基于MSC.337（91）的組合結(jié)構(gòu)的隔聲計(jì)算與設(shè)計(jì)

潘溜溜，劉 錕，陳惠勤

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

基于MSC.337（91）的組合結(jié)構(gòu)的隔聲計(jì)算與設(shè)計(jì)

潘溜溜，劉 錕，陳惠勤

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

針對MSC.337（91）《船上噪聲等級(jí)規(guī)則》對隔聲的要求，利用統(tǒng)計(jì)能量法模擬隔聲指數(shù)實(shí)測系統(tǒng)，并將模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值相對比，從而提出一種可靠的隔聲指數(shù)計(jì)算方法，為組合壁板和組合甲板的隔聲計(jì)算及設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

船舶噪聲；隔聲指數(shù)計(jì)算；組合壁板；隔聲設(shè)計(jì)；統(tǒng)計(jì)能量法；MSC.337(91)

0 引 言

國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）MSC.337 (91)《船上噪聲等級(jí)規(guī)則》[1]對船舶艙室不同區(qū)域之間的隔聲指數(shù)提出了具體要求。在對船舶內(nèi)裝進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員需根據(jù)廠家提供的絕緣、甲板敷料、木作壁板和木作天花板等內(nèi)裝材料的隔聲指數(shù)測試報(bào)告來選擇滿足MSC.337(91)隔聲要求的產(chǎn)品。但是，廠家往往僅提供其生產(chǎn)的隔聲材料的隔聲指數(shù)測試報(bào)告。對于船上常見的組合艙壁和組合甲板來說，廠家雖然可對其進(jìn)行組合結(jié)構(gòu)的檢測，但測試的組合類型較少，無法完全滿足艙室隔聲設(shè)計(jì)的需求。此外，內(nèi)裝材料有時(shí)會(huì)來自于不同的廠家，單純依靠廠家提供的隔聲指數(shù)實(shí)測報(bào)告不能解決所有隔聲設(shè)計(jì)問題。因此，具備對組合結(jié)構(gòu)隔聲指數(shù)的計(jì)算能力，對于艙室隔聲設(shè)計(jì)而言意義重大。

1 隔聲指數(shù)測試系統(tǒng)

船舶設(shè)計(jì)中所選用產(chǎn)品的隔聲指數(shù)通常都是通過實(shí)驗(yàn)室測量得到的，測量條件比較理想，幾乎沒有其他側(cè)向聲傳透的途徑，測試方法及試件的安裝也比較固定和統(tǒng)一，因此測得的數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，便于比較和分析研究。圖1為隔聲實(shí)驗(yàn)室示意和測試儀器設(shè)備路線框圖。

按照MSC.337(91)《船上噪聲等級(jí)規(guī)則》的要求，艙室分隔結(jié)構(gòu)的隔聲性能應(yīng)依據(jù)ISO 10140-2《聲學(xué) 建筑構(gòu)件隔聲的實(shí)驗(yàn)室測量 第2部分 空氣聲隔聲的測量》進(jìn)行檢測，參照ISO 717-1《聲學(xué) 建筑和建筑構(gòu)件的隔聲評定 第1部分 空氣聲隔聲》進(jìn)行單值評價(jià)。

最終得到的實(shí)測報(bào)告包含平均隔聲量、隔聲頻率特征曲線及隔聲指數(shù)等3種數(shù)據(jù)。

1) 平均隔聲量能大體上反映物件隔聲性能的優(yōu)劣；

2) 隔聲頻率特征曲線可反映不同頻率范圍內(nèi)隔聲變化的全貌，對分析研究物件的隔聲能力意義重大；

3) 隔聲指數(shù)是用一條按ISO 717-1建議的基準(zhǔn)曲線與物件的隔聲頻率特征曲線相比較，得到一個(gè)平移量，將基準(zhǔn)值中頻率500Hz的基準(zhǔn)值52dB加上平移量即為計(jì)權(quán)隔聲指數(shù)，由于增加了人為的評定標(biāo)準(zhǔn)，反映的物件隔聲性能更為合理。

圖1 隔聲實(shí)驗(yàn)室示意和測試儀器設(shè)備路線框圖

2 隔聲指數(shù)計(jì)算模型系統(tǒng)

該計(jì)算系統(tǒng)利用統(tǒng)計(jì)能量法模擬廠家隔聲指數(shù)測試系統(tǒng)，具體采用VA One噪聲分析軟件中的統(tǒng)計(jì)能量法模塊進(jìn)行計(jì)算分析。

