基于統(tǒng)計(jì)能量法的船舶艙室噪聲預(yù)報(bào)方法研究

肖 蕾，李小靈，陳 浩

（江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，上海 201913）

規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)

基于統(tǒng)計(jì)能量法的船舶艙室噪聲預(yù)報(bào)方法研究

肖 蕾，李小靈，陳 浩

（江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，上海 201913）

自2014年7月1日起，歐盟及國(guó)際海事組織（International Maritime Organization，IMO）提出的新噪聲標(biāo)準(zhǔn)正式生效，新噪聲標(biāo)準(zhǔn)對(duì)船舶設(shè)計(jì)、建造帶來(lái)了許多限制。針對(duì)新標(biāo)準(zhǔn)，江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司對(duì)基于統(tǒng)計(jì)能量分析（Statistical Energy Analysis，SEA）方法預(yù)報(bào)噪聲的基本理論及預(yù)報(bào)流程進(jìn)行研究。噪聲預(yù)報(bào)基本原理部分，主要介紹子系統(tǒng)間純功率流平衡方程及系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)；預(yù)報(bào)流程部分，以某型在建船舶為研究對(duì)象，建立艙室聲學(xué)模型，收集整理噪聲源數(shù)據(jù)，計(jì)算分析各艙室的噪聲水平，結(jié)合新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，確定需要采取防噪措施的艙室，分析噪聲超標(biāo)原因并提出解決方案，以確保船舶滿足艙室噪聲新標(biāo)準(zhǔn)的要求，提高船舶未來(lái)的競(jìng)爭(zhēng)力。

統(tǒng)計(jì)能量法；船舶艙室噪聲；噪聲預(yù)報(bào)；噪聲控制

0 引 言

基于對(duì)海上勞工的工作環(huán)境及人權(quán)的重視，國(guó)際海事組織（International Maritime Organization，IMO）對(duì)船舶艙室噪聲的關(guān)注程度日益增加。原有的IMO噪聲標(biāo)準(zhǔn)已不能滿足人們對(duì)船舶舒適性的要求，歐盟及IMO對(duì)此提出了新的噪聲標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)已被通過(guò)并于2014年7月1日起正式生效。《國(guó)際海上人命安全公約》（SOLAS）修正案強(qiáng)制執(zhí)行的艙室標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)居住艙室部分作了較大的改動(dòng)，萬(wàn)噸級(jí)船舶的居住艙室、醫(yī)療室的噪聲標(biāo)準(zhǔn)由60dB調(diào)至55dB，餐廳、娛樂(lè)室及辦公室（含沒(méi)有床位的醫(yī)療室）的噪聲標(biāo)準(zhǔn)由65dB調(diào)至60dB［1］。

新噪聲標(biāo)準(zhǔn)對(duì)船舶設(shè)計(jì)、建造帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)，造船界對(duì)此展開(kāi)了大量的應(yīng)對(duì)策略研究，江南造船的開(kāi)發(fā)研究部門(mén)針對(duì)這一技術(shù)問(wèn)題開(kāi)展了轉(zhuǎn)型攻關(guān)?；趯?duì)統(tǒng)計(jì)能量分析（Statistical Energy Analysis，SEA）方法預(yù)報(bào)噪聲的基本理論的研究，采用相關(guān)專業(yè)聲學(xué)預(yù)報(bào)軟件對(duì)所選定目標(biāo)船（miniCAPE型散貨船）的艙室噪聲水平進(jìn)行預(yù)報(bào)分析。

該項(xiàng)工作的主要分析流程包括：① 建立居住區(qū)艙室聲學(xué)分析模型；② 收集整理船舶內(nèi)部噪聲源數(shù)據(jù)；③ 計(jì)算、分析各艙室的噪聲水平；④ 依據(jù)新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估；⑤ 確定需要采取附加防噪措施的艙室；⑥ 針對(duì)上述艙室提出解決方案。

通過(guò)噪聲分析得出預(yù)報(bào)值，并根據(jù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的評(píng)估提出改善方案，從而確保該型船滿足艙室噪聲新標(biāo)準(zhǔn)，提高該型船的競(jìng)爭(zhēng)力。

