舰船舱室噪声综合预报及声学优化设计

,,大海,

(中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

船上噪声不仅会导致某些结构声振疲劳破坏，还会影响舱内各种仪器、设备等的正常运转，而且船舶噪声对船上人员的健康、生活、休息和工作甚至心理都存在很大的影响[1-3]。如果在结束船舶总体设计之后再采取各种降低振动和空气噪声的办法，在大部分情况下只能局部地解决面临的问题，而且费用高昂，在已经建造好了的船上，安装声学器材的代价要比在船舶设计过程中预先采取措施的费用高约2.5倍[4]。所以，在船舶设计的早期阶段就考虑到声学要求，事先完成船舶声学设计，则可以事半功倍。由于船上激励源众多(主机、辅机、螺旋桨、泵类、空气压缩机、空调器等)、船体结构复杂、振动噪声的传递途径复杂多变，使得船舶舱室噪声控制的变得十分困难[5]。本文应用统计能量分析方法，具体针对船舶典型舱室在船舶声学主要激励所引起直接声辐射载荷和振动加速度载荷的影响下的舱室噪声进行预报，进而研究在激励源设备添加隔振器和舱壁敷设阻尼材料等情况下舱室噪声的改变，对比相关规范，给出典型舱室的优化设计措施。

1 统计能量分析

1.1 统计能量分析方法基本原理

SEA方法是依据结构系统在外载荷作用下能量平衡的原则，从能量输入、损耗和传递的角度来对系统进行建模的。对复杂系统的高频响应预示是从子系统的划分开始的，对于一个复杂结构系统，一旦确定每个子系统后，则对于每个子系统都有与其相邻的子系统的功率流方程。

Pini=Pdissi+Pij

(1)

式中:Pini——子系统的输入功率；

Pdissi——子系统i的损耗功率，其大小为Pdissi=ωηiEi；

Pij——子系统i与子系统j之间的传递功率，其大小为Pij=ωηijEi-ωηjiEj。

其中:ηi——子系统i的内损耗因子；

ηij——子系统i对子系统j的耦合损耗因子;

ηji——子系统j对子系统i的耦合损耗因子。

由这样一系列的子系统功率流方程式联列，则可得到方程组：

(2)

式中:ω——频带中心频率，rad/s；

ni——子系统i的模态密度。

每一个结构子系统或声学子系统都具有一个与时间平均和空间平均振速或声压成比率的稳态能量水平。

对于质量为ms的结构子系统

(3)

对于体积为V的声场

(4)

由此建立能量与响应之间的关系，由能量可得到响应量，由响应量亦可计算出能量。

2 船舶典型舱室噪声预报

船舶是一个浮于水上的复杂大型结构，其上结构庞大众多，激励众多。本文主要考虑由主机、空调和风机等激励所引起的空气和结构噪声的影响，分别应用统计能量分析的板、梁、圆柱以及空气、海水介质等系统来模拟船舶结构和舱室。

2.1 舱室噪声预报模型

以某民用船舶典型舱段为研究对象，研究其振动噪声特性。该船的主尺度及船型系数为总长54.4 m、型宽21.6 m、型深9 m、吃水5.2 m、排水量1 350 t。

首先在ANSYS Preprocessor里建立船体典型舱段详细几何模型，包括船体外板、甲板、各部位型材、舱壁及其它加强构件等。根据船体结构的特点，建立船体结构，然后赋予其物理属性，进行网格划分，建立船体结构有限元模型，导入VA One。在简化模型的基础上，建立板壳子系统和舱室声腔子系统，见图1。

