船舶尾部艙室噪聲預(yù)報(bào)及控制分析

馮 博，桂洪斌，楊 群

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海） 船舶與海洋工程學(xué)院，山東 威海 264209)

船舶尾部艙室噪聲預(yù)報(bào)及控制分析

馮 博，桂洪斌，楊 群

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海） 船舶與海洋工程學(xué)院，山東 威海 264209)

基于VA one軟件平臺(tái)對(duì)某散貨船尾部試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行噪聲預(yù)報(bào)及控制效果分析。分析中采用的是統(tǒng)計(jì)能量分析法（SEA），在驗(yàn)證計(jì)算方法正確的基礎(chǔ)上，首先采用新規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對(duì)10個(gè)主要艙室的噪聲水平進(jìn)行預(yù)報(bào)研究和比對(duì)，分析其中艙室噪聲超標(biāo)的可能原因。然后對(duì)該分析模型進(jìn)行不同控制技術(shù)的研究分析——吸聲技術(shù)、隔聲技術(shù)和阻尼減振技術(shù)，并比較在不同位置敷設(shè)阻尼材料的降噪程度。研究表明：采用吸聲、隔聲和阻尼減振技術(shù)對(duì)降低船舶艙室噪聲有顯著效果，在激勵(lì)源艙室敷設(shè)阻尼材料，僅對(duì)非激勵(lì)源艙室降噪效果明顯，且約束阻尼要比自由阻尼結(jié)構(gòu)對(duì)噪聲控制效果更有優(yōu)勢(shì)。研究結(jié)論可以作為船舶艙室噪聲實(shí)際控制的參考。

船舶艙室噪聲；統(tǒng)計(jì)能量分析；高頻噪聲；噪聲控制

0 引 言

國(guó)際海事組織International Marine Organization（IMO）海上安全委員會(huì)（MSC）通過(guò)幾次會(huì)議的討論，在第91次會(huì)議上正式通過(guò)了《船上噪聲等級(jí)規(guī)則》修訂草案[1]，對(duì)之前的船舶噪聲規(guī)定決議要求強(qiáng)制執(zhí)行；并且規(guī)定在現(xiàn)有的IMO標(biāo)準(zhǔn)[2]基礎(chǔ)上再降低5 dB。該修訂草案已于2014年7月1日正式生效。IMO發(fā)布的這些相關(guān)強(qiáng)制性規(guī)定對(duì)我國(guó)的造船企業(yè)產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響。

目前船舶艙室噪聲數(shù)值預(yù)報(bào)方法比較常用的是有限元法、邊界元法和統(tǒng)計(jì)能量分析法[3]。趙德有[4]等人基于統(tǒng)計(jì)能量分析方法對(duì)船舶結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維聲學(xué)建模，并研究討論阻尼結(jié)構(gòu)對(duì)船舶艙室噪聲的影響。吳衛(wèi)國(guó)等[5]人運(yùn)用SEA法對(duì)某高速船舶噪聲問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算分析，討論舷外水對(duì)艙室噪聲傳播的影響，發(fā)現(xiàn)舷外水對(duì)高速船舶艙室降噪有10%以內(nèi)的貢獻(xiàn)。胡忠平等[6]為了證明有限元法的準(zhǔn)確性及其實(shí)用性，利用有限元法對(duì)某船舶的結(jié)構(gòu)噪聲進(jìn)行了分析預(yù)報(bào)，將得到的分析結(jié)果與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。楊德慶等[7]人在海洋工程的噪聲預(yù)報(bào)設(shè)計(jì)工作中運(yùn)用邊界元法，對(duì)FPSO上層建筑的艙室噪聲進(jìn)行了數(shù)值模擬和分析預(yù)報(bào)。楊群[8]利用統(tǒng)計(jì)能量分析法對(duì)某艙室模型高頻噪聲進(jìn)行了預(yù)報(bào)和控制研究。

