ATHS生活舱室噪声预报分析及处理

蔡旭龙， 陈超核， 刘月琴

(华南理工大学 土木与交通学院， 广东 广州 510000)



ATHS生活舱室噪声预报分析及处理

蔡旭龙， 陈超核， 刘月琴

(华南理工大学 土木与交通学院， 广东 广州 510000)

基于能量统计原理，运用VA-ONE软件对多噪声源作用下的生活舱室进行噪声预报，分析它们在不同噪声源影响下的噪声特性,可知在远离主机的生活舱室，主机结构振动噪声为其主要诱因。然后根据计算所得到的声压级图分别计算了三种不同吸声材料及其组合的吸声效果，发现根据不同频段的噪声选取合适的吸声材料，吸声效果会更好。

多激励源能量统计原理噪声预报吸声

0　引言

随着对船舶舒适性要求的提高，船舶噪声越来越成为了人们所关注的焦点。由于船舶结构复杂、设备繁多，在不同的环境下，噪声问题的许多边界条件、载荷及其所涉及的运算因子都难以确定和量化，对船舶进行准确的噪声预报难度大且一直是研究的热点。

目前，噪声预报通常运用的方法分为数值法和解析法两大类。解析方法中主要有积分变换法、模态分析法和波动法等[1]；数值方法中主要有有限元法、能量法、波导法、灰色预测法[2]等。理论上，有限元法能够解决全频段的噪声问题，但对流体和结构进行有限元离散时，其网格单元尺寸须小于最小弹性波波长的1/6～1/4[2]。随着频率的增大，有限元的网格数也快速增加以至于超过目前一般计算机的极限，所以一般认为有限元法只适合用于解决低频段噪声问题。统计能量法则是针对船舶舱室噪声的空间、时间和宽带高频分量的不确定性，采用统计能量的原理进行舱室噪声预报，特别适合于高频段[3]。

本文采用统计能量法来预报舱室的噪声水平以及讨论不同吸声材料的吸声效果。

1　统计能量法(SEA)基本原理

统计能量法是由Lyon首先提出的用于研究结构高频的动态特性。SEA法最早用于航空航天工业，经过几十年的发展逐步被用于船舶行业。统计能量法中“统计”是其基本观点，同已有有限元方法不同，它忽略了结构的许多具体细节，即允许模型比以往的结构模型粗略，并将母体模型划分为一系列的子系统。使用子系统的动力学“能量”来描述系统的状态，由个别子系统受到外力激励，子系统间通过连接传递能量，利用能量变量建立子系统间的功率流平衡方程，来描述耦合子系统间的相互作用。然后将各子系统的统计参数代入方程，统一处理结构、声场等子系统间的相互作用问题，并根据能量预示的结果，可再将其换算成所需要的各种响应量。

假设，将船体划分为N个子系统，创建SEA模型，则第i个子系统的输入功率为

(1)

式中：Pi,in为外界对子系统i的输入功率；Pi,d为子系统i自身的损耗功率；Pij为从子系统i传递到子系统j的纯功率流。

(2)

式中：ηi为内损耗因子，定义为子结构在单位频率、单位时间损耗能量与平均储存能量之比 ；ηis表示子结构的结构损耗因子；ηir为结构子系统振动声辐射阻尼形成的损耗因子；ηib表示子结构间连接边界损耗因子；Ei为子系统i的能量；ω表示该频带内的几何平均中心频。

(3)

式中：Pij′=ωηijEi为子系统i传递到子统j的单向功率流；Pji′=ωηjiEj为子系统 j 传递到子系统 i 的单向功率流；ηij和ηji分别为从子系统i传递到子系统j、从子系统j传递到子系统i的耦合损耗因子。

将式(2)、(3)代入到式(1)中，可得

(4)

式中:i=1,2,…，N；ni和nj分别表示子系统i和j的模态密度。

将式(4)扩展为平衡方程组为

(5)

式中：矩阵[L]表示如式(6)，是保守弱耦合系统损耗因子矩阵，它包括了子系统的内损耗因子和子系统间的耦合损耗因子。

(6)

由于统计能量法计算的是结构或声学子系统的时间和空间平均能量水平，对于质量为m的结构子系统，能量与响应量之间的关系为

(7)

对于体积为V的声场：

(8)

