傳導(dǎo)函數(shù)在船舶機(jī)械噪聲預(yù)報(bào)中的應(yīng)用及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

馬紅榮

（威海職業(yè)學(xué)院，威海 264210）

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傳導(dǎo)函數(shù)在船舶機(jī)械噪聲預(yù)報(bào)中的應(yīng)用及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

馬紅榮

（威海職業(yè)學(xué)院，威海 264210）

摘 要：船舶機(jī)械噪聲不僅會(huì)造成船體結(jié)構(gòu)的疲勞，損壞船身，而且還會(huì)影響船內(nèi)各種設(shè)備、儀器的正常使用，還會(huì)影響船舶的機(jī)械性能以及船上工作人員的身心健康。本文以船舶機(jī)械噪聲為出發(fā)點(diǎn)，淺談傳導(dǎo)函數(shù)對(duì)船舶機(jī)械噪聲預(yù)報(bào)中的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，旨在促進(jìn)傳導(dǎo)函數(shù)在船舶機(jī)械噪聲預(yù)報(bào)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：傳導(dǎo)函數(shù) 船舶機(jī)械 噪聲預(yù)報(bào)

近年來，船舶行業(yè)飛速發(fā)展。船舶機(jī)械設(shè)備不斷更新的同時(shí)，也使得船舶機(jī)械的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，自動(dòng)化程度越來越高。這些都導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備故障的頻發(fā)，埋下了安全隱患。因此，加強(qiáng)船舶機(jī)械工作內(nèi)容的優(yōu)化，增強(qiáng)傳導(dǎo)函數(shù)在船舶機(jī)械噪聲預(yù)報(bào)中的應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)，對(duì)于減少船舶機(jī)械噪聲、機(jī)械故障具有重要的導(dǎo)向意義和實(shí)踐意義。

1 船舶機(jī)械設(shè)備噪聲概述

1.1 船舶噪聲的主要來源

引起船舶機(jī)械設(shè)備的噪聲種類有很多，主要分為三種類型的船舶機(jī)械噪聲：水動(dòng)力噪聲、主機(jī)噪聲、螺旋槳噪聲。

對(duì)水動(dòng)力噪聲來說，水動(dòng)力噪聲的產(chǎn)生原因主要是因?yàn)楹Ａ鞯牟灰?guī)則起伏運(yùn)動(dòng)對(duì)船體的振動(dòng)作用引起。水動(dòng)力噪聲分為兩類：一類是海流對(duì)船下殼板振動(dòng)所產(chǎn)生的噪聲，這類噪聲是由于因?yàn)楹Ａ鲏毫Φ淖兓鸬牟灰?guī)則振動(dòng)活動(dòng)噪聲；另外一類是海流對(duì)船體表面的振動(dòng)作用所引起的噪聲。主機(jī)噪聲是船舶噪聲中最大的噪聲，對(duì)船舶的運(yùn)行和機(jī)械設(shè)備的維修保養(yǎng)有著重要的影響。

主機(jī)噪聲主要分為兩種：一種是機(jī)械噪聲，另一種是空氣噪聲。對(duì)機(jī)械噪聲來說，機(jī)械噪聲的產(chǎn)生主要是由主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不同機(jī)械構(gòu)件相互摩擦或撞擊所產(chǎn)生的噪聲。機(jī)械噪聲的噪音強(qiáng)弱、噪聲級(jí)別與主機(jī)的機(jī)械材料、結(jié)構(gòu)、性能、轉(zhuǎn)速有著密切關(guān)系。空氣噪聲主要是燃油在汽缸內(nèi)燃燒的噪聲以及排氣、空氣系統(tǒng)所產(chǎn)生的噪聲?？諝庀到y(tǒng)又被成為進(jìn)氣系統(tǒng)，主要指的是主機(jī)所產(chǎn)生的噪聲來源。在這個(gè)過程中，機(jī)艙的氣柱脈動(dòng)、氣流阻塞、廢棄渦輪中的氣流旋轉(zhuǎn)都是產(chǎn)生進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲的主要因素。主機(jī)的機(jī)械噪聲在船舶運(yùn)行過程中難以避免，減輕主機(jī)的機(jī)械噪聲，一方面要優(yōu)化主機(jī)機(jī)械的設(shè)備構(gòu)造，提升主機(jī)機(jī)械的結(jié)構(gòu)性能，防止主機(jī)機(jī)械設(shè)備的老化，另一方面還需要在船上安裝相應(yīng)的消音設(shè)備，減輕主機(jī)噪聲對(duì)船體的影響。