船舶是一種大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)物，通常處于高頻激勵(lì)作用下，因此本文采用統(tǒng)計(jì)能量分析法（SEA）進(jìn)行研究。首先VA one軟件和702所船舶聲學(xué)設(shè)計(jì)評(píng)估軟件建立相同驗(yàn)證模型，分別在702所軟件的經(jīng)驗(yàn)公式平臺(tái)、2個(gè)軟件的SEA平臺(tái)預(yù)報(bào)計(jì)算，將結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證，驗(yàn)證VA one可以預(yù)報(bào)船舶艙室，然后以工信部高技術(shù)船舶科研項(xiàng)目設(shè)計(jì)的尾部模型（該模型以某散貨船為母型船）為研究對(duì)象進(jìn)行預(yù)報(bào)研究，建立相應(yīng)模型并選取統(tǒng)計(jì)能量分析法計(jì)算所需的參數(shù)，如模態(tài)數(shù)/模態(tài)密度、內(nèi)損耗因子、耦合損耗因子以及輸入功率等，添加激勵(lì)進(jìn)行預(yù)報(bào)分析。最后通過(guò)對(duì)尾部艙室噪聲采用吸聲、隔聲和阻尼減振技術(shù)研究控制方法的降噪效果，以及不同位置采用控制方法的降噪效果。

1 SEA法的基本理論及數(shù)值模型驗(yàn)證

1.1 理論基礎(chǔ)

統(tǒng)計(jì)能量分析法（Statistical Energy Analysis），也稱為SEA法，適用于解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)處于寬頻帶高頻動(dòng)力下的相應(yīng)響應(yīng)難題。在研究振動(dòng)問(wèn)題的過(guò)程中，當(dāng)某個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)情況時(shí)其輸入功率Pin必然會(huì)與損耗功率Pd相平衡。當(dāng)分析的系統(tǒng)由3個(gè)及以上的子系統(tǒng)構(gòu)建而成，如果用Pi,in來(lái)表示第i個(gè)子系統(tǒng)的輸入功率，那么可以得到對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的能量平衡基本關(guān)系式[9]，即

根據(jù)互易原理可以得到：

將得到的式（2）代入式（1），通過(guò)整理分析可以得到需要的統(tǒng)計(jì)能量分析法基本分析方程：

式中：

1.2 數(shù)值模型及驗(yàn)證

結(jié)合文獻(xiàn)[10]對(duì)船舶SEA模型設(shè)計(jì)，本文通過(guò)在VA one軟件和702所船舶聲學(xué)設(shè)計(jì)評(píng)估軟件建立相同驗(yàn)證模型，分別在702所軟件的經(jīng)驗(yàn)公式平臺(tái)、2個(gè)軟件的SEA平臺(tái)對(duì)比驗(yàn)證。計(jì)算其主機(jī)艙及集控室的噪聲級(jí)。該SEA模型的主要結(jié)構(gòu)尺寸以及激勵(lì)源設(shè)備參數(shù)如下：

1）主機(jī)艙（噪聲源艙室）

長(zhǎng)寬高分別為10 m，10 m和10 m，艙壁為10 mm鋼板。

2）集控室（接受艙室）

長(zhǎng)寬高分別為10 m，5 m和10 m，艙壁為10 mm鋼板。

模型包括艙壁模型和聲腔模型。選取板壁材料為鋼材，賦予相應(yīng)數(shù)值，并查詢數(shù)據(jù)庫(kù)，配置鋼的自損耗因子。計(jì)算頻率范圍選為倍頻程63 ～ 8 000 Hz。2個(gè)軟件模型分別如圖1和圖2所示。

主機(jī)艙內(nèi)的噪聲源主要由柴油機(jī)組產(chǎn)生的空氣噪聲以及機(jī)艙壁輻射噪聲所構(gòu)成。根據(jù)文獻(xiàn)[11]，柴油機(jī)噪聲總聲功率計(jì)算方法及文獻(xiàn)中高速柴油機(jī)噪聲頻譜特性，計(jì)算出主機(jī)艙內(nèi)噪聲激勵(lì)源在倍頻程的噪聲強(qiáng)度如表1所示，之后將其施加到驗(yàn)證模型上。

