三體高速船艙室噪聲預報與控制

夏代波,季振林,劉洋,李卓亮

(哈爾濱工程大學動力與能源工程學院，哈爾濱 150001)

船舶艙室噪聲是影響人們工作與生活的一項重要指標，在船舶設計階段需要考慮艙室的聲學問題，預報艙室噪聲級，提出相應的控制措施。船舶在運行時處于一個非常復雜的動態(tài)系統(tǒng)中，很難通過建立微分方程來解決振動與噪聲問題[1]。在工程應用中，人們會采取很多假設，利用近似的方法來解決這一問題，常用的方法有經(jīng)驗預測法、有限元法、統(tǒng)計能量法等，近年來也有學者采用灰色預測法[2]和神經(jīng)網(wǎng)絡法[3]來預報艙室噪聲的。理論上講只要具備大容量的計算機，就可用有限元求解任何結構的振動噪聲問題，隨著結構模型復雜程度及分析頻率的提高，有限元單元數(shù)量會急劇增加導致難以求解。有限元法主要應用于有限區(qū)域內(nèi)的結構與聲場耦合問題[4]。統(tǒng)計能量法[5,6]彌補了這一缺陷，它采用統(tǒng)計能量的思想，將整個聲振系統(tǒng)離散成若干子系統(tǒng)，根據(jù)各子系統(tǒng)之間的能量傳遞關系建立系統(tǒng)的統(tǒng)計能量方程，求解得到各子系統(tǒng)的統(tǒng)計能量平均值[7]。統(tǒng)計能量法不能得到子系統(tǒng)某個局部的精確響應，只能預測子系統(tǒng)的平均聲學性能，適用于求解大型復雜結構的中高頻聲振問題，以高模態(tài)密度為基礎，要求單位頻帶內(nèi)模態(tài)數(shù)大于5，且模態(tài)重疊數(shù)大于1。

1 SEA模型的建立

以三體船CAD圖紙為藍本，對船體進行適當簡化，上層建筑采用VA One軟件直接建模，下層曲面較多，采用ANSYS軟件建立有限元模型，通過有限元生成SEA模型，最終在VA One合并成整體模型。圖1為全船建完聲腔子系統(tǒng)之后簡示圖。

查看全船建模結構，所產(chǎn)生的子系統(tǒng)和連接數(shù)目列于表1中。

圖1 全船聲腔子系統(tǒng)簡示圖

表1 模型子系統(tǒng)數(shù)量

2 艙室噪聲預報

VA One軟件提供了多種載荷施加方法：有定義點激勵輸入力法、定義聲功率法、定義聲場法、定義約束法等。其中點激勵輸入法與聲壓法輸入與子系統(tǒng)的大小有關。為消除子系統(tǒng)大小導致計算結果的差異，因此選擇定義聲功率級約束法來輸入系統(tǒng)激勵。選擇休息室為噪聲預報與控制對象。其中休息室離艙底主機激勵的垂直距離為14.8 m，離第一主機艙的水平距離為28.8 m,離第二主機艙的水平距離為17.4 m。

2.1 單獨開主機情況下艙室噪聲預報

主機噪聲可分為空氣聲和結構聲，結構聲采用特性分析的方法，選擇1/3倍頻程，每個頻段上主機加速度級取100 dB，通過定義約束法將激勵加載主機艙地板上。主機空氣聲采用實測的數(shù)值見圖2，合成聲壓級為133.9 dB，空氣噪聲以聲壓級的形式約束到主機艙聲腔子系統(tǒng)上。

圖2 柴油機空氣噪聲激勵

圖3給出了休息室分別受主機空氣聲單獨作用及結構聲和空氣聲兩者同時作用時的聲壓級預報結果。

曲線A表示結構聲和空氣聲同時作用，曲線B表示空氣聲單獨作用。通過對比可以看出，對于休息室這類距離激勵源較遠的艙室主要噪聲源為主機空氣噪聲。在主機結構聲激勵和空氣聲激勵同時作用下艙室的聲壓級跟主機空氣聲單獨作用下艙室聲壓級非常接近，及在主機航行狀態(tài)下艙室噪聲能量主要來自主機的空氣噪聲。