螺旋槳噪聲按頻率劃分，可分為葉頻噪聲和軸頻噪聲。葉頻噪聲的產(chǎn)生與流動(dòng)體力有關(guān)；軸頻噪聲主要是因?yàn)槁菪龢獎(jiǎng)恿Σ黄胶馑a(chǎn)生的。在螺旋槳直接產(chǎn)生的噪聲中，主要分為諧鳴噪聲和空炮噪聲。諧鳴噪聲隨著葉軸噪聲產(chǎn)生漩渦，空炮噪聲產(chǎn)生的主要原因則是螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的沖擊波沖擊船體的聲音?？张菰肼暿锹菪龢略肼暤闹饕煞?，也是造成螺旋槳水下噪聲噪聲強(qiáng)度高、干擾船舶航行的重要原因。

1.2 船舶噪聲的船舶方式

由于船舶機(jī)械設(shè)備為剛性連接，因此振動(dòng)很容易傳到船體的各個(gè)部門。所以，船體結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的聲音船舶性能。一般來說，當(dāng)船體為鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，聲音的損耗較小，船舶速度快。

噪聲主要有兩種傳播方式，一種是空氣傳播，另一種是船體傳播。空氣噪聲的傳播途徑主要為門窗、空隙、通道。結(jié)構(gòu)噪聲是由振動(dòng)憑借一定的物質(zhì)傳遞到船體結(jié)構(gòu)以影響船體。結(jié)構(gòu)噪聲的主要途徑有安裝結(jié)構(gòu)、基座、船體結(jié)構(gòu)、基座。

2 傳導(dǎo)函數(shù)的定義及其在船舶機(jī)械設(shè)備噪聲預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

2.1 傳導(dǎo)函數(shù)的定義

簡單地說，傳導(dǎo)函數(shù)是一種數(shù)學(xué)模型。傳導(dǎo)函數(shù)屬于線性微方程系統(tǒng)領(lǐng)域里的分支，旨在表示輸出變量與輸入變量微分方程的運(yùn)算方法。傳導(dǎo)函數(shù)多應(yīng)用于現(xiàn)代物理領(lǐng)域和數(shù)學(xué)領(lǐng)域。除此之外，傳導(dǎo)函數(shù)在現(xiàn)代生活中也有著重要的應(yīng)用意義，如在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，傳導(dǎo)函數(shù)用來表示瞳孔、呼吸器官、心臟等人體器官的特性。本文主要研究傳導(dǎo)函數(shù)在船舶機(jī)械設(shè)備噪聲預(yù)報(bào)的應(yīng)用。

2.2 傳導(dǎo)函數(shù)在船舶機(jī)械設(shè)備噪聲預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

傳導(dǎo)函數(shù)在船舶機(jī)械設(shè)備噪聲的預(yù)報(bào)應(yīng)用主要體現(xiàn)在對(duì)機(jī)械設(shè)備噪聲的測(cè)量計(jì)算方法上。在機(jī)械設(shè)備噪聲的測(cè)量計(jì)算方法上，主要有三種：數(shù)值法、解析法、實(shí)驗(yàn)測(cè)量法。由于數(shù)值法和解析法測(cè)量方法上的難點(diǎn)以及船舶結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，使得實(shí)驗(yàn)測(cè)量法具有較大的發(fā)展空間。本文主要研究實(shí)驗(yàn)測(cè)量法在機(jī)械設(shè)備噪聲預(yù)報(bào)中的應(yīng)用。

