經(jīng)驗法和統(tǒng)計能量法預(yù)報游艇艙室噪聲的對比分析

歐禮堅+紀(jì)傳鵬+李帆+徐海汐

摘 要：經(jīng)驗法是基于“聲源-傳遞路徑-接受點”系統(tǒng)分析法結(jié)合房間聲學(xué)提出的一套經(jīng)驗型的船舶艙室噪聲快速預(yù)報方法。它將噪聲的傳遞和衰減分別按空氣噪聲和結(jié)構(gòu)噪聲兩條路徑計算；接受點的噪聲聲壓級結(jié)合房間聲學(xué)計算。經(jīng)驗法可在總布置方案基本確定階段對全船各艙室噪聲水平進行初步預(yù)報。

統(tǒng)計能量法是以統(tǒng)計物理學(xué)原理為基礎(chǔ)，將復(fù)雜結(jié)構(gòu)分解成一系列子系統(tǒng)，以每一子系統(tǒng)內(nèi)的能量作為其基本變量。預(yù)測耦合結(jié)構(gòu)元件和聲學(xué)容積的振級和噪聲，解決聲場與結(jié)構(gòu)間的耦合問題。高頻、寬帶隨機激勵的復(fù)雜結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)及其噪聲輻射問題，采用統(tǒng)計能量法更精確。

為了對比分析兩種方法的工程實用性，采用兩種方法分別計算某型快艇的主要艙室噪聲水平并與實測數(shù)據(jù)進行比較：經(jīng)驗法預(yù)報艙室噪聲非常高效，但精度差；統(tǒng)計能量法預(yù)報艙室噪聲精度較高，但需要詳細(xì)設(shè)計圖紙和資料，且建立模型時間較長。

關(guān)鍵詞：經(jīng)驗法；能量統(tǒng)計法；噪聲

中圖分類號：X593 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Comparison of Empirical Method and Statistical Energy Method for Noise Prediction of Yacht Cabins

OU Lijian1， JI Chuangpeng1， LI Fan1， XU Haixi2

（ 1.South China University of Technology， Guangzhou 510640； 2. Guangzhou Lijian Ship Engineering Co.， Ltd. Guangzhou 510640 ）

Abstract： Based on the systematic analytic method of acoustic source – transmit path – receiver point， combined with room acoustics， the empirical method is proposed as an experiential and rapid approach to predict noise of the cabins aboard. The transmission and attenuation of acoustics are computed in airborne and structureborne paths separately. The sound pressure level （SPL） of the noise in receive point is computed combined with room acoustics. The empirical method can be utilized to preliminarily predict noise levels of cabins the stage that the general arrangement is determined basically. Statistical energy method is based on the principle of statistical physics. The complex structure is decomposed into a series of subsystems， and the energy in every subsystem is served as basic variable to predict the vibration level and noise of coupling structural components and acoustic volumes， and solve the coupling problem of acoustics field and the structure. For high-frequency and broadband random excitation， the complex dynamic response of the structure and its noise radiation， statistical energy method is more accurate. To compare the engineering practicability of the two methods， the noise level of a certain type of yachts main cabin is computed by empirical method and statistic energy method separately， and they are compared with the measured data. For predicting cabin noise， empirical method is very efficient but bad in precision， while statistical energy method is quite accurate but requires detailed design drawings and data and much time for modeling.

Key words： Empirical method； Statistical energy method； Noise

1 前言

國際海事組織（IMO）海上安全委員會（MSC）第90次會議批準(zhǔn)了《船上噪聲等級規(guī)則》修訂草案，對1 600 GT適用的船型、船舶不同區(qū)域的噪聲限值、艙壁和甲板隔聲指數(shù)、噪聲的測量儀器和測量方法等進行了修訂，對船舶的降噪性能提出了更高要求。endprint

豪華游艇是一種高級奢侈品，為了達(dá)到享受和娛樂的目的，對艇內(nèi)裝修和設(shè)備的要求很高。同時，游艇也具有較高的時尚性和舒適性，對游艇的降噪性能提出了更高要求。據(jù)統(tǒng)計，在已建造好的游艇上安裝聲學(xué)器材的代價，約為在設(shè)計中預(yù)先采取措施所需費用的3倍左右。因此，在設(shè)計階段對艙室噪聲進行預(yù)報并提出聲學(xué)設(shè)計的改進措施，對縮短生產(chǎn)周期、降低成本、提高游艇安全性、舒適性有著非常重要的作用。

