船舶声学包性能及配置优化设计

杨德庆，许子璇，高处

1高新船舶与深海开发装备协同创新中心，上海200240 2上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海200240 3上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海200240

船舶声学包性能及配置优化设计

杨德庆1，2，3，许子璇1，2，3，高处1，2，3

1高新船舶与深海开发装备协同创新中心，上海200240 2上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海200240 3上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海200240

［目的］声学包是通过对基体材料、阻尼材料、吸声材料和隔声材料的组合设计，完成预定降噪效果的声学部件，是未来船舶舱室低噪声设计的关键技术。［方法］提出一种声学包性能评估的统计能量数值模型，用于解决船用声学包设计与快速评估问题。建立声学包选型及其在舱室中的配置优化设计模型及数学列式，采用遗传算法求解声学包选型与配置优化问题。［结果］通过实例，验证了所提出模型及设计方法的有效性。［结论］研究成果对于实现声学包优化设计工作的标准化和程序化，有效减少声学包降噪设计成本具有参考价值。

舱室降噪设计；声学包；声学布局优化；遗传算法

0 引 言

随着绿色船舶设计技术的发展，对船舶舒适性能的要求越来越高，船舶减振降噪设计技术受到普遍重视。国际海事组织（IMO）从2014年7月1日开始采用更严格的强制性船舶舱室噪声标准，现有的舱室降噪设计方法难以满足舱室低噪声要求。有效降低船舶舱室噪声及降噪成本，已成为世界造船企业共同关注的问题，成为船舶设计领域重大的研究课题［1-3］。采用声学包降噪技术解决舱室低噪声设计问题是未来的发展方向。声学包是由基体材料、阻尼材料、吸声材料和隔声材料等组合而成，完成预定减振降噪效果的类似层合板的声学部件（图1）［4-6］。船舶舱壁为大型板格结构，非常适合声学包降噪技术的应用，但目前在船舶设计领域应用还不多，缺少相关标准化的评估、设计及制造方面的理论和方法。鉴于此，本文将开展声学包快速数值评估、设计及优化布置方法研究，以便合理设计及布置声学包，降低船舶舱室噪声，达到以最低成本获到最佳降噪效果的目标，实现声学包优化设计的标准化和程序化。

图1 4种声学包方案示意图Fig.1 4 kinds of sound packages

1 声学包设计与降噪效果评估方法

在船舶早期设计阶段设计并使用声学包，对其降噪效果进行预测，可减少降噪成本，提高设计效率，提高船舶市场竞争力。本文首先提出声学包声学性能快速预测的数值模型，为保证数值模型计算的准确性，需要根据船舶结构的声学特点，选用合理的声学理论进行分析并通过实验测试验证。

1.1 声学包降噪效果快速数值评估模型

针对不同频谱特性的噪声源，在声学包设计中必须选择相应的声学材料及降噪方法，对声学包中各层材料进行声学性能设计，隔声量是声学包整体降噪效果的衡量指标。声学包设计中使用的降噪处理方法有隔声、吸声和阻尼减振等。常用的吸声材料有毛毡、玻璃纤维和泡沫等，常用的减振阻尼材料包括橡胶、高分子阻尼材料和塑料阻尼板等。声学包是减振降噪材料、面板材料及基体材料的组合，不同材料组合会导致不同的声学性能，因此需要针对不同降噪要求设计合适的声学包。评估声学包声学性能的主要手段是实验测试与数值分析。国际标准化组织（ISO）颁布了单层板材隔声量测量标准［7］，其具体规定是：隔声量的测量需要两个形状不能完全相同、体积都不小于50 m3的混响室，体积差应大于10%，试样面积为10 m2，待测量的声学板材布置在两个混响室组成的声管中间，声腔其它表面均绝缘。在其中一个声腔（混响室）中放置声源，测量另一个声腔（混响室）的声压大小，两个声腔的声压差即为板材的隔声量。实际应用中，驻波管是较为常用的替代方法［8］。

根据上述板材隔声量测试标准，本文提出一种基于统计能量法的声学包降噪效果快速数值评估模型［9］。该声学包降噪效果数值评估模型利用VA One声学软件建立，模拟ISO测量标准中的混响室声学环境，建立体积分别为60和50 m3、形状不同的两个声腔代表混响室，声腔之间由单层板（7 mm厚钢板）隔开，板材面积为10 m2，在板材处布置声学包，声腔其它表面均绝缘处理，不接触任何物体。在体积为60 m3的声腔中放置标准声源，标准声源在频率下均保持1 Pa的混响声压值（折算为94 dB），数值计算另一个声腔的声压大小，两个混响室的声压差即为声学包的隔声量（图2）。将各种声学包结构设计方案在数值评估模型中分别计算，得到隔声量预测结果对比曲线，从成本及降噪效果等方面优选声学包并用于降噪设计。

