基于VA One船舶艙室動力設(shè)備空氣噪聲控制分析

胡凡，車馳東，李正陽

（上海交通大學(xué) 動力裝置及自動化研究所，上海 200240）

隨著現(xiàn)代化船舶對安全性及舒適性要求的不斷提高，船舶艙室噪聲的預(yù)報及控制在船舶設(shè)計階段受到越來越多的關(guān)注。根據(jù)國際海事組織（IMO）最新的《船上噪聲等級規(guī)則》，對于10 000總噸級以上的船舶，其噪聲上限值均在原來的基礎(chǔ)上降低了5 dB，增加了噪聲控制的難度[1]。因此，船舶早期聲學(xué)設(shè)計的重要性日益突出，若能在船舶總體設(shè)計階段及早發(fā)現(xiàn)噪聲超標(biāo)隱患，則可極大降低后續(xù)設(shè)計階段的噪聲控制成本。

船舶噪聲的傳播主要有兩種途徑：1）結(jié)構(gòu)聲傳播，即動力設(shè)備工作時產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)噪聲，然后通過剛性連接由船舶結(jié)構(gòu)向其他艙室傳播；2）空氣聲傳播，即動力設(shè)備工作時產(chǎn)生空氣噪聲，然后通過空氣或者其他介質(zhì)透過艙壁傳播至其他艙室[2-3]。由于聲音也是機(jī)械振動能量的一種形式，當(dāng)能量從聲源產(chǎn)生，進(jìn)而經(jīng)過若干條傳播途徑到達(dá)接收者，此過程也是噪聲源能量從產(chǎn)生到耗散的一個過程[4]。按照聲源-路徑-接受者這個過程分析，控制噪聲也就有三種途徑：聲源噪聲的控制、傳播途徑的控制、接受者噪聲防護(hù)設(shè)備的使用。

目前在船舶艙室噪聲控制方面，對于阻尼與吸聲材料在復(fù)合結(jié)構(gòu)板中對隔聲性能的影響研究較少，因此文中研究的重點在于阻尼復(fù)合板的隔聲性能[5]。主要從噪聲傳播途徑的控制展開，利用VA One軟件建立艙室統(tǒng)計能量分析（SEA）模型，對艙室壁板隔聲性能進(jìn)行研究，分析不同約束條件及敷設(shè)方式對于艙壁隔聲量的影響，為艙室動力設(shè)備空氣噪聲控制措施提供參考。

1 兩個子系統(tǒng)SEA模型

統(tǒng)計能量分析中的子系統(tǒng)必須是可貯存振動能量的子系統(tǒng)，由這些子系統(tǒng)組成的統(tǒng)計能量分析模型可以表示出該模型能量的輸入、儲存、耗損和傳輸?shù)奶卣鱗6]。

1）單個子系統(tǒng)。對單個子系統(tǒng)的損耗功率Pd有如下基本關(guān)系：

式中：ωn為振子固有頻率；E為能量；η為內(nèi)損耗因子。

2）兩個子系統(tǒng)。圖 1為由兩個子系統(tǒng)耦合而成的系統(tǒng)，其中一個子系統(tǒng)由外載荷直接激勵，另一個子系統(tǒng)則僅是通過耦合來驅(qū)動的。

兩個子系統(tǒng)間能量平衡方程為：

式中：P為系統(tǒng)輸入能量；ηij為耦合損耗因子；n為模態(tài)密度；E為能量；ω為分析頻段的中心頻率；ηi為阻尼損耗因子。

通過計算將阻尼損耗因子代入統(tǒng)計能量分析平衡方程，求解方程得到各子系統(tǒng)的能量，再利用聲腔子系統(tǒng)質(zhì)點振動速度、聲壓和能量之間的關(guān)系式（3）求出某聲腔子系統(tǒng)的聲壓[7-9]。

式中：m為板質(zhì)量；V為聲腔體積；ρ為空氣密度；c為聲速。

2 艙室間空氣聲傳遞損失計算

空氣聲隔聲是噪聲控制中最常用的技術(shù)之一，包圍船舶艙室間的艙壁結(jié)構(gòu)，本身就具有一定的隔聲性能。其隔聲效果在一定程度上決定了艙室內(nèi)的噪聲等級，是計算艙室噪聲水平的重要參數(shù)。

圖2為兩相鄰艙室間空氣聲傳遞示意圖。在計算與聲源相鄰艙室的空氣噪聲時，受聲室的聲壓級可表示為：

式中：Lp,S為聲源室聲壓級，dB；δTL為艙室間的傳遞損失，dB；S為聲源室與接受室之間的隔板面積，m2；AE為受聲室的總吸聲面積，m2。

船舶艙室中空氣聲的傳播受到艙室邊界和其他物體的反射，同時還受到其他聲波的干擾，室內(nèi)聲波不再遵循自由聲場中的傳播規(guī)律。為了便于計算，通常假設(shè)船舶艙室噪聲聲源為平均聲能處相等的擴(kuò)散聲場，則式（4）中 δTL為隔板隔聲量，它是入射到隔聲結(jié)構(gòu)與投射過隔聲結(jié)構(gòu)的聲功率差，是工程中最常使用的評價結(jié)構(gòu)隔聲性能的指標(biāo)[10]，其計算公式為：