我國針對船舶聲學(xué)的研究、設(shè)計、制造和檢驗等技術(shù)儲備不足，船舶艙室噪聲的預(yù)報方法已成為我國現(xiàn)階段的研究熱點之一。船舶與海洋工程噪聲預(yù)報較常用的方法主要有統(tǒng)計能量法和經(jīng)驗法兩種。統(tǒng)計能量分析法是20世紀(jì)60 年代初期為模擬大型結(jié)構(gòu)物的振動噪聲而提出的用于研究結(jié)構(gòu)高頻動態(tài)特性的一種計算方法，在航空、艦船、汽車、高速列車等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。統(tǒng)計能量分析法是對相互連接的共振結(jié)構(gòu)之間消耗的振動能量進行系統(tǒng)評估，其基本假設(shè)是兩個子系統(tǒng)之間的聲能量與其能級差值成正比，互連系統(tǒng)應(yīng)是共振的，而且每個系統(tǒng)的振型密度足夠高。在低頻段因系統(tǒng)模態(tài)密度低于其基本要求誤差較大，而高頻段所得的結(jié)果精度較高。

經(jīng)驗法是在“聲源-傳遞路徑-接受點”的系統(tǒng)分析法的基礎(chǔ)上，結(jié)合房間聲學(xué)提出的一套半經(jīng)驗型的船舶艙室噪聲的實用預(yù)報方法。經(jīng)驗法可用于總布置方案設(shè)計階段對全船各艙室噪聲分布的水平作出初步預(yù)報，可不依賴于具體結(jié)構(gòu)和舾裝細(xì)節(jié)。

為了對比分析兩種方法的工程實用性，本文采用經(jīng)驗法和統(tǒng)計能量法分別計算某型快艇的主要艙室噪聲水平并與實測數(shù)據(jù)進行比較。

2 噪聲預(yù)報方法及原理

2.1 統(tǒng)計能量分析法

統(tǒng)計能量分析法運用統(tǒng)計的觀點，從能量角度分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)在外載荷作用下的響應(yīng)，預(yù)測耦合結(jié)構(gòu)元件和聲學(xué)容積的振級和噪聲，解決聲場與結(jié)構(gòu)間的耦合問題。統(tǒng)計能量分析法更適用于解決高頻、寬帶隨機激勵的復(fù)雜結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)及其噪聲輻射問題。統(tǒng)計能量分析法以統(tǒng)計物理學(xué)原理為基礎(chǔ)，將復(fù)雜結(jié)構(gòu)分解成一系列子系統(tǒng)，以每一子系統(tǒng)內(nèi)的能量作為其基本變量。

統(tǒng)計能量分析法的基本關(guān)系方程是在一些假設(shè)（弱耦合、保守耦合、激勵源不相關(guān)等）限制條件下建立的。在各子系統(tǒng)的激勵相互獨立且保守弱耦合情況下穩(wěn)態(tài)響應(yīng)時的功率流平衡方程為：

（1）

其中，

（2）

式中：ni，ηj為子系統(tǒng)i的模態(tài)密度和內(nèi)部損耗因子；ηij為振動能量從子系統(tǒng)i傳遞至子系統(tǒng)j的耦合損耗因子；ω為倍頻程的中心頻率；pi為外界對子系統(tǒng)i的輸入功率；Ei為子系統(tǒng)i的能量。

2.2 經(jīng)驗法

經(jīng)驗法是在“聲源-傳遞路徑-接受點”的系統(tǒng)分析法的基礎(chǔ)上結(jié)合房間聲學(xué)提出的一套半經(jīng)驗型的船舶艙室噪聲的實用預(yù)報方法，其計算流程如圖1所示。噪聲預(yù)報計算主要分為到噪聲源計算、傳遞損失計算和接收點聲壓級計算。

由于船舶上的噪聲傳遞路徑多種多樣，為避免計算過于復(fù)雜采用3點假設(shè)：

（1）由于空氣噪聲在傳播過程中穿過圍壁時的透過損失很大，因此非相鄰艙室的空氣噪聲源的傳遞可忽略不計；

（2）相鄰2個艙室，以遠(yuǎn)的結(jié)構(gòu)噪聲源的傳遞可忽略不計；

（3）當(dāng)幾個噪聲源具有相同的傳遞路徑時，它們的源強度級可以能量相加。

2.2.1 噪聲源

聲源的噪聲級頻譜或總聲級最好采用實測數(shù)據(jù)，在實測數(shù)據(jù)缺乏的情況下，可以采用文獻(xiàn)[1]中的方法進行估算。聲源輻射聲功率級和振動加速度級分別用Lw 和La 表示。對于主機艙來說，機電設(shè)備輻射的聲功率是主要的噪聲來源，因此主機艙又稱為聲源艙。其他艙室的噪聲來源是由主機艙的噪聲經(jīng)過空氣傳遞和振動傳遞得到的。

