船舶艙室聲能量分析及預(yù)測設(shè)計(jì)

黃志武，葉林昌，童宗鵬

（中國船舶重工集團(tuán)公司 第七一一研究所，上海 201108）

船舶艙室聲能量分析及預(yù)測設(shè)計(jì)

黃志武，葉林昌，童宗鵬

（中國船舶重工集團(tuán)公司 第七一一研究所，上海 201108）

以一艘高噪聲指標(biāo)要求的電力推進(jìn)船舶為研究對象，基于統(tǒng)計(jì)能量理論利用VA One軟件進(jìn)行全船的艙室聲能量分析及降噪預(yù)測設(shè)計(jì)研究。通過評估分析主要噪聲源的聲能量貢獻(xiàn)度，實(shí)現(xiàn)降噪指標(biāo)的定量分配，針對關(guān)鍵艙室的噪聲比50 dB（A）限值高出約40 dB（A）的降噪難點(diǎn)，采用柴油發(fā)電機(jī)組低噪聲箱裝體設(shè)計(jì)，應(yīng)用推進(jìn)電機(jī)硬彈性復(fù)合隔振、基座阻尼減振等技術(shù)；分析主要噪聲源能量傳遞路徑，在路徑上采取吸隔聲處理措施。降噪處理后，實(shí)船效果滿足噪聲指標(biāo)要求。

聲學(xué)；統(tǒng)計(jì)能量法；噪聲評估；聲能量分析；降噪優(yōu)化

船舶作為最主要的水上交通工具，隨著建造水平的不斷提高，人們開始更加關(guān)注它的低噪聲舒適性，要求能夠“安靜航行。國際海事組織IMO在進(jìn)一步提高船舶噪聲指標(biāo)要求的的同時，也對我國的造船水平提出了更高的要求。船舶由各種不同結(jié)構(gòu)尺寸的加筋板，動力裝置以及輔助設(shè)備組成，主要噪聲源有主機(jī)噪聲、推進(jìn)器噪聲和水動力噪聲［1］。結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，設(shè)備的多樣性以及噪聲來源的不唯一性使得船舶噪聲的計(jì)算變得非常困難。經(jīng)典的模態(tài)分析方法局限于對能夠清楚辨識的有限數(shù)量的低階模態(tài)進(jìn)行分析，隨著頻率向更高擴(kuò)展，結(jié)構(gòu)的模態(tài)變得更加密集，模態(tài)分析方法誤差迅速增大，且高頻模態(tài)參數(shù)對結(jié)構(gòu)參數(shù)的微小變化十分敏感，高頻分析具有極大的不確定性［2］。統(tǒng)計(jì)能量法（Statistical EnergyAnalysis）對局部細(xì)節(jié)不感興趣，關(guān)心時域、頻域和空間上的統(tǒng)計(jì)平均，抽取研究對象的集合特征，對共振模態(tài)進(jìn)行平均，對分析高頻、高模態(tài)密度的復(fù)雜結(jié)構(gòu)具有很好的效果，模態(tài)越是密集，計(jì)算精度也就越高［3］。

經(jīng)過諸多學(xué)者的不懈努力，統(tǒng)計(jì)能量法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天［4］、軌道交通［5］、建筑［6］、汽車［7］、船舶［8］等領(lǐng)域的聲振問題計(jì)算。本文基于統(tǒng)計(jì)能量法的基本原理，對某船艙室噪聲水平，噪聲傳遞路徑，關(guān)鍵艙室噪聲貢獻(xiàn)量進(jìn)行計(jì)算分析，并在此基礎(chǔ)上對船舶進(jìn)行降噪處理。

1　統(tǒng)計(jì)能量法的基本原理

統(tǒng)計(jì)能量分析法的基本方程為功率流平衡方程，將復(fù)雜結(jié)構(gòu)耦合動力學(xué)系統(tǒng)分解成N個子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)的輸入功率等于該子系統(tǒng)傳遞給其它子系統(tǒng)的功率流與該子系統(tǒng)內(nèi)部的損耗功率流之和。

