小型船舶低頻輻射噪聲分析方法研究

邵 亮

(鎮(zhèn)江市交通運輸綜合行政執(zhí)法支隊，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 引言

船舶艙室噪聲特別是低頻輻射噪聲不僅會導(dǎo)致船體結(jié)構(gòu)和材料的損壞與疲勞，危害船員及船上乘客的身體健康，還會嚴(yán)重影響船舶的安全性、實用性和可靠性。因此，在船舶設(shè)計時需要對船舶艙室噪聲進行有效的聲學(xué)分析方法和控制技術(shù)研究。

盛美萍[1]利用統(tǒng)計能量分析法研究了兩型水下航行器殼體的振動和聲輻射響應(yīng)，并對兩型水下航行器結(jié)構(gòu)減振降噪進行了評估和分析。彭臨慧等[2]用統(tǒng)計能量法對湍流邊界層脈動壓力激勵下水下結(jié)構(gòu)物自噪聲進行了分析，得到相應(yīng)的自噪聲工程估算關(guān)系，為自噪聲的治理提供了理論依據(jù)。張娟娟等[3]基于高頻分析軟件AutoSEA2針對船舶典型動力源進行了輻射噪聲的分析。

本文以某小型船為研究對象，應(yīng)用有限元法和邊界元法并結(jié)合試驗對其輻射噪聲進行低頻預(yù)報，利用低頻噪聲計算軟件進行船舶全三維整體模型振動聲學(xué)計算，通過對該小型船的試驗測試得出了有效的噪聲控制方法。

1 實驗建模

1.1 有限元建模

本文利用MSC.PATRAN軟件構(gòu)建某小型船的有限元模型(包括內(nèi)部結(jié)構(gòu))。該小型船模型長約4 402 mm，型寬652 mm，型深323 mm。船體外板材料為鋼質(zhì)，厚度為2.32 mm。船體內(nèi)部布置加強筋以增加模型外板的強度，內(nèi)部加強筋的厚度為2.22 mm。材料參數(shù)為：彈性模量2.060×1011Pa，泊松比0.26，密度7 800 kg/m3。全船共設(shè)置7個艙室，整個結(jié)構(gòu)共有1 762個有限元單元，1 279個節(jié)點。構(gòu)建劃分后的有限元模型見圖1和圖2。

圖1 有限元模型

圖2 船體環(huán)肋、縱向肋板的有限元模型

1.2 船舶振動模態(tài)分析

在船舶設(shè)計時，對整個船舶模型的模態(tài)進行分析，并計算整個船舶模型的固有頻率，這不僅有利于保證機械設(shè)備的安全性、共振性、可靠性及居住舒適性等，同時還是解決其動力特性問題及其噪聲預(yù)報分析的基礎(chǔ)。在忽略阻尼影響的情況下，引入超單元進行模態(tài)計算，并將超單元合理劃分，得到船體總振動在前18階的典型模態(tài)特性頻率及振型，見圖3。由圖3可見，振動模態(tài)主要體現(xiàn)為水平面(X-Y)和垂直面(X-Z)的彎曲振動情況和扭轉(zhuǎn)變形。

圖3 前18階有限元計算典型模態(tài)振型圖

聲學(xué)振動結(jié)構(gòu)表面振動快慢的分布和量級在特定的激勵力條件下，主要取決于結(jié)構(gòu)本身的振動屬性，其輻射噪聲的結(jié)構(gòu)分布規(guī)律及量級與物質(zhì)結(jié)構(gòu)表面的振動速度有著非常密切的關(guān)系，利用對其特有模態(tài)的計算來分析結(jié)構(gòu)的特有屬性，再加一振動效果并對聲信號進行分析，從而能夠找出優(yōu)勢模態(tài)，精準(zhǔn)定位并能及時調(diào)整內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式，最終達(dá)到降噪減振的目的。

1.3 聲學(xué)計算模型建立

聲學(xué)計算模型建立時，首先利用有限元軟件提取三維船舶整船有限元模型的邊界元網(wǎng)格，通過數(shù)據(jù)接口傳遞到邊界元軟件中；其次使用聲學(xué)軟件SYSNOISE進行建模分析。本文利用有限元軟件MSC.PATRAN及噪聲分析軟件SYSNOISE采用直接邊界元法BEM DIRECT進行聲學(xué)計算。

