船舶舱室声能量分析及预测设计

黄志武，叶林昌，童宗鹏

（中国船舶重工集团公司 第七一一研究所，上海 201108）

船舶舱室声能量分析及预测设计

黄志武，叶林昌，童宗鹏

（中国船舶重工集团公司 第七一一研究所，上海 201108）

以一艘高噪声指标要求的电力推进船舶为研究对象，基于统计能量理论利用VA One软件进行全船的舱室声能量分析及降噪预测设计研究。通过评估分析主要噪声源的声能量贡献度，实现降噪指标的定量分配，针对关键舱室的噪声比50 dB（A）限值高出约40 dB（A）的降噪难点，采用柴油发电机组低噪声箱装体设计，应用推进电机硬弹性复合隔振、基座阻尼减振等技术；分析主要噪声源能量传递路径，在路径上采取吸隔声处理措施。降噪处理后，实船效果满足噪声指标要求。

声学；统计能量法；噪声评估；声能量分析；降噪优化

船舶作为最主要的水上交通工具，随着建造水平的不断提高，人们开始更加关注它的低噪声舒适性，要求能够“安静航行。国际海事组织IMO在进一步提高船舶噪声指标要求的的同时，也对我国的造船水平提出了更高的要求。船舶由各种不同结构尺寸的加筋板，动力装置以及辅助设备组成，主要噪声源有主机噪声、推进器噪声和水动力噪声［1］。结构的复杂性，设备的多样性以及噪声来源的不唯一性使得船舶噪声的计算变得非常困难。经典的模态分析方法局限于对能够清楚辨识的有限数量的低阶模态进行分析，随着频率向更高扩展，结构的模态变得更加密集，模态分析方法误差迅速增大，且高频模态参数对结构参数的微小变化十分敏感，高频分析具有极大的不确定性［2］。统计能量法（Statistical EnergyAnalysis）对局部细节不感兴趣，关心时域、频域和空间上的统计平均，抽取研究对象的集合特征，对共振模态进行平均，对分析高频、高模态密度的复杂结构具有很好的效果，模态越是密集，计算精度也就越高［3］。

经过诸多学者的不懈努力，统计能量法已经广泛应用于航空航天［4］、轨道交通［5］、建筑［6］、汽车［7］、船舶［8］等领域的声振问题计算。本文基于统计能量法的基本原理，对某船舱室噪声水平，噪声传递路径，关键舱室噪声贡献量进行计算分析，并在此基础上对船舶进行降噪处理。

1　统计能量法的基本原理

统计能量分析法的基本方程为功率流平衡方程，将复杂结构耦合动力学系统分解成N个子系统，各子系统的输入功率等于该子系统传递给其它子系统的功率流与该子系统内部的损耗功率流之和。

设Pi，in为外界向子系统i的输入功率，Pi，diss为子系统i的损耗功率，Pij为子系统i传递到子系统 j的净传递功率（子系统间的功率传递为双向传递）。

子系统内部损耗功率Pi，diss

式中ωn为固有频率，E为系统内部能量，ηi，diss为内部损耗因子，n（ω）为模态密度，φ为模态功率。

引入保守耦合假设和互易关系，则子系统i传递到子系统j的净功率流为

引入弱耦合假设，各子系统的激励相互独立，则子系统i稳态振动时功率流平衡方程可表示为

将上式扩展到N个子系统，并写成矩阵形式

通过求解上述矩阵，得到系统中各子系统的能量，就可以得出系统的时间和空间平均振动速度以及声压

在改革进程中，全国人大常委会是否有权授权进行监察体制改革试点，存在较大争议。监察体制是政治体制的重要组成部分，监察体制改革超越了当时宪法规定，人大常委会采取授权试点的方式，一定程度上解决了改革合宪性问题，为缓解改革与法治之间的紧张关系，提供了一种变通模式。但有学者认为，授权监察体制改革试点属于全国人大的职权，没有全国人大授权，作为全国人大常设机构的常委会，无权授权监察体制改革试点[15]。而“授权试点”是改革过程中的一项宪法工程，应当具有法律依据。这表明，《立法法》第13条能否为“授权试点”提供规范依据，如何使其具有更坚固的法律基础，是个值得研究的问题。

其中 ρ为声传播介质密度，c为声速，V为声腔体积。

2　噪声评估与贡献量分析

本文研究对象为2015年承制的一艘演艺船，配置三台柴油发电机组，采用电力推进方式。主要舱室有表演区域和贵宾包厢等，表演区域为中空结构，沿船长方向划分为ABCD区，下部为下陷池，用于布置升降舞台。在VAOne软件中建立全船SEA模型，如图1所示，实船见图2。

图1　全船SEA模型

图2　实船

求解频率范围为63 Hz～8 kHz，考虑全船主要的噪声源：柴油发电机组、推进电机、舵桨以及空调的结构噪声与空气噪声，激励数据根据设备主要参数通过经验公式计算并结合试验数据对比修正后得出。

通过统计能量法求解，各舱室声压级列于表1中，表演区域的舱室噪声超过限值要求约40 dB（A），贵宾包厢超标22 dB（A）。对舱室噪声进行声能量贡献量分析，结果列于表2。