（1）柴油機的輻射聲功率級Lw：

（3）

式中：Pe是柴油機的額定功率，kW；Cw是倍頻程修正值，dB。

柴油機的振動加速度級La：

（4）

式中：m是柴油機的質(zhì)量，kg；Pe是柴油機的額定功率，kW；n是工作轉(zhuǎn)速，r/min；ne是額定轉(zhuǎn)速，r/min；Ca是倍頻修正值，dB。

2.2.2 傳遞路徑

在傳遞過程中，無論是通過空氣傳遞還是結(jié)構(gòu)振動傳遞，都會有一定的傳遞損失TL，其大致可分為三類：圍護結(jié)構(gòu)隔聲引起的空氣聲傳遞損失；設(shè)備基座與減振器引起的結(jié)構(gòu)聲傳遞損失；沿甲板或船殼傳遞引起的傳遞損失。

從噪聲源到接受點通常有多條路徑，當(dāng)某條路徑上的傳遞損失明顯大于其他路徑時，該路徑可以忽略不計。

（1）圍護結(jié)構(gòu)隔聲引起的空氣聲傳遞損失：

（5）

式中：ρs是隔板面密度，kg/m2 ；f是1/1倍頻帶中心頻率，Hz。

（2）設(shè)備基座與減振器引起的結(jié)構(gòu)聲傳遞損失：

（6）

式中：ω- =ω/ωn是激勵振動頻率與系統(tǒng)固有頻率的比。

（3）沿甲板或船殼傳遞引起的傳遞損失：

（7）

式中：η是等效損耗因子；λ是沿甲板傳遞的結(jié)構(gòu)波波長。

（4）艙壁結(jié)構(gòu)聲-空氣聲的傳遞轉(zhuǎn)換函數(shù)TF：

（8）

式中：S是艙壁總表面積，m2；σrad是艙壁的輻射效率；f是1/1倍頻帶中心頻率。

2.2.3 接受點

接受點聲壓級按照源空間和接受空間兩種類型進行計算：源空間是指存在室內(nèi)噪聲源的艙室，接受空間是指主要由室外傳入噪聲的艙室。在實船上某些艙室可能既是源空間又是接受空間，這類艙室按兩類空間計算出的聲壓級疊加而得。

噪聲源強度減去各種傳遞損失即為接收點的空氣噪聲聲功率級和結(jié)構(gòu)噪聲的振動加速度級，結(jié)構(gòu)噪聲轉(zhuǎn)化為聲功率級，再結(jié)合房間常數(shù)即可計算出接受點艙室的噪聲聲壓級。endprint

引起接受點艙室噪聲的主要因素有：室內(nèi)噪聲源引起的空氣聲輻射；室外或臨近艙室噪聲通過圍護結(jié)構(gòu)傳入艙室的空氣聲；圍護結(jié)構(gòu)振動所引起的聲輻射。

源空間的圍護結(jié)構(gòu)的二次聲輻射聲功率遠(yuǎn)小于艙室內(nèi)部噪聲源所輻射的空氣噪聲聲功率，因此在計算源空間噪聲級時將其忽略不計。

（1）房間常數(shù)Rs：

（9）

式中：S為房間總表面積，m2；α是吸聲系數(shù)。

房間常數(shù)RS是用來表征房間聲場的性質(zhì)，它是由材料的吸聲系數(shù)α來定義的。吸聲系數(shù)α指聲波落到該表面上時由表面吸收的聲能和入射到表面總聲能之比。

（2）混響場聲壓級LRP：

（10）

式中：Lw為室內(nèi)噪聲源總聲功率級，dB；R是房間常數(shù)， m2。

混響場是指聲源發(fā)出的聲波經(jīng)過多次反射而無吸收。此時房間某一點的聲音是由聲源直接發(fā)射過來加上各個不同方向發(fā)射回來的各種分量的聲波的反復(fù)交混組合。一般是吸聲能力比較差的房間，如主機艙。

