多孔吸聲材料在高速船艙室噪聲控制中的應(yīng)用

楊永鉀，喻 敏，李廷秋

(1．武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，湖北武漢430063;2．海軍裝備研究院，北京100161)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)、工業(yè)制造、交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，噪聲控制己成為一個有關(guān)高科技、環(huán)境以及人類協(xié)調(diào)發(fā)展急需解決的重要課題。2012年5月26日，國際海事組織 (IMO)海上安全委員會 (MSC)在第90次會議上批準(zhǔn)了《船上噪聲等級規(guī)則》修訂草案，修訂草案提出“起居區(qū)降低5 dB”，對船舶的降噪性能提出了更高要求［1］。目前針對船舶噪聲控制的主要解決辦法之一是使用多孔吸聲材料。雖然多孔吸聲材料存在一些不足，但由于其取材范圍廣，加工制造工藝相對簡單，并且隨著一些新型多孔材料的研制成功，多孔吸聲材料已經(jīng)成為目前應(yīng)用最廣泛的吸聲材料［2］。因此，研究多孔材料的吸聲特性對工程應(yīng)用和噪聲控制具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

高速船是一種性能突出的新一代船型，但船舶高速化的同時卻帶來了嚴(yán)重的振動與噪聲問題。其主要原因在于:一方面，為了追求高速，高速船質(zhì)量較輕，其船體剛度比常規(guī)船型要弱，振動頻率較常規(guī)船型低，高階振動模態(tài)易被激發(fā)出來;另一方面，高速船一般安裝的是高轉(zhuǎn)速、大功率的推進(jìn)主機(jī)，造成螺旋槳的脈動壓力顯著增長。與此同時，高速主機(jī)與螺旋槳輻射的空氣噪聲聲強(qiáng)大，響度高，影響區(qū)域遍及全船［3］。因此，高速船的振動噪聲與控制問題是近代高速船研究中的一個重要發(fā)展方向。

Biot于1956年提出了流體飽和多孔介質(zhì)聲傳播理論，奠定了該聲學(xué)分支的理論基礎(chǔ)［4］。隨著人們對Biot理論多方面的完善，使其成為最成功的多孔介質(zhì)聲學(xué)理論，并廣泛應(yīng)用于聲波勘探和其他聲學(xué)領(lǐng)域。目前，由于實(shí)船試驗成本高，重復(fù)性差，數(shù)值仿真成為船舶結(jié)構(gòu)聲學(xué)設(shè)計的重要手段。

本文應(yīng)用VA One軟件平臺，分析7種多孔材料的吸聲特性，將所選三聚氰胺泡沫塑料等吸聲材料組合分別附加到某高速船具體部位，進(jìn)行仿真對比分析，所得結(jié)論對多孔吸聲材料在船舶噪聲控制應(yīng)用的研究具有一定的參考價值。

1 多孔吸聲材料優(yōu)化研究

1.1 SEA模型的建立

本文以某35m游艇主要艙室為噪聲控制處理對象，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 高速船總布置圖Fig.1 General arrangement drawing of high speed ship

統(tǒng)計能量法 (SEA)是常用的求解高頻段振動噪聲問題的有效手段?；诟咚俅哳l噪聲占主導(dǎo)成分的特點(diǎn)，本文應(yīng)用VA One軟件建立了全船的SEA模型 (見圖2)。VA One中的Foam模塊采用平面波傳播模型，并用畢奧理論對其進(jìn)行修正，在固體材料或泡沫結(jié)構(gòu)框架中考慮縱波和橫波，可以預(yù)測多層噪聲控制處理介質(zhì)的吸收系數(shù)和插入損失，使用Foam塊可以預(yù)測復(fù)雜的多層吸聲材料的能量吸收。其聲學(xué)材料解決方案提供了多種吸聲材料庫和阻尼的材料庫和纖維狀吸聲材料和多孔吸聲材料聲學(xué)性能求解器。

