船舶振動(dòng)噪聲源傳遞路徑分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

胡鵬濤+張博

摘 要：本文嘗試分析船舶振動(dòng)噪聲源傳遞路徑分析，將機(jī)械動(dòng)力裝置作為主要噪音源，以居住室一位端1.2m標(biāo)準(zhǔn)噪聲點(diǎn)為響應(yīng)點(diǎn)，采用OTPA方法測(cè)量激勵(lì)以及響應(yīng)信號(hào)，進(jìn)行TPS計(jì)算，用工況下測(cè)試數(shù)據(jù)和傳遞率求解各部分的貢獻(xiàn)量。對(duì)目標(biāo)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行實(shí)測(cè)，和OPTA分析中的合成結(jié)果總值對(duì)比分析，兩者非常相近，隨著速度的增加，來(lái)自居住艙地板表面貢獻(xiàn)占主導(dǎo)地位，來(lái)自于軸箱、齒輪箱等動(dòng)力機(jī)械設(shè)備的貢獻(xiàn)量最大，電機(jī)的噪聲貢獻(xiàn)量次之。

關(guān)鍵詞：船舶；振動(dòng)；噪聲源；傳遞

中圖分類(lèi)號(hào)：D631.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）19-0082-02

船舶噪聲可分為空氣聲以及結(jié)構(gòu)聲兩類(lèi)，結(jié)構(gòu)聲即傳統(tǒng)意義上的震動(dòng)波，是導(dǎo)致船舶老化、損壞的重要原因之一。船舶設(shè)備上控制機(jī)械振動(dòng)噪聲不僅可改善人機(jī)工作環(huán)境，還可提高潛艇的隱蔽性，越來(lái)越受到造船企業(yè)的重視[1]。當(dāng)前船舶對(duì)電力、動(dòng)力需求明顯提高，導(dǎo)致輪機(jī)的規(guī)模以及數(shù)量明顯增加，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)聲源強(qiáng)度增大，成為主要振動(dòng)以及噪聲源。船舶大多部分是鋼板建成的，鋼材料是振動(dòng)波傳遞的良導(dǎo)體，故研究船舶振動(dòng)噪聲源傳遞路徑應(yīng)放在船舶輪機(jī)振動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)的船舶路徑上。本次研究嘗試采用試驗(yàn)研究，驗(yàn)證分析船舶振動(dòng)噪聲源傳遞路徑。

1 船舶振動(dòng)噪聲源傳遞路徑分析

本文采用OTPA路徑分析方法，需要知曉激勵(lì)點(diǎn)、目標(biāo)點(diǎn)相應(yīng)，進(jìn)行分析，目標(biāo)點(diǎn)相應(yīng)和激勵(lì)點(diǎn)處響應(yīng)的關(guān)系如下：P（ω）=，其中P（ω）為目標(biāo)相應(yīng)點(diǎn)的響應(yīng)，Tj（ω）為第j個(gè)聲源到目標(biāo)點(diǎn)的傳遞率，Pj（ω）為第j個(gè)聲源點(diǎn)的聲壓，Ti（ω）為第i個(gè)振動(dòng)源到目標(biāo)點(diǎn)的傳遞率，Xpi（ω）為第i個(gè)振動(dòng)源的加速度。OTPA方法采用激勵(lì)點(diǎn)響應(yīng)到目標(biāo)點(diǎn)的傳遞率表示路徑，無(wú)需建立相應(yīng)的傳遞函數(shù)，可有效的縮短工作量以及測(cè)試時(shí)間。需注意的是，目前對(duì)于船舶而言，普遍采用浮筏隔振系統(tǒng)等防震系統(tǒng)、雙層隔振系統(tǒng)。隔振能夠有效的減少振動(dòng)的傳遞，被保護(hù)對(duì)象振動(dòng)量級(jí)獲得較大程度的衰減與控制。本文采用德國(guó)Mueller-BBM開(kāi)發(fā)的PAK測(cè)試軟件進(jìn)行系統(tǒng)分析，工況下的噪聲震動(dòng)傳遞路徑。先進(jìn)行工況下的激勵(lì)點(diǎn)、目標(biāo)點(diǎn)響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試。采用OTPA方法測(cè)量激勵(lì)以及響應(yīng)信號(hào)，輸入以及相應(yīng)的樣本矩陣中存在相互耦合，避免矩陣求逆過(guò)程中，遇到數(shù)值以及無(wú)法精確求解的工況傳播關(guān)系矩陣。最后進(jìn)行TPS計(jì)算，用工況下測(cè)試數(shù)據(jù)和傳遞率求解各部分的貢獻(xiàn)量。

