中小型集裝箱船噪聲快速預(yù)報(bào)與測(cè)試研究

傅 斌 陳景昊 韓晨建 吳衛(wèi)國(guó)

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (中國(guó)船級(jí)社舟山辦事處2) 舟山 316000)(中國(guó)船級(jí)社溫州辦事處3) 溫州 325000)

中小型集裝箱船噪聲快速預(yù)報(bào)與測(cè)試研究

傅 斌1,2)陳景昊3)韓晨建2)吳衛(wèi)國(guó)1)

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1)武漢 430063) (中國(guó)船級(jí)社舟山辦事處2)舟山 316000)(中國(guó)船級(jí)社溫州辦事處3)溫州 325000)

利用基于統(tǒng)計(jì)能量分析法的ESI.VA one軟件對(duì)某中小型集裝箱在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行聲學(xué)建模,采用快速預(yù)報(bào)的方法為設(shè)計(jì)階段的船舶艙室噪聲控制提供指導(dǎo),并在后期的實(shí)船測(cè)試中對(duì)其預(yù)報(bào)精度進(jìn)行了驗(yàn)證.結(jié)果表明，由于預(yù)報(bào)時(shí)選用的激勵(lì)計(jì)算往往偏大，同時(shí)未計(jì)及一些艙室的防火分隔帶來(lái)的隔聲效果，因此，若按上述保守方式建模預(yù)報(bào)對(duì)比公約偏大值控制在3 dB以內(nèi)，在實(shí)測(cè)時(shí)基本可以滿足公約要求.在測(cè)試階段時(shí)，對(duì)于部分人員嘈雜的艙室，需要合理的協(xié)調(diào)并處理，最后由于統(tǒng)計(jì)能量分析法無(wú)法考慮局部共振的影響，對(duì)于振動(dòng)計(jì)算中局部共振區(qū)域要特別關(guān)注.

噪聲快速預(yù)報(bào);噪聲測(cè)試;統(tǒng)計(jì)能量分析法

0 引 言

隨著近代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和船舶體系管理的日益完善，對(duì)船舶的要求也不再局限于其安全性、快速性和經(jīng)濟(jì)性等方面，對(duì)船舶的舒適性即船員和乘客的居住環(huán)境提出了更高的要求，其中，船舶的振動(dòng)與噪聲問(wèn)題一直是困擾研究者的一個(gè)重要問(wèn)題[1-2].由文獻(xiàn)[3]可知，船舶的噪聲等級(jí)被列為公約要求的法定指標(biāo)，這給我國(guó)中小型船廠帶來(lái)了巨大的沖擊.文中基于對(duì)某2 339 TEU集裝箱船的噪聲預(yù)報(bào)與測(cè)試，以期為該類型船舶在設(shè)計(jì)階段的噪聲預(yù)報(bào)與控制及后期的測(cè)試提供有益建議.

在聲學(xué)有限元計(jì)算中對(duì)網(wǎng)格的尺寸要求非常高，一般要求其最大邊長(zhǎng)需小于1/6的彎曲波波長(zhǎng)[4]，這就對(duì)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力和計(jì)算效率提出了很高的要求.而統(tǒng)計(jì)能量分析法(statistical energy analysis method,SEA)，采用統(tǒng)計(jì)的思想，利用系統(tǒng)能量去研究外激勵(lì)下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)問(wèn)題，可以提高計(jì)算效率，同時(shí)其精度也可以被工程上所接受，因此目前工程上普遍采用SEA進(jìn)行噪聲預(yù)報(bào).