圖2 全船SEA模型Fig.2 SEA model of the ship

1.2 單層吸聲材料研究

吸聲材料按吸聲機(jī)理可分為多孔吸聲材料和共振吸聲結(jié)構(gòu)材料兩大類［5］。前者一般具有中高頻吸聲系數(shù)大、質(zhì)輕疏松多孔等特點(diǎn);后者低頻吸聲系數(shù)高，但制作加工稍復(fù)雜。雖然前者存在一些缺點(diǎn)，但因為它制備技術(shù)簡單，取材方便，隨著新型吸聲材料的開發(fā)研制，使得其低頻吸聲性能亦得到較大改善。船舶常用的多孔吸聲材料包括聚氨酯、玻璃纖維、三聚氰胺、超細(xì)玻璃棉、巖棉及硬膠板等［6］。為與黏彈性阻尼材料作對比，本文還選取聚氨酯為研究對象。黏彈性阻尼材料不但兼具隔聲吸聲和減振等優(yōu)點(diǎn)，而且來源廣泛且應(yīng)用成本較低，目前已在汽車船舶和飛機(jī)行業(yè)的振動與噪聲控制中得到了廣泛的應(yīng)用［7］。本文以船員室為例進(jìn)行阻尼降噪優(yōu)化，研究各種材料的吸聲特性。表1給出了這7種吸聲材料的部分物理參數(shù)，附加的材料厚度均為50 mm，船員室的表面積為73.514 m2，各頻段阻尼優(yōu)化效果如圖3所示。

表1 所選材料參數(shù)Tab.1 Parameters of the material

圖3 七種常用單層吸聲材料的阻尼優(yōu)化效果比較Fig.3 Comparison of the damping effect of seven kinds of single sound-absorbing material

由圖3可看出，聚氨酯粘彈性材料的吸聲效果明顯優(yōu)于其他6種材料，巖棉次之且曲線走勢基本一致，另外5種材料的吸聲性能相近但各有特點(diǎn):超細(xì)玻璃棉吸聲效果在各個頻段比較平均，總體降低4 dB左右，效果較好;聚氨酯在200～1 000 Hz之間具有良好的吸聲性能，總聲壓在5種材料中最低;三聚氰胺泡沫和玻璃纖維在1 000 Hz之后的吸聲效果與前兩者相比有明顯優(yōu)勢;硬膠板雖然在200～315 Hz頻段吸聲效果很好，但在400～2 000 Hz頻段使振動噪聲加劇，因而整體降噪效果較差。

高速船在設(shè)計階段對操縱性、快速性、舒適性等性能均有較高要求，單從聲學(xué)特性進(jìn)行阻尼優(yōu)化并不能滿足設(shè)計的實(shí)際需求，因此本文還考慮了附加各種吸聲材料所帶來的舾裝重量增加值。表2分別列出了附加7種吸聲材料所引起的增重，并對比了每降低1 dB所需的材料重量。從表中可看出，對于同樣的降噪要求，玻璃纖維耗材增重最少，三聚氰胺塑料泡沫次之，聚氨酯和超細(xì)玻璃棉的重量吸聲比相當(dāng)，巖棉由于自身密度較大，吸聲重量比很大，硬膠板降噪效果微弱，因而增重最多。

表2 單層吸聲材料記重優(yōu)化效果比較Tab.2 Optimization effect of single sound-absorbing material

2 多層復(fù)合吸聲材料的研究

VA One中的噪聲控制處理方案 (NCT)是通過分層定義的。本文針對船舶聲學(xué)設(shè)計優(yōu)化的實(shí)際需求，將復(fù)合材料分為機(jī)艙圍壁復(fù)合材料、上層艙室圍壁復(fù)合材料和艙室地板 (包括艙室甲板、落艙甲板和機(jī)艙內(nèi)船底板等承受較大壓力的甲板結(jié)構(gòu))復(fù)合材料3類。

