，噪聲級(jí)水平尚處空白，聲學(xué)設(shè)計(jì)缺乏衡準(zhǔn)與依據(jù)。因此，當(dāng)前亟需開(kāi)展相關(guān)研究填補(bǔ)空白，建立完善載人潛水器領(lǐng)域艙室噪聲測(cè)試評(píng)估與控制技術(shù)，這對(duì)切實(shí)提高潛航員舒適度具有重要意義。

本文以某大深度載人潛水器為研究對(duì)象，首先分析了載人艙噪聲源的構(gòu)成及傳遞路徑，并建立了基于統(tǒng)計(jì)能量方法[4-5]的艙室噪聲計(jì)算模型，重點(diǎn)分析舷外設(shè)備振動(dòng)及水下噪聲對(duì)艙室噪聲的貢獻(xiàn)量，對(duì)比了多個(gè)工況下艙內(nèi)外噪聲源激起的艙室噪聲，并與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，最后基于計(jì)算分析結(jié)果提出大深度載人潛水器艙室噪聲控制的建議。

1 載人艙噪聲激勵(lì)源分析及測(cè)試

1.1 噪聲源及傳遞路徑分析

某大深度載人潛水器總體布置如圖1 所示，其主體結(jié)構(gòu)包括載人艙、潛水器框架、輕外殼和其它附屬結(jié)構(gòu)，以及舷外布置機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備、載人艙內(nèi)布置操控及大氣環(huán)境保障設(shè)備。

圖1 某大深度載人潛水器示意圖Fig.1 3D sketch of HOV

載人艙室噪聲源是進(jìn)行聲學(xué)評(píng)估與設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，這些激勵(lì)設(shè)備分別布置在載人艙內(nèi)和舷外框架結(jié)構(gòu)上，按屬性可分為空氣直接輻射噪聲、機(jī)械振動(dòng)激勵(lì)的結(jié)構(gòu)噪聲以及水下噪聲激勵(lì)的結(jié)構(gòu)噪聲。具體的振動(dòng)噪聲傳播途徑為：艙內(nèi)風(fēng)機(jī)、空氣凈化等設(shè)備主要向艙內(nèi)直接輻射空氣噪聲，同時(shí)也激勵(lì)起少量的殼體結(jié)構(gòu)噪聲；舷外的液壓源、水泵、推力器等設(shè)備向支撐結(jié)構(gòu)部位輸入振動(dòng)能量，經(jīng)框架—載人艙殼體傳遞振動(dòng)引起艙室噪聲；以及這些舷外設(shè)備向水中輻射噪聲，經(jīng)附近水域傳遞的聲能量也將激勵(lì)殼體振動(dòng)引起艙室噪聲。

對(duì)于上述噪聲源，目前唯一相對(duì)清晰的是艙室內(nèi)部的噪聲源，通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)能夠確定循環(huán)風(fēng)機(jī)和二氧化碳吸收裝置的空氣噪聲級(jí)約在60 dB（A）上下。而艙外設(shè)備的振動(dòng)噪聲源參數(shù)還缺乏積累，其頻譜特性也不掌握，因此，本文重點(diǎn)分析舷外設(shè)備的噪聲分量，為后續(xù)噪聲控制提供依據(jù)。

1.2 設(shè)備振動(dòng)噪聲源測(cè)量

大深度載人潛水器的舷外機(jī)械設(shè)備安裝一般采取剛性連接形式，此時(shí)安裝基礎(chǔ)的機(jī)械阻抗會(huì)對(duì)設(shè)備機(jī)腳振動(dòng)產(chǎn)生一定的影響[6]，并且設(shè)備需要浸泡在水中進(jìn)行冷卻，在工廠或?qū)嶒?yàn)室測(cè)試臺(tái)架進(jìn)行單機(jī)的振動(dòng)噪聲測(cè)試都很難將邊界條件模擬準(zhǔn)確。因此，本文采取實(shí)際安裝條件下的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量來(lái)獲取主要振動(dòng)噪聲源設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)位置處的振動(dòng)加速度級(jí)。

