油船居住艙室噪聲預(yù)報(bào)分析

劉　錕，潘溜溜，徐智言

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

油船居住艙室噪聲預(yù)報(bào)分析

劉錕，潘溜溜，徐智言

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

以某型油船為研究對(duì)象，開展油船居住艙室噪聲預(yù)報(bào)研究。首先介紹統(tǒng)計(jì)能量法，然后采用VA One軟件建立聲學(xué)分析模型，根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)置模型的平板子系統(tǒng)和聲腔子系統(tǒng)的屬性，并正確設(shè)置隔音絕緣和甲板敷料。在加載時(shí)考慮了主機(jī)、發(fā)電機(jī)及居住艙室通風(fēng)口等主要噪聲源。計(jì)算結(jié)果顯示，居住艙室各頻段下的模態(tài)數(shù)均大于5，說明采用統(tǒng)計(jì)能量法進(jìn)行分析求解是可行的；在結(jié)果分析時(shí)，對(duì)受結(jié)構(gòu)噪聲影響較大的居住艙室鋪設(shè)了浮動(dòng)地板以后，艙室噪聲聲值顯著下降，且符合MSC 337（91）的限值要求。

聲學(xué)；船舶；艙室噪聲預(yù)報(bào)；統(tǒng)計(jì)能量分析；降噪

2012年國際海事組織第91屆海安會(huì)（MSC91）通過了第338號(hào)關(guān)于SOLAS修正案的決議，該決議在參考權(quán)衡DE53提案和IMO A468（XII）噪聲規(guī)范后，制定了新的《船上噪聲等級(jí)規(guī)則》，即MSC 337（91）［1］。新的噪聲規(guī)范MSC 337（91）提高了艙室區(qū)域的噪聲等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，并從2014年7月1日起開始生效實(shí)施。與舊的噪聲規(guī)范相比，MSC 337（91）提高了艙室噪聲限值的要求，對(duì)于萬噸以上的船舶，居住艙噪聲限值從60 dB下調(diào)到55 dB，餐廳、娛樂等區(qū)域的噪聲限值從65 dB下調(diào)到60 dB，其它工作區(qū)域的噪聲限值從90 dB下調(diào)到85 dB。MSC 337（91）決議的生效對(duì)船廠提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)和要求，設(shè)計(jì)人員需要在設(shè)計(jì)初期即對(duì)船舶開展噪聲預(yù)報(bào)分析工作，找出可能超標(biāo)的區(qū)域，并協(xié)同相關(guān)部門盡早地提出解決方案，避免試航階段測(cè)試結(jié)果超標(biāo)及由此導(dǎo)致的新船二次試航。

本文以首次自主開展油船艙室噪聲預(yù)報(bào)分析為對(duì)象開展研究。首先介紹了船舶艙室噪聲預(yù)報(bào)的統(tǒng)計(jì)能量方法，然后以我廠某型油船為研究對(duì)象，通過聲學(xué)分析軟件VA One建立船舶聲學(xué)模型，對(duì)易超標(biāo)艙室設(shè)置浮動(dòng)地板和隔音絕緣材料，分析中考慮主機(jī)、發(fā)電機(jī)及艙室通風(fēng)口等噪聲源，最后將計(jì)算結(jié)果與MSC 337（91）規(guī)范限值要求進(jìn)行比較和討論。

1　統(tǒng)計(jì)能量分析（SEA）方法

統(tǒng)計(jì)能量分析適合分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)的密集模態(tài)和聲振耦合問題，是將整個(gè)聲振系統(tǒng)劃分為若干個(gè)子系統(tǒng)，以每個(gè)子系統(tǒng)的能量為基本參數(shù)，用統(tǒng)計(jì)的觀點(diǎn)建立每個(gè)子系統(tǒng)之間的能量平衡關(guān)系，以此來預(yù)測(cè)系統(tǒng)的聲振環(huán)境。

對(duì)統(tǒng)計(jì)能量分析模型中的某個(gè)子系統(tǒng)i，其內(nèi)損耗功率Pid的表達(dá)式為［2-3］

式中ω為分析帶寬δω內(nèi)的中心頻率。內(nèi)損耗功率由結(jié)構(gòu)阻尼、結(jié)構(gòu)聲輻射損耗和邊界連接阻尼損耗三部分組成。

式中ηij為從子系統(tǒng)i到子系統(tǒng) j的耦合損耗因子。

式中Pi，in為外界對(duì)子系統(tǒng)i的輸入功率；Pij為子系統(tǒng)i流向子系統(tǒng)j的功率。

式中ηij=ηi（i=1，2，…，N）。

式（4）表明，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)強(qiáng)迫振動(dòng)時(shí)，第i個(gè)子系統(tǒng)輸入功率除消耗在該子系統(tǒng)阻尼上外，應(yīng)全部傳輸?shù)较噜徸酉到y(tǒng)上去。即