表 1 主機(jī)艙噪聲源強(qiáng)度Tab. 1 Noise source strength of machinery space

利用702所軟件和VA one軟件運(yùn)用SEA法分別進(jìn)行預(yù)報(bào)計(jì)算，最后在經(jīng)驗(yàn)公式平臺(tái)分析，計(jì)算結(jié)果如圖3和圖4所示。將得到的3個(gè)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)果如表2所示。

由圖表可知，本文所用統(tǒng)計(jì)能量分析法和VA one軟件可以較準(zhǔn)確地對(duì)所研究結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算預(yù)報(bào)。

表 2 不同方式得到的預(yù)報(bào)平均值比較Tab. 2 Comparison of predicted mean values obtained by different methods

2 某散貨船艙室噪聲預(yù)報(bào)分析

2.1 目標(biāo)船舶SEA模型的建立

根據(jù)目標(biāo)船舶的主要參數(shù)（見表3），按照SEA法的基本原理進(jìn)行聲學(xué)建模，按照相應(yīng)的要求和規(guī)范建立相應(yīng)的目標(biāo)船舶的結(jié)構(gòu)模型和聲腔模型，在運(yùn)用SEA法建模時(shí)，對(duì)目標(biāo)船舶的模型中加強(qiáng)筋、支柱、縱骨、桁架等結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，外板、甲板平臺(tái)和艙壁采用加筋板子系統(tǒng)，并把與聲場(chǎng)流體介質(zhì)耦合的結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)與聲場(chǎng)相連。

本文主要對(duì)該散貨船的船尾部分進(jìn)行預(yù)報(bào)研究，該分段的長(zhǎng)度為19.6 m。分別對(duì)模型船體與聲場(chǎng)介質(zhì)（空氣）賦予屬性，建立完成的目標(biāo)船舶SEA模型的縮放模型和耦合模型分別如圖5和圖6所示。

表 3 目標(biāo)船舶的主要參數(shù)Tab. 3 Main parameters of target ship

2.2 預(yù)報(bào)結(jié)果及分析

確定了SEA參數(shù)以后，選取31.5～8 000 Hz之間的倍頻程作為分析頻帶，通過(guò)VA one軟件計(jì)算可得各聲腔子系統(tǒng)在各個(gè)頻率下的聲壓級(jí)水平，平均聲壓級(jí)水平云圖如圖7所示，預(yù)報(bào)結(jié)果如圖8所示。

通過(guò)比較，發(fā)現(xiàn)機(jī)艙、機(jī)艙工作區(qū)以及廚房等與機(jī)艙相近的艙室超過(guò)IMO發(fā)布的規(guī)范，分析原因有以下幾點(diǎn)：

1）機(jī)艙區(qū)域噪聲值超標(biāo)由于在用統(tǒng)計(jì)能量法建模時(shí)，沒(méi)有考慮船底龍骨、縱骨、外板加強(qiáng)筋等結(jié)構(gòu)，使得模型在質(zhì)量和剛度上較有限元模型小了很多，從而造成船體結(jié)構(gòu)振動(dòng)劇烈，以至增大了聲輻射；

2）數(shù)值模擬模型并沒(méi)有考慮船舶的舾裝結(jié)構(gòu)，即艙室壁吸聲等材料；

3）子系統(tǒng)的內(nèi)損耗因子以及系統(tǒng)之間的耦合損耗因子這2個(gè)參數(shù)難以確定，造成了預(yù)報(bào)結(jié)果的誤差。

3 艙室噪聲控制技術(shù)研究

目前比較有效及常見的船舶艙室噪聲控制技術(shù)有吸聲技術(shù)、隔聲技術(shù)、隔振技術(shù)以及阻尼減振技術(shù)四類。本文選取吸聲技術(shù)、隔聲技術(shù)以及阻尼減振技術(shù)進(jìn)行研究。