測(cè)試主要依據(jù)GJB 4058-2000《艦船設(shè)備噪聲、振動(dòng)測(cè)量方法》、GJB 4057-2000《艦船噪聲測(cè)量方法》、GJB 6850.9-2009《水面艦船系泊和航行試驗(yàn)規(guī)程第9 部分：振動(dòng)試驗(yàn)》和GJB 6850.11-2009《水面艦船系泊和航行試驗(yàn)規(guī)程第11 部分：水下噪聲測(cè)量試驗(yàn)》等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。測(cè)試采用的傳感器為BK 5958-A型水下加速度計(jì)和BK 8100型水聽(tīng)器，測(cè)試對(duì)象如圖2所示。

圖2 泵、液壓源設(shè)備示意圖Fig.2 Sketch of two outboard devices

舷外設(shè)備的主要性能參數(shù)為：1#液壓源電機(jī)功率3 kW，流量6 L/min；2#液壓源電機(jī)功率7.5 kW，流量15 L/min；某泵電機(jī)功率8 kW，流量1.5 L/min。圖3 給出了1#液壓源、某泵以及2#液壓源支撐框架結(jié)構(gòu)處三分之一倍頻程振動(dòng)加速度級(jí)。設(shè)備振動(dòng)加速度級(jí)排序?yàn)槟潮茫?#液壓源＞2#液壓源，其中某泵為柱塞泵結(jié)構(gòu)，因此，即使是剛性連接振動(dòng)級(jí)也很大。

圖3 舷外設(shè)備振動(dòng)加速度級(jí)Fig.3 Acceleration level of outboard equipment

通過(guò)直接測(cè)量設(shè)備包絡(luò)面上的聲壓計(jì)算得到設(shè)備水下輻射聲功率級(jí)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4，應(yīng)注意由于受測(cè)試邊界的限制，圖中給出的聲功率級(jí)在有效頻率范圍和數(shù)值上可能存在一定誤差，因此這些數(shù)據(jù)僅作為本次計(jì)算的輸入，并不能用于評(píng)價(jià)設(shè)備水下輻射噪聲水平。此外，某泵無(wú)法單獨(dú)開(kāi)啟，需要1#液壓源作為驅(qū)動(dòng)。從輻射聲功率曲線看，這些設(shè)備的水下輻射噪聲量級(jí)都很高，水下噪聲源聲功率級(jí)的排序?yàn)椋耗潮?1#液壓源＞2#液壓源＞1#液壓源，這個(gè)排序基本與設(shè)備功率大小排序一致。

圖4 舷外設(shè)備水下輻射聲功率Fig.4 Underwater radiated sound power level of outboard equipment

2 載人艙室噪聲仿真分析

2.1 統(tǒng)計(jì)能量法基本理論

艙室噪聲的計(jì)算分析一般采用統(tǒng)計(jì)能量方法。該方法的基本原理是將整個(gè)分析對(duì)象劃分成若干子系統(tǒng)，子系統(tǒng)的類(lèi)型包括各種類(lèi)型的梁、板以及聲腔，通過(guò)建立并求解各子系統(tǒng)間的能量平衡方程來(lái)獲得整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)。

能量平衡方程可表示為

式中，D為n×λ階連接矩陣，Y為λ×λ階耦合損耗矩陣，Z為n×n階內(nèi)部損耗矩陣，N為n×n階模態(tài)矩陣，E為n× 1階子系統(tǒng)能量矩陣，ω為計(jì)算頻率，W為n× 1階外部輸入能量矩陣，λ為子系統(tǒng)間的連接枝數(shù)。