在傳遞函數(shù)推導(dǎo)上，要建立相應(yīng)的物理傳導(dǎo)函數(shù)模型，通過數(shù)學(xué)知識(shí)、分析傳導(dǎo)函數(shù)在測(cè)量噪聲上的可行性，然后通過制定出適合船舶機(jī)械噪聲實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)方案，從而通過雙層圓柱殼體模型實(shí)驗(yàn)增強(qiáng)傳導(dǎo)函數(shù)的應(yīng)用效果。

在物理傳導(dǎo)函數(shù)模型上，要清晰反映出傳導(dǎo)函數(shù)與響應(yīng)間傳遞關(guān)系的具體情況，反映出二者之間的變化關(guān)系、綜合考慮傳導(dǎo)函數(shù)模型加速度、受力、聲音、頻率等各方面的影響因素。具體的傳導(dǎo)函數(shù)物理系統(tǒng)受力相應(yīng)模型如圖1所示。在下面的傳導(dǎo)函數(shù)受力相應(yīng)系統(tǒng)模型中，將作用力FA施加于系統(tǒng)中，作用力的目標(biāo)點(diǎn)加速度相應(yīng)集合為AU，參考點(diǎn)的加速度相應(yīng)集合為AK。傳導(dǎo)函數(shù)的推導(dǎo)充分利用模型中三者之間的變化關(guān)系，并應(yīng)用傳導(dǎo)函數(shù)公式計(jì)算船舶機(jī)械噪聲數(shù)據(jù)［1］。

圖1 系統(tǒng)受力相相應(yīng)模型

3 傳導(dǎo)函數(shù)在船舶機(jī)械設(shè)備噪聲預(yù)報(bào)的應(yīng)用流程以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 傳導(dǎo)函數(shù)在船舶機(jī)械設(shè)備噪聲預(yù)報(bào)的應(yīng)用流程

傳導(dǎo)函數(shù)在船舶機(jī)械設(shè)備的噪聲預(yù)報(bào)上，具體的工作流程可分為四個(gè)內(nèi)容。第一，確定各工作頻率機(jī)械設(shè)備數(shù)量，按照船舶機(jī)械設(shè)備的實(shí)際工作頻率分組。第二，在遠(yuǎn)場(chǎng)目標(biāo)位置放置水聽器，確定各頻率工作狀態(tài)下的參考點(diǎn)位置及其數(shù)量。第三，開展多組不同的線性無關(guān)的工況實(shí)驗(yàn)，將所得到的傳導(dǎo)函數(shù)存入數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。第四，根據(jù)船舶航行的實(shí)際狀況以及參考點(diǎn)的實(shí)時(shí)相應(yīng)數(shù)據(jù)，調(diào)取相對(duì)應(yīng)的傳導(dǎo)函數(shù)，二者相乘得到船舶遠(yuǎn)場(chǎng)機(jī)械輻射噪聲，然后再綜合應(yīng)用各種手段減輕噪聲的危害。

