基于SEA的沿海高速客船声振预报与控制

张 娟， 谢建勋

(广东海洋大学 工程学院， 广东 湛江 524088)



基于SEA的沿海高速客船声振预报与控制

张 娟， 谢建勋

(广东海洋大学 工程学院， 广东 湛江 524088)

利用声仿真软件VA ONE中的统计能量分析(Statistical Energy Analysis, SEA)模块对某沿海高速客船进行全船声振预报及隔振降噪分析。通过声仿真软件建立全船声仿真模型，对主机激励和螺旋桨激励下的船舶做初期声振预报，各主要舱室噪声均不符合规范要求。分析不符要求的舱室噪声产生原因，并且利用软件中的噪声控制模块对相应舱室布置隔声材料，隔声效果明显。软件分析结果可作为研究统计能量分析工程人员的参考。

沿海高速客船；声振预报；SEA；噪声控制

0 前言

柴油机、减速器、水泵、螺旋桨等设备在工作状态下会引起船舶振动，在船舶的各个舱段产生不同程度的辐射噪声，影响工作人员的工作及身心健康，因此必须对船舶声振进行计算及控制。若船舶完工后再进行声振计算，将耗费大量时间和财力，如果能在船舶设计阶段对船舶进行声振预报，则能提早发现问题，避免损失。

统计能量分析(Statistical Energy Analysis， SEA)方法是目前船舶系统级舱室噪声分析的唯一手段。VA ONE是法国ESI集团于2005年推出的全频段振动噪声分析模拟环境，它把有限元分析、边界元分析、统计能量分析及其混合分析集中于一个易于进行模拟的环境中。统计能量分析声仿真软件可以在产品设计制造过程中进行辅助分析，可节省大量时间和费用。它克服了有限元软件在设计初始阶段就需要细节资料的缺点，可以在相对粗略的建模基础上提供精确的噪声和振动评估，能解决20～20 000 Hz 的宽频设计问题，准确预测随机和离散噪声混杂的情况。王充等[1]利用VA ONE进行过游艇的声振预报。

本文利用声仿真软件VA ONE中的SEA对某沿海高速客船进行全船声振预报，针对主要的舱室如机舱、舵机舱、驾驶室及客舱进行噪声分析，并对各主要舱室施加隔声材料进行噪声控制(Noise Control Treatment, NCT)，计算结果表明控制效果较好。

1 子系统间的功率流平衡方程

SEA方法将复杂结构划分为若干耦合的子系统，建立了子系统间功率流的平衡方程[2]。功率流平衡方程为

2 SEA建模

2.1 船舶资料介绍

本文的建模对象是某沿海高速客船(见图1)。该船主机采用一台CumminsKTA19-M船用发动机，额定功率为351 kW，额定转速为1 800 r/min，质量为1 838 kg。在确保安全的情况下，尽量控制船舶重量，甲板以下船体部分采用钢材建造，甲板以上的上层建筑采用铝合金建造。主尺度如表1所示。

表1 主尺度 m

图1 客船侧视图

在船体结构的布置方面，主船体在 FR1，FR18，FR52 和 FR61处设置横舱壁。全船共划分为12个舱室，从首到尾依次是：艏尖舱、驾驶室、货舱、一号空舱、客舱、二号空舱、一号燃油舱、二号燃油舱、隔离空舱、淡水舱、机舱、舵机舱。

2.2 建模说明

在建模之前，因统计能量分析的需要，必须提前考虑将结构分成若干个子系统。由于船舶的外板一般都安装纵骨、肋板和纵桁等结构进行加强，因此模型中的实际结构按照加筋板来考虑。本文建立两类模型：(1) 考虑NCT；(2) 不考虑NCT。通过对两类模型预测的结果进行对比，考察阻尼处理的效果。

船舶的结构较为复杂，一般将其分为4种子系统，分别为：梁、板、 声腔和半无限流体。船体板用加筋板进行模拟，各类舱室用声腔模拟，向外辐射的能量用半无限流场来模拟，其中流场中的流体有海水和空气。