2.1 機(jī)艙圍壁復(fù)合材料的比較研究

機(jī)艙是受振動激勵影響最嚴(yán)重的艙室，艙內(nèi)設(shè)有主機(jī)且距離螺旋槳較近，激勵由此沿縱橫方向傳遞至整個船體。同時，機(jī)艙內(nèi)由于主機(jī)等船舶機(jī)械工作的熱能耗散，工作溫度較高。因而，機(jī)艙內(nèi)敷設(shè)的優(yōu)化吸聲材料要兼具吸聲隔熱防火等功能。在以上研究的7種材料中，巖棉具有非常優(yōu)良的吸聲和隔熱效果，聚氨酯泡沫和玻璃纖維的熔點(diǎn)分別為180℃和680℃ (均滿足使用要求)，且分別在低頻和高頻有較優(yōu)良的吸聲性能，故本文選取聚氨酯泡沫+巖棉+玻璃纖維的組合方式對其進(jìn)行聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計。結(jié)合甲板下骨材的尺寸將復(fù)合吸聲材料的疊加總厚度增至60 mm，選取3種材料的4種不同組合作為研究對象:分別是:

組合1 40 mm聚氨酯泡沫+10 mm巖棉+10 mm玻璃纖維;

組合2 30 mm聚氨酯泡沫+20 mm巖棉+10 mm玻璃纖維;

組合3 20 mm聚氨酯泡沫+30 mm巖棉+10 mm玻璃纖維;

組合4 10 mm聚氨酯泡沫+40 mm巖棉+10 mm玻璃纖維。

圖4 機(jī)艙復(fù)合材料的降噪優(yōu)化效果比較Fig.4 Comparison of the noise reduction effect of engine room composite materials

圖4給出了使用4種組合材料進(jìn)行噪聲控制處理后的聲壓級變化圖?？梢钥闯?，4種材料組合在200～400 Hz的吸聲效果并無明顯差異，之后吸聲效果依次增強(qiáng)，且相鄰2種材料的分離點(diǎn)頻率越來越高。表3給出了4種材料組合的降噪效果與增重比較。機(jī)艙的表面積為164.391 m2，因此涂敷材料的組合，尤其是密度較大的巖棉的厚度對重量影響很大。綜合比較4種材料組合，可以得出材料組合2是優(yōu)化材料的最佳選擇。因為涂敷不同材料所引起的重量變化依次等幅增加，但降噪效果變化值卻逐次縮小，組合2以同等的材料增重?fù)Q取了最大的聲壓降低值。雖然在1 000 Hz之后組合2相比于組合3和組合4的降噪效果有5～10 dB的差距，但此時聲壓預(yù)報值已快速下降，所以對噪聲控制影響不大。

表3 四種材料組合的降噪效果比較Tab.3 Comparison of the noise reduction effect of four kinds of combination material

2.2 上層艙室圍壁復(fù)合材料的比較研究

上層建筑自身聲壓級相對較小，降噪易于實(shí)現(xiàn)，較輕的舾裝重量可以使船舶重心下移以保證船舶穩(wěn)性和操縱性，考慮到聚氨酯泡沫材料較輕且吸聲效果好，玻璃纖維適用于艙壁外裝且重量吸聲比最優(yōu)，本文選取聚氨酯泡沫和玻璃纖維組合作為上層艙室的吸聲材料，由于上層艙室面積較大，兩層材料的簡易組合還可以節(jié)約工藝成本。

聚氨酯+玻璃纖維的復(fù)合吸聲材料厚度為50 mm，仍以船員室為例，選取3種材料組合為研究對象:

組合1 35 mm聚氨酯泡沫+15 mm玻璃纖維;

組合2 40 mm聚氨酯泡沫+10 mm玻璃纖維;

組合3 45 mm聚氨酯泡沫+5 mm玻璃纖維。

圖5 上層艙室復(fù)合材料的降噪優(yōu)化效果比較Fig.5 Comparison of the noise reduction effect of upper cabin composite materials

