油船居住舱室噪声预报分析

刘　锟，潘溜溜，徐智言

（上海外高桥造船有限公司，上海 200137）

油船居住舱室噪声预报分析

刘锟，潘溜溜，徐智言

（上海外高桥造船有限公司，上海 200137）

以某型油船为研究对象，开展油船居住舱室噪声预报研究。首先介绍统计能量法，然后采用VA One软件建立声学分析模型，根据设计要求设置模型的平板子系统和声腔子系统的属性，并正确设置隔音绝缘和甲板敷料。在加载时考虑了主机、发电机及居住舱室通风口等主要噪声源。计算结果显示，居住舱室各频段下的模态数均大于5，说明采用统计能量法进行分析求解是可行的；在结果分析时，对受结构噪声影响较大的居住舱室铺设了浮动地板以后，舱室噪声声值显著下降，且符合MSC 337（91）的限值要求。

声学；船舶；舱室噪声预报；统计能量分析；降噪

2012年国际海事组织第91届海安会（MSC91）通过了第338号关于SOLAS修正案的决议，该决议在参考权衡DE53提案和IMO A468（XII）噪声规范后，制定了新的《船上噪声等级规则》，即MSC 337（91）［1］。新的噪声规范MSC 337（91）提高了舱室区域的噪声等级标准，并从2014年7月1日起开始生效实施。与旧的噪声规范相比，MSC 337（91）提高了舱室噪声限值的要求，对于万吨以上的船舶，居住舱噪声限值从60 dB下调到55 dB，餐厅、娱乐等区域的噪声限值从65 dB下调到60 dB，其它工作区域的噪声限值从90 dB下调到85 dB。MSC 337（91）决议的生效对船厂提出了更高的标准和要求，设计人员需要在设计初期即对船舶开展噪声预报分析工作，找出可能超标的区域，并协同相关部门尽早地提出解决方案，避免试航阶段测试结果超标及由此导致的新船二次试航。

本文以首次自主开展油船舱室噪声预报分析为对象开展研究。首先介绍了船舶舱室噪声预报的统计能量方法，然后以我厂某型油船为研究对象，通过声学分析软件VA One建立船舶声学模型，对易超标舱室设置浮动地板和隔音绝缘材料，分析中考虑主机、发电机及舱室通风口等噪声源，最后将计算结果与MSC 337（91）规范限值要求进行比较和讨论。

1　统计能量分析（SEA）方法

统计能量分析适合分析复杂结构的密集模态和声振耦合问题，是将整个声振系统划分为若干个子系统，以每个子系统的能量为基本参数，用统计的观点建立每个子系统之间的能量平衡关系，以此来预测系统的声振环境。

对统计能量分析模型中的某个子系统i，其内损耗功率Pid的表达式为［2-3］

式中ω为分析带宽δω内的中心频率。内损耗功率由结构阻尼、结构声辐射损耗和边界连接阻尼损耗三部分组成。

式中ηij为从子系统i到子系统 j的耦合损耗因子。

式中Pi，in为外界对子系统i的输入功率；Pij为子系统i流向子系统j的功率。

式中ηij=ηi（i=1，2，…，N）。

式（4）表明，当系统进行稳态强迫振动时，第i个子系统输入功率除消耗在该子系统阻尼上外，应全部传输到相邻子系统上去。即

写成矩阵形式为

求解此方程可得到每个子系统的能量，然后根据各子系统的能量即可求出相应的响应值。对结构子系统，它的振动均方速度为

对声场子系统，它的声压均方根值为

声压级为

2　声学分析模型

2.1模型概况

目前常用的声学计算软件主要有LMS/Sysnoise振动声学软件、MSC/Actran、Ansys软件声学有限元分析模块和Abaqus软件声学分析模块等。此外，法国ESI公司以统计能量法为理论基础，推出了VA One声学分析软件。此软件能够实现全频域声学分析，能够满足大型船舶舱室噪声分析中对分析频段的要求，且在建模过程中可以方便地设置与实际相符的甲板敷料和舱室隔音绝缘材料，故本节采用VA One软件进行建模与分析。

文中的声学分析模型按照设计要求建立，分析的油船为艉机型船，即上层建筑和主甲板下的机舱等生活及工作区集中布置于船体艉部，船体前部、中部及艉部部分区域为货舱区域。在噪声预报分析中，需要求得艉部上层建筑区域和机舱内的噪声值，并考察其是否满足规范MSC 337（91）的要求，而对于货舱区域则可以暂不进行声学分析。基于以上原因，在建模时可先将船体前部、中部及后部部分区域在声学模型中忽略，只建立上层建筑和包含主甲板下的机舱及艉部的局部结构声学模型［4］。

其次，前期开展了此船结构动力学特性计算分析，分析结果显示，该船船体梁振动基频为0.6 Hz左右，船体整体结构固有频率与噪声计算要求的起始频率相比相差较大。同时，根据以往计算经验，船体局部结构（梁系、板格、板架结构）的基频大致在20 Hz～40 Hz范围内，故局部结构的振动也不会在噪声评估区域产生较大的结构噪声。所以将船体前部、中部及后部部分区域在声学模型中进行忽略、只建立上建和包含主甲板下的机舱及艉部的局部声学模型是可行的。