在建立船舶的聲學(xué)邊界元模型時需要把前面建立的有限元模型作為聲學(xué)邊界元模型網(wǎng)格,在聲學(xué)計算中作為聲學(xué)邊界元模型的輸入激勵條件,因此要將有限元模型中的所有梁單元和質(zhì)量點單元全部刪除,但所有節(jié)點不作處理以保持邊界元模型與有限元模型節(jié)點的一致性,從而確保數(shù)據(jù)輸入的準(zhǔn)確性[4]。但由于聲學(xué)邊界元軟件的分析模塊不支持質(zhì)量點單元和三維梁單元，也不支持不同屬性的材料板單元,因此必須對上述有限元模型進行適當(dāng)處理后才可轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的邊界元模型。在SYSNOISE軟件讀入該文件并加入流體材料數(shù)據(jù),取節(jié)點振動時的加速度作為聲學(xué)輸入條件，就可得到該船三維聲學(xué)邊界元網(wǎng)格模型(見圖4)。

圖4 邊界元模型

建立聲學(xué)邊界元模型后,利用SYSNOISE聲學(xué)軟件分析了該船的近場聲學(xué)性能。為了能更好地顯示出不同艙室對于同一噪聲源噪聲計算結(jié)果的差異，計算所選場點網(wǎng)格平面應(yīng)位于船體中心的水平截面上，見圖5、圖6。

圖5 場點平面位置

圖6 場點網(wǎng)格平面位置

噪聲源的位置選取在艙室3中心處(見圖7)，其大小和坐標(biāo)位置見表1。噪聲源放置在模擬機艙位置采用Omnipower 4296設(shè)備作為空氣聲源。

1～7—艙室編號。

表1 噪聲源的大小及坐標(biāo)位置

2 船舶輻射噪聲低頻預(yù)報及試驗驗證

計算時定義該船的阻抗邊界條件：實部大小為5 000，虛部大小為0。流體的材料屬性為聲波在空氣中傳播的速度和空氣的密度：傳播波速340 m/s，空氣密度1.204 kg/m3，比熱容比1.40，其粘度為1.480×10-5m2/s。定義邊界元自由邊跳動量為0的聲壓邊界條件，聲學(xué)頻響分析中采用1/3倍頻程頻率，選取低頻典型計算頻率范圍為20～400 Hz。

試驗設(shè)備采用PULSE 聲學(xué)測量系統(tǒng)，包括Input/Output Module Type 3032A 型數(shù)據(jù)采集前端、Charge Amplifier Type 2635 型電荷放大器、筆記本、Omnipower 4296空氣聲源和Microphone Type 4190傳感器。試驗時，在艙室3內(nèi)加一噪聲源，噪聲大小控制在130 dB，并在每個艙室收集測試數(shù)據(jù)。聲輻射聲場分布見圖8。圖9～圖12給出了部分頻率下不同艙室實驗值與預(yù)報值的對比曲線。

圖8 100、350 Hz時各場點的聲壓分布

圖9 艙室1預(yù)報值與實測值對比曲線

圖10 艙室2預(yù)報值與實測值對比曲線

圖11 艙室5預(yù)報值與實測值對比曲線

圖12 艙室7預(yù)報值與實測值對比曲線

由以上4幅圖可知，預(yù)報值與實驗值均隨著頻率的增加而減小，預(yù)測值曲線比較平緩而實測值曲線波動幅度較大。與實測數(shù)據(jù)相比較,計算預(yù)報值與實測值的數(shù)據(jù)是基本接近的，當(dāng)然也存有一定的誤差, 相對比較誤差值約為8 dB。分析誤差的產(chǎn)生原因：可能來源于利用軟件構(gòu)建船舶模型及振動計算誤差和簡化模型結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的誤差等。

3 結(jié)論

本文運用有限元和邊界元與試驗相結(jié)合的方法對某船建模并對其輻射噪聲進行低頻預(yù)報，利用低頻噪聲計算軟件SYSNOISE進行船舶全三維整體模型振動聲學(xué)計算，實現(xiàn)了有限元軟件與邊界元軟件連接分析。將某小型船的試驗測試結(jié)果與計算數(shù)值進行比較，結(jié)論如下：

(1)數(shù)值計算結(jié)果在總聲壓級上與實測結(jié)果僅相差1～8 dB，這進一步說明本文的船舶噪聲的低頻預(yù)報方法切實可行。

(2)由每個艙室不同頻率下的聲場分布圖可知，聲場聲壓值大小是以聲源為中心，向四周逐漸衰減規(guī)律分布。

(3)船舶結(jié)構(gòu)的聲輻射特性與其振動方式、模態(tài)頻率大小和振型都有很大關(guān)系，因此，降噪需要充分考慮船體結(jié)構(gòu)和板材規(guī)格的固有特性。