設(shè)Pi，in為外界向子系統(tǒng)i的輸入功率，Pi，diss為子系統(tǒng)i的損耗功率，Pij為子系統(tǒng)i傳遞到子系統(tǒng) j的凈傳遞功率（子系統(tǒng)間的功率傳遞為雙向傳遞）。

子系統(tǒng)內(nèi)部損耗功率Pi，diss

式中ωn為固有頻率，E為系統(tǒng)內(nèi)部能量，ηi，diss為內(nèi)部損耗因子，n（ω）為模態(tài)密度，φ為模態(tài)功率。

引入保守耦合假設(shè)和互易關(guān)系，則子系統(tǒng)i傳遞到子系統(tǒng)j的凈功率流為

引入弱耦合假設(shè)，各子系統(tǒng)的激勵相互獨(dú)立，則子系統(tǒng)i穩(wěn)態(tài)振動時功率流平衡方程可表示為

將上式擴(kuò)展到N個子系統(tǒng)，并寫成矩陣形式

通過求解上述矩陣，得到系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的能量，就可以得出系統(tǒng)的時間和空間平均振動速度以及聲壓

在改革進(jìn)程中，全國人大常委會是否有權(quán)授權(quán)進(jìn)行監(jiān)察體制改革試點(diǎn)，存在較大爭議。監(jiān)察體制是政治體制的重要組成部分，監(jiān)察體制改革超越了當(dāng)時憲法規(guī)定，人大常委會采取授權(quán)試點(diǎn)的方式，一定程度上解決了改革合憲性問題，為緩解改革與法治之間的緊張關(guān)系，提供了一種變通模式。但有學(xué)者認(rèn)為，授權(quán)監(jiān)察體制改革試點(diǎn)屬于全國人大的職權(quán)，沒有全國人大授權(quán)，作為全國人大常設(shè)機(jī)構(gòu)的常委會，無權(quán)授權(quán)監(jiān)察體制改革試點(diǎn)[15]。而“授權(quán)試點(diǎn)”是改革過程中的一項(xiàng)憲法工程，應(yīng)當(dāng)具有法律依據(jù)。這表明，《立法法》第13條能否為“授權(quán)試點(diǎn)”提供規(guī)范依據(jù)，如何使其具有更堅(jiān)固的法律基礎(chǔ)，是個值得研究的問題。

其中 ρ為聲傳播介質(zhì)密度，c為聲速，V為聲腔體積。

2　噪聲評估與貢獻(xiàn)量分析

本文研究對象為2015年承制的一艘演藝船，配置三臺柴油發(fā)電機(jī)組，采用電力推進(jìn)方式。主要艙室有表演區(qū)域和貴賓包廂等，表演區(qū)域?yàn)橹锌战Y(jié)構(gòu)，沿船長方向劃分為ABCD區(qū)，下部為下陷池，用于布置升降舞臺。在VAOne軟件中建立全船SEA模型，如圖1所示，實(shí)船見圖2。

圖1　全船SEA模型

圖2　實(shí)船

求解頻率范圍為63 Hz～8 kHz，考慮全船主要的噪聲源：柴油發(fā)電機(jī)組、推進(jìn)電機(jī)、舵槳以及空調(diào)的結(jié)構(gòu)噪聲與空氣噪聲，激勵數(shù)據(jù)根據(jù)設(shè)備主要參數(shù)通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比修正后得出。

通過統(tǒng)計(jì)能量法求解，各艙室聲壓級列于表1中，表演區(qū)域的艙室噪聲超過限值要求約40 dB（A），貴賓包廂超標(biāo)22 dB（A）。對艙室噪聲進(jìn)行聲能量貢獻(xiàn)量分析，結(jié)果列于表2。

表1　艙室噪聲評估/dB（A）

3　降噪處理與結(jié)果分析

從表2中可以看出，關(guān)鍵艙室的噪聲能量主要來自于柴油發(fā)電機(jī)組，其次為推進(jìn)電機(jī)?；诼暷芰控暙I(xiàn)量分析來分配降噪指標(biāo)，對柴油發(fā)電機(jī)組和推進(jìn)電機(jī)進(jìn)行降噪處理。

3.1柴油發(fā)電機(jī)組低噪聲箱裝體設(shè)計(jì)