（3）直達(dá)場聲壓級 ：

（11）

式中：Lw為為室內(nèi)噪聲源總聲功率級，dB；r為噪聲源到接收點的聲學(xué)中心距離，m；Q為噪聲源指向系數(shù)

直達(dá)場是指聲音直接從聲源處發(fā)出的未經(jīng)反射的聲場。一般存在于吸聲能力比較好的房間。

當(dāng)室內(nèi)存在多個噪聲源時，接收點的噪聲級為多個噪聲源的聲壓級的和：

（1）總聲壓級LP：

（12）

（2）透射進相鄰艙室的空氣噪聲級LA（2）：

（13）

（14）

式中： 是源艙室的噪聲級，dB； Lw是聲源的聲功率級，dB；Q是聲源的指向性系數(shù)；r是艙室中心距聲源的距離，m；α是源艙室的吸聲系數(shù)；S是源艙室的總表面積，m2；R是艙壁的隔聲量，dB；F是艙壁的面積，m2；A是房間內(nèi)的總吸聲量，dB；ΔR是考慮艙壁上有聲學(xué)覆蓋層時的修正。

3 計算實例

以圖2所示的鋁合金高速游艇為例，計算機艙、KTV室和居住艙的噪聲級。游艇總長 26.03 m、水線長 22.30 m、型寬 5.83 m、型深 2.90 m、設(shè)計吃水 1.00 m；設(shè)有機艙、 KTV室、居住艙和主甲板室等。采用雙槳雙機型，主機6缸4沖程，額定功率1 200 HP、額定轉(zhuǎn)速n=2 300 r/min、減速比1.971：1、采用雙層隔振。

游艇是一個漂浮于水上的大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)，不但受到艇體周圍水流的不規(guī)則隨機激勵作用，還受到艙內(nèi)各種機器設(shè)備發(fā)出的激勵作用，主要包括主機、輔機發(fā)電機、空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)、螺旋槳等。

3.1 經(jīng)驗法預(yù)報

3.1.1 噪聲源強度計算

由于主機艙內(nèi)機電設(shè)備直接發(fā)聲向外輻射，與此對比，由機電設(shè)備引起的船體振動導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)聲和聲波二次輻射的聲波是很小的，可以忽略。齒輪箱和發(fā)電機屬于次要聲源，亦可以忽略，故計算中主要考慮主機的作用。

噪聲源估算就是利用實測數(shù)據(jù)、經(jīng)驗公式或借助理論分析來確定各類噪聲源的源強度，包括：室內(nèi)機電設(shè)備輻射的聲功率級LW；室外或相鄰艙室噪聲在接受點艙室圍護結(jié)構(gòu)外表面引起的聲壓級Lp；引起接受點艙室圍護結(jié)構(gòu)振動的各類機電設(shè)備的結(jié)構(gòu)振動加速度級La。

根據(jù)文獻(xiàn)[1][6]柴油機噪聲總聲功率計算方法及文獻(xiàn)[7]高速柴油機噪聲頻譜特性，估算得出主機艙頻帶噪聲源強度如表1所示。

3.1.2 主機艙聲壓級計算

主機艙可近似看作是一個寬5.7 m、長5 m、高2.2 m的長方體加上一個高0.7 m、底邊長5.7 m的等腰三角形的組合體。主機艙內(nèi)存在多種設(shè)備，設(shè)備表面也會對聲波進行反射，所以計算中根據(jù)[1]取折合吸聲系數(shù)。

由于參與計算的噪聲源都在機艙，因此機艙作為源空間計算。由前所述，機艙只計算主要機械設(shè)備輻射空氣噪聲的噪聲級，同時不需考慮空氣噪聲的傳遞損失。機艙噪聲計算結(jié)果如表2。

3.1.3 KTV室聲壓級計算

KTV室近似為長4.5 m、寬5.7 m、高2.2 m的長方體，屬于相鄰艙，其主要聲源是來自于主機艙聲音通過空氣傳遞和結(jié)構(gòu)振動傳遞。空氣傳遞過程中需要經(jīng)過艙壁，這是空氣傳遞主要的傳遞損失，聲音在空氣中的損失則忽略不計；振動傳遞過程中會有能量損耗，主要是引起結(jié)構(gòu)振動導(dǎo)致的。

相鄰艙的聲壓級計算分為兩個部分，一部分是空氣聲的計算；另一部分是結(jié)構(gòu)聲的計算。然后再進行聲學(xué)疊加，得到總的聲壓級。計算結(jié)果如表3所示。