1 噪聲預(yù)報(bào)基本原理

使用模態(tài)分析法對(duì)船舶結(jié)構(gòu)聲振系統(tǒng)進(jìn)行研究已延續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間，這種研究方法局限于對(duì)有限數(shù)量的低階模態(tài)進(jìn)行分析，頻率范圍擴(kuò)展，分析誤差隨之增大。采用模態(tài)分析法分析聲振系統(tǒng)的困難在于高階模態(tài)參數(shù)的不確定性。對(duì)于模態(tài)密度較高或含有高頻的聲振系統(tǒng)，通常采用統(tǒng)計(jì)能量分析法解決固體結(jié)構(gòu)和流體聲場(chǎng)間的耦合動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。

1.1 子系統(tǒng)間純功率流平衡方程

假設(shè)在保守耦合情況下，子系統(tǒng)i的輸入功率等于子系統(tǒng)i自身的耗損功率與子系統(tǒng)i向其他各子系統(tǒng)輸入功率的總和［2］，即

式（1）中： Pid= ωηiEi；Pij=ωηijEi- ωηjiEj。式（1）可變?yōu)?/p>

式（2）中：ηij= ηi。又記系統(tǒng)損耗因子為［L］，其元素為

將式（3）代入式（2），則有

式（4）中： ｛E｝T=｛E1， E2，...，EN｝。若知輸入功率Pin及損耗因子Lij，則可計(jì)算出各子系統(tǒng)的能量。

與式（4）類似，在非保守耦合情況下子系統(tǒng)功率流平衡方程為

1.2 系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)

根據(jù)上述得到的各子系統(tǒng)能量，可得到各子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。在聲學(xué)中，聲壓、聲功率及加速度等響應(yīng)量一般采用聲壓級(jí)、聲功率級(jí)及加速度級(jí)等來(lái)表示，單位為dB［3］。

2 艙室統(tǒng)計(jì)能量模型

采用通用聲學(xué)預(yù)報(bào)軟件建立船舶上層建筑、機(jī)艙及艉部的SEA模型。

2.1 建模原則

聲學(xué)模型的子系統(tǒng)劃分一般遵循以下2個(gè)原則［4］：

1） 保證子系統(tǒng)內(nèi)的振型有相同的動(dòng)力學(xué)特性（相同的阻尼、耦合損耗因子等）；

2） 確保子系統(tǒng)的模態(tài)密度足夠高（ 5≥）。

在考慮上述普遍原則的基礎(chǔ)上，對(duì)建模的具體細(xì)節(jié)作如下處理：① 對(duì)需要提取噪聲結(jié)果的艙室及機(jī)器設(shè)備工作室進(jìn)行聲腔建模；② 門(mén)、窗及其他小開(kāi)口采用與之相連的板材模擬；③ 設(shè)備和舾裝單元等不包含在模型中；④ 板厚不同，模態(tài)密度也不同，對(duì)此應(yīng)根據(jù)子系統(tǒng)劃分原則進(jìn)行處理；⑤ 對(duì)于船體結(jié)構(gòu)，在橫艙壁、內(nèi)底板、底邊艙斜板及縱桁等結(jié)構(gòu)的相交處必須打斷，建成不同的獨(dú)立子系統(tǒng)并連接，這樣相交處的能量才能通過(guò)連接順利在不同的結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)中傳遞。

2.2 船型參數(shù)與主機(jī)型號(hào)

1） 船舶的主尺度見(jiàn)表1。

表1 船舶的主尺度 m

2） 主機(jī)型號(hào)為MAN B&W 6S60ME-C，功率為11700kW，轉(zhuǎn)速為99r/min。

2.3 計(jì)算模型

SEA模型的建模流程為：

1） 采用MSC. Patran對(duì)上層建筑、機(jī)艙及艉部建立有限元模型（見(jiàn)圖1）；

2） 將*.bdf文件成功導(dǎo)入聲學(xué)軟件后，根據(jù)幾何模型及子系統(tǒng)劃分原則建立統(tǒng)計(jì)能量模型的板單元子系統(tǒng)（見(jiàn)圖2），并根據(jù)所需要提取結(jié)果的位置及激勵(lì)源的位置建立聲腔子系統(tǒng)（見(jiàn)圖3）；

圖1 艙室有限元模型

圖2 板單元子系統(tǒng)模型

3） 根據(jù)結(jié)構(gòu)的材料和實(shí)際尺寸對(duì)其進(jìn)行賦屬性；

4） 建立各個(gè)子系統(tǒng)之間的“聯(lián)系”，完成SEA模型的建立（見(jiàn)圖4）。

圖3 聲腔模型

圖4 SEA模型

2.4 SEA參數(shù)

板單元內(nèi)損耗因子可采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算（見(jiàn)式（10））［5］。經(jīng)計(jì)算，板單元內(nèi)損耗因子見(jiàn)圖5。