统计能量分析对于模型的边界要求不高，模型的边界条件对预报的结果影响很小。因此，可对船舶进行适当的简化：

(1) 不考虑船上的开孔，如门窗。

(2) 上层建筑以近似的长方体代替。

(3) 船体外板上的加强筋以加筋板代替，不再对骨材建模，仅对基座进行建模。

(4) 船体的外板本来是双向的曲面，本次建模中以较小的单向曲面板代替，以减小误差。另外，板厚度(即物理属性)按照规范要求选取。

全船模型(见图2)包括：524个节点，333个板子系统，12个声腔子系统，5个半无限流场。这些子系统之间共建立1 159个连接。

图2 SEA模型

SEA模型主要考虑了船舶的两大激励源：主机和螺旋桨。图3和图4分别为主机和螺旋桨振动加速度级频谱。

图3 主机激励振动加速度级

图4 螺旋桨激励振动加速度级

以上2个振动加速度级均由经验公式得出， 其中主机的振动加速度级是由尼基福罗夫(俄)[3]给出的某些国外柴油机基座处的振动加速度级估算公式计算的：

式中:Lam为主机振动加速度级；ME为发动机质量，kg;NH为发动机额定转速，r/min；NW为发动机工作转速，r/min；PH为额定功率，kW。

螺旋桨的振动加速度级是由李丹[4]提出的估算公式计算的：

La=10+10×log(M·Np)+40×logD+

式中:M为螺旋桨数目；Np为桨叶数；D为桨的直径,m;n为螺旋桨转速。

3 模型分析

3.1 频段选择

统计能量分析一般适用于解决高频区的复杂系统动力学问题。根据模型中的子系统在单位带宽Δf内的模态数N可将频率范围划分为低频区、中频区、高频区[5]。

计算后发现，对于各声腔子系统，在200Hz以上的模态数均满足高频要求，随着频率的增加而增加；对于加筋板子系统，在200～1 000Hz，模态数存在着波动，但大部分子系统都能满足高频模态的要求，频率超过1 000Hz后，都能满足高频模态数的要求，也就是说，整个系统在200Hz以上时基本处于高频区。除个别较小板外，总体上加筋板的模态数依然是随频率增加而增加的。各声腔子系统在2 000Hz以上时，已经明显超过共振频率，因此决定选取200～8 000Hz作为分析频域。各子系统中，声腔的模态数最多，因而其贮存的能量最多，声压级也越大。

3.2 计算结果

经过计算,机舱、舵机舱、驾驶室及客舱的声压级计算结果如表2所示。

由表2可知，在200～2 000Hz：客舱的最大声压级为88dB，均值84.5dB；驾驶舱的最大声压级为77.1dB，均值73.9dB；机舱的最大声压级为100dB，均值96dB；舵机舱的最大声压级为95.4dB，均值93dB。这些数值均不能满足规范要求，需采取必要的措施来减小声压级。

表2 各舱声压级

4 噪声控制

4.1 振动功率流传播规律

计算发现，输入功率最大的3个子系统分别是淡水舱与客舱之间的甲板、机舱前端(FR18) 处的横舱壁及机舱处甲板。因此，主要针对这3个子系统进行阻尼处理。

驾驶室输入功率最大的是驾驶室与客舱之间的舱壁。出现这种情况的可能性是振动能量在纵向传播时，由于船体存在许多肋板，使得能量沿纵向传递要比沿舱壁垂直向上传递消耗更多。

图5 显示的是在1 000 Hz 时，板子系统之间的能量流动图，箭头越大代表流过连接的能量值越大。

图5 能量流动图

在基座处的板子系统之间能量流动值最大。在机舱段，能量流动主要在基座纵桁两侧沿着舷侧垂直向上。另外，两基座纵桁的能量非常小，说明强力构件对振动传播的影响很大。

在机舱前端(FR18)横舱壁处，沿着内底板流动的能量要大于沿着舱壁向上流动的能量，横舱壁的加筋要大于内底板，这进一步说明振动能量沿着较小刚度构件传递时会更容易一些。因此，增强结构的刚度对于减小振动能量的传递应该是非常有效的。