統(tǒng)計(jì)能量分析方法能將復(fù)雜系統(tǒng)（包括機(jī)械的聲學(xué)系統(tǒng)）劃分成不同的模態(tài)群，并從統(tǒng)計(jì)意義上將大系統(tǒng)分解為若干個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)，采用統(tǒng)計(jì)量描述系統(tǒng)的動(dòng)力特性。通過建立子系統(tǒng)能量與子系統(tǒng)間功率流的平衡方程，估算子系統(tǒng)的能量分布。對于具有k個(gè)子系統(tǒng)的系統(tǒng)，其能量平衡方程為

式(1)中：Ei，iP，ni，iη分別為第i個(gè)子系統(tǒng)的能量、輸入功率、模態(tài)密度及內(nèi)部損耗因子；ijη為2個(gè)子系統(tǒng)的耦合損耗因子。

從整個(gè)系統(tǒng)中分離出任意2個(gè)耦合的子系統(tǒng)i和j（見圖2）。在聲振情況下，這2個(gè)子系統(tǒng)之間的能量交換處于平衡狀態(tài)，其關(guān)系式為

圖2 雙耦合子系統(tǒng)能量關(guān)系

式(2)和式(3)中：Pi,in和Pj,in為外界輸入子系統(tǒng)的功率；Pi,diss和Pj,diss為子系統(tǒng)消耗的功率；Pi,j和Pj,i為子系統(tǒng)間相互傳遞的功率。

將式(2)代入式(3)中即可得到式(1)。求解式(1)即可得到各子系統(tǒng)的能量Ei，對于每個(gè)結(jié)構(gòu)或聲學(xué)的子系統(tǒng)，具有一個(gè)與其時(shí)間平均或空間平均振動(dòng)速度

1) 對于質(zhì)量為Mi的結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)，有

2) 對于體積為V的閉空間聲場子系統(tǒng)，有

式(5)中：ρ為聲場介質(zhì)密度；c為聲速。

該模擬系統(tǒng)由2個(gè)獨(dú)立的房間（聲腔）及連接房間的隔聲材料（連接系統(tǒng)）組成，能量只在2個(gè)聲腔內(nèi)流動(dòng)。由于隔聲材料也具有吸聲性能，因此能量可在吸聲材料中損耗，但2個(gè)聲腔內(nèi)沒有其他損耗。

隔聲量定義為

式(6)中：W1為總聲能；W2為透射聲能。

而在VA One軟件中，2個(gè)聲腔的能量比例為

雖然R1與R的定義有差異，但在隔聲量＞20dB（即僅透射不足1%的能量）的情況下，R1的（W1-W2）約等于W1，即R1可等效為R。因此，在VA One軟件中提取2個(gè)聲腔的能量比例即可。圖3為模擬系統(tǒng)示意。

圖3 模擬系統(tǒng)示意

3 計(jì)算值和實(shí)測值對比

試樣為組合結(jié)構(gòu)，由25mm的B級(jí)艙壁板+25mm空氣層+5mm的A級(jí)鋼板組合而成。B-15級(jí)艙壁板本體總長為3m，由6塊寬板和1塊窄板的A型接口復(fù)合巖棉板拼裝而成。長板規(guī)格為：2950mm×600mm的長板6塊；2950mm×360mm的長板1塊。復(fù)合巖棉板的結(jié)構(gòu)組成為0.6mm厚的鋼板+23.5mm厚的巖棉+0.6mm厚的鋼板，復(fù)合后總厚度為25mm；巖棉容重為150kg/m3，鋼板與巖棉之間用黏結(jié)劑粘合（見圖4）。試驗(yàn)實(shí)測報(bào)告見圖5，模擬系統(tǒng)結(jié)果云圖見圖6，模型系統(tǒng)隔聲頻率特征曲線見圖7，平移后的參數(shù)值曲線見圖8。

圖4 試件照片

頻率/Hz R 1/3倍頻程/dB 100 30.2 125 30.1 160 31.5 200 31.7 250 37.0 315 38.4 400 41.6 500 44.8 630 46.1 800 48.9 1000 50.6 1250 50.2 1600 48.8 2000 47.5 2500 46.3 3150 47.1