式中：Wi為聲源室入射聲功率，W；Wt為透射聲功率，W；τ為透射系數(shù)。

3 典型艙室隔聲性能分析

3.1 數(shù)值分析模型

在船舶進(jìn)行減振降噪處理時，大量使用粘彈性阻尼材料，根據(jù)其阻尼結(jié)構(gòu)形式的不同可以分為兩種基本形式：一種是阻尼材料或者阻尼層直接添加在基材的表面，稱為自由阻尼；另一種是在自由阻尼層的基礎(chǔ)上又添加一層彈性模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于阻尼層的約束層，稱為約束阻尼。自由阻尼結(jié)構(gòu)其原理主要是阻尼材料隨著基材振動而發(fā)生拉伸變形，從而起到減振的作用；約束阻尼結(jié)構(gòu)其原理是隨著自由阻尼的拉伸變形，依靠約束層和自由阻尼的相對位置使阻尼層產(chǎn)生剪切變形，從而起到減振的作用[11-12]。兩種結(jié)構(gòu)如圖3所示。

針對自由阻尼和約束阻尼結(jié)構(gòu)的隔聲效果，在艙壁厚度一定的條件下，建立兩個艙室的 SEA模型。定義板結(jié)構(gòu)的尺寸為3 m×3 m，兩側(cè)聲空間尺寸均為5 m×5 m×4 m，如圖4所示。其中左邊是聲源室，右邊是受聲室，中間為一塊使用粘彈性阻尼材料的粘接復(fù)合板。復(fù)合板金屬層材料選用的是鋼板，阻尼層選用的材料為橡膠板，兩種材料的屬性見表1。

表1 復(fù)合板材料屬性

3.2 隔聲量分析

在不考慮溫度和頻率等對阻尼性能的影響下，選取31.5~8000 Hz之間的9個倍頻程作為主要的分析頻帶。設(shè)定自由阻尼結(jié)構(gòu)參數(shù)為：100 mm鋼板+50 mm阻尼層；約束阻尼結(jié)構(gòu)參數(shù)為：50 mm鋼板+50 mm阻尼層+50 mm鋼板。圖5和表2為兩種不同阻尼結(jié)構(gòu)對應(yīng)的隔聲量。

表2 兩種結(jié)構(gòu)隔聲量

分析結(jié)果顯示，約束阻尼結(jié)構(gòu)隔聲量A計權(quán)聲壓級比自由阻尼結(jié)構(gòu)高出約 1.1 dB，說明對于 0.15 m厚壁板而言，約束阻尼結(jié)構(gòu)其隔聲性能要好于自由阻尼結(jié)構(gòu)。為了探究此結(jié)果對于不同厚度壁板的適用性，選擇不同厚度壁板作進(jìn)一步分析。圖6和表3、表4分別為0.09 m厚與0.25 m厚壁板兩種結(jié)構(gòu)的隔聲量數(shù)據(jù)，對應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：40 mm鋼板+50 mm阻尼層，20 mm鋼板+50 mm阻尼層+20 mm鋼板；200 mm鋼板+50 mm阻尼層，100 mm鋼板+50 mm阻尼層+100 mm鋼板。

表3 0.09 m壁板兩種結(jié)構(gòu)隔聲量

表4 0.25 m壁板兩種結(jié)構(gòu)隔聲量

從上述結(jié)果可知，兩種結(jié)構(gòu)的隔聲性能是隨著壁板厚度的變化而變化。對于0.09 m壁板，自由阻尼結(jié)構(gòu)隔聲量A計權(quán)聲壓級比約束阻尼高出約1.6 dB；對于0.25 m壁板，約束阻尼結(jié)構(gòu)隔聲效果則更好。根據(jù)以上分析，對于高頻噪聲，約束阻尼結(jié)構(gòu)隔聲效果總是優(yōu)于自由阻尼結(jié)構(gòu)。當(dāng)壁板厚度較低時，自由阻尼結(jié)構(gòu) A計權(quán)隔聲效果更好。隨著厚度的增加，約束阻尼結(jié)構(gòu)優(yōu)勢更加明顯。

如圖7所示，將自由阻尼結(jié)構(gòu)金屬層和阻尼層之間的相對位置進(jìn)行調(diào)整，分析其隔聲性能的變化，圖8為分析結(jié)果。根據(jù)圖7顯示，自由阻尼結(jié)構(gòu)改變金屬層和阻尼層的相對位置，對其隔聲性能沒有任何影響。

在保證阻尼層厚度和壁板總厚度不變的條件下，對約束阻尼結(jié)構(gòu)兩側(cè)金屬層厚度作進(jìn)一步分析，厚度差對隔聲量的影響見表5。從表5可以看出，采用兩側(cè)金屬層厚度方式敷設(shè)時，約束阻尼結(jié)構(gòu)的隔聲性能是最好的。隨著厚度差的增大，其隔聲效果也逐漸降低。

4 結(jié)論

文中建立了兩相鄰艙室的 SEA模型，討論了約束阻尼結(jié)構(gòu)和自由阻尼結(jié)構(gòu)對壁板隔聲性能的影響。通過VA One軟件計算結(jié)果比較可見，在阻尼層厚度和壁板總厚度一定時：1）對于高頻噪聲，約束阻尼結(jié)構(gòu)隔聲效果總是優(yōu)于自由阻尼結(jié)構(gòu)；2）對自由阻尼結(jié)構(gòu)，金屬層與阻尼層之間的相對位置對實際的隔聲性能并沒有影響；3）對于約束阻尼結(jié)構(gòu)，兩側(cè)金屬層等厚敷設(shè)時，其隔聲效果最優(yōu)，且兩側(cè)厚度差越大隔聲量越小。

表5 厚度差對隔聲量的影響