通過(guò)解能量平衡方程便可得到各子系統(tǒng)的能量Ei，進(jìn)而求得各子系統(tǒng)的振動(dòng)參數(shù)。

對(duì)于結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)，它的振動(dòng)速度均方值為

式中，Ei和Mi分別為第i個(gè)子系統(tǒng)的能量和質(zhì)量。

對(duì)于封閉空間聲場(chǎng)子系統(tǒng)，它的聲壓均方值為

式中：Zc為封閉空間聲場(chǎng)的聲阻抗；Mi為第i個(gè)子系統(tǒng)的質(zhì)量，即封閉空間聲場(chǎng)的空氣質(zhì)量。

2.2 統(tǒng)計(jì)能量分析模型

本文采用已經(jīng)被最廣泛應(yīng)用的統(tǒng)計(jì)能量軟件ESI VA One 來(lái)進(jìn)行載人潛水器艙室噪聲計(jì)算分析。建立載人潛水器的統(tǒng)計(jì)能量分析模型主要考慮載人艙、框架結(jié)構(gòu)、浮力材料、舷間水介質(zhì)、輕外殼以及艙內(nèi)空氣聲腔等子系統(tǒng)，簡(jiǎn)化一些對(duì)振動(dòng)噪聲影響較小的附件。其中浮力材料無(wú)法采用確切的子系統(tǒng)模擬，本文采用腔體子系統(tǒng)模型來(lái)近似，相關(guān)的參數(shù)采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試值：浮力材料密度為700 kg/m3、聲速為2439 m/s、吸聲系數(shù)為0.6。涉及水聲的傳播，舷間水同樣也采用聲腔子系統(tǒng)模擬。其余結(jié)構(gòu)采用梁板子系統(tǒng)。在設(shè)備安裝位置施加振動(dòng)加速度邊界條件和設(shè)備水下輻射聲功率來(lái)模擬激勵(lì)情況，計(jì)算模型如圖5所示。該模型中由于載人艙需承受大深度靜壓，殼體設(shè)計(jì)厚度較大，導(dǎo)致低頻模態(tài)密度較低，全部子系統(tǒng)模態(tài)密度都嚴(yán)格滿(mǎn)足統(tǒng)計(jì)能量使用條件的下限頻率500 Hz，因此下文中125 Hz和250 Hz兩個(gè)中心頻率的計(jì)算結(jié)果僅作參考。

圖5 統(tǒng)計(jì)能量模型Fig.5 SEA model of HOV

2.3 某大深度載人潛水器艙室噪聲仿真及驗(yàn)證

通過(guò)上述統(tǒng)計(jì)能量模型計(jì)算了三個(gè)工況下的艙室噪聲，分別為1#液壓源單獨(dú)開(kāi)啟工況、2#液壓源單獨(dú)開(kāi)啟工況和1#液壓源+某泵組合開(kāi)啟工況。

圖6 給出了1#液壓源單開(kāi)工況下的艙室噪聲各分量構(gòu)成，其中1#液壓源水下噪聲引起的艙室噪聲計(jì)算值為53.7 dB（A），振動(dòng)引起艙室噪聲計(jì)算值為63.4 dB（A）。艙室內(nèi)部風(fēng)機(jī)、二氧化碳吸收裝置等空氣噪聲源引起的艙室噪聲實(shí)測(cè)值為62.6 dB（A），總噪聲評(píng)估結(jié)果為66.3 dB（A）。該工況下舷外設(shè)備的振動(dòng)與艙內(nèi)空氣噪聲源貢獻(xiàn)量相當(dāng)。舷外設(shè)備水下噪聲并沒(méi)有前兩者引起的艙室噪聲分量高。圖7給出了該工況艙室噪聲A聲級(jí)計(jì)算結(jié)果與測(cè)試結(jié)果的對(duì)比，其中艙室噪聲測(cè)試結(jié)果為整個(gè)可聽(tīng)頻段。結(jié)果表明：A聲級(jí)倍頻程數(shù)據(jù)中125 Hz及以下的低頻段噪聲量對(duì)總聲級(jí)貢獻(xiàn)量較小，可以忽略；在中高頻段噪聲能量集中區(qū)域的吻合程度較好，總聲級(jí)誤差僅0.1 dB。而在中高頻段使用統(tǒng)計(jì)能量方法的條件又是成立的，說(shuō)明計(jì)算方法可行、結(jié)果可信。

圖6 1#液壓源單開(kāi)工況各艙室噪聲分量比較Fig.6 Comparison of canbin-noise calculated components due to different sources excited by 1#hydraulic state

圖7 1#液壓源單開(kāi)工況艙室噪聲計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比Fig.7 Comparison of calculated and measured canbin-noise results excited by 1#hydraulic state

圖8 給出了2#液壓源單開(kāi)工況下的艙室噪聲各分量構(gòu)成，其中計(jì)算得到的2#液壓源水下噪聲引起的艙室噪聲為58.1 dB（A），振動(dòng)引起的艙室噪聲為74.2 dB（A），艙室內(nèi)部噪聲源引起的噪聲分量實(shí)測(cè)值仍為62.6 dB（A），總噪聲評(píng)估結(jié)果為74.6 dB（A）。該工況下舷外設(shè)備的振動(dòng)是艙室空氣噪聲的最大激勵(lì)源，遠(yuǎn)高于舷外噪聲與艙內(nèi)噪聲源的貢獻(xiàn)。圖9給出了該工況艙室噪聲A聲級(jí)計(jì)算結(jié)果與測(cè)試結(jié)果的對(duì)比，與前文結(jié)論類(lèi)似，低頻段噪聲可以忽略，中高頻噪聲能量集中區(qū)域除2 000 Hz 外二者基本一致，總聲級(jí)誤差為4.1 dB。