图2 声学包降噪效果数值评估模型Fig.2 Numerical evaluation model of the noise reduction effect of sound package

图1所示是本文设计的4种声学包，声学包中基体材料、吸声材料和隔声材料的特性参数如表1所示，4种声学包设计各自有不同的结构特点（表2）。方案S1和方案S2是多层吸声与隔声的组合结构，整体结构较为复杂，制造成本相对较高。方案S3和方案S4的结构较为简单，制造成本相对较低。在实际应用中，不仅要考虑声学包的降噪效果，还要考虑其重量、厚度和成本等，综合考虑这些因素才能确定最终选定的声学包结构设计方案。

表1 声学包中材料的特性参数Table 1 Material parameters in sound package

表2 声学包结构设计方案参数Table 2 Design parameters of different sound packages

1.2 声学包降噪效果评价

采用快速数值评估模型对上述4种声学包结构方案进行计算，所得到的声学包整体隔声量预测结果对比曲线如图3所示。根据图3分析可知，方案S1和方案S2的整体降噪效果优于方案S3与方案S4。方案S3和方案S4的降噪效果相近，方案S1在中频段的降噪效果较好，方案S2在高频段的降噪效果较好。由于统计能量方法的局限性，本模型的有效计算频段为100～8 000 Hz，图3中，在低频段（小于100 Hz）的隔声量预测不准确。计算表明，本文数值模型在小于100 Hz的低频段，子系统单位带宽模态数小于5，而采用统计能量法时为了保证计算精度，单位带宽模态数必须大于5。所以，本文模型不适用于100 Hz以下低频段的统计能量分析。

图3 4种声学包隔声量预测曲线Fig.3 Sound insulation prediction of 4 kinds of sound packages

不同声学包结构设计方案下噪声能量分布云图如图4～图8所示。

图4 噪声能量分布云图（无声学包）Fig.4 Energy distribution fringe of noise（without sound packages）

图5 噪声能量分布云图（方案S1）Fig.5 Energy distribution fringe of noise（Plan S1）

图6 噪声能量分布云图（方案S2）Fig.6 Energy distribution fringe of noise（Plan S2）

图7 噪声能量分布云图（方案S3）Fig.7 Energy distribution fringe of noise（Plan S3）

图8 噪声能量分布云图（方案S4）Fig.8 Energy distribution fringe of noise（Plan S4）

以上噪声能量分布图的计量单位均为dB（A），基准声压为2×10-5Pa，且均为总声压级。

2 声学包舱室配置优化设计模型

在声学包降噪效果快速评估与设计的基础上，研究声学包在船舶舱室中的配置优化问题更加重要。船上舱室数量较多，若不加区分大量使用声学包将会提高降噪成本，因此必须考虑采用拓扑优化配置方法。

2.1 声学包选型及配置优化模型的数学列式

针对某油轮上层建筑舱室降噪的声学包配置设计问题，建立了如图9所示的统计能量数值模型［10］，以该模型为例展示声学包配置优化设计的具体方法。模型中，每个舱室为边长3 m的立方体声腔，舱壁为7 mm厚钢板，共有22个声腔子系统，91个板子系统，均为统计能量子系统。计算了模型中各子系统的噪声及振动，其中红色声腔为声源所在舱室，蓝色声腔为待控制目标舱室，舱壁板材表面可以布置声学包。舱室声学包选型及配置优化设计，就是通过优化声学包在各个舱室的声学包布放类型以及数量，实现使用最少数量的声学包，使目标舱室声压满足规范要求，达到预期降噪效果的目标。在实际优化设计中，为减少声学包使用数目，声学包配置设计只在噪声主传递路径族中进行。

图9 声学包选型与配置优化设计统计能量模型Fig.9 SEA model of sound package optimal allocation design

声学包选型及配置优化设计模型的数学列式如下：

2.2 优化算法

对优化模型数学列式（1）的求解，本文采用麻省理工学院的开源C++遗传算法库（Genetic Algorithms Library，GAlib）［11］。优化设计模型中，每个板子系统表面均可布置声学包，代表设计变量的染色体采用一维数组表示，数组中的每个元素代表声学包配置的状态。本文算例有4种类型声学包可供选择，数组中每个元素的可能取值为0，1，2，3，4，分别代表 5种不同的声学包配置状态。91个板子系统的内、外表面都设定为可加声学包，则染色体长度为182（图10）。选用GAlib库中的稳态遗传算法求解式（1）所示的优化列式。

