基于VAOne的船舶噪聲預報及分析

歐禮堅，李德玉， 歐家銘，徐海汐

（1.華南理工大學土木與交通學院；2.自動化學院，廣州510640; 3.廣州理堅船舶工程有限公司，廣州 510640）

1 前言

國際海事組織（IMO）海上安全委員會（MSC）第90次會議批準了《船上噪聲等級規(guī)則》修訂草案，對1 600 總噸適用的船型、船舶不同區(qū)域的噪聲限值、艙壁和甲板隔聲指數(shù)、噪聲的測量儀器和測量方法等進行了修訂，修訂案已經(jīng)生效執(zhí)行，對船舶的降噪性能提出了更高要求，對造船業(yè)產(chǎn)生重大影響。據(jù)統(tǒng)計，在已建造好的船上安裝聲學器材的代價約為設(shè)計中預先采取措施所需費用的3 倍左右。在船舶設(shè)計階段對船舶艙室噪聲給出合理的預報，使其噪聲水平滿足任務(wù)書和相應(yīng)標準的要求是很有必要的。在設(shè)計階段對船舶艙室噪聲進行預報并提出聲學設(shè)計的改進措施對縮短造船周期、降低造船成本、提高船舶安全性能有著非常重要的作用。

與先進國家的造船企業(yè)相比，我國船企目前在船舶降噪理論和對新技術(shù)的研究，尤其在應(yīng)用技術(shù)研究方面有很大差距，因此船舶艙室噪聲的預報方法已經(jīng)成為我國現(xiàn)階段學術(shù)界及工程界的研究熱點之一。

2 統(tǒng)計能量分析理論及VA One軟件概況

2.1 統(tǒng)計能量分析理論

統(tǒng)計能量分析（SEA）是20世紀60 年代初期為模擬大型結(jié)構(gòu)物的振動噪聲而提出的用于研究結(jié)構(gòu)高頻動態(tài)特性的一種計算方法，在航空、艦船、汽車、高速列車等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。

統(tǒng)計能量分析方法運用統(tǒng)計的觀點，從能量角度分析復雜結(jié)構(gòu)在外載荷作用下的響應(yīng)，可以成功預測耦合結(jié)構(gòu)元件和聲學容積的振級和噪聲，也能很好地解決聲場與結(jié)構(gòu)間的耦合問題。對于受高頻、寬帶隨機激勵的復雜結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)及其噪聲輻射問題，用統(tǒng)計能量法尤為有效。該方法以統(tǒng)計物理學原理為基礎(chǔ)，將復雜結(jié)構(gòu)分解成一系列子系統(tǒng)，以每一子系統(tǒng)內(nèi)的能量作為其基本變量。方程表示的是子系統(tǒng)間的能量傳遞，可以較好地描述每個子系統(tǒng)的平均振動聲學特征。

統(tǒng)計能量分析法的基本關(guān)系方程是在一些假設(shè)（弱耦合、保守耦合、激勵源不相關(guān)等）限制條件下建立的。在各子系統(tǒng)的激勵相互獨立（不相關(guān)）且保守弱耦合情況下穩(wěn)態(tài)響應(yīng)時的功率流平衡方程為：

其中，

式中：ni、hj為子系統(tǒng)i的模態(tài)密度和內(nèi)部損耗因子；hij為振動能量從子系統(tǒng)i傳遞至子系統(tǒng)j的耦合損耗因子；ω為倍頻程的中心頻率；pi為外界對子系統(tǒng)i的輸入功率；Ei為子系統(tǒng)i的能量。

2.2 VA One軟件

2005 年法國 ESI 集團推出全頻段振動噪聲分析軟件 VA One，該軟件集成了Nastran 求解器用于低頻段的有限元分析、Rayon 求解器用于邊界元分析，并且繼承了高頻分析軟件 Auto SEA2 的功能用于高頻分析及基于FE-SEA 的混合方法的中頻求解器用于中頻分析，因此VA One 軟件能夠進行全頻段范圍內(nèi)的振動噪聲問題求解，被認為是近二十年來振動噪聲問題分析歷程上的一個重大突破。

目前 VA One 軟件在各行各業(yè)已得到廣泛的應(yīng)用。在航天航空領(lǐng)域的應(yīng)用主要為：商業(yè)、軍用飛機內(nèi)部的噪聲優(yōu)化設(shè)計；分析衛(wèi)星、火箭等飛行設(shè)備的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)在惡劣環(huán)境下受到隨機振動和環(huán)境作用引起的沖擊；優(yōu)化噪聲處理措施來減輕并提高燃燒效率；研究并優(yōu)化新材料新結(jié)構(gòu)用于結(jié)構(gòu)的振動-聲學性能分析。在汽車行業(yè)的應(yīng)用主要為：根據(jù)設(shè)計圖紙對各種車型進行建模分析，通過內(nèi)部聲學安裝、吸聲阻尼材料處理等措施實現(xiàn)整車噪聲預報，達到駕駛室內(nèi)部噪聲和內(nèi)飾材料的最優(yōu)化設(shè)計。在船舶行業(yè)主要應(yīng)用為：創(chuàng)建船舶、潛艇和豪華游艇等的模型，預測整體噪聲及振動，設(shè)計降低船用聲納系統(tǒng)的自噪聲及研究潛艇水下輻射噪聲的控制措施。

3 計算模型建立及仿真計算

3.1 船舶的特點及參數(shù)