表1　舱室噪声评估/dB（A）

3　降噪处理与结果分析

从表2中可以看出，关键舱室的噪声能量主要来自于柴油发电机组，其次为推进电机。基于声能量贡献量分析来分配降噪指标，对柴油发电机组和推进电机进行降噪处理。

3.1柴油发电机组低噪声箱装体设计

将柴油发电机组弹性安装于箱装体中，形成低噪声动力模块，如图3所示。

采用双层隔振形式，柴油机先通过圆锥形隔振器安装在筏体上，整个箱体再通过平板型隔振器安装在发电机组基座上，隔振量为50 dB。箱体采用特殊的隔声材料，外部安装有进排气消声器，总隔声量为25 dB（A）。基座采取阻尼处理，进一步抑制传递到船体的振动。

表2　舱室噪声能量贡献量分析

图3　箱装体模块

3.2推进电机硬弹性隔振设计

对柴油发电机组降噪处理之后，其贡献量下降为33.96%，推进电机成为最主要的噪声贡献源，贡献量上升为41.78%，其中结构噪声占41.61%。电力推进方式与传统的推进方式相比，噪声情况有很大的改善，所以民用船舶推进电机较少做隔振处理。由于本船噪声指标要求较高，推进电机为第二大噪声源，有必要对其进行隔振设计。采用硬弹性隔振技术，隔振装置由硬弹性隔振器和高分子阻尼材料组成，推进电机刚性安装在过渡垫板上，再通过硬弹性隔振器与高分子阻尼梁连接，阻尼梁固定在船体上，如图4所示，隔振量为25 dB。

图4　推进电机隔振装置

3.3结果分析

设备降噪处理后，重新评估全船噪声水平，表演区域声压级下降约25 dB（A），贵宾包厢声压级下降11 dB（A）。在此基础上，考虑全船的甲板敷料、绝缘布置以及木作处理，舱室噪声值进一步下降，如下表3所示。

表3　降噪处理后舱室噪声评估 单位：dB（A）

设备噪声贡献量发生变化，主要为柴油发电机组的空气噪声和空调系统的结构噪声，如下表4所示。

4　降噪优化及实船验证

降噪处理后，关键舱室的声压级超过限值要求约2 dB（A）。分析噪声源声能量传递路径，下图5给出1 000 Hz处全船声功率级大于60 dB的声能量传递路径。柴油发电机组和空调系统的噪声主要通过舱室上方甲板以及下陷池壁向外传递。第一部分能量在传递过程中受到甲板敷料，舱室吸隔声处理的影响，迅速减弱。由于下陷池上方表演区域中空的结构特点，第二部分能量得以完全地辐射到ABC区中，造成声压级超标。

根据能量传递路径分析，结合ABC区的具体结构，将下陷池前后围壁钢板厚度由5 mm增加为8 mm，增加钢板的隔声量，在池壁上敷设50 mm厚复合岩棉板来增加吸声量，在发电机舱、舵桨舱以及空调机舱敷设阻尼材料。结果表明，优化吸隔声处理后，超标舱室的声压级都下降到了限值以下，同时其他舱室的噪声情况也得到了改善。下表5给出优化前后舱室噪声评估结果，与实船噪声测试结果一并列于表中，测试结果与计算结果相差约2 dB（A），噪声预测与实船符合较好。

表4　降噪处理后声能量贡献量

图5　声能量传递路径

表5　优化前后舱室噪声评估对比/dB（A）

5　结语

本文采用统计能量法对一艘高噪声指标要求船舶完成全船舱室噪声的预报评估，通过对关键舱室声能量的主要贡献源及其传递路径分析，在此基础上结合舱室具体结构特点，提出对柴油发电机组以及推进电机进行隔振设计，优化吸隔声敷料处理，增加阻尼处理等措施，降噪效果明显。实船应用表明，降噪预测设计值与实测值基本一致，形成的舱室降噪预测设计方法可为全船降噪设计提供参考。

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［7］于笑非.统计能量分析在客车噪声设计中的应用［J］.客车技术与研究，2006，28（1）：36-38.

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Acoustic EnergyAnalysis and Prediction Design of Ship Cabins

HUANG Zhi-wu，YE Lin-chang，TONG Zong-peng
（SMDERI，Shanghai 201108，China）

An electric propulsion ship with serious noise limitation is studied.Based on the statistical energy analysis（SEA）method，the VA One software is used to calculate the noise of the whole ship.The acoustic energy of the cabins is analyzed and the noise reduction and prediction method is studied.Through the analysis and evaluation of the acoustic energy contribution of the main noise sources，a rational quantitative distribution of the noise reduction is realized.Aiming at the difficulty that the noise of the key cabin exceeds the critical value of 50 dB（A）by 40 dB（A），several innovative technologies，such as the low noise package module of the generator，the hard elastic composite isolation system for the propulsion motor and vibration damping system for the base，are designed and applied.Through analyzing the transfer path of the acoustic energy of the main noise sources，the noise absorption and isolation measures are applied in the path.After the de-noising process，the SPL of the real ship can meet the noise reduction requirements.

acoustics；SEA；noise assessment；acoustic energy analysis；noise reduction optimization

TU112.3 U66

ADOI编码：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.05.019

1006-1355（2016）05-0090-04

2016-03-31

黄志武（1992-），男，江西省赣州市人，在读研究生，主要研究方向为船舶动力系统减振降噪。

童宗鹏，男，博士，研究员，硕士生导师。E-mail:tongzongpeng@sina.com