建模采用右手直角坐标系，即X轴沿船长方向，艏为正；Y轴沿船宽方向，左舷为正；Z轴沿高度方向，向上为正。坐标原点在零号肋位纵中剖面基线处。

2.2子系统属性及分析参数定义

声学模型中选用的材料参数中，杨氏模量取206 000 MPa；泊松比取0.3。

在平板子系统的结构类型选取中未考虑板上的筋对声学分析的影响。这是因为，通过与船级社的沟通和以往的声学分析测试经验，板上的筋对结构噪声的传播和内损耗影响均较小。

图1　平板子系统

图2　声腔子系统

表1　上层建筑各层舱室分布

平板子系统的内损耗因子采用船级社推荐的经验值，对于钢板，内损耗因子如表2所示［5］。

表2　钢板内损耗因子

若平板子系统为液舱舱壁或者船体外板水线以下的部分，则需要在平板子系统属性设置对话框设置平板与液体接触的面和接触的液体类型。

在声腔子系统的属性设置中，首先需要设置声腔内的声音传播介质，若声腔为淡水舱、液舱等舱室，其舱内介质非空气，需要在下拉菜单中选择相应的液体介质。

声腔子系统的内损耗因子可以通过平均吸声系数计算得到，舱室内损耗因子与吸声系数的关系式为

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式中η为内损耗因子，A为舱室总表面积，c0为声音在舱室中的传播速度，V为舱室体积，ω为倍频程的中心频率，α为吸声系数。

若舱室无内饰板，则平均吸声系数为舱室内流体介质的吸声系数，比如空气为1%；若舱室有内饰板，则根据推荐值输入舱室的倍频程折合吸声系数，如表3所示［5］。

表3　舱室折合吸声系数，频率/Hz

根据我厂以往船型的建造经验及试航测试结果，机舱集控室、上甲板苏伊士房间和医院等舱室噪声声值较高，容易超出MSC 337（91）规范限值的要求。所以在开发设计的时候即要考虑到船舶舱室的降噪要求，分别在驾驶室和上甲板空调机室的顶部以及上甲板机舱棚部分舱室的顶部铺设隔音绝缘（50 mm岩棉外包玻璃丝布）；同时为降低结构噪声向舱室的传递，在上甲板的苏伊士房间、健身房和医院铺设了浮动地板。

VA One中允许用户根据甲板敷料布置图和舱室绝缘布置图逐层地对隔音绝缘材料进行布置，这对于船厂来说是非常便利的。因为船厂获得总的敷料层的隔音参数非常困难，无论是通过独立开展实验还是委托外单位测试所耗费的时间和经济成本均较高，也不利于项目进度的推进。而船厂对每层敷料的材料参数可以通过供货商很方便地取得。

在设置隔音绝缘材料的时候，便是逐层地将材料参数输入到VA One软件中，然后选取相应的平板子系统，在平板子系统属性对话框中选取预定义好的隔音绝缘材料，完成舱室隔音绝缘材料的设置。

2.3噪声激励源

船上噪声激励主要分为结构噪声和空气噪声，结构噪声以速度（级）或加速度（级）的形式将噪声通过机脚传递到设备机座及船体结构中；空气噪声以声功率级（或声压级）的形式由设备通过空气介质辐射到相应舱室。分析中主要考虑了主机噪声和发电机噪声，此外，居住舱室通风口的噪声也在计算中予以考虑。

根据主机厂家提供的资料［6］，主机噪声具体如表4所示。

表4　主机噪声谱（NCR，80%SMCR）

表4中噪声级的单位为dB，排气管噪声和空气噪声为声压级，参考声压为2×10-5Pa；结构噪声为速度级，参考速度为5×10-8m/s。

不同的噪声源类型在模型加载时需要选取不同的模块分别进行加载。表4中所示的主机排气管噪声和空气噪声，在软件中选取辐射噪声模块进行加载；结构噪声在软件中以对结构施加约束的形式进行加载。由于发电机在船上安装时均采用弹性支座，故其噪声激励仅考虑空气噪声的影响，根据厂家提供的资料［7］，发电机噪声如表5所示。

表5　发电机噪声谱/（1 370 kW/900 min-1）

发电机噪声级的单位为dB，空气噪声为声压级，参考声压为2×10-5Pa。船舶在正常航行时需要同时开启两台发电机，所以在声学分析中应在机舱相应位置施加两个如表5所示的空气噪声源。

主机和发电机分别位于机舱内底板和机舱3甲板处，图3为机舱3甲板以下的声腔子系统图，根据机舱内设备放置的位置施加了主机和发电机噪声源，如图3所示。

图3　主机和发电机噪声荷载

文中，上层建筑居住舱室的空调通风口噪声也被考虑作为噪声源，由于没有实测的噪声谱，根据船级社的分析报告［8］，将居住舱室的通风口噪声的声压级设置为全频段45 dB（A），非居住舱室的出风口噪声的声压级设置为全频段50 dB（A）。

