集滚船上建舱室噪声预报及声学优化设计

万忠,王佳颖,范志毅

(1.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240；2.沪东中华造船(集团)有限公司，上海 200129)



集滚船上建舱室噪声预报及声学优化设计

万忠1,2,王佳颖2,范志毅2

(1.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240；2.沪东中华造船(集团)有限公司，上海 200129)

以某集装箱滚装船为研究对象，对多源激励下上层建筑内典型舱室噪声进行预报，分析不同类型的噪声成分对上建舱室的影响。结果表明，机舱区域的机械设备对上建舱室的噪声水平影响较小，而上建区域的机械设备和空调通风系统对于上建舱室的噪声水平起主要决定作用。通过分析超标舱室的主导噪声源成分和传递路径，提出对应声学优化方案，保证舱室噪声满足技术规范要求。

集滚船；噪声预报；统计能量法；能量法；降噪设计

现代船舶的设计与建造在追求更高安全性和经济性的同时还格外注重舒适性的提升，舱室噪声作为评判船舶舒适性的一个重要指标越来越得到重视。在设计阶段开展噪声预报分析，并采取对应降噪措施，可以提前消除噪声超标隐患，提升设计和建造质量[1]。

船舶噪声预报是一个复杂的工程声学问题，舱室数量众多，设备种类繁多，在预报时需要考虑不同噪声成分对目标舱室的影响。此外，部分船舶在总体设计时倾向于将上层建筑远离机舱布置，对于此类船舶，除了需要注意机械噪声通过空气辐射和结构传递对上建舱室的影响之外，空调通风管路噪声对于上建舱室的影响也比较突出，对于此类将上层建筑布置于船体中部的船舶，噪声预报相关研究工作较少报道。

关于船舶机械噪声的分析方法主要包括：有限元法、边界元法和统计能量法(SEA)等[2]。其中统计能量法具有模型简单、计算量小、适应频带宽的特点，比较适合宽频、高模态密度的复杂系统的耦合动力学问题分析[3]，在船舶及海工产品的噪声预报分析中应用比较广泛[4-5]。关于空调通风管路噪声的预报分析，目前也有相关学者总结了基于理论计算和试验的能量法，并在具体工程项目中应用[6-7]。

本文以沪东中华造船(集团)有限公司自主研发的载重量45 000 t集装箱滚装船为研究对象，进行噪声预报分析，分别基于统计能量法、能量法分析机械噪声与上建空调通风管路噪声，分析不同类型的噪声成分对上层建筑典型舱室的贡献，最终针对噪声超标舱室提出相应的声学优化设计方案。

1 舱室机械噪声分析

1.1 统计能量法原理

统计能量法以统计物理学原理为理论基础，其基本出发点是将一个完整的系统离散成若干个耦合子系统，在外界激励作用下子系统间进行能量交换，根据能量守恒原理建立整个系统的能量平衡方程。对于具有N个子系统的系统，可以建立如式(1)所示的能量平衡方程。

(1)

式中：ω为分析带宽的中心频率；ηi和ni为子系统i的内损耗因子和模态密度；ηik为能量从子系统i传至子系统k的耦合损耗因子；Ei和Pi分别为子系统i的能量和外界对子系统的输入功率。

通过求解能量平衡方程得到每个子系统的能量Ei，进而得到各个子系统的声振参数。对于闭空间声场子系统，其声压均方值为

(2)

式中：Zc为闭空间声场的声阻抗；Mi为闭空间声场的空气质量。

1.2 统计能量模型建立

根据总布置图和结构图纸，采用CABIN-NOISE软件建立统计能量模型。对于甲板、舱壁、肋板和外板等结构以带加强筋的板子系统进行模拟，对于主要舱室以声腔子系统进行模拟，对于门、窗及其他小开口采用邻近的板进行模拟。

采用统计能量法分析计算的关键在于对复杂系统的内损耗因子、耦合损耗因子和模态密度的准确模拟确定[8]。本文所采用的内损耗因子主要基于此前船舶产品噪声预报实例的经验值进行确定。子系统之间的耦合损耗因子由软件自动进行计算。在划分子系统时注意简化不必要的构件，以保证子系统的模态密度在分析频段内满足模态密度要求。建立完成的统计能量模型见图1。

图1 全船统计能量模型

1.3 主要噪声源设备

船舶在正常航行时，主要的机械噪声来自主机、发电机、螺旋桨等设备产生的空气辐射噪声和结构噪声。本船采用1台Wartsila-8RTflex68D主机，4台Yanmar EY26LW柴油发电机组和1部4叶螺旋桨，这些设备均布置于机舱区域。

上建区域的主要机械设备包括：用于上建舱室通风的空调机组和布置于上建周围甲板上用于货舱通风的货舱风机。

通过设备厂商获得主机、柴油发电机、空调机组和风机的空气辐射噪声参数，同时获取主机和螺旋桨的结构噪声参数，上述设备的空气辐射噪声参数和结构噪声参数分别见图2、3。

图2 主要机械设备空气辐射噪声参数

图3 主要机械设备结构噪声参数

1.4 机械噪声分析结果

分3种工况计算机械噪声：①只有机舱区域的机械设备工作，模型中包含主机、发电机、螺旋桨等声源激励；②只有上建区域的机械设备工作，模型中包含货舱风机和空调机组等声源激励；③所有机械设备均正常工作，所有机械设备噪声参数均加载于模型中。

