ATHS生活艙室噪聲預(yù)報分析及處理

蔡旭龍， 陳超核， 劉月琴

(華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院， 廣東 廣州 510000)

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ATHS生活艙室噪聲預(yù)報分析及處理

蔡旭龍， 陳超核， 劉月琴

(華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院， 廣東 廣州 510000)

基于能量統(tǒng)計原理，運用VA-ONE軟件對多噪聲源作用下的生活艙室進(jìn)行噪聲預(yù)報，分析它們在不同噪聲源影響下的噪聲特性,可知在遠(yuǎn)離主機(jī)的生活艙室，主機(jī)結(jié)構(gòu)振動噪聲為其主要誘因。然后根據(jù)計算所得到的聲壓級圖分別計算了三種不同吸聲材料及其組合的吸聲效果，發(fā)現(xiàn)根據(jù)不同頻段的噪聲選取合適的吸聲材料，吸聲效果會更好。

多激勵源能量統(tǒng)計原理噪聲預(yù)報吸聲

0　引言

隨著對船舶舒適性要求的提高，船舶噪聲越來越成為了人們所關(guān)注的焦點。由于船舶結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備繁多，在不同的環(huán)境下，噪聲問題的許多邊界條件、載荷及其所涉及的運算因子都難以確定和量化，對船舶進(jìn)行準(zhǔn)確的噪聲預(yù)報難度大且一直是研究的熱點。

目前，噪聲預(yù)報通常運用的方法分為數(shù)值法和解析法兩大類。解析方法中主要有積分變換法、模態(tài)分析法和波動法等[1]；數(shù)值方法中主要有有限元法、能量法、波導(dǎo)法、灰色預(yù)測法[2]等。理論上，有限元法能夠解決全頻段的噪聲問題，但對流體和結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元離散時，其網(wǎng)格單元尺寸須小于最小彈性波波長的1/6～1/4[2]。隨著頻率的增大，有限元的網(wǎng)格數(shù)也快速增加以至于超過目前一般計算機(jī)的極限，所以一般認(rèn)為有限元法只適合用于解決低頻段噪聲問題。統(tǒng)計能量法則是針對船舶艙室噪聲的空間、時間和寬帶高頻分量的不確定性，采用統(tǒng)計能量的原理進(jìn)行艙室噪聲預(yù)報，特別適合于高頻段[3]。

本文采用統(tǒng)計能量法來預(yù)報艙室的噪聲水平以及討論不同吸聲材料的吸聲效果。

1　統(tǒng)計能量法(SEA)基本原理

統(tǒng)計能量法是由Lyon首先提出的用于研究結(jié)構(gòu)高頻的動態(tài)特性。SEA法最早用于航空航天工業(yè)，經(jīng)過幾十年的發(fā)展逐步被用于船舶行業(yè)。統(tǒng)計能量法中“統(tǒng)計”是其基本觀點，同已有有限元方法不同，它忽略了結(jié)構(gòu)的許多具體細(xì)節(jié)，即允許模型比以往的結(jié)構(gòu)模型粗略，并將母體模型劃分為一系列的子系統(tǒng)。使用子系統(tǒng)的動力學(xué)“能量”來描述系統(tǒng)的狀態(tài)，由個別子系統(tǒng)受到外力激勵，子系統(tǒng)間通過連接傳遞能量，利用能量變量建立子系統(tǒng)間的功率流平衡方程，來描述耦合子系統(tǒng)間的相互作用。然后將各子系統(tǒng)的統(tǒng)計參數(shù)代入方程，統(tǒng)一處理結(jié)構(gòu)、聲場等子系統(tǒng)間的相互作用問題，并根據(jù)能量預(yù)示的結(jié)果，可再將其換算成所需要的各種響應(yīng)量。

假設(shè)，將船體劃分為N個子系統(tǒng)，創(chuàng)建SEA模型，則第i個子系統(tǒng)的輸入功率為

(1)

式中：Pi,in為外界對子系統(tǒng)i的輸入功率；Pi,d為子系統(tǒng)i自身的損耗功率；Pij為從子系統(tǒng)i傳遞到子系統(tǒng)j的純功率流。

(2)

式中：ηi為內(nèi)損耗因子，定義為子結(jié)構(gòu)在單位頻率、單位時間損耗能量與平均儲存能量之比 ；ηis表示子結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)損耗因子；ηir為結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)振動聲輻射阻尼形成的損耗因子；ηib表示子結(jié)構(gòu)間連接邊界損耗因子；Ei為子系統(tǒng)i的能量；ω表示該頻帶內(nèi)的幾何平均中心頻。