寫成矩陣形式為

求解此方程可得到每個(gè)子系統(tǒng)的能量，然后根據(jù)各子系統(tǒng)的能量即可求出相應(yīng)的響應(yīng)值。對(duì)結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)，它的振動(dòng)均方速度為

對(duì)聲場(chǎng)子系統(tǒng)，它的聲壓均方根值為

聲壓級(jí)為

2　聲學(xué)分析模型

2.1模型概況

目前常用的聲學(xué)計(jì)算軟件主要有LMS/Sysnoise振動(dòng)聲學(xué)軟件、MSC/Actran、Ansys軟件聲學(xué)有限元分析模塊和Abaqus軟件聲學(xué)分析模塊等。此外，法國ESI公司以統(tǒng)計(jì)能量法為理論基礎(chǔ)，推出了VA One聲學(xué)分析軟件。此軟件能夠?qū)崿F(xiàn)全頻域聲學(xué)分析，能夠滿足大型船舶艙室噪聲分析中對(duì)分析頻段的要求，且在建模過程中可以方便地設(shè)置與實(shí)際相符的甲板敷料和艙室隔音絕緣材料，故本節(jié)采用VA One軟件進(jìn)行建模與分析。

文中的聲學(xué)分析模型按照設(shè)計(jì)要求建立，分析的油船為艉機(jī)型船，即上層建筑和主甲板下的機(jī)艙等生活及工作區(qū)集中布置于船體艉部，船體前部、中部及艉部部分區(qū)域?yàn)樨浥搮^(qū)域。在噪聲預(yù)報(bào)分析中，需要求得艉部上層建筑區(qū)域和機(jī)艙內(nèi)的噪聲值，并考察其是否滿足規(guī)范MSC 337（91）的要求，而對(duì)于貨艙區(qū)域則可以暫不進(jìn)行聲學(xué)分析?；谝陨显?，在建模時(shí)可先將船體前部、中部及后部部分區(qū)域在聲學(xué)模型中忽略，只建立上層建筑和包含主甲板下的機(jī)艙及艉部的局部結(jié)構(gòu)聲學(xué)模型［4］。

其次，前期開展了此船結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性計(jì)算分析，分析結(jié)果顯示，該船船體梁振動(dòng)基頻為0.6 Hz左右，船體整體結(jié)構(gòu)固有頻率與噪聲計(jì)算要求的起始頻率相比相差較大。同時(shí)，根據(jù)以往計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，船體局部結(jié)構(gòu)（梁系、板格、板架結(jié)構(gòu)）的基頻大致在20 Hz～40 Hz范圍內(nèi)，故局部結(jié)構(gòu)的振動(dòng)也不會(huì)在噪聲評(píng)估區(qū)域產(chǎn)生較大的結(jié)構(gòu)噪聲。所以將船體前部、中部及后部部分區(qū)域在聲學(xué)模型中進(jìn)行忽略、只建立上建和包含主甲板下的機(jī)艙及艉部的局部聲學(xué)模型是可行的。

建模采用右手直角坐標(biāo)系，即X軸沿船長(zhǎng)方向，艏為正；Y軸沿船寬方向，左舷為正；Z軸沿高度方向，向上為正。坐標(biāo)原點(diǎn)在零號(hào)肋位縱中剖面基線處。

2.2子系統(tǒng)屬性及分析參數(shù)定義

聲學(xué)模型中選用的材料參數(shù)中，楊氏模量取206 000 MPa；泊松比取0.3。

在平板子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型選取中未考慮板上的筋對(duì)聲學(xué)分析的影響。這是因?yàn)?，通過與船級(jí)社的溝通和以往的聲學(xué)分析測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，板上的筋對(duì)結(jié)構(gòu)噪聲的傳播和內(nèi)損耗影響均較小。

圖1　平板子系統(tǒng)

圖2　聲腔子系統(tǒng)