假設(shè)船舶系統(tǒng)是一個(gè)線性的不變的系統(tǒng)，則船舶內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)的聲壓或振動(dòng)加速度等于各個(gè)激勵(lì)源沿著不同的傳遞路徑傳播到車(chē)內(nèi)所有貢獻(xiàn)量的疊加，即“激勵(lì)源→傳遞路徑→目標(biāo)點(diǎn)”模型表示。通過(guò)這個(gè)模型，得出噪聲傳遞率、路徑的貢獻(xiàn)量。對(duì)于一艘船舶而言，其激勵(lì)源主要為輪機(jī)噪聲、設(shè)備間噪聲、集電系統(tǒng)等，了解這些噪聲源，可實(shí)現(xiàn)傳遞路徑分析。對(duì)于船舶而言，噪聲源主要考慮主機(jī)、輔機(jī)，噪聲與輪機(jī)的功率有關(guān)。除結(jié)構(gòu)噪聲外，還存在空氣噪聲，船舶內(nèi)的噪聲點(diǎn)P總=P結(jié)構(gòu)+P空氣。對(duì)于n個(gè)激勵(lì)源的串?dāng)_消除，方程如下圖1。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證傳遞路徑分析與綜合技術(shù)船舶振動(dòng)噪聲預(yù)測(cè)中的可行性，本文在行駛狀態(tài)下的船舶內(nèi)進(jìn)行傳遞路徑測(cè)試。需注意的是，噪聲關(guān)注主要為居住艙，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，居住艙的地板往往是噪聲最大的位置，故以居住室一位端1.2m標(biāo)準(zhǔn)噪聲點(diǎn)為響應(yīng)點(diǎn)，計(jì)算各激勵(lì)源以及各條傳遞路徑對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲參考點(diǎn)的貢獻(xiàn)量，找出噪聲主導(dǎo)性因素。具體的路徑，居住倉(cāng)的噪聲主要路徑：①設(shè)備間噪聲-船舶的地板以及側(cè)墻-船舶內(nèi)居住艙；②設(shè)備間噪聲-門(mén)窗以及通過(guò)臺(tái)縫隙-船舶內(nèi)居住艙；③軸箱、電機(jī)、齒輪箱振動(dòng)-船體結(jié)構(gòu)連接點(diǎn)-地板與整船振動(dòng)-向車(chē)內(nèi)輻射噪聲。我們?cè)诰幼∨搩?nèi)安置了2個(gè)噪聲傳感器，位于1.2m標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)、出風(fēng)口0.05m，同時(shí)在居住間外、結(jié)構(gòu)連接點(diǎn)處、輪機(jī)室等激勵(lì)源和路徑出布置測(cè)試點(diǎn)。

整個(gè)測(cè)試都嚴(yán)格質(zhì)控，進(jìn)行傳感器的安裝、接線、確保傳感器合理有效的安裝安置，通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)確認(rèn)系統(tǒng)信號(hào)穩(wěn)定。震動(dòng)傳感器采用AD01-50/100，聲傳感器SKV，表面聲傳感器GRAS等。需注意的是，因?yàn)闇y(cè)試數(shù)據(jù)十分龐大，本文僅取重要的聲源點(diǎn)、相應(yīng)點(diǎn)噪聲特性進(jìn)行初步分析。在50km/h的勻速情況下，客室一位斷1.2m標(biāo)準(zhǔn)噪聲點(diǎn)頻率在2000Hz以下，故選擇50Hz～2000Hz作為噪聲傳遞路徑分析[2]。隨著主機(jī)以及輔機(jī)功率的提高，居住艙內(nèi)的噪聲峰值頻率也隨之上升，最高達(dá)到67.4db，與此同時(shí)隨著功率的提高，噪聲源的聲壓值也不斷增大，居住艙端部目標(biāo)點(diǎn)噪聲點(diǎn)頻譜在低頻段與高頻段都出現(xiàn)噪聲峰值，這可能與居住艙廣泛采用的隔聲設(shè)計(jì)，對(duì)低頻處隔聲性能相對(duì)較弱有關(guān)。