(3)

式中：Pij′=ωηijEi為子系統(tǒng)i傳遞到子統(tǒng)j的單向功率流；Pji′=ωηjiEj為子系統(tǒng) j 傳遞到子系統(tǒng) i 的單向功率流；ηij和ηji分別為從子系統(tǒng)i傳遞到子系統(tǒng)j、從子系統(tǒng)j傳遞到子系統(tǒng)i的耦合損耗因子。

將式(2)、(3)代入到式(1)中，可得

(4)

式中:i=1,2,…，N；ni和nj分別表示子系統(tǒng)i和j的模態(tài)密度。

將式(4)擴(kuò)展為平衡方程組為

(5)

式中：矩陣[L]表示如式(6)，是保守弱耦合系統(tǒng)損耗因子矩陣，它包括了子系統(tǒng)的內(nèi)損耗因子和子系統(tǒng)間的耦合損耗因子。

(6)

由于統(tǒng)計能量法計算的是結(jié)構(gòu)或聲學(xué)子系統(tǒng)的時間和空間平均能量水平，對于質(zhì)量為m的結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)，能量與響應(yīng)量之間的關(guān)系為

(7)

對于體積為V的聲場：

(8)

2　基于統(tǒng)計能量法(SEA)的模型建立

2.1船舶主要參數(shù)

研究的船舶是某69.5 m的三用工作船，研究對象為中機(jī)型船舶，主機(jī)位于船舯部，生活艙室位于艏部，全船共有5層甲板。

內(nèi)底板主要布置主機(jī)、鍋爐等；

主甲板上主要布置有醫(yī)務(wù)室、娛樂健身室、餐廳、廚房、冷藏室和干糧庫等；

下艏樓甲板主要為船員的居住艙室，單人間、雙人間和四人間；

上艏樓甲板主要布置單人間客房、船長室、大管輪室、船東辦公室和會議室；

駕駛甲板主要為駕駛艙室。

船舶主尺度為

總長69.5 m；

型深6.8 m；

型寬16.8 m；

設(shè)計吃水5.2 m。

本船采用W12V32型的主機(jī)兩臺，重35 t，柴油機(jī)額定功率為2 666 kW，額定轉(zhuǎn)速720 r/min。采用4葉螺旋槳雙槳，螺旋槳直徑為1 950 mm，額定轉(zhuǎn)速1 200 r/min。

2.2模態(tài)密度確定

統(tǒng)計能量法中的模態(tài)密度是描述振動系統(tǒng)貯存能量能力大小的一個物理量。簡單的子系統(tǒng)(桿、梁、板、圓柱殼等簡單固體結(jié)構(gòu)和簡化聲場)的模態(tài)密度有其相應(yīng)的計算方法及公式，如表1所示。

表1　簡單子系統(tǒng)的模態(tài)密度計算公式

在表1中，給出了一維桿梁、二維平板振動系統(tǒng)以及三維聲場系統(tǒng)分別用波數(shù)K、圓頻率ω、無量綱頻率v、頻率f表示的模態(tài)密度，其中Cl為縱波速，Ca為聲速，KB為縱波數(shù)，Ap=l1l2為平板系統(tǒng)面積、l1和l2為平板的長，R是平板截面的回轉(zhuǎn)半徑，V0為聲場的體積[3]。

統(tǒng)計能量法只適用于高頻段區(qū)域。對于頻段高低的區(qū)分，業(yè)內(nèi)專家通常以模態(tài)數(shù)N作為標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)：

模態(tài)數(shù)N>5時，屬于高頻區(qū)域；

模態(tài)數(shù)5>N>1時，屬于中頻區(qū)域；

模態(tài)數(shù)N>1時，屬于低頻區(qū)域。

一般認(rèn)為頻段內(nèi)，子系統(tǒng)模態(tài)數(shù)越多，也就意味著總體數(shù)量越多，計算出來結(jié)果就越準(zhǔn)確,因此把N≥5作為SEA法使用的良好條件[4]。

2.3內(nèi)損耗因子確定

由于能量統(tǒng)計法是概率統(tǒng)計的方法，計算是否準(zhǔn)確與SEA參數(shù)的精確程度密切相關(guān)。內(nèi)損耗因子是其中的重要參數(shù)，這些數(shù)據(jù)來自于大量的試驗和長期的積累，VA-One軟件中也集成了大量的數(shù)據(jù)。板的損耗因子的獲取是通過文獻(xiàn)[5]的半經(jīng)驗公式計算

(9)