圖3 主機噪聲對休息室聲壓級影響

2.2 通風空調(diào)系統(tǒng)噪聲對艙室噪聲的影響

對于艙室噪聲來說，空調(diào)噪聲也會對其產(chǎn)生很大的影響，空調(diào)噪聲激勵源為艙內(nèi)空調(diào)通風口處噪聲。在休息室開設兩個空調(diào)通風口，每個通風口施加一個噪聲激勵。通過對某型號空調(diào)機組進行實地測量得到其空調(diào)通風管口噪聲激勵如圖4所示，合成后聲壓級為81.4 dB。

圖4 空調(diào)噪聲激勵

將空調(diào)噪聲以聲功率的形式加到子系統(tǒng)的空調(diào)出風口板上，不約束主機激勵只單獨施加空調(diào)噪聲相當于實際情況下船舶處于錨泊狀態(tài)，及主機噪聲和空調(diào)噪聲同時作用模擬船舶航行狀態(tài)，計算模型得到休息室聲壓級預報結果如圖5所示。圖中曲線A表示空調(diào)噪聲單獨作用，曲線B表示主機、空調(diào)同時作用，曲線C表示主機單獨作用。從圖5中可以看出，對于休息室空調(diào)噪聲對聲腔整體噪聲水平影響較小，且主要集中在800 Hz～2 000 Hz頻段內(nèi)。

3 船舶艙室噪聲控制

VA One軟件能夠分析各種吸聲材料的吸聲效果、研究降噪措施是否合理，軟件數(shù)據(jù)庫中收集了工程中常用的吸聲材料、阻尼材料及其它一些材料，可以很方便的直接調(diào)用。也可以手動編輯定義材料屬性，創(chuàng)建屬于自己的新的吸聲材料，包括將它們組合起來形成組合吸聲材料。選擇駕駛室為噪聲控制對象，駕駛室離主機艙底激勵的垂直距離為17.3 m，距離第一主機艙水平距離為46.8 m，距離第二主機艙水平距離為35.4 m。

圖5 空調(diào)噪聲對休息室聲壓級影響

3.1 吸聲材料性能

（1）單層吸聲材料

在艙壁四周單獨敷設四種吸聲材料（玻璃纖維、三聚氰胺、聚酯、聚亞胺脂），對比敷設吸聲材料前后聲腔子系統(tǒng)聲壓級變化。圖6—圖7分別列出了駕駛室施加不同單層吸聲材料前后聲壓級變化情況。

圖6 駕駛室聲壓級變化對比1

圖7 駕駛室聲壓級變化對比2

圖中曲線A表示駕駛室未敷設任何吸聲措施，其它四種吸聲材料列于表2。

從圖6與圖7可以看出,在低頻段，玻璃纖維的吸聲性能最差，三聚氰胺在200～500 Hz內(nèi)每個頻點能降低2 dB左右的聲壓，在600～700 Hz之間存在吸聲低谷，聚酯在700～2 000 Hz之間吸聲性能較差，但在中低頻吸聲要好于其它三種材料，聚亞胺脂在中低頻內(nèi)吸聲效果起伏不大在1～2 dB左右，在高頻段內(nèi)（2 000 Hz以上）吸聲性能相差不大，吸聲效果較好，平均每個頻點能減少8～10 dB左右。