2　基于统计能量法(SEA)的模型建立

2.1船舶主要参数

研究的船舶是某69.5 m的三用工作船，研究对象为中机型船舶，主机位于船舯部，生活舱室位于艏部，全船共有5层甲板。

内底板主要布置主机、锅炉等；

主甲板上主要布置有医务室、娱乐健身室、餐厅、厨房、冷藏室和干粮库等；

下艏楼甲板主要为船员的居住舱室，单人间、双人间和四人间；

上艏楼甲板主要布置单人间客房、船长室、大管轮室、船东办公室和会议室；

驾驶甲板主要为驾驶舱室。

船舶主尺度为

总长69.5 m；

型深6.8 m；

型宽16.8 m；

设计吃水5.2 m。

本船采用W12V32型的主机两台，重35 t，柴油机额定功率为2 666 kW，额定转速720 r/min。采用4叶螺旋桨双桨，螺旋桨直径为1 950 mm，额定转速1 200 r/min。

2.2模态密度确定

统计能量法中的模态密度是描述振动系统贮存能量能力大小的一个物理量。简单的子系统(杆、梁、板、圆柱壳等简单固体结构和简化声场)的模态密度有其相应的计算方法及公式，如表1所示。

表1　简单子系统的模态密度计算公式

在表1中，给出了一维杆梁、二维平板振动系统以及三维声场系统分别用波数K、圆频率ω、无量纲频率v、频率f表示的模态密度，其中Cl为纵波速，Ca为声速，KB为纵波数，Ap=l1l2为平板系统面积、l1和l2为平板的长，R是平板截面的回转半径，V0为声场的体积[3]。

统计能量法只适用于高频段区域。对于频段高低的区分，业内专家通常以模态数N作为标准，当：

模态数N>5时，属于高频区域；

模态数5>N>1时，属于中频区域；

模态数N>1时，属于低频区域。

一般认为频段内，子系统模态数越多，也就意味着总体数量越多，计算出来结果就越准确,因此把N≥5作为SEA法使用的良好条件[4]。

2.3内损耗因子确定

由于能量统计法是概率统计的方法，计算是否准确与SEA参数的精确程度密切相关。内损耗因子是其中的重要参数，这些数据来自于大量的试验和长期的积累，VA-One软件中也集成了大量的数据。板的损耗因子的获取是通过文献[5]的半经验公式计算

(9)

式中：f为频率,绘制图如图1所示。

图1　结构内损耗因子示意图

舱室内部由于没有具体的吸声系数等数据，无法通过经验公式计算，因此统一采用软件默认值。

2.4耦合损耗因子确定

耦合损耗因子表征子系统之间耦合作用的大小，描述子系统之间能量传递过程中损耗特性。子系统之间的耦合连接关系保证了能量的传递，被激励的子系统通过耦合作用，将激励力传递到没有直接受到激励作用的相邻子系统。能量通过一些点、线和面方式的连接传递实现子系统之间的耦合，而这些结构与结构、结构与声场直接的耦合损耗因子由VA-ONE软件自行计算得出，在模型中选取某一连接，由Result>Coupling loss factor得出。

2.5 三用工作船的SEA模型

全船的SEA模型如图2所示。全船的门、窗均简化建立为板子系统。全船模型共有159 890个节点，985个板子系统和92个声腔子系统。板子系统划分原则是将具有相似共振形式、相同厚度的结构作为一个子系统，同时也要合理划分以便于建立声腔子系统。

由于VA-ONE软件无法识别T型连接，因此，在T型连接处的板需分开建立成单独的子系统，如图3所示。

板1和板2这样的连接，需要在它们的连接处将板1分为两块板建立，这样才能使板2的能量传递到板1上，如图4所示。

图2　三用工作船SEA模型　　　　　　图3　T型连接板　　　　　　　　　图4　T型连接板正确建立图

3　激励源的确定

船舶的噪声源主要包括主机、柴油发电机组、螺旋桨、齿轮箱及主辅机的排气管产生的噪声[2]。它既有进排气系统空气噪声，又有运动部件的撞击和主机本身不平衡而产生振动所造成的结构噪声。一般情况下，以上噪声源中主机和螺旋桨的激励对舱室噪声贡献较明显。模型以主机和螺旋桨的振动作为结构噪声的激励，主机对机舱声腔的声辐射为空气噪声激励。