圖2 雙層圓柱殼體外形尺寸（單位：mm）

圖3 圓柱殼內(nèi)部設(shè)置分布

3.2 傳導(dǎo)函數(shù)在船舶機(jī)械設(shè)備噪聲預(yù)報(bào)的實(shí)驗(yàn)分析

傳導(dǎo)函數(shù)在船舶機(jī)械設(shè)備噪聲預(yù)報(bào)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析主要是近場(chǎng)結(jié)構(gòu)響應(yīng)預(yù)報(bào)分析。實(shí)驗(yàn)中所用的雙層圓柱殼體模型內(nèi)部、外部設(shè)備布置圖見圖2、圖3。雙層圓殼體模型實(shí)驗(yàn)的目的主要是檢驗(yàn)傳導(dǎo)函數(shù)法的科學(xué)性和實(shí)用性，對(duì)模型在空氣外殼中加速度響應(yīng)進(jìn)行預(yù)報(bào)驗(yàn)證。雙層圓柱殼體模型實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)所為半消聲室，通過半消聲的實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行雙層圓柱殼體模型實(shí)驗(yàn)，從而得出傳導(dǎo)函數(shù)對(duì)機(jī)械船舶設(shè)備噪聲的計(jì)算方法，增強(qiáng)傳導(dǎo)函數(shù)對(duì)機(jī)械傳播設(shè)備噪聲的預(yù)警預(yù)報(bào)工作［2］。

通過上述實(shí)驗(yàn)可得出如下結(jié)果，傳導(dǎo)函數(shù)在船舶機(jī)械設(shè)備的噪聲預(yù)報(bào)中的應(yīng)用主要呈現(xiàn)出三個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)：第一，1/3倍頻程的預(yù)報(bào)結(jié)果好于單頻點(diǎn)。1/3備頻程的預(yù)報(bào)結(jié)果可以在一定程度上抵消因各類頻點(diǎn)隨機(jī)測(cè)量所造成的誤差，從而增加噪聲預(yù)報(bào)結(jié)果的準(zhǔn)確性；第二，傳導(dǎo)函數(shù)在相應(yīng)預(yù)報(bào)精度應(yīng)用方面預(yù)報(bào)精度較高，低頻段相應(yīng)預(yù)報(bào)精度要明顯高于高頻率預(yù)報(bào)精度；第三，使用外殼聽水器的數(shù)據(jù)作為參考響應(yīng)，所得預(yù)計(jì)結(jié)果要有優(yōu)于加速度外殼計(jì)數(shù)據(jù)，當(dāng)加速度計(jì)軸線與實(shí)際結(jié)構(gòu)不相符，偏離結(jié)構(gòu)表面法時(shí)，會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差。

4 結(jié)束語

船舶機(jī)械的噪聲預(yù)報(bào)應(yīng)用對(duì)我國船舶事業(yè)的發(fā)展意義重大。它不僅可以改善船舶的航行環(huán)境，改善船舶機(jī)械的構(gòu)造性能，而且增強(qiáng)船舶機(jī)械的安全性，有效地保障船舶財(cái)產(chǎn)人身安全。新時(shí)期下，船舶機(jī)械噪聲預(yù)報(bào)要不斷應(yīng)用傳導(dǎo)函數(shù)模型，增強(qiáng)傳導(dǎo)函數(shù)模型對(duì)噪聲數(shù)據(jù)的計(jì)算，加強(qiáng)船舶機(jī)械噪聲預(yù)報(bào)工作。

參考文獻(xiàn)

［1］周軍偉，何琳，徐榮武，崔立林.響應(yīng)傳導(dǎo)函數(shù)在船舶機(jī)械噪聲預(yù)報(bào)中的應(yīng)用及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證［J］.振動(dòng)與沖擊，2014，（22）：78-82，105.

［2］王超.螺旋槳水動(dòng)力性能、空泡及噪聲性能的數(shù)值預(yù)報(bào)研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2010.

Application and Experimental Verification of the Conduction Function in the Prediction of Ship Mechanical Noise

MA Hongrong
（Weihai Vocational College， Weihai 264210）

Abstract:Ship mechanical noise will not only cause fatigue of hull s tructure， damaging the hull and als o affects the ship in various equipment， instruments， will also affect the ship's mechanical properties and crew of physical and mental health. Therefore， this paper takes the s hip machinery noise as the starting point， and the application of the conduction function to the prediction of ship mechanical noise， aiming at promoting the application of the conduction function in the prediction of ship mechanical noise.

Key words:conduction function， ship machinery， noise prediction