3.1 吸聲技術(shù)的應(yīng)用

吸聲技術(shù)的原理是使聲波透射到材料內(nèi)部中去，利用材料與空氣的相互摩擦作用，從而使聲能以熱能的形式耗散掉[12]。前文利用VA one軟件建立的船舶模型其10個(gè)主要艙室，分別在每個(gè)艙室的艙壁上附加一層密度50 kg/m3、彈性模量7.86×106 Pa、泊松比是0.450 2、厚度為0.002 m的氯丁阻燃橡膠CR322[9]，將船舶各主要艙室的平均噪聲水平在附加吸聲材料前后的預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表4所示?？梢园l(fā)現(xiàn)在船舶艙室的內(nèi)部艙壁附加一定厚度的吸聲材料，對(duì)降低船舶艙室噪聲聲壓級(jí)有顯著效果。

表 4 各主要艙室平均預(yù)報(bào)結(jié)果 dB（A）Tab. 4 Average prediction results of main cabins before and after the addition of sound absorption materials dB(A)

3.2 隔聲技術(shù)的應(yīng)用

隔聲是在聲波的擴(kuò)散途徑中，利用結(jié)構(gòu)把激勵(lì)源與接受源隔離起來(lái)的措施。通常的做法是把聲源、或者接受源封閉在一個(gè)有限的空間內(nèi)，從而產(chǎn)生一個(gè)封閉的空間，以達(dá)到降低噪聲的目的。本文主要分析討論的是對(duì)空氣噪聲的隔絕。所以對(duì)于集控室（機(jī)艙工作區(qū)）艙壁板選取雙層隔聲結(jié)構(gòu)，分別把雙層隔聲材料粘貼在集控室艙壁外側(cè)和內(nèi)側(cè)，比較2種不同粘貼位置對(duì)集控室的噪聲水平的作用效果進(jìn)行分析，可以得到結(jié)果如圖9所示。

可以發(fā)現(xiàn)，在集控室外側(cè)粘貼隔聲材料比在集控室內(nèi)側(cè)粘貼隔聲材料會(huì)產(chǎn)生更好的隔聲效果，因?yàn)樵肼曉粗饕菣C(jī)艙內(nèi)的空氣噪聲，所以在集控室艙壁外側(cè)粘貼隔聲材料更有利于減少空氣噪聲的影響，從而使集控室噪聲水平得以降低。

3.3 阻尼減振技術(shù)的應(yīng)用

阻尼減振技術(shù)的原理即為敷設(shè)某些特定材料或結(jié)構(gòu)來(lái)提高結(jié)構(gòu)的損耗因數(shù)（或阻尼系數(shù)），通過(guò)敷設(shè)阻尼層的變形來(lái)?yè)p耗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的能量，即使固體機(jī)械振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成熱能耗散，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)降低噪聲水平的目標(biāo)。

目前基板敷設(shè)阻尼層的類型主要有自由阻尼和約束阻尼2種。自由阻尼是只在基板上敷設(shè)一層阻尼材料，如圖10（a）所示；約束阻尼是在自由阻尼方法的基礎(chǔ)上，在敷設(shè)的阻尼材料外再敷設(shè)一層新的約束材料，如圖10（b）所示。

本文自由阻尼材料選用VA one材料庫(kù)中的聚酯泡沫，其主要的物理參數(shù)是：ρ=30 kg/m3；泊松比v=0.35；彈性模量5.4×105 Pa；阻尼材料損耗因子為0.1；阻尼層厚度0.1 m。約束阻尼材料物理屬性：阻尼層布置在結(jié)構(gòu)的中間位置，約束層分布在阻尼層的上方，厚度一般選用基材船舶鋼板厚度的一半；阻尼層選用聚酯泡沫材料，具體材料參數(shù)與自由阻尼層的相同。

在機(jī)艙位置同時(shí)施加相同的結(jié)構(gòu)噪聲激勵(lì)和空氣噪聲激勵(lì)，然后先后在機(jī)艙敷設(shè)自由阻尼材料和約束阻尼材料，比較敷設(shè)前后居住艙室內(nèi)噪聲水平的變化情況，其變化曲線如圖11所示。