圖5給出了使用3種不同上層艙室組合材料進(jìn)行噪聲控制處理后的聲壓變化圖。分析得出，3種材料組合在各個頻點(diǎn)的吸聲效果區(qū)別不大，出現(xiàn)這種情況的原因在于上層艙室優(yōu)化前的聲壓級較低，且厚度相同時三聚氰胺泡沫和玻璃纖維的吸聲性能無較大差異。仔細(xì)觀察還可發(fā)現(xiàn)，組合1在1 000 Hz以后有微弱優(yōu)勢，組合3在200～400 Hz表現(xiàn)較好，組合2處于兩者之間。這與對單層聚氨酯和玻璃纖維吸聲性能的分析完全吻合。表4給出了3種材料組合的降噪效果比較，由于船員室的表面積僅為73.514 m2，而且在選用吸聲材料時已考慮到材料密度對船體重量的影響，因此涂敷3種組合材料，對重量影響差距很小。但在實(shí)際應(yīng)用中，待優(yōu)化的上層艙室圍壁還包括會議室、駕駛室、工作室、休息室等，材料對重量影響的差距將會成倍放大。因此，綜合比較3種材料組合得出，在保證降噪效果且增重較少的前提下，組合材料2為最佳選擇。

表4 三種材料組合的降噪效果比較Tab.4 Comparison of the noise reduction effect of three kinds of combination material

艙室地板不僅是傳遞聲能量的重要子系統(tǒng)，而且由于實(shí)際的使用需求還需要承擔(dān)機(jī)械貨物等物體施加的外界壓力。因此，艙室地板在具有良好吸聲性能的同事還可承受一定大小的壓應(yīng)力。本文僅從定量角度分析對艙室地板選取若干吸聲材料。聚氨酯、三聚氰胺等泡沫塑料由于自身的物理特性不宜用作地板舾裝;超細(xì)玻璃棉重量吸聲比很小，作為內(nèi)襯吸聲材料;硬膠板具有阻燃和絕緣效果且韌性較好，作為最外層敷加材料，但由于降噪效果一般且密度大，不宜太厚。考慮到木質(zhì)地板的鋪設(shè)等其他舾裝布置的影響，復(fù)合吸聲材料厚度減小為40 mm，故選取35 mm超細(xì)玻璃棉+5 mm硬膠板。

尾尖艙和機(jī)艙艙底板直接受螺旋槳和主機(jī)振動激勵作用，應(yīng)選擇阻尼優(yōu)化性能較好的粘彈性材料，因此，在35 mm超細(xì)玻璃棉+5 mm硬膠板的基礎(chǔ)上添加10 mm的粘彈性聚氨酯材料作為船底板內(nèi)層敷料。

2.3 復(fù)合吸聲材料應(yīng)用

VA One能夠查詢相互耦合的子系繞之間的能量輸入。通過考察艙室聲腔子系統(tǒng)接受其他子系統(tǒng)的能量輸入，便可以確定對艙室聲腔能量輸入貢獻(xiàn)最大的子系統(tǒng)。圖6～圖7分別給出了對某35 m游艇噪聲水平要求較高的艙室聲腔 (以會議室、工作室為例)的能量輸入圖。

圖6 會議室能量輸入Fig.6 Energy input of conference room

圖7 工作室能量輸入Fig.7 Energy input of workroom

由圖6和圖7可看出，對會議室聲腔能量貢獻(xiàn)最大的子系統(tǒng)是船員室前端壁、會議室甲板、駕駛室甲板和會議室舷側(cè);對工作室聲腔能量貢獻(xiàn)最大的子系統(tǒng)是30#艙壁和船員室舷側(cè);對駕駛室聲腔能量貢獻(xiàn)最大的子系統(tǒng)是駕駛室甲板、頂棚甲板、駕駛室后端和工作室前端;對工作室聲腔能量貢獻(xiàn)最大的子系統(tǒng)是工作室甲板、游步甲板、廚廁間前端和工作室舷側(cè)等。