表1　上層建筑各層艙室分布

平板子系統(tǒng)的內(nèi)損耗因子采用船級(jí)社推薦的經(jīng)驗(yàn)值，對(duì)于鋼板，內(nèi)損耗因子如表2所示［5］。

表2　鋼板內(nèi)損耗因子

若平板子系統(tǒng)為液艙艙壁或者船體外板水線以下的部分，則需要在平板子系統(tǒng)屬性設(shè)置對(duì)話框設(shè)置平板與液體接觸的面和接觸的液體類型。

在聲腔子系統(tǒng)的屬性設(shè)置中，首先需要設(shè)置聲腔內(nèi)的聲音傳播介質(zhì)，若聲腔為淡水艙、液艙等艙室，其艙內(nèi)介質(zhì)非空氣，需要在下拉菜單中選擇相應(yīng)的液體介質(zhì)。

聲腔子系統(tǒng)的內(nèi)損耗因子可以通過平均吸聲系數(shù)計(jì)算得到，艙室內(nèi)損耗因子與吸聲系數(shù)的關(guān)系式為

一年前，當(dāng)?shù)亟逃块T聯(lián)合愛心企業(yè)，為鳳翔縣競(jìng)存中學(xué)、紙坊中學(xué)等學(xué)校，提供了免費(fèi)的電子教學(xué)設(shè)備，開通了“互聯(lián)網(wǎng)＋英語”的線上智慧課堂，張安琪和同學(xué)們每天使用平板電腦，就可免費(fèi)登錄學(xué)習(xí)軟件，可以觀看名師公開課，趣味記單詞，還能通過給英文電影配音等多種方法，逐步糾正口語發(fā)音，提高英語水平。

式中η為內(nèi)損耗因子，A為艙室總表面積，c0為聲音在艙室中的傳播速度，V為艙室體積，ω為倍頻程的中心頻率，α為吸聲系數(shù)。

若艙室無內(nèi)飾板，則平均吸聲系數(shù)為艙室內(nèi)流體介質(zhì)的吸聲系數(shù)，比如空氣為1%；若艙室有內(nèi)飾板，則根據(jù)推薦值輸入艙室的倍頻程折合吸聲系數(shù)，如表3所示［5］。

表3　艙室折合吸聲系數(shù)，頻率/Hz

根據(jù)我廠以往船型的建造經(jīng)驗(yàn)及試航測(cè)試結(jié)果，機(jī)艙集控室、上甲板蘇伊士房間和醫(yī)院等艙室噪聲聲值較高，容易超出MSC 337（91）規(guī)范限值的要求。所以在開發(fā)設(shè)計(jì)的時(shí)候即要考慮到船舶艙室的降噪要求，分別在駕駛室和上甲板空調(diào)機(jī)室的頂部以及上甲板機(jī)艙棚部分艙室的頂部鋪設(shè)隔音絕緣（50 mm巖棉外包玻璃絲布）；同時(shí)為降低結(jié)構(gòu)噪聲向艙室的傳遞，在上甲板的蘇伊士房間、健身房和醫(yī)院鋪設(shè)了浮動(dòng)地板。

VA One中允許用戶根據(jù)甲板敷料布置圖和艙室絕緣布置圖逐層地對(duì)隔音絕緣材料進(jìn)行布置，這對(duì)于船廠來說是非常便利的。因?yàn)榇瑥S獲得總的敷料層的隔音參數(shù)非常困難，無論是通過獨(dú)立開展實(shí)驗(yàn)還是委托外單位測(cè)試所耗費(fèi)的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本均較高，也不利于項(xiàng)目進(jìn)度的推進(jìn)。而船廠對(duì)每層敷料的材料參數(shù)可以通過供貨商很方便地取得。

在設(shè)置隔音絕緣材料的時(shí)候，便是逐層地將材料參數(shù)輸入到VA One軟件中，然后選取相應(yīng)的平板子系統(tǒng)，在平板子系統(tǒng)屬性對(duì)話框中選取預(yù)定義好的隔音絕緣材料，完成艙室隔音絕緣材料的設(shè)置。

2.3噪聲激勵(lì)源

船上噪聲激勵(lì)主要分為結(jié)構(gòu)噪聲和空氣噪聲，結(jié)構(gòu)噪聲以速度（級(jí)）或加速度（級(jí)）的形式將噪聲通過機(jī)腳傳遞到設(shè)備機(jī)座及船體結(jié)構(gòu)中；空氣噪聲以聲功率級(jí)（或聲壓級(jí)）的形式由設(shè)備通過空氣介質(zhì)輻射到相應(yīng)艙室。分析中主要考慮了主機(jī)噪聲和發(fā)電機(jī)噪聲，此外，居住艙室通風(fēng)口的噪聲也在計(jì)算中予以考慮。