图1 板壳子系统和舱室声腔子系统

与水相连的部分通过经验公式添加附连水质量，模拟水对结构振动的影响，与空气相邻的界面为自由边界。

2.2 SEA参数确定

1)模态密度由VA one软件自动进行模态密度的计算。

2)通过近似估算，板的损耗因子为0.004，由此得到声腔的内损耗因子。

3)输入功率的确定。由于输入功率可以表达为力谱与速度谱的乘积，涉及到的输入阻抗也与频率有关，因而输入功率也是频率的函数。

设备在工作过程中，由于设备的动力不平衡，导致基座发生振动，从而引起甲板、舱壁、外板等的振动并向舱室内辐射噪声，称为结构噪声。

载荷包括两个部分：一部分为空气噪声，一部分为结构噪声。将各空气噪声辐射声功率加载到对应的舱室声腔中，将各振动加速度级加载到对应的舱室甲板上。各舱室设备空气噪声声功率随频率的变化曲线见图2。各舱室设备振动加速度级随频率的变化曲线见图3。

图2 舱室设备空气噪声声功率

图3 舱室设备振动加速度级

2.3 典型舱室噪声预报结果分析

应用统计能量分析方法，针对船舶典型舱室在船舶声学主要激励所引起直接声辐射载荷和振动加速度载荷的影响下的舱室噪声进行预报。典型舱段声压级分布情况见图4。

图4 船舶典型舱段声压级分布

选取典型舱室来进行分析，典型舱室总声压级见表1。

表1 典型舱室总声压级 dBA

典型舱室声压级曲线随频率变化曲线见图5。

图5 典型舱室声压级

船长室的总声压级为67.1 dBA，主要由两舱室内柜式空调的直接声辐射造成。当把船长室和会议室的空调关掉后，其舱室声压级减小很多。由于船长室安装1台柜式空调，且远离其他各种振动设备，关闭空调后总声压级下降24 dBA；会议室安装一台柜式空调机，且离其他振动设备较近，其舱室噪声下降20.6 dBA。

机舱总声压级为108.7 dBA，主机舱属于激励源所在舱室，其中机舱柴油机壳体表面直接声辐射是机舱噪声的主导分量。由于机舱值班室距离柴油机舱较近，而柴油机的直接声辐射较大，导致卧室声压级偏大。

3 典型舱室的优化设计

对于船舶声学设计，既包括在船舶设计的早期阶段选择声学上最佳的船舶建造型式，也包括阻尼减振技术。阻尼减振技术是通过提高材料或结构的损耗因数，将振动能量转化为其它形式的能量而达到减振降噪目的的。因此，阻尼技术在舰船结构噪声控制中有着重要的地位。从船舶舱室噪声的传递途径入手，找到船舶舱室噪声主导传递途径、主导分量，并以此给出相应的降噪措施，为船舶的舱室噪声设计提供依据。

分别以典型的激励源舱室和典型的非激励源舱室为研究对象，计算并且说明各项措施的减震降噪效果。典型的激励源舱室以船长室、主机舱为例，典型的非激励源舱室以机舱值班室、卧室为例。

3.1 激励源舱室噪声的优化设计

3.1.1 船长室噪声优化

船长室的总声压级为67.1 dBA，大于噪声级限值。对船长室舱室的柜式空调机按正常工作、不考虑振动加速度载荷(仅考虑直接声辐射载荷)、不考虑直接声辐射载荷(仅考虑振动加速度载荷)三种状态进行分析，其声压级见表2。

表2 空调不同状态下船长室的声压级 dBA

船长室安装1台柜式空调且远离其它各种振动设备。对于船长室，不考虑空调振动加速度载荷(即仅考虑直接声辐射载荷)，船长室的声压级降低0.1 dBA。而不考虑空调直接声辐射载荷(即仅考虑振动加速度载荷)，船长室声压级降低24.4 dBA。可见船长室噪声的主导分量为空调的直接声辐射。解决的办法是对空调设备进行隔声处理，将空调设备转移至空调机房，能使船长室的声压级满足要求。