3.1主机结构振动噪声

主机结构振动噪声按如下方法计算。

主机机脚加速度级La(参考加速度1 μm/s2),按下式估算[6]。

(10)

式中：m为主机质量，kg;Pe为主机额定功率，kW;ne为主机额定转速，r/min;n为主机工作转速，r/min; f为倍频程中心频率，Hz。

根据目标船的主机质量、额定功率和额定转速，可以利用式(10)估算机脚加速度级,如图5所示。

图5　主机机脚加速度级图

然后将该激励施加到模型主机舱的内底板上。

3.2主机空气辐射噪声

主机空气辐射声功率级Lw(参考声功率w0=10-12w)，按下式估算[6]：

(11)

式中：Pe为主机额定功率，kW；Cw为空气噪声的倍频程修正值，dB；如表2所示[6]。

表2　主机空气噪声的倍频程修正值

利用式(11)可以得到主机的辐射声功率级Lw，如图6所示。

然后再将空气辐射噪声以扩散声场的形式加载到主机舱的声腔上作为输入功率。

3.3螺旋桨上方船底板激励

螺旋桨激励引起的螺旋桨上方船底板加速度级应按式(12)估算[6]。

(12)

式中：M为螺旋桨数量；N为螺旋桨叶片数量；D为螺旋桨直径，m;ne为螺旋桨额定转速，r/min。

利用式(12)计算螺旋桨的振动引起的螺旋桨上方船底板加速度级，计算如表3所示。

图6　主机辐射声功率级图

频率/Hz631252505001000200040008000La/dB123123123123123123123123

然后再将激励施加到舵机舱的船底板上。

4　目标舱室的噪声预报

通过研究主机结构噪声、空气辐射噪声、螺旋桨振动这三种激励的组合影响，分析不同类型激励对几个主要的生活舱室包括医务室、餐厅、双人间、四人间一、单人间、四人间二、船长室、大管轮室、船东办公室、会议室的影响(其中医务室和餐厅位于主甲板上，船员寝室位于下艏楼甲板，船长室、大管轮室、会议室和船东办公室位于上艏楼甲板)。

由于统计能量法的适用原则是必须是子系统的模态数，首先，在软件中选取目标声腔；然后，Results>Modes in Band中，可以查看目标舱室的模态数，如图7所示。

图7　目标舱室模态数

在图7中可以看到，目标舱室的模态数在63 Hz时，模态数最小的双人间的模态数也≥5，因此，在63 Hz～8 000 Hz内，满足计算要求。

在主机结构噪声、空气辐射噪声、螺旋桨振动这三种激励下，分三种情况进行讨论。

(1) 情况一：只考虑主机结构振动噪声和螺旋桨振动的情况下，计算结果如表4所示。

从结果可以看出，噪声先是逐渐增大，到1 000 Hz处达到最大，再逐渐减小，变化趋势和主机结构噪声激励相吻合。

(2) 情况二：只考虑主机空气噪声和螺旋桨振动的情况下，详细结果如表5所示。

从以上计算结果可以看出，空气辐射噪声对生活舱室影响很小，和情况一的结果相比各个舱室的声压级的总和平均相差10 dB。

(3) 情况三：同时考虑主机结构噪声、空气噪声和螺旋桨振动的情况下，详细结果如表6所示。

表4　生活区目标舱室声压级(情况一)

表5　生活区目标舱室声压级(情况二)

表6　生活区目标舱室声压级(情况三)

由于本船属于中机型船，而上层建筑位于船艏，从情况一和情况三对比可以看出，空气辐射噪声对远离主机舱的生活区影响可以忽略。

5　舱室的降噪措施

根据上面的计算结果，生活舱室的噪声主要是由于主机的结构振动噪声所引起，一般在主机舱会采用吸振、隔振的方式来降低噪声，即对主机等振动源安装弹性基座或增加基座的尺寸和输入阻抗，以降低主机对船体结构振动能量的传递。在生活舱室内部，一般采用吸声处理。

选取了三种吸声材料：矿物棉5 kg/m2、聚氨酯泡沫塑料3 kg/m2和硬橡胶板110 kg/m2在情况三的条件下，针对船长室做吸声处理。

当将船长室的四壁及顶部均附上0.1 m的玻璃棉时，计算结果如图8所示。

图8　船长室处理前后声压级对比图(矿物棉)

