基于AutoSEA的高速船静噪声预报与控制

1 引 言

高速船是自20世纪50年代以来，在船舶航速上出现突破、概念新颖的新一代船型，它的出现在很大程度上改变了传统交通运输的结构局面，给水运业注入新的活力[1]。但是，高速化的同时却带来了严重的振动与噪声问题。对于高速客船而言,由于其高航速而要求安装大功率高转速的推进主机,从而为自身设置了一个巨大的振动和噪声源，使得高速客船往往具有较高的噪声水平，加上高速客船的服务对象层次较高，对居住环境的要求苛刻。因此,在高速船开发设计初期预报舱室噪声，进而采取减振降噪措施以满足规范要求显得至关重要。

使用传统的模态分析方法研究工程结构系统的动力学问题已有很长的历史，这种研究动力学问题的方法局限于对能够清楚辨认的有限数量的低阶模态进行分析，分析误差随着频率范围向更高扩展而增大，分析难度随着结构复杂程度而增加。研究工程结构系统振动问题的困难是高阶模态参数的不确定性。因此，使用统计模态的概念，把振动能量作为描述振动的基本参数，并根据振动波和模态间存在着的内在联系，建立分析声、结构振动和其它不同子系统耦合动力学的统计能量分析方法(Statistical Energy Analysis缩写为SEA)[2]。统计能量分析方法适用于分析含有高频、高模态密度的复杂系统(含声子系统和结构子系统，或只含结构子系统)的耦合动力学问题，例如使用统计能量分析可预示复杂系统的内外声振环境等问题。

2 统计能量分析基本原理

统计能量分析法是将能量守恒方程应用于每一个子系统，即子系统消耗的能量加上传递给其它子系统的能量，应等于输入给该子系统的能量。图1所示为两个相互耦合的线性单自由度振子系统，其能量平衡方程可以用下式表示：

(1)

(2)

式中，ω是分析带宽内的中心频率；Pi是时间平均上的输入能量；E1，ni，ηi分别是i系统的能量、模态密度和内损耗因子，ηij是振动能量从i系统传至j系统的耦合损耗因子。

图1 简单的SEA系统

对于由N个子系统组成的系统，其能量平衡方程可以写成如下矩阵形式[3]：

(3)

只要获得输入功率、模态密度、损耗因子，就能求解方程获得子系统能量E，由子系统能量E求解工程量。

对于每个结构或者声学的子系统，具有一个与其时间平均或空间平均振动速度vi或者声压p2成比例的稳态能量关系。对于质量为M的结构子系统，有

v2

(4)

对于体积为V的闭空间声场子系统，有

p2

(5)

式中,ρ为声场介质密度;c为声速。

3 AutoSEA软件简介

Autosea统计能量分析软件是Vibro-Acoustic Sciences有限公司开发的基于统计能量分析方法的噪声及振动控制设计软件,目前已应用于航空、造船、汽车以及普通消费品等各个行业。其应用范围包括噪声预估、主要声源及噪声控制、外噪声辐射分析等。

在AutoSEA的帮助下，产品设计师在产品初始设计阶段就可以方便而准确地预估和控制产品的振动和声学特性，发现潜在问题；可以模拟采取降噪措施后的效果。

4 高速船噪声预报实例仿真

4.1 船舶声振模型的建立

本论文的研究对象是武汉南华高速船舶股份有限公司140客位高速客船，依据基本结构图和横剖面图，在AutoSEA中建立船舶声振模型。图2和图3分别为船舶外部结构子系统的划分与声空间子系统的划分。

图3 船舶声空间子系统

4.2 船舶舱室噪声预报

从140客位高速船的总体布置图可以看出，作为主振源和主声源的主、辅机和螺旋桨均安装在船尾，客舱区为噪声级重点控制区。客舱的噪声级主要由以下几部分组成：

1) 主、辅机空气噪声透过空隙直接向舱中辐射；

2) 由主、辅机振动引起机舱壁、机舱上空甲板、舷侧振动，此振动沿着结构向客舱传播并引起客舱围壁的振动，围壁再向客舱辐射的噪声；

3) 由螺旋桨纵向振动作用在船体结构上引发的结构噪声。

由于在此船中，主机功率大、转速高，且靠近机舱前部与乘客舱室毗邻，辅机、螺旋桨等引起的噪声与主机相比处于次要地位，从而本文主要模拟由主机的激振力引起的船舶噪声。

在3D模型中设置输入激励，即主机对主机梁的两个点源激励，最后将它们应用于相应的输入子系统，模拟计算得到客舱1和客舱2的噪声频谱值如图4所示。

图4 客舱噪声频谱值

4.3 船舶舱室噪声控制

在AutoSEA中，能直接得出其相邻子系统对某一系统的能量贡献，利用这一功能，可以找出相邻子系统中对我们所感兴趣的客舱输入能量最多的子系统，从而找到减振降噪措施实施的主要对象。

由图5可以看出对客舱输入能量最多的两个子系统是位于两客舱上部的驾驶甲板，本论文主要对这两个子系统添加吸声结构，在AutoSEA的NCT(noise control treatments)模块中添加自定义的两层复合吸声结构[4，5]，第一层为硬橡胶，第二层为玻璃纤维，并应用于上述两个子系统。

图5 子系统对客舱的能量输入

对客舱进行隔声降噪处理后，重新对模型进行计算，再次取两个客舱的噪声值，并与处理前的结果进行比较，结果如图6所示。

图6 结果比较

5 结 论

本文应用基于统计能量原理的软件对高速船舶的客舱噪声进行了模拟计算，计算得出船舶舱室噪声的值与客舱各相邻子系统对客舱能量的贡献值，从而采取相应的措施对船舶客舱噪声进行吸声处理，最后模拟计算出采取吸声处理后的舱室噪声值。对在船舶设计初期进行船舶舱室噪声值的预报并采取相应的措施提供了一定的帮助。

[1] 文功启．高速船结构噪声传播及其阻尼被动控制的研究[D]．武汉理工大学，2002.

[2] 伍先俊，朱石坚．统计能量法及其在船舶声振预测中的应用综述[J]．交通科学与工程,，2004,28(2).

[3] 姚德源，王其政．统计能量分析原理及其应用[M]．北京：北京工业大学出版社,1995.

[4] 朱石坚，何琳．船舶减振降噪技术与工程设计[M]．北京：科学出版社，2002.

[5] 陈越澎，谭林森．船舶舱室噪声控制技术综述[J]．武汉造船，1995(6):34-40.