船舶是一個漂浮于水上的大型復雜結(jié)構(gòu)，不但受到船體周圍水流的不規(guī)則隨機激勵作用，還受到船內(nèi)各種機器設(shè)備發(fā)出的激勵作用，主要包括主機、輔機發(fā)電機、空調(diào)通風系統(tǒng)、螺旋槳等。為了研究方便，本文只分析主機和發(fā)電機組柴油機的結(jié)構(gòu)聲和空氣聲對艙室噪聲產(chǎn)生的影響?；诮y(tǒng)計能量分析軟件 VA One 建立計算模型，以梁、桿、板及空氣等基本子系統(tǒng)為基本單元來模擬船舶結(jié)構(gòu)和艙室，預報艙室噪聲。

引起接受點艙室噪聲的主要因素有：室內(nèi)噪聲源引起的空氣聲輻射；室外或臨近艙室噪聲通過圍護結(jié)構(gòu)傳入艙室的空氣聲；圍護結(jié)構(gòu)振動所引起的聲輻射。

噪聲源估算就是利用實測數(shù)據(jù)、經(jīng)驗公式或借助理論分析來確定各類噪聲源的源強度，包括：室內(nèi)機電設(shè)備輻射的聲功率級LW（基準值：10-12W）；室外或相鄰艙室噪聲在接受點艙室圍護結(jié)構(gòu)外表面引起的聲壓級Lp（基準值：20×10-6Pa）；引起接受點艙室圍護結(jié)構(gòu)振動的各類機電設(shè)備的結(jié)構(gòu)振動加速度級La（基準值：10-6m/s2）。

本文 研究對象為內(nèi)河自卸砂船，其主尺度為：船長 82 m、型寬 17 m、型深 5.1 m、設(shè)計吃水 4.4 m。船尾區(qū)域主要有機艙、舵機艙、船員室和駕駛室。

根據(jù)文獻[6]柴油機噪聲總聲功率計算方法及文獻[7]高速柴油機噪聲頻譜特性，估算得出主機艙1/1 倍頻帶噪聲源強度如表1 和表2所示。

表1 空氣聲源強度

表2 結(jié)構(gòu)聲源強度

3.2 船舶噪聲預報模型的建立

首先，采用 ANSYS 建立幾何模型，將幾何模型劃分為有限元網(wǎng)格；其次，在 VA One 里導入網(wǎng)格，生成SEA 模型，定義各種材料的屬性及各種加筋板，將它們賦予給對應(yīng)的子系統(tǒng)；最后，定義各類設(shè)備的空氣噪聲和結(jié)構(gòu)噪聲，輸入或約束到對應(yīng)子系統(tǒng)。

因本文主要研究機艙、船員室及駕駛室的噪聲，計算模型不包括船首及貨艙區(qū)域，計算模型如圖1所示。

圖1 計算模型幾何模型

圖2 統(tǒng)計能量法計算模型

3.3 計算結(jié)果及分析

（1）對機艙噪聲仿真計算中，分別對空氣噪聲、結(jié)構(gòu)噪聲、空氣噪聲及結(jié)構(gòu)噪聲共同作用3種狀態(tài)進行了計算，計算結(jié)果如表3和圖3所示。

表3 機艙噪聲仿真計算結(jié)果

圖3 機艙噪聲分布曲線

（2）在針對駕駛室（門和窗關(guān)閉）的噪聲預報中，也分別對空氣噪聲、結(jié)構(gòu)噪聲、空氣噪聲及結(jié)構(gòu)噪聲共同作用3種狀態(tài)進行了計算，計算結(jié)果如表4和圖4所示。

表4 駕駛室噪聲仿真計算結(jié)果

圖4 駕駛室噪聲分布曲線

（3）根據(jù)對該船進行實船噪聲測量，測試結(jié)果與預報值對比如表5所示。

表5 預報值與實測值比較

由表5看出，預報值與實測值誤差不大于3 dB，達到了工程精度要求。因此基于VA One的船舶艙室噪聲預報是可行的。

4 結(jié)論

基于VA One的統(tǒng)計能量法對船舶艙室噪聲預報是可行的。此外，預報分析結(jié)果表明，機艙屬于噪聲源，其噪聲組成中占主導的為空氣噪聲；駕駛室（門和窗關(guān)閉狀態(tài)）因遠離噪聲源，起主要作用的為結(jié)構(gòu)噪聲。

[1]A.N.Bercin.An Assessment of the Effects of In-planeVibrations on the Energy Flow between Coupled Plates[J].Journal of Sound and Vibration, 1996, 191(5).

[2]Fahy F.J.and Mohammed, A.D., A Study of Uncertainty in Application of SEA to Coupled Beam and Plate Systems[J].Journal of Sound and Vibration, 1992, 158(1).

[3]黎勝, 趙德有.用有限元/邊界元方法進行結(jié)構(gòu)聲輻射的模態(tài)分析[J].聲學學報, 2001, 26(2).

[4]周振威，李德玉，歐禮堅.雙層板結(jié)構(gòu)水下振動聲輻射的特性[C].第十四屆船舶水下噪聲學術(shù)討論會,重慶，2013.

[5]李德玉，歐禮堅，趙成璧.長T型聲共振器在船舶噪聲控制中的應(yīng)用[J].廣東造船，2012（6）.

[6]Edward.B.Magrab.Environmental Noise control[M].Canada: John Wiley &Sons, Inc, 1975.

[7]J.W.E.彼得森, J.Fr.斯托姆.船舶噪聲控制[M].北京:國防工業(yè)出版社, 1983.