根據(jù)前文提到的路徑設(shè)計(jì)TPS計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，建立OTPA傳遞模型，求解在各個(gè)功率下的傳遞關(guān)系劇組，以每個(gè)功率級(jí)下的測(cè)試片段作為測(cè)試樣本，構(gòu)件工況下的輸出矩陣，進(jìn)一步求解。結(jié)果顯示，計(jì)算合成的結(jié)果與實(shí)際測(cè)試居住艙內(nèi)的聲目標(biāo)點(diǎn)的頻譜曲線對(duì)比，兩條曲線整體趨勢(shì)相似，峰值頻率合成信號(hào)、實(shí)際測(cè)試信號(hào)能夠較好的吻合。同時(shí)每個(gè)功率下，結(jié)構(gòu)聲對(duì)艙內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)的貢獻(xiàn)量都較空氣聲的貢獻(xiàn)量更大，但隨著功率的增加，結(jié)構(gòu)聲、空氣聲貢獻(xiàn)量差值明顯減少。各個(gè)功率級(jí)別下不同傳遞路徑在整個(gè)分析頻段中的貢獻(xiàn)量db（A）見(jiàn)下表1。在不同功率級(jí)別下，各個(gè)路徑的貢獻(xiàn)點(diǎn)都明顯不同，隨著功率的上升。隨著功率的上升，居住艙地板表面路徑的貢獻(xiàn)量明顯更多，隨著功率增大，所有路徑對(duì)居住艙內(nèi)的目標(biāo)點(diǎn)噪聲貢獻(xiàn)量都明顯增大[3]。管道2對(duì)端部目標(biāo)點(diǎn)噪聲貢獻(xiàn)量最低。不同路徑上噪聲峰值出現(xiàn)時(shí)所在的功率存在較大的的差異。對(duì)目標(biāo)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行實(shí)測(cè)，和OPTA分析中的合成結(jié)果總值對(duì)比分析，兩者非常相近，但是在合成值上出現(xiàn)許多實(shí)測(cè)未出現(xiàn)的峰值，OPTA分析結(jié)果并不是精確的。總而言之，隨著速度的增加，來(lái)自居住艙地板表面貢獻(xiàn)占主導(dǎo)地位，來(lái)自于軸箱、齒輪箱等動(dòng)力機(jī)械設(shè)備的貢獻(xiàn)量最大，電機(jī)的噪聲貢獻(xiàn)量次之。

3 結(jié)語(yǔ)

本文分析了顯示隨著速度的增加，所有的路線對(duì)噪聲貢獻(xiàn)都明顯增加，來(lái)自居住艙地板表面貢獻(xiàn)占主導(dǎo)地位，來(lái)自于軸箱、齒輪箱等動(dòng)力機(jī)械設(shè)備的貢獻(xiàn)量最大，電機(jī)的噪聲貢獻(xiàn)量次之。應(yīng)嘗試針對(duì)軸箱、齒輪箱等動(dòng)力機(jī)械設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善連接出的振動(dòng)噪聲，采用更先進(jìn)的隔音技術(shù)。居住艙地板是結(jié)構(gòu)振動(dòng)傳遞的主要途徑，可通過(guò)進(jìn)行地板改造，增加緩振材料，減少噪聲的傳遞。窗門(mén)、出風(fēng)口、拉門(mén)等結(jié)構(gòu)，明顯存在不夠緊湊情況，容易出現(xiàn)振動(dòng)，傳遞振動(dòng)噪聲，或因?yàn)椴ɡ擞绊懗霈F(xiàn)自我振動(dòng)引起噪聲[4]。管道1、管道2存在老化情況，引起振動(dòng)產(chǎn)生噪聲，有必要進(jìn)行加固，或進(jìn)行隔音改造。

參考文獻(xiàn)

[1]孫麗萍，聶武.船舶結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲分析及其進(jìn)展[J].船舶力學(xué)，2013，07（01）：116-121.

[2]王獻(xiàn)忠，姚熊亮，王強(qiáng)勇.阻振質(zhì)量對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)與聲輻射的影響分析[N].船舶與海洋工程學(xué)報(bào)，2011，10（04）：490-494.

[3]鄭律，龐福振，姚熊亮.雙層圓柱殼典型基座振動(dòng)波傳遞特性?xún)?yōu)化分析[J].中國(guó)艦船研究，2012，7（04）：63-68.

[4]張恩惠，殷金英，邢書(shū)仁. 噪聲與振動(dòng)控制[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2012：51-56.endprint