由图8可以看出，矿物棉作为吸声材料，主要吸收的是125 Hz～2 000 Hz的噪声。

当将船长室的四壁及顶部均附上0.1 m的聚氨酯泡沫塑料时，计算结果如图9所示。

图9　船长室处理前后声压级对比图(聚氨酯泡沫塑料)

由图9可以看出，聚氨酯泡沫塑料作为吸声材料，主要吸收的1 000 Hz～8 000 Hz的噪声。

当将船长室的四壁及顶部均附上0.1 m的硬橡胶板时，计算结果如图10所示。

图10　船长室处理前后声压级对比图(硬橡胶板)

由对比图可以看出，硬橡胶板对于低频段63 Hz～200 Hz的噪声吸收效果较好，但对于中、高频段的吸收效果不如前两种材料。

因此，根据船长室的声压级预报结果，主要噪声分布在中、低频段(63 Hz～2 000 Hz)，应当选取以矿物棉和硬橡胶板为主的合成材料吸声。

当选取0.05 m矿物棉和0.05 m的硬橡胶板作为吸声材料，计算结果如图11所示。

图11　船长室处理前后声压级对比图　　　(矿物棉+硬橡胶板)

根据结果可以看出，相对于采用单一的吸声材料，吸声效果显著，降低了3.63 dB。

由于硬橡胶板是固体材料，密度为110 kg/m2，质量较其他两种材料要重的多，而且由于聚氨酯泡沫塑料的损耗因子要比矿物棉和硬橡胶板大的多。因此，可以采用三种材料结合的方式以达到同样的效果。

当采用0.05 m矿物棉、0.015 m的硬橡胶板和0.035 m的聚氨酯泡沫塑料代替硬橡胶板时，计算结果如图12所示。

从计算结果可以看出，在这种情况下噪声频率在63 Hz处的吸声效果要比图11中的效果差，但是总体上降噪效果却要更好一些，降低了3.88 dB。

图12　船长室处理前后声压级对比图(三种材料)

6　结论

采用统计能量法对三用工作船的目标舱室进行噪声预报，针对不同的噪声源及它们对舱室的影响结果，分析舱室各自的噪声特性。

对于远离主机舱噪声源的生活舱室，结构的振动噪声是其主要诱因。根据预报所得声压级频率谱，选取合适的吸声材料可以达到较好的降噪效果。

选取的三种针对不同频段的吸声材料仅作为对照参考(一般情况下，密度、容重大的材料，其低频吸声性能好，高频吸声性能较差；而松软、容重小的材料则相反)。由于材料的厚度、容重或孔隙率对吸声效果有很大的影响，同一种材料，当厚度不同时，吸声系数和吸声频率特性也不同。因此具体选用时，应根据计算所得声压级谱查阅相关声学手册。

[1]孙丽萍,聂武.船舶结构振动噪声分析及其进展[J].船舶力学,2003⑴:116-121.

[2](俄)阿· 斯·尼基福罗夫. 船体结构声学设计[M].北京:国防工业出版社，1998.

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[5]Irie Y, Nakamura T. Prediction of structure borne sound transmission using statistical energy analysis [J]. Bulletin of the marine engineering society in Janpan, 1985(13):60-72.

[6]中国船级社，船舶及产品噪声控制与检测指南[S].2013.

Cabin Noise Prediction and Control about AHTS

CAI Xu-long, CHEN Chao-he, LIU Yue-qin

(South China University of Technology, Guangzhou Guangdong 510000， China)

Based on the principle of energy statistics, using VA-ONE to make the prediction of target cabins under multiple excitations, and analyze their own noise characteristics in order to achieve the detail sound pressure level. By conclusion, the target cabins far from the main engine are mainly infected by structure-borne noise. Then chose three kinds of suitable acoustic materials and a group of the three referring to the sound pressure level to compare the different results. These analysis could provide that the right acoustic materials chosen according to different frequency, the sound absorption will be better.

Multiple excitationsEnergy statistical principleNoise predictionSound absorption

国家级基金：海上风电浮式基础动力特性研究(编号：51049010)。

蔡旭龙(1988-)，男，硕士研究生，研究方向为船舶与海洋工程结构物制造。

U668

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