根據(jù)主機(jī)廠家提供的資料［6］，主機(jī)噪聲具體如表4所示。

表4　主機(jī)噪聲譜（NCR，80%SMCR）

表4中噪聲級(jí)的單位為dB，排氣管噪聲和空氣噪聲為聲壓級(jí)，參考聲壓為2×10-5Pa；結(jié)構(gòu)噪聲為速度級(jí)，參考速度為5×10-8m/s。

不同的噪聲源類型在模型加載時(shí)需要選取不同的模塊分別進(jìn)行加載。表4中所示的主機(jī)排氣管噪聲和空氣噪聲，在軟件中選取輻射噪聲模塊進(jìn)行加載；結(jié)構(gòu)噪聲在軟件中以對(duì)結(jié)構(gòu)施加約束的形式進(jìn)行加載。由于發(fā)電機(jī)在船上安裝時(shí)均采用彈性支座，故其噪聲激勵(lì)僅考慮空氣噪聲的影響，根據(jù)廠家提供的資料［7］，發(fā)電機(jī)噪聲如表5所示。

表5　發(fā)電機(jī)噪聲譜/（1 370 kW/900 min-1）

發(fā)電機(jī)噪聲級(jí)的單位為dB，空氣噪聲為聲壓級(jí)，參考聲壓為2×10-5Pa。船舶在正常航行時(shí)需要同時(shí)開啟兩臺(tái)發(fā)電機(jī)，所以在聲學(xué)分析中應(yīng)在機(jī)艙相應(yīng)位置施加兩個(gè)如表5所示的空氣噪聲源。

主機(jī)和發(fā)電機(jī)分別位于機(jī)艙內(nèi)底板和機(jī)艙3甲板處，圖3為機(jī)艙3甲板以下的聲腔子系統(tǒng)圖，根據(jù)機(jī)艙內(nèi)設(shè)備放置的位置施加了主機(jī)和發(fā)電機(jī)噪聲源，如圖3所示。

圖3　主機(jī)和發(fā)電機(jī)噪聲荷載

文中，上層建筑居住艙室的空調(diào)通風(fēng)口噪聲也被考慮作為噪聲源，由于沒有實(shí)測(cè)的噪聲譜，根據(jù)船級(jí)社的分析報(bào)告［8］，將居住艙室的通風(fēng)口噪聲的聲壓級(jí)設(shè)置為全頻段45 dB（A），非居住艙室的出風(fēng)口噪聲的聲壓級(jí)設(shè)置為全頻段50 dB（A）。

3　噪聲預(yù)報(bào)分析結(jié)果

根據(jù)統(tǒng)計(jì)能量分析方法，采用VA One軟件對(duì)油船居住艙室噪聲值進(jìn)行求解，求解時(shí)采用倍頻程，計(jì)算頻率區(qū)間選取63 Hz～8 000 Hz。根據(jù)規(guī)格書和MSC337（91）的要求，計(jì)算中考慮的工況為滿載工況，設(shè)計(jì)吃水為16 m。為更真實(shí)地模擬船體實(shí)際的吃水工況，將滿載工況時(shí)船體外殼水線以下的平板子系統(tǒng)設(shè)置為與海水接觸的面，并設(shè)置半無限流體模擬噪聲在海水中的傳播。施加半無限流體后的分析模型如圖4所示。

圖4　施加半無限流體的統(tǒng)計(jì)能量模型

計(jì)算結(jié)果顯示，上層建筑各艙室在各頻段下的模態(tài)數(shù)均大于5，符合統(tǒng)計(jì)能量法對(duì)于各頻段下模態(tài)數(shù)大于5的要求，因此本聲學(xué)模型采用統(tǒng)計(jì)能量法進(jìn)行艙室噪聲計(jì)算是可行的。在每層甲板選取具有代表性的艙室，其各頻段下的模態(tài)數(shù)如圖5所示。

圖5　上層建筑主要艙室單位帶寬內(nèi)的模態(tài)數(shù)