从FR15 处传到FR18 处的能量值与舷侧之间的能量值相近，说明能量纵向传递衰减值要大于沿着舷侧垂直向上的衰减值，这也说明了肋板之间的振动能量损耗较大。

从以上分析可以得出如下规律：一部分振动能量在基座纵桁处，沿舷侧向上传递到甲板和上层建筑；另一部分振动能量则沿着船底传递到FR18处的横舱壁，在横舱壁处能量又分开2部分，大部分沿着舱壁向上，传递到客舱甲板后，其中的一部分又沿着客舱甲板传递。从以上现象可以看出，构件越多，刚度越大，能量的损耗也越大，换句话说，能量流动偏向于刚度较小的板子系统。

4.2 噪声处理(NCT)

SEA 中可以自定义NCT。SEA 中计算阻尼控制处理措施效果是不是从声腔传递到板时，可在AcousticCavity对话框中勾选Absorption From Noise Control Treatment。若是能从板传递到声腔，在Flat Plate对话框中勾选Damping From Noise Control Treatment。这样能确保阻尼控制处理的效果被计算出来[6]。

对各个部位的阻尼控制处理材料如表3所示。

表3 各部位噪声处理材料

4.3 噪声控制结果

加入NCT处理之后，各舱室的声压级如图6和图7所示。从图6中可以看出：在200～2 000 Hz，客舱的声压级均值为64.6 dB，驾驶室的声压级均值为55 dB；客舱在300 Hz以下时，还不能满足要求。驾驶室仅在一个频率范围内不满足要求，基本可认定为满足要求，这是由于之前已提过，没有考虑过驾驶室内的装饰对声学传播特性的影响。另外，就目前的情况而言，由于没有详尽考虑各种情况，也没有实测数据，因此，即使再次进行处理也没有很大的使用价值。

图6 客舱和驾驶舱加NCT前后舱室声压级比较

图7 机舱和舵机舱加 NCT 前后舱室声压级对比

从图7中可看出一个比较明显的现象，在300 Hz以后，随着频率的增加舱室的声压级迅速减小，说明之前所施加的阻尼控制处理措施在300 Hz以后效果明显。这也符合一般材料内损耗因子和吸声系数随频率升高而升高的规律，且低频噪声递减速度慢，声波长，易穿透障碍物。

5 结论

通过上述的计算分析可以得出以下结论：

(1) 本文通过分析SEA中能量流分布规律判断需要添加阻尼材料的部位，计算证明判断准确，噪声控制效果明显，添加阻尼材料后，在200～1 000 Hz时，舱室噪声差值平均为10～15 dB；在1 000～8 000 Hz时，舱室的噪声差值平均为20～30 dB。

(2) 对舱室添加NCT后可以有效降低舱室噪声，但是如何达到最佳的控制效果还需要进行进一步的理论分析和试验验证。

[1] 王充，刘月琴，陈超核.100 ft 豪华游艇典型舱室噪声预报与控制[J].船海工程，2016，45(1):26-31.

[2] 施引，朱石坚，何琳. 船舶动力机械噪声及其控制[M].北京：国防工业出版社，1990.

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

[4] 李丹.船舶舱室噪声预示的统计能量分析研究[D].大连:大连理工大学,2003.

[5] 汪涛.统计能量分析原理及其应用[M].北京：北京理工大学出版社,2006.

[6] 国际海事组织.船上噪声等级规则[S].2012.

Vibro-Acoustic Prediction and Noise Reduction in CoastalHigh-Speed Passenger Ship Based on SEA

ZHANG Juan， XIE Jianxun

(Department of Engineering, Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524088， Guangdong， China)

The Statistical Energy Analysis(SEA) of VA ONE software is used to analyze the vibro-acoustic prediction and noise reduction of the coastal high-speed passenger ship. The overall 3D simulation model of the ship which is excited by main engine excitation and propeller excitation is built and calculated by AUTOSEA2. According to the calculation results, necessary Noise Control Treatment (NCT) such as Melamine foam and so on is added to some structure subsystems like passenger cabin, engine room, cockpit and rudder engine room where the value of input power is bigger, and it is found that NCT is effective to reduce noise.

coastal high-speed passenger ship；vibro-acoustic prediction； SEA； Noise Control Treatment(NCT)

广东省大学生创新创业训练计划(编号：201410566083)，广东省“创新强校工程”青年人才项目(编号：2015KQNCX053，GDOU2015050240)

张 娟(1984-)，女，讲师，研究方向为工程结构物静动态分析

1000-3878(2017)03-0088-05

U661

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