表2 敷設單層吸聲材料種類

（2）雙層吸聲材料

為了與單層材料的吸聲效果形成對比，雙層吸聲材料仍然選用50 mm厚度，組合材料的選擇如下表3所示。

將四種組合吸聲材料分別敷設到駕駛室四周，圖8與圖9分別顯示了敷設四種吸聲材料之后駕駛室的聲壓級變化情況。

圖8 駕駛室聲壓級變化對比3

圖9 駕駛室聲壓級變化對比4

分析圖8可得不同厚度的聚酯與三聚氰胺組合得到的組合材料吸聲性能不一樣，組合材料F和G在800～2 000 Hz吸聲性能變化較大，當減少聚酯層厚度增加三聚氰胺厚度時，吸聲低谷從1 000 Hz變化到1 300 Hz左右，并且峰值有所降低。從圖9可看出，聚亞胺脂與三聚氰胺的組合性能變化不大，在400 Hz左右存在吸聲低谷。

3.2 艙室能量輸入考察及降噪效果

（1）考察子系統(tǒng)之間能量輸入關系

VA One軟件能查詢相互耦合子系統(tǒng)之間的能量輸入關系，通過考察可以很清楚的得到每個聲腔子系統(tǒng)之間的能量輸入關系，通過得到哪些子系統(tǒng)傳入的能量起著主要作用后，就能有針對性的提出噪聲控制措施。圖10給出了駕駛室的能量輸入關系圖。

表3 敷設雙層吸聲材料種類

圖10 駕駛室能量輸入關系

由于每個艙室子系統(tǒng)非常多，將它們?nèi)吭趫D表中顯示出來會看不清楚，因此將對子系統(tǒng)能量輸入較小的子系統(tǒng)隱藏起來，便于觀看。通過分析每個聲腔子系統(tǒng)的能量輸入關系可以看出，對于排在前面的幾個子系統(tǒng)對聲腔的能量輸入總和占了聲腔總能量輸入的大部分，因此，對這些占總能量輸入大部分的子系統(tǒng)進行噪聲控制措施顯得尤為重要。由于空調(diào)通風口的存在，建立駕駛室艙壁板的子系統(tǒng)時必須將頂壁板劃分為兩個板。即頂壁plate 1，頂壁plate 2。根據(jù)建模習慣，本文中將駕駛室其余5個艙壁也分別劃分為兩個板，如圖10中所示。通過考察能量輸入關系可以得出，對于駕駛室聲腔貢獻較大的子系統(tǒng)是：駕駛室底板1、駕駛室頂壁、駕駛室底板2、駕駛室前壁下、駕駛室前壁上等；

（2）降噪效果研究

在得出能量輸入關系之后接下來就是進行噪聲控制處理，根據(jù)之前分析的吸聲材料吸聲性能結果，對于能量輸入貢獻較大的子系統(tǒng)敷設吸聲性能較好的復合吸聲材料，對于其他能量貢獻較少的子系統(tǒng)，可以敷設質(zhì)量較輕經(jīng)濟性更好的吸聲材料，這樣就能整體上兼顧經(jīng)濟性與實用性。圖11列出了駕駛室經(jīng)過復合吸聲材料處理前后的聲壓級變化對比。顯示經(jīng)過處理后駕駛室聲壓不僅在高頻段內(nèi)有較好的吸聲效果，而且低中頻聲壓也有一定的降低，整個頻段內(nèi)駕駛室聲壓降低了2.5 dB，取得了較好效果。

4 結語

使用VA One軟件對某三體高速船進行三維建模，分別考慮了主機結構聲和空氣聲及空調(diào)噪聲對艙室噪聲的影響，得出距離激勵源較遠的艙室，主機空氣聲對聲腔聲壓起主要作用。然后研究了幾種吸聲材料的吸聲特性，得出幾組經(jīng)濟性較好的組合，通過考察聲腔子系統(tǒng)之間的能量輸入關系，對艙室貢獻量較大的敷設吸聲性能較好的吸聲材料，對貢獻量小的采用吸聲性能較差但較為經(jīng)濟的吸聲材料。由于由30 mm聚亞胺酯和20 mm三聚氰胺的組合不僅質(zhì)量輕，而且較為經(jīng)濟，建議在噪聲控制中采用該種材料。

圖11 駕駛室聲壓變化圖

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