、

3.1.4居住艙聲壓級計算

居住艙屬于相隔艙，與相鄰艙類似，相隔艙的聲源也是來自于空氣傳遞和結(jié)構(gòu)振動兩方面，所以計算方法和步驟與相鄰艙相似，先計算相鄰艙艙壁附近的噪聲級，再計算透射進相隔艙的空氣噪聲級。不過相鄰艙相較于主機艙而言，幾乎沒有非邊界面積，所以相鄰艙只是一個直達(dá)場。具體計算結(jié)果見表4。

3. 2 統(tǒng)計能量法計算

運用全頻振動噪聲仿真分析軟件VAOne進行建模計算分析。首先，采用 ANSYS 建立幾何模型，將幾何模型劃分為有限元網(wǎng)格；在 VAOne 里導(dǎo)入網(wǎng)格，生成 SEA 模型，定義各種材料的屬性及各種加筋板，將它們賦予給對應(yīng)的子系統(tǒng)；最后，定義各類設(shè)備的空氣噪聲和結(jié)構(gòu)噪聲，輸入或約束到對應(yīng)子系統(tǒng)。

3.2.1 建模設(shè)置的參數(shù)

全船的SEA模型共包含82個板子系統(tǒng)、6個聲腔子系統(tǒng)。在耦合子系統(tǒng)后，建立兩個半無限流體子系統(tǒng)，其中一個流體為空氣，另一個流體為海水。將海水的半無限流子系統(tǒng)和船體水下部分的板連接，將空氣的半無限流子系統(tǒng)和船體與空氣接觸的外板連接，這樣就模擬了船在海水和空氣中運動時噪聲通過這些流體的輻射。SEA聲學(xué)模型見圖3。endprint

建立好SEA模型后，進行噪聲預(yù)報時需要設(shè)置一些參數(shù)，如內(nèi)損耗因子、耦合損耗因子和噪聲源激勵等。內(nèi)損耗因子是指單位頻率單位時間內(nèi)損耗的能力與平均存儲的能力的比值，主要包括三部分：因摩擦形成的內(nèi)損耗因子；因振動向環(huán)境進行聲輻射的阻尼形成的內(nèi)損耗因子；因邊界連接阻尼形成的內(nèi)損耗因子。這三部分是互相獨立的，可以線性疊加得到總內(nèi)損耗因子。耦合損耗因子是指兩個系統(tǒng)振動時能量流的關(guān)系，表征被直接激勵的子系統(tǒng)的能量傳到被間接激勵的子系統(tǒng)的量。它代表了兩個系統(tǒng)耦合程度的強弱，只有在振動能量傳遞時才會體現(xiàn)出來，其參數(shù)根據(jù)[1]中的經(jīng)驗公式進行估算。

3.2.2 噪聲預(yù)報結(jié)果

建立模型確定參數(shù)后，進行運算可得到聲腔子系統(tǒng)的噪聲級。分別對空氣噪聲、結(jié)構(gòu)噪聲、空氣噪聲及結(jié)構(gòu)噪聲共同作用3種狀態(tài)進行計算，計算結(jié)果如表5所示。

4 分析與結(jié)論

4.1 對比分析

（1）對比數(shù)據(jù)可以看出，采用經(jīng)驗法預(yù)報艙室噪聲時，源艙的預(yù)報結(jié)果誤差最大，相隔艙的預(yù)報結(jié)果誤差最小；

（2）采用統(tǒng)計能量法預(yù)報艙室噪聲結(jié)果，其誤差比采用經(jīng)驗法小，且與實測值吻合較好。見表6；故統(tǒng)計能量法預(yù)報結(jié)果的精度較高。

4. 2 結(jié)論

采用經(jīng)驗法預(yù)報船舶艙室噪聲計算過程十分簡便快捷，在總布置方案基本確定階段即可預(yù)報全船各艙室的噪聲水平，而不必依賴邊界條件、詳細(xì)的結(jié)構(gòu)和舾裝圖紙。但從經(jīng)驗法計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn)，在沒有同類型船或近似船型的噪聲數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上采用經(jīng)驗法預(yù)報，其結(jié)果工程實用性較差。

統(tǒng)計能量法預(yù)報值與實測值誤差不大于3 dB，達(dá)到了工程精度要求。因此，基于統(tǒng)計能量法的船舶艙室噪聲預(yù)報是可行的。

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