1 聲學(xué)模型的建立

1.1 建模的基本原則

本文的研究對(duì)象為一艘2 339 TEU尾機(jī)型集裝箱船，該船的主尺度及主要參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 2339TEU集裝箱主尺度及主要參數(shù)

對(duì)于該船，其生活區(qū)與主要的噪聲源均位于尾部，因此，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，只對(duì)從尾封板到機(jī)艙前端壁區(qū)域(Fr.-5-200 mm～Fr.50)進(jìn)行建模，基本原則如下.①由于介質(zhì)的不同，將水線上下的板分別建模.②各類開(kāi)口和門(mén)窗均直接采用板結(jié)構(gòu)建模而不予模擬.③由于結(jié)構(gòu)的自然邊界，可能劃分出部分模態(tài)數(shù)較小的聲腔，不利于后續(xù)的計(jì)算，因此在進(jìn)行艙室劃分時(shí)，充分考慮同類艙室的相似性，將其劃分在一起.④根據(jù)艙室結(jié)構(gòu)布置圖對(duì)實(shí)際的內(nèi)裝材料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，充分考慮其對(duì)噪聲預(yù)報(bào)的影響.⑤駕駛室、集控室、船員房間等艙室采用聲腔形式來(lái)進(jìn)行模擬.⑥外界流場(chǎng)采用空氣或者海水的半無(wú)限域流場(chǎng)來(lái)模擬.

1.2 建模的基本流程

通過(guò)對(duì)預(yù)報(bào)船總布置圖、艙室布置圖、設(shè)備布置圖及設(shè)備說(shuō)明書(shū)等資料的分析，通過(guò)MSC.PATRAN軟件對(duì)本船尾部機(jī)艙及上層建筑區(qū)域進(jìn)行有限元模型的建立，并通過(guò)將導(dǎo)出*.bdf文件輸入ESI.VAone軟件中，構(gòu)建基于統(tǒng)計(jì)能量分析法的聲學(xué)預(yù)報(bào)模型見(jiàn)圖1.

圖1 建?；玖鞒碳澳Ｐ蛨D

2 噪聲源及基本參數(shù)的確定

2.1 激勵(lì)源

本船尾機(jī)型集裝箱船，采用了一臺(tái)滬東重機(jī)生產(chǎn)的6G60ME-C9.2型12 840 kW的主機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為97 r/min，螺旋槳采用槳葉直徑為6 700 mm的5葉槳，同時(shí)該船還配備了現(xiàn)代重機(jī)生產(chǎn)的HFC7 568-08P型1 368 kW和HFC7 636-08P 型1 824 kW的發(fā)電機(jī)各兩臺(tái)，額定轉(zhuǎn)速均為900 r/min.

文中計(jì)及預(yù)報(bào)船主要激勵(lì)源，包括螺旋槳激勵(lì)、主機(jī)激勵(lì)和發(fā)電機(jī)的激勵(lì).在預(yù)報(bào)中激勵(lì)源可以采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式，一方面在進(jìn)行噪聲預(yù)報(bào)階段時(shí)多數(shù)船還處于設(shè)計(jì)階段無(wú)法采取實(shí)測(cè)，另一方面該船為系列船首制船無(wú)姊妹船可以參考，因此，在預(yù)報(bào)時(shí)均采用經(jīng)驗(yàn)公式.選用文獻(xiàn)[5]中主機(jī)及發(fā)電機(jī)基座處振動(dòng)加速度級(jí)式(1)進(jìn)行估算,主機(jī)及發(fā)電機(jī)的空氣聲采用式(2)進(jìn)行計(jì)算；同時(shí)采用式(3)對(duì)螺旋槳在船底板引起的激勵(lì)進(jìn)行估計(jì)[6].

(1)

式中：m為發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量，kg；ne為發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速，r/min；Pe為額定功率，kW；n為發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速，r/min;f為頻率，Hz.

Lw=57+10 lg(hp)+C0(dB)

(2)

式中：hp為主機(jī)額定馬力；C0為修正值，參考聲功率為10-12W.