式中：f為頻率,繪制圖如圖1所示。

圖1　結(jié)構(gòu)內(nèi)損耗因子示意圖

艙室內(nèi)部由于沒有具體的吸聲系數(shù)等數(shù)據(jù)，無法通過經(jīng)驗公式計算，因此統(tǒng)一采用軟件默認(rèn)值。

2.4耦合損耗因子確定

耦合損耗因子表征子系統(tǒng)之間耦合作用的大小，描述子系統(tǒng)之間能量傳遞過程中損耗特性。子系統(tǒng)之間的耦合連接關(guān)系保證了能量的傳遞，被激勵的子系統(tǒng)通過耦合作用，將激勵力傳遞到?jīng)]有直接受到激勵作用的相鄰子系統(tǒng)。能量通過一些點、線和面方式的連接傳遞實現(xiàn)子系統(tǒng)之間的耦合，而這些結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)與聲場直接的耦合損耗因子由VA-ONE軟件自行計算得出，在模型中選取某一連接，由Result>Coupling loss factor得出。

2.5 三用工作船的SEA模型

全船的SEA模型如圖2所示。全船的門、窗均簡化建立為板子系統(tǒng)。全船模型共有159 890個節(jié)點，985個板子系統(tǒng)和92個聲腔子系統(tǒng)。板子系統(tǒng)劃分原則是將具有相似共振形式、相同厚度的結(jié)構(gòu)作為一個子系統(tǒng)，同時也要合理劃分以便于建立聲腔子系統(tǒng)。

由于VA-ONE軟件無法識別T型連接，因此，在T型連接處的板需分開建立成單獨的子系統(tǒng)，如圖3所示。

板1和板2這樣的連接，需要在它們的連接處將板1分為兩塊板建立，這樣才能使板2的能量傳遞到板1上，如圖4所示。

圖2　三用工作船SEA模型　　　　　　圖3　T型連接板　　　　　　　　　圖4　T型連接板正確建立圖

3　激勵源的確定

船舶的噪聲源主要包括主機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)組、螺旋槳、齒輪箱及主輔機(jī)的排氣管產(chǎn)生的噪聲[2]。它既有進(jìn)排氣系統(tǒng)空氣噪聲，又有運動部件的撞擊和主機(jī)本身不平衡而產(chǎn)生振動所造成的結(jié)構(gòu)噪聲。一般情況下，以上噪聲源中主機(jī)和螺旋槳的激勵對艙室噪聲貢獻(xiàn)較明顯。模型以主機(jī)和螺旋槳的振動作為結(jié)構(gòu)噪聲的激勵，主機(jī)對機(jī)艙聲腔的聲輻射為空氣噪聲激勵。

3.1主機(jī)結(jié)構(gòu)振動噪聲

主機(jī)結(jié)構(gòu)振動噪聲按如下方法計算。

主機(jī)機(jī)腳加速度級La(參考加速度1 μm/s2),按下式估算[6]。

(10)

式中：m為主機(jī)質(zhì)量，kg;Pe為主機(jī)額定功率，kW;ne為主機(jī)額定轉(zhuǎn)速，r/min;n為主機(jī)工作轉(zhuǎn)速，r/min; f為倍頻程中心頻率，Hz。

根據(jù)目標(biāo)船的主機(jī)質(zhì)量、額定功率和額定轉(zhuǎn)速，可以利用式(10)估算機(jī)腳加速度級,如圖5所示。

圖5　主機(jī)機(jī)腳加速度級圖

然后將該激勵施加到模型主機(jī)艙的內(nèi)底板上。

3.2主機(jī)空氣輻射噪聲

主機(jī)空氣輻射聲功率級Lw(參考聲功率w0=10-12w)，按下式估算[6]：

(11)

式中：Pe為主機(jī)額定功率，kW；Cw為空氣噪聲的倍頻程修正值，dB；如表2所示[6]。

表2　主機(jī)空氣噪聲的倍頻程修正值

利用式(11)可以得到主機(jī)的輻射聲功率級Lw，如圖6所示。

然后再將空氣輻射噪聲以擴(kuò)散聲場的形式加載到主機(jī)艙的聲腔上作為輸入功率。

3.3螺旋槳上方船底板激勵

螺旋槳激勵引起的螺旋槳上方船底板加速度級應(yīng)按式(12)估算[6]。

(12)