3　噪声预报分析结果

根据统计能量分析方法，采用VA One软件对油船居住舱室噪声值进行求解，求解时采用倍频程，计算频率区间选取63 Hz～8 000 Hz。根据规格书和MSC337（91）的要求，计算中考虑的工况为满载工况，设计吃水为16 m。为更真实地模拟船体实际的吃水工况，将满载工况时船体外壳水线以下的平板子系统设置为与海水接触的面，并设置半无限流体模拟噪声在海水中的传播。施加半无限流体后的分析模型如图4所示。

图4　施加半无限流体的统计能量模型

计算结果显示，上层建筑各舱室在各频段下的模态数均大于5，符合统计能量法对于各频段下模态数大于5的要求，因此本声学模型采用统计能量法进行舱室噪声计算是可行的。在每层甲板选取具有代表性的舱室，其各频段下的模态数如图5所示。

图5　上层建筑主要舱室单位带宽内的模态数

平板子系统和声腔子系统的能量云图分别如图6、图7所示。

图6　平板子系统能量云图

图7　声腔子系统能量云图

为考察浮动地板的降噪效果，在计算分析中比较了受结构噪声影响较大的上甲板苏伊士房间和医院两个舱室铺设浮动地板和未铺设浮动地板时的噪声声值结果。图8、图9分别为两舱室在倍频程各频率下的A计权声压级值，参考声压为2×10-5Pa。由图可知，铺设了浮动地板后，低频段的噪声声压值几乎没有变化，而中高频段的噪声声压值降噪效果显著，说明本油船设计时采用的浮动地板对中高频结构噪声降噪效果显著，而对低频噪声的降噪效果不明显。表6为两舱室全频段总的A计权声压级值，由表可知，铺设了浮动地板后，舱室总的声压级值显著降低，达到了降噪的效果，且总的声压级值也满足MSC 337（91）规范的限值要求。

图8　苏伊士房间A计权声压级值

图9　医院A计权声压级值

表6　舱室总的A计权声压级值/dB（A）

4　结语

本文以某型油船为研究对象，开展了居住舱室噪声的预报分析研究。采用VA One对船舶进行声学模型的建模，考虑了主机、发电机及舱室通风口等噪声源，并用统计能量法对居住舱室噪声值进行了分析计算。计算结果表明，受结构噪声影响较大的舱室，在铺设了浮动地板后，各频率和总的A计权噪声声值有了显著降低，且基本满足MSC 337（91）的限值要求。

［1］International Marine Organization（IMO）.IMO Resolution MSC.337（91）:Code on noise levels on board ships［S］. 2012.

［2］姚熊亮，张阿漫.船体振动与噪声［M］.北京：国防工业出版社，2010.

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

［4］上海交通大学.31.8万吨VLCC舱室噪声数值预报［R］.上海交通大学，2013.

［5］中国船级社（CCS）.船舶及产品噪声控制欲检测指南［R］.中国船级社，2013.

［6］MAN.B&W G70ME-C9.5-TII Project guide［R］.MAN，2014.

［7］YANMAR Co.Ltd.Marine auxiliary diesel engine，Project guide［R］.YANMAR Co.Ltd.，2012.

［8］DNV-GL.Oil tank noise analysis report［R］.DNV-GL，2015.

Prediction andAnalysis of Cabin Noise of a Crude Oil Tanker

LIUKun，PAN Liu-liu，XU Zhi-yan
（Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Co.Ltd.，Shanghai 200137，China）

In this paper，prediction of cabin noise of a crude oil tanker is discussed.Firstly，Statistic Energy Analysis（SEA）method is introduced.Then，the acoustic model is built by using the VA One software.Properties of the SEA subsystem，such as plate and acoustic cavity are determined according to the design requirement.Especially，sound insulation and deck covering of the specific cavity are correctly applied to the SEA model.The main engine，main generator and ventilation outlet of each room on the deckhouse are considered to be the main noise sources for the cabin noise level calculation.The calculation result shows that number of the modal in each frequency band of the cabin on the deckhouse is all larger than 5，which proves the feasibility of choosing SEA method to carry out the analysis.Finally，noise reduction effectiveness of the floating floor of the cabins，which are seriously affected by the structure-borne noise，is discussed.It shows that，after applying the floating floor，the cabin noise level is significantly reduced and less than the limit value prescribed in the MSC 337（91）standard.

acoustics；ship；cabin noise prediction；statistic energy analysis（SEA）；noise reduction

TB533+.2

ADOI编码：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.05.020

1006-1355（2016）05-0094-05

2016-02-26

刘锟（1983-），男，山东省青岛市人，工学博士，工程师，主要研究方向为船舶结构设计、船舶振动噪声分析。E-mail:rd@chinasws.com