图10 染色体一维数组示意图Fig.10 One-dimensional array representation of chromosome

优化计算中，遗传算法的杂交概率设置为1，变异概率设置为0.01，具体参数如表3所示。

表3 遗传算法参数设置Table 3 Genetic algorithm parameters

优化中目标函数（适应度函数）如式（2）所示。

式中，η为惩罚因子。

当使用的声学包数量不大于指定数目M时，η取为1，不降低该染色体的适应度。否则，η取为一个小于1的常数。适应度函数最大值为1，对应于目标舱室的实际计算声压等于目标声压的情况。实际优化设计中，计算声压与目标声压不可能完全一致，故适应度不可能取到1，只能接近1。

关于优化迭代终止准则，本算例优化过程的终止准则为遗传代数达到上限N，或种群中最佳个体的适应度大于F（令F=0.999）。F=0.999时声压值目标函数约为0.03 dB（A），或目标舱室声压值误差在［-0.03，0.03］dB（A）区间内，该误差符合降噪设计要求。

3 算例结果与讨论

根据提出的声学包选型与配置优化模型及解法，开发了相应的优化设计程序，并通过算例验证了方法的有效性。针对图9所示声学包配置优化设计问题，共有4种声学包可供选择，故k=4；模型中共有91个待加装声学包的板子系统，故n=91；模型中有一个目标舱室的声压值需要控制，故d=1。限定可使用的声学包数目为10个，即M=10。得到如式（4）所示的声学包选型和配置优化数学列式。

3.1 噪声主要传递路径分析

噪声源噪声可以通过很多路径传递到目标舱室，而通过主要传递路径传递的能量占很大比例，因此在船舶声学设计中，分析噪声主要传递路径非常重要。VA One软件提供了用能量法求解噪声主要传递路径的功能。高处和杨德庆［10］提出了一种采用声振熵赋权图法寻找噪声主要传递路径的方法。该方法将统计能量分析系统类比于热力学系统，引入了声学振动温度和声学振动熵的概念，结合图论中的赋权有向图最短路径方法，可较为简便快捷地分析噪声主要传递路径。

在得到噪声主要传递路径后，便可根据不同路径的能量分布情况，有针对性地布置声学包，达到最佳降噪效果。若噪声主要传递路径所占的能量相对于总体较小，还可引入噪声主要传递路径族的概念，亦即找到噪声传递的多条主要路径，在噪声主要传递路径族上采取降噪措施。通过能量法和声振熵赋权图法找到的2条噪声主要传递路径，如图11所示。

图11 能量法和声振熵赋权图法的噪声主要传递路径Fig.11 Dominate sound transmission paths by energy method and vibroacoustic entropy weighted graph method

3.2 声学包配置优化结果

种群数P取为100，遗传代数N取为200，目标舱室声压控制值为40 dB（A），假定在全部位置均可布置声学包。针对声振熵赋权图法给出的噪声主要传递路径进行声学包配置设计，当种群中最佳个体的适应度值达到0.999时，优化解满足误差要求，优化迭代终止。声学包选型及配置优化结果如图12所示，图中绿色板为未布置声学包的板，暗黄色的板为已布置声学包的板，目标舱室最终声压值为39.97 dB（A）。

针对能量法给出的噪声主要传递路径进行声学包配置设计，当遗传代数达到200时，种群中最佳个体的适应度值达到0.998，优化迭代计算终止。声学包配置优化结果如图13所示，目标舱室最终声压值为39.96 dB（A），接近指定值。

图12 针对声振熵赋权图法找到的噪声主要传递路径的声学包配置优化设计结果Fig.12 Optimal design of sound package allocation for dominate sound transmission path by vibroacoustic entropy weighted graph method

图13 针对能量法找到的噪声主要传递路径的声学包配置优化设计结果Fig.13 Optimal design of sound packageallocation for dominate sound transmission path by energy method

4 结 语

声学包在船舶舱室低噪声设计中具有广阔的应用前景。本文研究了船用声学包的快速评估方法，以及声学包在船舶舱室中的选型及优化配置理论。所建立的声学包性能快速数值评估统计能量数值模型适用于中高频域，可弥补基于实验测试的声学包设计优化方法的低效性及高成本。提出的声学包选型及其在舱室中的配置优化设计模型可以较好地实现舱室降噪工程设计，基于遗传算法的声学包设计与配置优化求解策略适应面广，便于工程应用。未来进一步的工作应关注于低中频域声学包性能快速评估及设计方法。

［1]王世明.绿色船舶的现状和发展前景分析［J］.中国造船，2008，49（增刊1）：48-57.WANG S M.The analysis on present situation and de⁃velopment prospect for green ship［J］.Shipbuilding of China，2008，49（Supp 1）：48-57（in Chinese）.