式中：M為螺旋槳數(shù)量；N為螺旋槳葉片數(shù)量；D為螺旋槳直徑，m;ne為螺旋槳額定轉(zhuǎn)速，r/min。

利用式(12)計算螺旋槳的振動引起的螺旋槳上方船底板加速度級，計算如表3所示。

圖6　主機(jī)輻射聲功率級圖

頻率/Hz631252505001000200040008000La/dB123123123123123123123123

然后再將激勵施加到舵機(jī)艙的船底板上。

4　目標(biāo)艙室的噪聲預(yù)報

通過研究主機(jī)結(jié)構(gòu)噪聲、空氣輻射噪聲、螺旋槳振動這三種激勵的組合影響，分析不同類型激勵對幾個主要的生活艙室包括醫(yī)務(wù)室、餐廳、雙人間、四人間一、單人間、四人間二、船長室、大管輪室、船東辦公室、會議室的影響(其中醫(yī)務(wù)室和餐廳位于主甲板上，船員寢室位于下艏樓甲板，船長室、大管輪室、會議室和船東辦公室位于上艏樓甲板)。

由于統(tǒng)計能量法的適用原則是必須是子系統(tǒng)的模態(tài)數(shù)，首先，在軟件中選取目標(biāo)聲腔；然后，Results>Modes in Band中，可以查看目標(biāo)艙室的模態(tài)數(shù)，如圖7所示。

圖7　目標(biāo)艙室模態(tài)數(shù)

在圖7中可以看到，目標(biāo)艙室的模態(tài)數(shù)在63 Hz時，模態(tài)數(shù)最小的雙人間的模態(tài)數(shù)也≥5，因此，在63 Hz～8 000 Hz內(nèi)，滿足計算要求。

在主機(jī)結(jié)構(gòu)噪聲、空氣輻射噪聲、螺旋槳振動這三種激勵下，分三種情況進(jìn)行討論。

(1) 情況一：只考慮主機(jī)結(jié)構(gòu)振動噪聲和螺旋槳振動的情況下，計算結(jié)果如表4所示。

從結(jié)果可以看出，噪聲先是逐漸增大，到1 000 Hz處達(dá)到最大，再逐漸減小，變化趨勢和主機(jī)結(jié)構(gòu)噪聲激勵相吻合。

(2) 情況二：只考慮主機(jī)空氣噪聲和螺旋槳振動的情況下，詳細(xì)結(jié)果如表5所示。

從以上計算結(jié)果可以看出，空氣輻射噪聲對生活艙室影響很小，和情況一的結(jié)果相比各個艙室的聲壓級的總和平均相差10 dB。

(3) 情況三：同時考慮主機(jī)結(jié)構(gòu)噪聲、空氣噪聲和螺旋槳振動的情況下，詳細(xì)結(jié)果如表6所示。

表4　生活區(qū)目標(biāo)艙室聲壓級(情況一)

表5　生活區(qū)目標(biāo)艙室聲壓級(情況二)

表6　生活區(qū)目標(biāo)艙室聲壓級(情況三)

由于本船屬于中機(jī)型船，而上層建筑位于船艏，從情況一和情況三對比可以看出，空氣輻射噪聲對遠(yuǎn)離主機(jī)艙的生活區(qū)影響可以忽略。

5　艙室的降噪措施

根據(jù)上面的計算結(jié)果，生活艙室的噪聲主要是由于主機(jī)的結(jié)構(gòu)振動噪聲所引起，一般在主機(jī)艙會采用吸振、隔振的方式來降低噪聲，即對主機(jī)等振動源安裝彈性基座或增加基座的尺寸和輸入阻抗，以降低主機(jī)對船體結(jié)構(gòu)振動能量的傳遞。在生活艙室內(nèi)部，一般采用吸聲處理。

選取了三種吸聲材料：礦物棉5 kg/m2、聚氨酯泡沫塑料3 kg/m2和硬橡膠板110 kg/m2在情況三的條件下，針對船長室做吸聲處理。

當(dāng)將船長室的四壁及頂部均附上0.1 m的玻璃棉時，計算結(jié)果如圖8所示。

圖8　船長室處理前后聲壓級對比圖(礦物棉)

由圖8可以看出，礦物棉作為吸聲材料，主要吸收的是125 Hz～2 000 Hz的噪聲。

當(dāng)將船長室的四壁及頂部均附上0.1 m的聚氨酯泡沫塑料時，計算結(jié)果如圖9所示。

圖9　船長室處理前后聲壓級對比圖(聚氨酯泡沫塑料)

由圖9可以看出，聚氨酯泡沫塑料作為吸聲材料，主要吸收的1 000 Hz～8 000 Hz的噪聲。

當(dāng)將船長室的四壁及頂部均附上0.1 m的硬橡膠板時，計算結(jié)果如圖10所示。

圖10　船長室處理前后聲壓級對比圖(硬橡膠板)