Lv(propeller)=c+10 lg(M×z)+

refV0=10-9m/s

(3)

2.2 模態(tài)數(shù)

在SEA分析中，z≥5為高頻區(qū)，1

圖2 模態(tài)數(shù)圖

2.3 損耗因子

損耗因子分為內(nèi)損耗因子和耦合損耗因子，船結(jié)構(gòu)模型在分析時(shí)視為弱耦合結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的求解，而VA ONE自帶的基于波分析法的損耗因子的計(jì)算可以適用于這類結(jié)構(gòu)的求解[7-9].

2.4 噪聲預(yù)報(bào)結(jié)果

根據(jù)對(duì)板子系統(tǒng)和聲腔子系統(tǒng)模態(tài)數(shù)的計(jì)算，確定對(duì)模型80～8 000 Hz范圍內(nèi)1/3倍頻程中心頻率進(jìn)行預(yù)報(bào)，各艙室聲壓級(jí)曲線見(jiàn)圖3.

圖3 各艙室聲壓級(jí)曲線圖

在設(shè)計(jì)階段的預(yù)報(bào)，激勵(lì)源的計(jì)算往往采用偏大選取，同時(shí)一些特殊的內(nèi)裝材料也先不在考慮范圍內(nèi)，一般會(huì)造成艙室噪聲比實(shí)測(cè)值大，因此某些艙室的噪聲預(yù)報(bào)值稍微大一點(diǎn)并不要緊，但是本次計(jì)算中的醫(yī)院的噪聲值明顯偏大接近了64 dB，考慮到其周圍還有一個(gè)風(fēng)道在預(yù)報(bào)中未計(jì)及，因此在設(shè)計(jì)階段對(duì)該艙室的內(nèi)裝材料進(jìn)行了特別考慮，增加了一些吸聲材料，而后預(yù)報(bào)值下降至約61 dB左右.其余個(gè)別艙室預(yù)報(bào)值雖有稍大于公約值的現(xiàn)象，但大體還在控制范圍中.

3 噪聲測(cè)試

船上噪聲測(cè)試所需的儀器包括聲級(jí)計(jì)、倍頻層濾波器、傳聲器風(fēng)罩和聲音校準(zhǔn)器.根據(jù)CCS要求，聲壓級(jí)測(cè)量須采用精密積分聲級(jí)計(jì)進(jìn)行，同時(shí)應(yīng)符合IEC61672-1(2002-05)1類型/級(jí)標(biāo)準(zhǔn).

3.1 測(cè)試條件

試航時(shí)，天氣狀況良好，蒲氏風(fēng)力約為3級(jí)，目測(cè)波高不超過(guò)1 m，同時(shí)船舶處于開(kāi)闊水域，周圍無(wú)島嶼或大型船舶等大面積反射物，水深58 m，大于5倍吃水(d=8.5).噪聲測(cè)量時(shí)，船舶處于壓載工況，主機(jī)功率為額定功率12 840 kW，轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速97 r/min，四臺(tái)發(fā)電機(jī)處于正常工作狀態(tài)，分別為900 r/min，1 368 kW和900 r/min，1 824 kW，除此之外正常航行所需的機(jī)械、航行儀器、無(wú)線電、雷達(dá)等裝置均處于正常工作狀態(tài).除個(gè)別航行中必須開(kāi)啟的門(mén)窗外，艙室門(mén)窗處于緊閉狀態(tài).

3.2 測(cè)試的基本原則

1) 對(duì)于居住艙室和工作間，測(cè)量點(diǎn)盡可能選擇靠近人員工作的位置，工作間測(cè)量時(shí)傳聲器應(yīng)放在甲板以上1.2 m(模擬坐著的人員)和1.6 m(模擬站著的人員)的高度處，居住艙室測(cè)量時(shí)需要考慮將床頭作為一個(gè)測(cè)量點(diǎn)[10].

2) 兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)之間的距離至少應(yīng)為2 m，在無(wú)機(jī)艙的大處所內(nèi)，整個(gè)處所應(yīng)按不超過(guò)10 m的間距進(jìn)行測(cè)量.