圖5 試件實(shí)測報(bào)告

圖6 模擬系統(tǒng)結(jié)果云圖

總計(jì) 75.2729 100 22.4632 125 22.4632 160 19.0252 200 27.4494 250 35.8426 315 42.8135 400 49.0409 500 54.3307 630 59.3642 800 63.9834 1000 67.5338 1250 70.0196 1600 70.2814 2000 64.0222 2500 46.8107 3150 59.9028

圖7 模型系統(tǒng)隔聲頻率特征曲線

參照ISO 717-1，隔聲指數(shù)單值評價(jià)結(jié)果為Rw= 44dB。

通過對比分析可看出，利用統(tǒng)計(jì)能量法模擬得到的計(jì)算值（44dB）與實(shí)測值（46dB）比較接近，故該計(jì)算方法可用于船舶艙室組合壁板和組合甲板隔聲指數(shù)的計(jì)算。

目前廠商可能尚未提供實(shí)測報(bào)告的組合結(jié)構(gòu)主要有以下幾種：

1) 鋼圍壁板（或鋼甲板）；

2) 鋼甲板+甲板敷料；

3) 木作天花板+空氣層+鋼甲板+甲板敷料；

4) 木作天花板+空氣層+絕緣+鋼甲板+甲板敷料；

5) 鋼圍壁板+絕緣；

6) 鋼圍壁板+絕緣+空氣層+木作圍壁板；

7) 木作圍壁板+空氣層+鋼圍壁板+空氣層+木作圍壁板；

8) 木作圍壁板+空氣層+鋼圍壁板+絕緣+空氣層+木作圍壁板。

圖8 平移后的參考值曲線

以上任何組合結(jié)構(gòu)的材料厚度、空氣層厚度及組合順序等都對整體隔聲指數(shù)有影響，若無法得到這些組合的隔聲指數(shù)，則一般會(huì)保守設(shè)計(jì)，即僅考慮木作圍壁板和天花板，而不考慮鋼板、空氣層及絕緣等對隔聲指數(shù)的貢獻(xiàn)，因?yàn)閺S商一般會(huì)提供木作圍壁板和天花板的隔聲指數(shù)實(shí)測報(bào)告。然而，鋼板、空氣層及絕緣等對隔聲指數(shù)的影響很大，比如4.5mm厚的鋼板隔聲指數(shù)約為33dB，不能忽略，因此需通過該模擬系統(tǒng)計(jì)算出任意組合的隔聲指數(shù)及厚度等參數(shù)對隔聲指數(shù)的敏感度，為優(yōu)化隔聲設(shè)計(jì)提供有效手段。

4 結(jié) 語

該計(jì)算方法可用于船舶艙室組合壁板和組合甲板隔聲指數(shù)的計(jì)算，由于其可模擬任意組合，彌補(bǔ)了廠商測試報(bào)告不全的缺點(diǎn)，對于船舶隔聲計(jì)算和設(shè)計(jì)而言意義重大。另外，通過計(jì)算可模擬不同方案的組合，找出性價(jià)比最優(yōu)的隔聲組合，降低生產(chǎn)成本。

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

[2] ISO. Rating of sound insulation in buildings and of building elements: ISO 717-1—1996[S]. 1996.

[3] 中國船級(jí)社. 船舶及產(chǎn)品噪聲控制與檢測指南[S]. 2013.

[4] 盧偉，殷小偉. 基于統(tǒng)計(jì)能量分析法的船舶噪聲預(yù)報(bào)與控制[J]. 船舶與海洋工程，2015, (5): 39-43.

[5] VA One 2012 User’s Guide[M]. Paris:ESI Group, 2012.

Sound Insulation Calculation and Design of Composite Structure Based on MSC.337(91)

PAN Liu-liu，LIU Kun，CHEN Hui-qin

(Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Co., Ltd., Shanghai 200137, China)

According to Code on Noise Level on Board Ships MSC.33(91), this study adopts the statistical energy method to simulate the actual measurement system of sound insulation index, and compares the simulated result with actual measurement, so as to propose a reliable sound insulation index calculation method for the sound insulation calculation and design of composite wall panels and decks.

ship noise; sound insulation index calculation; composite wall panel; sound insulation design; statistical energy method; MSC.337(91)

U662.1；U552.2

A

2095-4069 (2017) 05-0043-05

10.14056/j.cnki.naoe.2017.05.008

2016-09-26

潘溜溜，男，高級(jí)工程師，碩士，1982年生。2007年畢業(yè)于上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所船舶海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)與制造專業(yè)，現(xiàn)主要從事船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、振動(dòng)與噪聲分析控制工作。