由對比圖可以看出，硬橡膠板對于低頻段63 Hz～200 Hz的噪聲吸收效果較好，但對于中、高頻段的吸收效果不如前兩種材料。

因此，根據(jù)船長室的聲壓級預(yù)報結(jié)果，主要噪聲分布在中、低頻段(63 Hz～2 000 Hz)，應(yīng)當(dāng)選取以礦物棉和硬橡膠板為主的合成材料吸聲。

當(dāng)選取0.05 m礦物棉和0.05 m的硬橡膠板作為吸聲材料，計算結(jié)果如圖11所示。

圖11　船長室處理前后聲壓級對比圖　　　(礦物棉+硬橡膠板)

根據(jù)結(jié)果可以看出，相對于采用單一的吸聲材料，吸聲效果顯著，降低了3.63 dB。

由于硬橡膠板是固體材料，密度為110 kg/m2，質(zhì)量較其他兩種材料要重的多，而且由于聚氨酯泡沫塑料的損耗因子要比礦物棉和硬橡膠板大的多。因此，可以采用三種材料結(jié)合的方式以達(dá)到同樣的效果。

當(dāng)采用0.05 m礦物棉、0.015 m的硬橡膠板和0.035 m的聚氨酯泡沫塑料代替硬橡膠板時，計算結(jié)果如圖12所示。

從計算結(jié)果可以看出，在這種情況下噪聲頻率在63 Hz處的吸聲效果要比圖11中的效果差，但是總體上降噪效果卻要更好一些，降低了3.88 dB。

圖12　船長室處理前后聲壓級對比圖(三種材料)

6　結(jié)論

采用統(tǒng)計能量法對三用工作船的目標(biāo)艙室進(jìn)行噪聲預(yù)報，針對不同的噪聲源及它們對艙室的影響結(jié)果，分析艙室各自的噪聲特性。

對于遠(yuǎn)離主機(jī)艙噪聲源的生活艙室，結(jié)構(gòu)的振動噪聲是其主要誘因。根據(jù)預(yù)報所得聲壓級頻率譜，選取合適的吸聲材料可以達(dá)到較好的降噪效果。

選取的三種針對不同頻段的吸聲材料僅作為對照參考(一般情況下，密度、容重大的材料，其低頻吸聲性能好，高頻吸聲性能較差；而松軟、容重小的材料則相反)。由于材料的厚度、容重或孔隙率對吸聲效果有很大的影響，同一種材料，當(dāng)厚度不同時，吸聲系數(shù)和吸聲頻率特性也不同。因此具體選用時，應(yīng)根據(jù)計算所得聲壓級譜查閱相關(guān)聲學(xué)手冊。

[1]孫麗萍,聶武.船舶結(jié)構(gòu)振動噪聲分析及其進(jìn)展[J].船舶力學(xué),2003⑴:116-121.

[2](俄)阿· 斯·尼基福羅夫. 船體結(jié)構(gòu)聲學(xué)設(shè)計[M].北京:國防工業(yè)出版社，1998.

[3]姚德源,王其政.統(tǒng)計能量分析原理及其應(yīng)用[M].北京:北京理工大學(xué)出版社, 1995.

[4]Mace B R.On the statistical energy analysis hypothesis of coupling power proportionality and some implication of its failure[J]. Journal of Sound & Vibration,1994，178(1):95-112.

[5]Irie Y, Nakamura T. Prediction of structure borne sound transmission using statistical energy analysis [J]. Bulletin of the marine engineering society in Janpan, 1985(13):60-72.

[6]中國船級社，船舶及產(chǎn)品噪聲控制與檢測指南[S].2013.

Cabin Noise Prediction and Control about AHTS

CAI Xu-long, CHEN Chao-he, LIU Yue-qin

(South China University of Technology, Guangzhou Guangdong 510000， China)

Based on the principle of energy statistics, using VA-ONE to make the prediction of target cabins under multiple excitations, and analyze their own noise characteristics in order to achieve the detail sound pressure level. By conclusion, the target cabins far from the main engine are mainly infected by structure-borne noise. Then chose three kinds of suitable acoustic materials and a group of the three referring to the sound pressure level to compare the different results. These analysis could provide that the right acoustic materials chosen according to different frequency, the sound absorption will be better.

Multiple excitationsEnergy statistical principleNoise predictionSound absorption

國家級基金：海上風(fēng)電浮式基礎(chǔ)動力特性研究(編號：51049010)。

蔡旭龍(1988-)，男，碩士研究生，研究方向為船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物制造。

U668

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