3) 傳聲器位置應(yīng)距離反射表明1 m以上，并盡可能遠(yuǎn)離反射表面.

4) 在測(cè)量噪聲級(jí)時(shí)，傳聲器的位置應(yīng)盡可能與氣流方向的夾角不小于30°，且距發(fā)動(dòng)機(jī)、通風(fēng)、空調(diào)和冷卻系統(tǒng)的進(jìn)氣口或排氣口邊緣不小于1 m.

5) 在電力設(shè)備附近測(cè)量時(shí)，應(yīng)考慮電磁場(chǎng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響.如果改變傳聲器方位(不改變位置)發(fā)現(xiàn)積分聲級(jí)計(jì)指示的聲級(jí)有明顯變化，應(yīng)變換聲級(jí)計(jì)的方位或者在離磁場(chǎng)更遠(yuǎn)的地方進(jìn)行測(cè)量.

6) 在振動(dòng)明顯的環(huán)境中進(jìn)行測(cè)量時(shí)應(yīng)考慮振動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，避免振動(dòng)方向與聲級(jí)計(jì)的膜片方向垂直.

4 噪聲預(yù)報(bào)與測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析

表2為噪聲預(yù)報(bào)與測(cè)試結(jié)果.

由表2可知，多數(shù)非機(jī)器處所艙室的預(yù)報(bào)值比實(shí)測(cè)值高3～6 dB，其主要原因有以下兩點(diǎn)：①激勵(lì)源的影響，本文的預(yù)報(bào)時(shí)在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行的，同時(shí)該船又是首制船，激勵(lì)源只能采用經(jīng)驗(yàn)公式，具有一定的誤差，同時(shí)考慮到外國(guó)船東對(duì)噪聲指標(biāo)比較苛刻，在預(yù)報(bào)階段的激勵(lì)經(jīng)驗(yàn)公式選取采取偏保守的方式，因此最后的預(yù)報(bào)值偏大；②內(nèi)裝材料的影響，在預(yù)報(bào)時(shí)都只考慮了普通的內(nèi)裝材料，未計(jì)及船上一些特殊的防火分隔材料，如A60，A30等，造成廚房(SOLAS公約中定義為較大失火危險(xiǎn)的服務(wù)處所)，應(yīng)急發(fā)電機(jī)間(SOLAS公約中定義為A類機(jī)器處所)等特殊艙室周圍的艙室噪聲預(yù)報(bào)值偏大更多，本模型預(yù)報(bào)中應(yīng)急發(fā)電機(jī)間的A60防火材料由其他艙室的普通材料代替，因此，上方的醫(yī)院和側(cè)方的水手廚工室噪聲偏大，醫(yī)院的預(yù)報(bào)值高達(dá)63.54 dB，廚工水手6的預(yù)報(bào)值達(dá)到了63.23 dB，高于同層甲板其他艙室3 dB左右.對(duì)應(yīng)急發(fā)電機(jī)間施加A60防火材料前后，醫(yī)院的噪聲預(yù)報(bào)聲壓級(jí)曲線見(jiàn)圖4，下降約3.5 dB.

表2 噪聲預(yù)報(bào)與測(cè)試結(jié)果 dB

圖4 處理前后醫(yī)院聲壓級(jí)曲線

對(duì)于部分艙室，如駕駛室的噪聲要比實(shí)測(cè)值要小很多，主要有兩方面原因：一方面在試航階段，根據(jù)振動(dòng)測(cè)試顯示羅經(jīng)甲板出現(xiàn)了共振現(xiàn)象，而采取統(tǒng)計(jì)能量法無(wú)法預(yù)報(bào)到該現(xiàn)象；另一方面試航時(shí)，駕駛室人員較多，環(huán)境嘈雜，使得其測(cè)試值較真實(shí)值偏大.而對(duì)于廚房，預(yù)報(bào)值比測(cè)試值要大很多，這主要是測(cè)試時(shí)并不是在廚房工作期間，而預(yù)報(bào)時(shí)外加了一個(gè)空氣聲的激勵(lì).