對(duì)于聲腔子系統(tǒng)（空氣），內(nèi)損耗因子按經(jīng)驗(yàn)公式（式（11））計(jì)算［6］。

式（11）中：c為空氣中聲速；s為聲腔表面積；α為聲腔壁面的平均吸聲系數(shù)；V為聲腔體積；ω為頻率。

3 艙室噪聲源

3.1 激勵(lì)源噪聲譜

設(shè)備對(duì)船體結(jié)構(gòu)的輸入功率主要有2條傳遞途徑：① 設(shè)備的振動(dòng)通過(guò)機(jī)腳傳遞到基座及船體結(jié)構(gòu)中；② 設(shè)備直接向空氣輻射噪聲。2種噪聲分別施加。

設(shè)備噪聲譜一般可采用廠商提供的數(shù)據(jù)或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式估算。主機(jī)、發(fā)電機(jī)的噪聲譜由廠家提供（見(jiàn)表1～表3），風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)的噪聲譜由經(jīng)驗(yàn)公式估算（見(jiàn)表4～表6），參考加速度級(jí)為L(zhǎng)a=1×10-5m/s2，參考聲功率級(jí)為L(zhǎng)W=1×10-12W。

圖5 板單元內(nèi)損耗因子

表1 主機(jī)噪聲譜

表2 柴油發(fā)電機(jī)噪聲譜

選擇倍頻程作為分析類型，將計(jì)算頻率范圍設(shè)置為31.5～8000Hz。

表3 雙燃料發(fā)電機(jī)噪聲譜

表4 空氣機(jī)噪聲譜

表5 機(jī)艙風(fēng)機(jī)噪聲譜

表6 風(fēng)機(jī)噪聲譜

3.2 激勵(lì)源施加

結(jié)構(gòu)噪聲以加速度譜的形式加載到SEA模型的設(shè)備基座上，空氣輻射噪聲以聲功率譜（或聲壓譜）的形式加載到噪聲源所在艙室的聲腔中。以主機(jī)為例，其噪聲曲線見(jiàn)圖6。

圖6 主機(jī)噪聲曲線

4 艙室噪聲評(píng)價(jià)

4.1 艙室噪聲預(yù)報(bào)結(jié)果

以C甲板為例，各個(gè)艙室的噪聲預(yù)報(bào)結(jié)果見(jiàn)表7。與預(yù)報(bào)值相比較的實(shí)測(cè)值來(lái)自于同系列前代船型的試航實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（其中C甲板布置有所不同）。

表7 C甲板艙室噪聲預(yù)報(bào)統(tǒng)計(jì)

4.2 評(píng)估結(jié)果匯總

根據(jù)該型船全部艙室預(yù)報(bào)結(jié)果，大部分艙室均滿足新標(biāo)準(zhǔn)，不滿足新標(biāo)準(zhǔn)的艙室見(jiàn)表8。

表8 不滿足艙室噪聲新標(biāo)準(zhǔn)的艙室統(tǒng)計(jì)

4.3 聲壓云圖

中心頻率為2000Hz時(shí)，各艙室的噪聲云圖見(jiàn)圖7。

圖7 中心頻率為2000Hz時(shí)各艙室噪聲云圖

5 艙室降噪措施

5.1 艙室噪聲超標(biāo)原因

要達(dá)到艙室降噪的目的，需要對(duì)噪聲源的輸入途徑進(jìn)行分析，采用隔離噪聲源或增加吸聲材料等措施可有效降低艙室噪聲［7］。以三副居住艙室為例，能量輸入水平見(jiàn)圖8。

圖8 三副居住艙室能量輸入

結(jié)合艙室位置判斷，艙室噪聲水平較大的主要原因是距離機(jī)艙排風(fēng)機(jī)較近。

5.2 艙室噪聲控制

由圖8可知，三副的輸入能量中前15位均來(lái)自于No.9460，No.9455及No.9522等板（靠近主要噪聲源），即結(jié)構(gòu)噪聲為主要能量輸入途徑。在目標(biāo)艙室中，在傳遞較多結(jié)構(gòu)噪聲的艙壁處增加阻尼層（吸聲材料）能夠有效地降低艙室噪聲。采用的隔音輔料為50mm厚巖棉外包玻璃絲布。根據(jù)能量輸入數(shù)據(jù)，在能量輸入較大的板單元（見(jiàn)圖9）處增加隔音敷料。修改后的噪聲水平見(jiàn)圖10。