由圖可以發(fā)現(xiàn)，在機(jī)艙位置粘貼相應(yīng)的阻尼材料無(wú)論是自由阻尼材料還是約束阻尼材料，都可以在一定程度上降低居住艙室的噪聲水平，而且約束阻尼結(jié)構(gòu)比自由阻尼結(jié)構(gòu)的控制效果更有優(yōu)勢(shì)。

選用VA one材料庫(kù)中阻尼系數(shù)較高的粘彈性阻尼材料橡膠，其基本的物理屬性為：ρ=1 100 kg/m3；泊松比v=0.48；剪切模量7.7×108 Pa；拉伸模量2.3×109 Pa；阻尼材料損耗因子0.1；阻尼層厚度0.1 m。將其以自由阻尼形式分別敷設(shè)在機(jī)艙位置，居住艙室的下甲板和后壁板，然后對(duì)這2個(gè)艙室的敷設(shè)阻尼材料前后的噪聲水平進(jìn)行比較研究。2個(gè)艙室位置的噪聲變化情況分別如圖12和圖13所示。

分析比較，可以發(fā)現(xiàn)在機(jī)艙位置粘貼阻尼材料對(duì)機(jī)艙本身的噪聲水平基本沒(méi)有任何的作用效果；在居住艙室敷設(shè)阻尼材料能夠明顯降低接受聲源艙室的聲壓級(jí)水平，可以明顯降低居住艙室能量的輸入，從而起到很好的減噪效果。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文基于統(tǒng)計(jì)能量分析法對(duì)船舶艙室的噪聲進(jìn)行了預(yù)報(bào)和控制方法的分析研究，主要得出如下結(jié)論：

1）通過(guò)3種方式對(duì)比驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)預(yù)報(bào)結(jié)果三者之間的誤差在3 dB以內(nèi)，間接證明了本文所用VA one軟件可以較準(zhǔn)確地對(duì)所研究結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算預(yù)報(bào)。

2）通過(guò)應(yīng)用吸聲技術(shù)，以及對(duì)比VA one軟件測(cè)得的在附加吸聲材料前后各主要艙室預(yù)報(bào)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)在船舶艙室的內(nèi)部艙壁附加一定厚度的吸聲材料，對(duì)降低船舶艙室噪聲聲壓級(jí)有顯著效果。

3）在集控室艙壁外側(cè)粘貼隔聲材料更有利于減少空氣噪聲的影響，從而使集控室噪聲水平得以降低。

4）在激勵(lì)源所在艙室（機(jī)艙附近）敷設(shè)阻尼材料，機(jī)艙等艙室噪聲降噪效果不明顯，但是其對(duì)其他艙室有很明顯的降噪效果，且約束阻尼結(jié)構(gòu)比自由阻尼結(jié)構(gòu)對(duì)非激勵(lì)源艙室的噪聲控制效果更有優(yōu)勢(shì)。

5）在非激勵(lì)源艙室敷設(shè)一定厚度的阻尼材料，對(duì)非激勵(lì)源艙室有很明顯的降噪效果。

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Research on prediction method and control technology of shipboard aft cabin noise

FENG Bo, GUI Hong-bin, YANG Qun
(School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Harbin Institute of Technology, Weihai 264209, China)

In this paper, according to the VA one software platform and statistical energy analysis (SEA), a research was studied the noise prediction and control technology of a bulk carrier. By using the statistical energy analysis method in the research process (SEA), based on the verification of correct calculation method. Firstly, according to the new standard, the noise level of 10 main cabin were predicted, compared, and analyzed the reason of the cabin noise may exceed the standard. At the end of this model was studied in three different control methods: the sound absorption, sound insulation and vibration damping technology, and compared the degree of noise reduction in different positions for damping material. Research shows that: the three control methods have significant effect to reduce cabin noise. The conclusion of this paper can as the actual control of the ship cabin noise.

shipboard cabin noise；statistical energy analysis；high-frequency noise；noise control

U661.44

A

1672 – 7649(2017)08 – 0022 – 06

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.08.005

2016 – 09 – 28；

2016 – 11 – 04

馮博(1992 – )，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榇芭撌以肼曨A(yù)報(bào)及控制技術(shù)。