對貢獻(xiàn)能量較多的子系統(tǒng)，可以安裝吸聲性能較佳的復(fù)合吸聲材料，而對于其他貢獻(xiàn)能量較少的子系統(tǒng)或噪聲水平要求較低的艙室子系統(tǒng)，可以安裝質(zhì)量較輕的單層吸聲材料，這樣可以在整體上兼顧實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。

根據(jù)前一節(jié)的研究結(jié)果，本文對機(jī)艙圍壁安裝復(fù)合吸聲材料組合－30 mm聚氨酯泡沫+20 mm巖棉+10 mm玻璃纖維;對會議室、船員室、駕駛室、工作室圍壁安裝復(fù)合吸聲材料組合－40 mm聚氨酯泡沫+10 mm玻璃纖維;對廚廁間和艙室天花板安裝50 mm單層聚氨酯泡沫板;對上層艙室地板安裝復(fù)合吸聲材料組合－35 mm超細(xì)玻璃棉+5 mm硬膠板;對艉尖艙和機(jī)艙艙底板安裝10 mm粘彈性聚氨酯+35 mm超細(xì)玻璃棉+5 mm硬膠板。材料選用結(jié)果匯總見表5所示。

表5 各位置吸聲材料選取結(jié)果Tab.5 Selection of the sound absorption material

將各組吸聲材料安裝在對應(yīng)的結(jié)構(gòu)上，經(jīng)VA One軟件再次對機(jī)艙、會議室、船員室、駕駛室、工作室、廚廁間進(jìn)行聲壓級預(yù)報，部分艙室優(yōu)化前后對比結(jié)果如圖8～圖9所示。

圖8 機(jī)艙優(yōu)化前后對比Fig.8 Optimization comparison of engine room

圖9 會議室優(yōu)化前后對比Fig.9 Optimization comparison of conference room

由計算結(jié)果可知，機(jī)艙、會議室、船員室、駕駛室、工作室、廚廁間的噪聲級分別降低了13.60 dB，7.64 dB，7.61 dB，12.70 dB，14.36 dB，13.36 dB，降噪效果顯著。而根據(jù)VA One軟件統(tǒng)計得到吸聲材料所引起的總增加質(zhì)量為504.73 kg，相對于全船重量27 355.75 kg，質(zhì)量增加比僅為1.8%。

3 結(jié)語

高速船艙室噪聲控制是極為復(fù)雜且具有實(shí)際意義的問題，本文應(yīng)用VA One軟件對不同層數(shù)的、由不同厚度與密度吸聲材料組成的復(fù)合吸聲材料進(jìn)行了優(yōu)化研究，得出以下結(jié)論:

1)選取聚氨酯、玻璃纖維、三聚氰胺、超細(xì)玻璃棉、巖棉，硬膠板等6種多孔吸聲材料以及粘彈性聚氨酯為例，應(yīng)用VA One軟件中的Form模塊和NCT功能，研究了它們在各頻段的吸聲降噪效果。并選取適宜材料組合為復(fù)合吸聲材料進(jìn)行了研究，針對聲學(xué)優(yōu)化的實(shí)際情況分別為機(jī)艙圍壁、上層艙室圍壁、艙室地板等不同結(jié)構(gòu)選取了吸聲材料，并通過比較研究確定了最佳厚度組合。

2)根據(jù)各子系統(tǒng)能量貢獻(xiàn)大小的不同和實(shí)際工程需要的特點(diǎn)，分別對不同結(jié)構(gòu)位置進(jìn)行了噪聲控制處理，通過優(yōu)化前后對比，機(jī)艙、會議室、船員室、駕駛室、工作室、廚廁間的噪聲級分別降低了13.6 dB，7.6 dB，7.6 dB，12.7 dB，14.4 dB，13.4 dB，取得了良好的降噪效果。

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