圖9 三副居住艙室噪聲控制修改

圖10 三副居住艙室修改后噪聲水平

修改后的三副居住艙室A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)為53.59dB，低于新噪聲標(biāo)準(zhǔn)的55dB。

按照三副居住艙室采取的降噪措施對(duì)不滿足標(biāo)準(zhǔn)的艙室進(jìn)行修改，計(jì)算后的艙室噪聲評(píng)價(jià)見(jiàn)表9。

表9 修改后的艙室噪聲評(píng)價(jià)

6 結(jié) 語(yǔ)

基于統(tǒng)計(jì)能量法，利用通用聲學(xué)預(yù)報(bào)軟件對(duì)miniCAPE型散貨船開(kāi)展艙室噪聲預(yù)報(bào)工作。

由計(jì)算結(jié)果可知，該型船很多居住艙室不滿足新標(biāo)準(zhǔn)的要求，說(shuō)明新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)我國(guó)船舶噪聲控制設(shè)計(jì)有很大影響。從船舶設(shè)計(jì)初期到船舶建造完成，將降噪防噪理念貫穿于其中，可以通過(guò)最經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)和建造成本提高艙室的舒適性。

對(duì)于不滿足標(biāo)準(zhǔn)的艙室，通過(guò)對(duì)噪聲超標(biāo)的原因進(jìn)行分析，確定最優(yōu)的措施進(jìn)行降噪。采用對(duì)靠近噪聲源的艙室圍壁增加隔音材料的方式進(jìn)行修改優(yōu)化，最終使該型船滿足噪聲新標(biāo)準(zhǔn)的要求。

［1］ IMO. Protection against noise on board ships［S］. 2012.

［2］ 姚德元，王其正. 統(tǒng)計(jì)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.

［3］ 阿·斯·尼基福羅夫. 船體結(jié)構(gòu)聲學(xué)設(shè)計(jì)［M］. 謝信，王軻，譯. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1998.

［4］ 于大鵬. 應(yīng)用統(tǒng)計(jì)能量分析方法預(yù)報(bào)船舶艙室噪聲［D］. 大連：大連理工大學(xué)， 2007.

［5］ 金學(xué)之. 基于統(tǒng)計(jì)能量法的高速船艙室噪聲預(yù)報(bào)與控制方法的研究［D］. 武漢：武漢理工大學(xué)，2009.

［6］ 孫立萍，聶武. 船舶結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲分析及其進(jìn)展［J］. 船舶力學(xué)， 2003， 7 （1）： 116-121.

［7］ 酈茜. 高速船噪聲預(yù)報(bào)與控制的方法研究［D］. 武漢：武漢理工大學(xué)，2007.

Study on Cabin Noise Prediction Based on Statistical Energy Analysis Method

XIAO Lei，LI Xiao-ling，CHEN Hao

（Jiangnan Shipyard （Group） Co.， Ltd.， Shanghai 201913， China）

The new noise standard put forward by European Union and International Maritime Organization （IMO）officially came into force on July 1st2014. This new noise standard has brought many restrictions to ship design and ship construction. Jiangnan Shipyard （Group） Co.， Ltd. carries out studies on the basic theory and prediction procedures of Statistical Energy Analysis （SEA） method according to the new standard. Both the power flow balance equation among subsystems and the system dynamic responses are introduced for the basic principles of noise prediction， and the cabin noise model of the sample ship is established for the prediction procedure， where the noise source data are collected and sorted， and the noise level of each cabin is calculated. Then the result is evaluated according to the new standard to find out the necessary measures to reduce noise. The reasons for the noise exceeding the standard are also analyzed to make sure that the cabins meet the new noise standard and thus to raise the competitive ability of the ship in the future.

SEA method； cabin noise； noise prediction； cabin noise control

管理現(xiàn)代化

U663.8

A

2095-4069 （2016） 04-0046-08

10.14056/j.cnki.naoe.2016.04.010

2015-09-24

工信部高技術(shù)船舶科研項(xiàng)目（工信部聯(lián)裝［2010］332號(hào)）

肖蕾，女，碩士，1987年生。2013年畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造專業(yè)，現(xiàn)主要從事船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及艙室噪聲預(yù)報(bào)工作。