5 結(jié) 論

1) 在設(shè)計(jì)階段時(shí)，激勵(lì)源的計(jì)算值往往偏大，同時(shí)不計(jì)及一些特殊的防火材料，這樣會(huì)造成預(yù)報(bào)值偏大，因此若按上述保守方式建模預(yù)報(bào)值對(duì)比公約值偏大值控制在3 dB以內(nèi)，在最后實(shí)測(cè)時(shí)多數(shù)能滿足.

2) 噪聲測(cè)試時(shí)，對(duì)一些環(huán)境比較嘈雜的艙室，如駕駛時(shí)的測(cè)量，要與船長(zhǎng)等協(xié)商好，并在后期對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?

3) 采用統(tǒng)計(jì)能量分析法無(wú)法計(jì)及到由于局部共振引起的某些艙室的噪聲值偏大，因此當(dāng)振動(dòng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)某些結(jié)構(gòu)存在共振現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)特別注意其周圍艙室的噪聲情況.

[1] 張立.基于國(guó)際新規(guī)范的艙室噪聲預(yù)報(bào)與控制技術(shù)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2012.

[2] 陳實(shí).基于IMO新標(biāo)準(zhǔn)的船舶艙室噪聲研究[D].大連:大連理工大學(xué),2013.

[3] 國(guó)際海事組織.船上噪聲等級(jí)規(guī)則[Z].倫敦:國(guó)際海事組織,2014.

[4] 李增剛,詹福良.Virtual.Lab Acoustics聲學(xué)仿真計(jì)算高級(jí)應(yīng)用實(shí)例[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2010.

[5] 阿斯尼基福羅夫.船體結(jié)構(gòu)聲學(xué)設(shè)計(jì)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1998.

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[7] 高麗莎.基于實(shí)船試驗(yàn)的鋼鋁混合結(jié)構(gòu)船舶噪聲預(yù)報(bào)與控制研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2014.

[8] 陳景昊.異種混合結(jié)構(gòu)耦合損耗因子研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2015.

[9] 陳景昊,吳衛(wèi)國(guó),林永水.基于有限元能量流的混合結(jié)構(gòu)間耦合損耗因子[J].中國(guó)艦船研究,2016,11(4):79-86.

[10] 中國(guó)船級(jí)社.船舶及產(chǎn)品噪聲控制與檢測(cè)指南[Z].北京:中國(guó)船級(jí)社,2013.

Research on Acoustic Rapid Prediction and Noise Test of Small and Middle Size Container Ship

FUBin1,2)CHENJinghao3)HANChenjian2)WUWeiguo1)

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)1)(ZhoushanOffice,ChinaClassificationSociety,Zhoushan316000,China)2)(WenzhouOffice,ChinaClassificationSociety,Wenzhou325000,China)3)

The acoustic rapid prediction of a 2339TEU container ship is carried out by ESI.VA One based on the statistical energy analysis method. Fast prediction method provides a guidance for ship cabin noise control in design phase, and the forecast accuracy is verified by full scale tests. Because the excitation calculation of simulation is relatively large and the fire separation is ignored, the simulation result is more than the requirement of convention about 3dB according to the conservative method above, but the test result meets the requirement of convention. Meanwhile, for some chaotic cabin, a more reasonable method should be adopt in the test phase. Finally, because the statistical energy analysis method can not consider the effect of local resonance, which should be paid special attention.in the calculation of vibration.

acoustic rapid prediction; acoustic test; statistical energy analysis method (SEA)

U661.44

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.05.020

2017-07-12

傅斌(1971—)：男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究領(lǐng)域?yàn)榇皺z驗(yàn)及結(jié)構(gòu)振動(dòng)與噪聲控制