［2]中国船级社.船舶及产品噪声控制与检测指南［M］.北京：中国船级社，2013.China Classification Society.Guidance on noise control and testing of ships and products［M］.Beijing：China Classification Society，2013（in Chinese）.

［3]杨德庆，朱金文.船舶舱室总体声学布局优化设计通用模型及解法［J］.中国造船，2014，55（2）：38-48.YANG D Q，ZHU J W.A general model for ship cab⁃ins acoustic layout optimization design and its solution method［J］.Shipbuilding of China，2014，55（2）：38-48（in Chinese）.

［4]苏朝勇.基于VA One的声结构优化系统的二次开发［D］.大连：大连理工大学，2009.SU Z Y.Secondary development of structural vibra⁃tion-acoustic optimization based on VA One［D］.Da⁃lian：Dalian University of Technology，2009（in Chi⁃nese）.

［5]SAHA P.Future trends in the automotive sound pack⁃age industry［J］.The Journal of the Acoustical Society of America，2001，109（5）：2368-2369.

［6]康洪军，蒋维钢.声学包仿真技术在高速综合检测列车降噪设计上的应用与实践［J］.铁道车辆，2012，50（4）：17-21.KANG H J，JIANG W G.Application and practice of the sound package simulation technology in the noise reduction design of the high speed comprehensive in⁃spection trains［J］.Rolling Stock，2012，50（4）：17-21（in Chinese）.

［7]HOPKINS C.ISO 16283-1 acoustics-field measure⁃ment of sound insulation in buildings and of building elements-Airborne sound insulation［J］.Journal of the Acoustical Society of America，2014，56（6） ：1801-1804.

［8]朱蓓丽，罗晓辉.驻波管中的隔声量测试方法［J］.噪声与振动控制，2002（6）：41-43.ZHU B L，LUO X H.Measurement of the sound trans⁃mission loss in the standing wave tube［J］.Noise and Vibration Control，2002（6）：41-43（in Chinese）.

［9]高处.船舶舱室声学优化设计理论与方法研究［J］.上海：上海交通大学，2015.GAO C.Optimization theory and methods of ship cab⁃ins acoustics desigh［D］.Shanghai：Shanghai Jiao Tong University，2015（in Chinese）.

［10]高处，杨德庆.船舶舱室噪声传递路径分析的声振熵赋权图法［J］.上海交通大学学报，2014，48（4）：469-474.GAO C，YANG D Q.Vibroacoustical entropy weight⁃ed graph method for sound transmission path analysis of ship cabin noise［J］.Journal of Shanghai Jiaotong University，2014，48（4）：469-474（in Chinese）.

［11]WALL M.GAlib—a C++library of genetic algorithm components［EB/OL］.（1996-08-01）［2017-03-01］.http：//lancet.mit.edu/ga/.

Acoustic performance design and optimal allocation of sound package in ship cabin noise reduction

YANG Deqing1，2，3，XU Zixuan1，2，3，GAO Chu1，2，3
1 Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration，Shanghai 200240，China 2 State Key Laboratory of Ocean Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China 3 School of Naval Architecture，Ocean and Civil Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China

The sound package in noise reduction design of ship cabins has become the main approach for the future.The sound package is a specially designed acoustic component consisting of damping materials,absorption materials,sound isolation materials and base structural materials which can achieve the prescribed performance of noise reduction.Based on the Statistical Energy Analysis（SEA）method,quick evaluation and design methods,and the optimal allocation theory of sound packages are investigated.The standard numerical acoustic performance evaluation model,sound package optimization design model and sound package optimal allocation model are presented.A genetic algorithm is applied to solve the presented optimization problems.Design examples demonstrate the validity and efficiency of the proposed models and solutions.The presented theory and methods benefit the standardization and programming of sound package design,and decrease noise reduction costs.

noise reduction design of cabins；sound package；acoustic layout optimization；genetic algorithm

U661.44

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2017.04.006

http://kns.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20170727.1027.026.html期刊网址：www.ship-research.com

杨德庆，许子璇，高处.船舶声学包性能及配置优化设计［J］.中国舰船研究，2017，12（4）：35-40，54.

YANG D Q，XU Z X，GAO C.Acoustic performance design and optimal allocation of sound package in ship cabin noise reduction［J］.Chinese Journal of Ship Research，2017，12（4）：35-40，54.

2017-03-10< class="emphasis_bold">网络出版时间：

时间：2017-7-27 10:27

国家高技术船舶科研计划资助项目（2012-533）；国家自然科学基金资助项目（51479115）

杨德庆（通信作者），男，1968年生，博士，教授，博士生导师。研究方向：船舶结构减振降噪理论与方法。E-mail：yangdq@sjtu.edu.cn