將柴油發(fā)電機(jī)組彈性安裝于箱裝體中，形成低噪聲動力模塊，如圖3所示。

采用雙層隔振形式，柴油機(jī)先通過圓錐形隔振器安裝在筏體上，整個箱體再通過平板型隔振器安裝在發(fā)電機(jī)組基座上，隔振量為50 dB。箱體采用特殊的隔聲材料，外部安裝有進(jìn)排氣消聲器，總隔聲量為25 dB（A）?；扇∽枘崽幚恚M(jìn)一步抑制傳遞到船體的振動。

表2　艙室噪聲能量貢獻(xiàn)量分析

圖3　箱裝體模塊

3.2推進(jìn)電機(jī)硬彈性隔振設(shè)計(jì)

對柴油發(fā)電機(jī)組降噪處理之后，其貢獻(xiàn)量下降為33.96%，推進(jìn)電機(jī)成為最主要的噪聲貢獻(xiàn)源，貢獻(xiàn)量上升為41.78%，其中結(jié)構(gòu)噪聲占41.61%。電力推進(jìn)方式與傳統(tǒng)的推進(jìn)方式相比，噪聲情況有很大的改善，所以民用船舶推進(jìn)電機(jī)較少做隔振處理。由于本船噪聲指標(biāo)要求較高，推進(jìn)電機(jī)為第二大噪聲源，有必要對其進(jìn)行隔振設(shè)計(jì)。采用硬彈性隔振技術(shù)，隔振裝置由硬彈性隔振器和高分子阻尼材料組成，推進(jìn)電機(jī)剛性安裝在過渡墊板上，再通過硬彈性隔振器與高分子阻尼梁連接，阻尼梁固定在船體上，如圖4所示，隔振量為25 dB。

圖4　推進(jìn)電機(jī)隔振裝置

3.3結(jié)果分析

設(shè)備降噪處理后，重新評估全船噪聲水平，表演區(qū)域聲壓級下降約25 dB（A），貴賓包廂聲壓級下降11 dB（A）。在此基礎(chǔ)上，考慮全船的甲板敷料、絕緣布置以及木作處理，艙室噪聲值進(jìn)一步下降，如下表3所示。

表3　降噪處理后艙室噪聲評估 單位：dB（A）

設(shè)備噪聲貢獻(xiàn)量發(fā)生變化，主要為柴油發(fā)電機(jī)組的空氣噪聲和空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)噪聲，如下表4所示。

4　降噪優(yōu)化及實(shí)船驗(yàn)證

降噪處理后，關(guān)鍵艙室的聲壓級超過限值要求約2 dB（A）。分析噪聲源聲能量傳遞路徑，下圖5給出1 000 Hz處全船聲功率級大于60 dB的聲能量傳遞路徑。柴油發(fā)電機(jī)組和空調(diào)系統(tǒng)的噪聲主要通過艙室上方甲板以及下陷池壁向外傳遞。第一部分能量在傳遞過程中受到甲板敷料，艙室吸隔聲處理的影響，迅速減弱。由于下陷池上方表演區(qū)域中空的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，第二部分能量得以完全地輻射到ABC區(qū)中，造成聲壓級超標(biāo)。

根據(jù)能量傳遞路徑分析，結(jié)合ABC區(qū)的具體結(jié)構(gòu)，將下陷池前后圍壁鋼板厚度由5 mm增加為8 mm，增加鋼板的隔聲量，在池壁上敷設(shè)50 mm厚復(fù)合巖棉板來增加吸聲量，在發(fā)電機(jī)艙、舵槳艙以及空調(diào)機(jī)艙敷設(shè)阻尼材料。結(jié)果表明，優(yōu)化吸隔聲處理后，超標(biāo)艙室的聲壓級都下降到了限值以下，同時其他艙室的噪聲情況也得到了改善。下表5給出優(yōu)化前后艙室噪聲評估結(jié)果，與實(shí)船噪聲測試結(jié)果一并列于表中，測試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果相差約2 dB（A），噪聲預(yù)測與實(shí)船符合較好。