圖8 2#液壓源單開(kāi)工況各艙室噪聲分量比較Fig.8 Comparison of the canbin-noise calculated components due to different sources excited by 2#hydraulic state

圖9 2#液壓源單開(kāi)工況艙室噪聲計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比Fig.9 Comparison of calculated and measured canbin-noise results excited by 2#hydraulic state

圖10給出了1#液壓源與某泵組合開(kāi)啟工況的艙室噪聲各分量構(gòu)成，其中計(jì)算得到的舷外水下噪聲引起的艙室噪聲分量為54 dB（A），振動(dòng)引起的艙室噪聲分量為70.3 dB（A），艙室內(nèi)部噪聲源分量仍為62.6 dB（A），總噪聲評(píng)估結(jié)果為71.1 dB（A）。該工況下舷外設(shè)備的振動(dòng)仍是艙室空氣噪聲的最大激勵(lì)源，高于舷外噪聲與艙內(nèi)噪聲源的貢獻(xiàn)。圖11 給出了該工況艙室噪聲A 聲級(jí)計(jì)算結(jié)果與測(cè)試結(jié)果的對(duì)比，總聲級(jí)誤差為2.7 dB。

圖10 1#液壓源+某泵組合開(kāi)啟工況各艙室噪聲分量比較Fig.10 Comparison of canbin-noise calculated components due to different sources excited by 1#hydraulic state&one pump

圖11 1#液壓源與某泵組合開(kāi)啟工況艙室噪聲計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比Fig.11 Comparison of calculated and measured canbin-noise results excited by 1#hydraulic state&one pump

3 結(jié) 論

大深度載人潛水器艙室噪聲能量主要集中250～4 000 Hz 頻段，適合采用統(tǒng)計(jì)能量理論方法進(jìn)行相關(guān)的振動(dòng)噪聲計(jì)算分析。本文針對(duì)一型大深度載人潛水器進(jìn)行了浮力材料等相關(guān)子系統(tǒng)的簡(jiǎn)化處理，并完成了三個(gè)工況艙室噪聲的計(jì)算分析，總聲級(jí)誤差在0.1-4.1 dB（A），說(shuō)明這套方法適用于載人潛水器的艙室噪聲評(píng)估。從各傳遞途徑噪聲分量計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，單套舷外設(shè)備通過(guò)水聲傳遞途徑引起的艙室噪聲分量在55 dB（A）上下，小于艙內(nèi)空氣噪聲源的貢獻(xiàn)量。而舷外設(shè)備通過(guò)結(jié)構(gòu)振動(dòng)傳遞途徑引起的艙室噪聲分量大于艙內(nèi)空氣噪聲源，并且有可能產(chǎn)生超過(guò)70 dB（A）的高噪聲。依據(jù)計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)，可將噪聲源貢獻(xiàn)量排序?yàn)椋合贤庠O(shè)備振動(dòng)＞艙內(nèi)空氣噪聲源＞舷外設(shè)備水下噪聲。因此大深度載人潛水器艙室噪聲舒適度取決于對(duì)舷外設(shè)備振動(dòng)以及艙內(nèi)設(shè)備噪聲的控制水平，相關(guān)建議可歸納為：

（1）對(duì)舷外液壓源、泵類(lèi)設(shè)備以及艙內(nèi)風(fēng)機(jī)類(lèi)設(shè)備提出振動(dòng)噪聲限值要求，提高深海低噪聲設(shè)備研發(fā)能力，從源頭降低噪聲；

（2）在確保設(shè)備/系統(tǒng)安全的條件下，對(duì)舷外設(shè)備進(jìn)行隔振安裝，并優(yōu)化框架結(jié)構(gòu)以提高振動(dòng)衰減量，從傳遞路徑上降低噪聲；

（3）載人艙內(nèi)適當(dāng)考慮敷設(shè)吸聲材料或構(gòu)件來(lái)控制艙內(nèi)噪聲，這會(huì)犧牲一定的有效載荷，需要總體統(tǒng)籌考慮；

（4）載人艙內(nèi)可采取主動(dòng)降噪措施，進(jìn)一步降低特定區(qū)域和頻段內(nèi)的噪聲。