平板子系統(tǒng)和聲腔子系統(tǒng)的能量云圖分別如圖6、圖7所示。

圖6　平板子系統(tǒng)能量云圖

圖7　聲腔子系統(tǒng)能量云圖

為考察浮動(dòng)地板的降噪效果，在計(jì)算分析中比較了受結(jié)構(gòu)噪聲影響較大的上甲板蘇伊士房間和醫(yī)院兩個(gè)艙室鋪設(shè)浮動(dòng)地板和未鋪設(shè)浮動(dòng)地板時(shí)的噪聲聲值結(jié)果。圖8、圖9分別為兩艙室在倍頻程各頻率下的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)值，參考聲壓為2×10-5Pa。由圖可知，鋪設(shè)了浮動(dòng)地板后，低頻段的噪聲聲壓值幾乎沒有變化，而中高頻段的噪聲聲壓值降噪效果顯著，說明本油船設(shè)計(jì)時(shí)采用的浮動(dòng)地板對(duì)中高頻結(jié)構(gòu)噪聲降噪效果顯著，而對(duì)低頻噪聲的降噪效果不明顯。表6為兩艙室全頻段總的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)值，由表可知，鋪設(shè)了浮動(dòng)地板后，艙室總的聲壓級(jí)值顯著降低，達(dá)到了降噪的效果，且總的聲壓級(jí)值也滿足MSC 337（91）規(guī)范的限值要求。

圖8　蘇伊士房間A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)值

圖9　醫(yī)院A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)值

表6　艙室總的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)值/dB（A）

4　結(jié)語

本文以某型油船為研究對(duì)象，開展了居住艙室噪聲的預(yù)報(bào)分析研究。采用VA One對(duì)船舶進(jìn)行聲學(xué)模型的建模，考慮了主機(jī)、發(fā)電機(jī)及艙室通風(fēng)口等噪聲源，并用統(tǒng)計(jì)能量法對(duì)居住艙室噪聲值進(jìn)行了分析計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，受結(jié)構(gòu)噪聲影響較大的艙室，在鋪設(shè)了浮動(dòng)地板后，各頻率和總的A計(jì)權(quán)噪聲聲值有了顯著降低，且基本滿足MSC 337（91）的限值要求。

［1］International Marine Organization（IMO）.IMO Resolution MSC.337（91）:Code on noise levels on board ships［S］. 2012.

［2］姚熊亮，張阿漫.船體振動(dòng)與噪聲［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2010.

［3］姚德源，王其政.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.

［4］上海交通大學(xué).31.8萬噸VLCC艙室噪聲數(shù)值預(yù)報(bào)［R］.上海交通大學(xué)，2013.

［5］中國船級(jí)社（CCS）.船舶及產(chǎn)品噪聲控制欲檢測(cè)指南［R］.中國船級(jí)社，2013.

［6］MAN.B&W G70ME-C9.5-TII Project guide［R］.MAN，2014.

［7］YANMAR Co.Ltd.Marine auxiliary diesel engine，Project guide［R］.YANMAR Co.Ltd.，2012.

［8］DNV-GL.Oil tank noise analysis report［R］.DNV-GL，2015.

Prediction andAnalysis of Cabin Noise of a Crude Oil Tanker

LIUKun，PAN Liu-liu，XU Zhi-yan
（Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Co.Ltd.，Shanghai 200137，China）

In this paper，prediction of cabin noise of a crude oil tanker is discussed.Firstly，Statistic Energy Analysis（SEA）method is introduced.Then，the acoustic model is built by using the VA One software.Properties of the SEA subsystem，such as plate and acoustic cavity are determined according to the design requirement.Especially，sound insulation and deck covering of the specific cavity are correctly applied to the SEA model.The main engine，main generator and ventilation outlet of each room on the deckhouse are considered to be the main noise sources for the cabin noise level calculation.The calculation result shows that number of the modal in each frequency band of the cabin on the deckhouse is all larger than 5，which proves the feasibility of choosing SEA method to carry out the analysis.Finally，noise reduction effectiveness of the floating floor of the cabins，which are seriously affected by the structure-borne noise，is discussed.It shows that，after applying the floating floor，the cabin noise level is significantly reduced and less than the limit value prescribed in the MSC 337（91）standard.

acoustics；ship；cabin noise prediction；statistic energy analysis（SEA）；noise reduction

TB533+.2

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.05.020

1006-1355（2016）05-0094-05

2016-02-26

劉錕（1983-），男，山東省青島市人，工學(xué)博士，工程師，主要研究方向?yàn)榇敖Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、船舶振動(dòng)噪聲分析。E-mail:rd@chinasws.com