3.1.2 机舱室噪声优化

机舱总声压级为108.7 dBA，大于噪声级限值。根据提供的隔振器设备的振动加速度级，柴油机添加隔振器前后传递到船体结构上的加载曲线见图6。

图6 柴油机通过隔振器后的加载曲线

对主机舱的柴油机添加基座、不考虑振动加速度载荷(仅考虑直接声辐射载荷)、不考虑直接声辐射载荷(仅考虑振动加速度载荷)进行分析，其声压级曲线见图7，总声级见表3。

图7 柴油机通过隔振器后机舱声压级

表3 不同状况下的机舱声压级 dBA

机舱总声压级为108.7 dBA，大于噪声级限值。由计算可见，当柴油机添加基座后，其舱室声压级降低1.3 dBA；不考虑振动加速度载荷(即仅考虑直接声辐射载荷)，主机舱室的声压级相对于不添加基座时降低1.3 dBA；而不考虑直接声辐射载荷(即仅考虑振动加速度载荷)，主机舱室声压级降低52.2 dBA。可见主机舱的噪声主导分量为直接声辐射。舱室的边界条件(舱壁敷设阻尼材料)对舱室内声压级的影响不大。

主机舱属于激励源所在舱室，主机舱的噪声主导分量为主机的直接声辐射，舱室的边界条件(舱壁敷设阻尼材料)对舱室内声压级的影响不大。对主机设置隔声罩，可降低主机舱内柴油机的直接声辐射。机舱在柴油机采取隔振措施后的结构噪声在允许限值范围内。

3.2 非激励源舱室的优化设计

柴油机壳体表面直接声辐射是机舱内噪声的主导分量。机舱附近的舱室属于非激励源舱室，声压级也较大，且不满足规范要求。

非激励源舱室以机舱值班室、卧室为例，分别分析主机舱室内侧舱壁敷设阻尼材料时主机不添加基座、主机添加基座，以及主机舱室内侧舱壁不敷设阻尼材料时主机不添加基座、主机添加基座等状况，检测机舱值班室和卧室的声压级的变化情况。

3.2.1 机舱值班室噪声优化

分别分析主机舱室内侧舱壁敷设阻尼材料时主机不添加基座、主机添加基座，以及主机舱室内侧舱壁不敷设阻尼材料时主机不添加基座、主机添加基座等状况，检测机舱值班室的声压级的变化情况，见表4。

由计算可知，当主机有基座，主机舱敷设阻尼材料时，能保证机舱值班室满足舱室噪声级限值规定。且由于机舱值班室临近激励源设备主机，敷设阻尼材料能较大幅度地降低机舱值班室的舱室噪声。

3.2.2 卧室噪声优化

对于卧室，分别分析主机舱室内侧舱壁敷设阻尼材料时主机不添加基座、主机添加基座，以及主机舱室内侧舱壁不敷设阻尼材料时主机不添加基座、主机添加基座行装状况，检测卧室的声压级的变化情况，表5。

表5 不同状况下的卧室声压级 dBA

当主机有基座，主机舱敷设阻尼材料时，能保证卧室满足舱室噪声级限值规定。柴油机壳体表面直接声辐射是机舱附近非激励源舱室的噪声主导分量。解决的方法是在主机舱室内侧舱壁敷设阻尼材料。同时柴油机的结构振动噪声也是影响临近舱室噪声声压级的重要因素，对主机添加基座可降低噪声。

4 结论

1)对于激励源舱室而言，其舱室噪声的主导分量为激励源设备的表面直接声辐射。激励源所在舱室的噪声优化可以通过转移激励源设备的位置，对激励源设备添加隔声罩，以降低对应舱室噪声的声压级。

2)对于临近激励源设备的非激励源舱室而言，其舱室噪声来源既有直接声辐射，又有激励源

设备的结构振动。远离激励源的非激励源舱室，其舱室噪声的主导分量为激励源设备的振动加速度载荷；离激励源设备越近，非激励源舱室的舱室噪声中的激励源设备的直接声辐射所占比例越大。

3)在激励源所在舱室敷设阻尼材料，不会明显降低此舱室噪声，但对临近激励源所在舱室的舱室有降噪作用。

4)对激励源设备添加隔振器，能有效地降低非激励源舱室的舱室噪声。

[1] 尼基福罗夫阿斯.船体结构声学设计[M].谢 信，译.北京：国防工业出版社，1998.

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