表4　降噪處理后聲能量貢獻(xiàn)量

圖5　聲能量傳遞路徑

表5　優(yōu)化前后艙室噪聲評估對比/dB（A）

5　結(jié)語

本文采用統(tǒng)計(jì)能量法對一艘高噪聲指標(biāo)要求船舶完成全船艙室噪聲的預(yù)報(bào)評估，通過對關(guān)鍵艙室聲能量的主要貢獻(xiàn)源及其傳遞路徑分析，在此基礎(chǔ)上結(jié)合艙室具體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出對柴油發(fā)電機(jī)組以及推進(jìn)電機(jī)進(jìn)行隔振設(shè)計(jì)，優(yōu)化吸隔聲敷料處理，增加阻尼處理等措施，降噪效果明顯。實(shí)船應(yīng)用表明，降噪預(yù)測設(shè)計(jì)值與實(shí)測值基本一致，形成的艙室降噪預(yù)測設(shè)計(jì)方法可為全船降噪設(shè)計(jì)提供參考。

［1］李峰，徐芹亮，滕瑤，等.統(tǒng)計(jì)能量法在船舶噪聲與振動控制中的應(yīng)用［J］.噪聲與振動控制，2011，31（6）：152-155.

［2］張國軍，閆云聚，李鵬博.基于統(tǒng)計(jì)能量法的飛行器結(jié)構(gòu)聲振響應(yīng)分析［J］.噪聲與振動控制，2014，34（3）：92-96.

［3］尹忠俊，岳恒昌，陳兵，等.基于統(tǒng)計(jì)能量法的排氣管道系統(tǒng)的振動和噪聲分析與研究［J］.振動與沖擊，2010，29（2）：159-162.

［4］張婧雯，孟光，游進(jìn)，等.基于統(tǒng)計(jì)能量法的聲場-結(jié)構(gòu)耦合模型高頻振動隔振分析［J］.振動與沖擊，2009，28（12）：19-22.

［5］段金明，周敬宣，李艷萍.統(tǒng)計(jì)能量分析在輕軌交通噪聲預(yù)測中的應(yīng)用［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，19（3）：57-60；2013，33（6）：129-133.

［6］湯旭，焦映厚，于東.高鐵高架車站候車環(huán)境噪聲的數(shù)值預(yù)測［J］.噪聲與振動控制，2013，33（6）：129-133.

［7］于笑非.統(tǒng)計(jì)能量分析在客車噪聲設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.客車技術(shù)與研究，2006，28（1）：36-38.

［8］伍先俊，朱石堅(jiān).統(tǒng)計(jì)能量法及其在船舶聲振預(yù)測中的應(yīng)用綜述［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，28（2）：212-215.

［9］伍先俊，翁雪濤，朱石堅(jiān).基于有限元法對比的統(tǒng)計(jì)能量法研究［J］.振動與沖擊，2005，24（1）：58-62.

Acoustic EnergyAnalysis and Prediction Design of Ship Cabins

HUANG Zhi-wu，YE Lin-chang，TONG Zong-peng
（SMDERI，Shanghai 201108，China）

An electric propulsion ship with serious noise limitation is studied.Based on the statistical energy analysis（SEA）method，the VA One software is used to calculate the noise of the whole ship.The acoustic energy of the cabins is analyzed and the noise reduction and prediction method is studied.Through the analysis and evaluation of the acoustic energy contribution of the main noise sources，a rational quantitative distribution of the noise reduction is realized.Aiming at the difficulty that the noise of the key cabin exceeds the critical value of 50 dB（A）by 40 dB（A），several innovative technologies，such as the low noise package module of the generator，the hard elastic composite isolation system for the propulsion motor and vibration damping system for the base，are designed and applied.Through analyzing the transfer path of the acoustic energy of the main noise sources，the noise absorption and isolation measures are applied in the path.After the de-noising process，the SPL of the real ship can meet the noise reduction requirements.

acoustics；SEA；noise assessment；acoustic energy analysis；noise reduction optimization

TU112.3 U66

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.05.019

1006-1355（2016）05-0090-04

2016-03-31

黃志武（1992-），男，江西省贛州市人，在讀研究生，主要研究方向?yàn)榇皠恿ο到y(tǒng)減振降噪。

童宗鵬，男，博士，研究員，碩士生導(dǎo)師。E-mail:tongzongpeng@sina.com