工况1和工况2下全船舱室声压分布见图4、5。部分舱室在所有机械设备正常工作状态下机械噪声预报值见表1。

图4 全船舱室声压分布云图(工况1)

图5 全船舱室声压分布云图(工况2)

表1 典型舱室机械噪声预报结果 dB(A)

由表1可知：①全船的高噪声舱室主要分布于机舱附近，上建区域的机械噪声相对较低。但由于上建舱室的噪声标准相较于机舱区域更为严苛，需要特别重视上建区域的机械噪声的控制；②机舱区域的设备影响范围主要集中于机舱附近，对于上建舱室噪声的影响较小；③与之类似，上建区域的机械设备主要影响上建附近的舱室噪声，对于机舱区域的影响较小。对于该船而言，上建舱室声学设计优化应重点关注上建区域机械设备噪声的控制。

2 空调通风管路噪声分析

2.1 分析原理

空调机组和风机的噪声除透过机壳进行传播以外，还可通过通风管路传播至相关舱室，在每个舱室风口形成一个声源，影响到舱室内噪声水平。

采用能量法分析该船上层建筑区域主要舱室的空调通风管路噪声。噪声随气流自风机出口进入风管系统，经阀门、管路分支、弯头、消声器等管路构件的衰减后通过布风器作为声源点传入房间。由空调通风管路进出风口辐射噪声所引起的房间内声压级主要按式(3)进行计算，相关元件的衰减参数通过试验测量或者查阅相关手册获取。

(3)

式中：Lpj为距风口r处的声压级；Lwj为声源传入管路的声功率级；ΔLwj为声源至舱室的管路中所有元件总声衰减值；ΔLoj为舱室噪声衰减值。

2.2 通风管路噪声模型建立

该船上建区域的通风系统分为主送风和厨房送风2个独立的管路系统，对于会议室、健身房、医务室、洗衣室和餐厅等舱室设置了抽风系统。采用CABIN-NOISE软件分别建立各管路系统的噪声分析模型，在模型中依次输入相关噪声源参数、元件的衰减参数和目标舱室的相关参数。上建空调通风管路的部分噪声模型见图6。

图6 空调通风管路噪声模型(部分)

计算空调通风管路噪声主要考虑的声源设备包括中央空调机组、厨房空调机组和抽风机等。上述设备传入通风管路的声功率级参数见图7。

图7 空调通风管路分析主要声源设备参数

2.3 通风管路噪声预报结果

部分上建舱室的空调通风管路噪声的预报结果见表2，由预报结果可知大部分舱室的空调通风管路噪声级主要集中于41～49 dB(A)。

表2 典型舱室空调通风噪声分析结果 dB(A)

3 不同类型噪声成分对上建舱室影响

上建居住舱室占全船舱室总数量的60%以上，也是全船噪声控制要求最高的区域。

根据机械噪声和空调通风噪声的预报分析结果，整理2种噪声成分对比见图8。可见：①驾驶室、船长室、大副室、中级船员室等舱室的机械噪声明显高于空调通风管路噪声；②对于健身房、会议室和餐厅而言，空调通风管路噪声与机械噪声基本处于同一水平，甚至高于机械噪声。

图8 上建典型舱室两种噪声对比

这主要是因为驾驶室、船长室、大副室和中级船员室主要布置于上建区域外围，距离货舱风机较近，受货舱风机的噪声影响较大。而会议室、健身房和餐厅主要布置于远离机械设备的上建中间区域，受外围舱室和走廊等结构的衰减影响，机械噪声处于相对较低的水平，此时空调通风管路噪声对于这些舱室噪声水平的影响占主要因素。

因此，对于邻近主要机械设备的舱室，机械噪声对于其舱室水平起到主导作用。而对于远离机械设备的舱室，机械噪声和空调通风噪声对其舱室噪声水平起到同等的影响作用，对于此类舱室的噪声分析需要考虑空调通风管路噪声的影响。

4 超标舱室声学优化设计

综合机械噪声和空调通风噪声的预报结果，得到上建舱室的最终噪声预报结果。限于篇幅，列出7个典型舱室的噪声预报结果和技术规范(MSC.337决议)中对于该类型舱室噪声级的限值要求见表3。

表3 典型舱室噪声预报结果 dB(A)

由表3可知，除中级船员室外大部分舱室的噪声水平均满足MSC.337决议中对于舱室噪声级的要求。为了分析判断中级船员室的主要噪声源，整理该舱室主要噪声源单独工作时的舱室声压级频谱分布见图9。由图9可知，该舱室的主要噪声源是货舱风机的机械噪声。

图9 中级船员室主要噪声成分频谱分布

对该舱室进行声学设计优化。

1)考虑降低声源设备的噪声水平，受设计和生产进度所限更改风机型号不太现实，经过与厂商沟通，在风机外部增加隔声罩；同时在隔声罩内部安装吸声材料(见图10)。测试表明，该方案可以将货舱风机的噪声水平降低8～11 dB。

图10 风机加装隔声罩后的外观

风机增加隔声罩前后中级船员室的声压级对比见图11，由图11可知隔声罩的安装将使该舱室的噪声水平得到明显改善，从安装隔声罩之前的56 dB(A)减少为47 dB(A)，舱室噪声水平相较于初始设计方案降低了9 dB(A)。

图11 风机隔声罩增强前后舱室噪声频谱图

2)考虑提高噪声主要传播路径的隔声量，在中级船员室与右舷货舱风机组之间的舱壁上附加岩棉等绝缘材料。以容重为120 kg/m3的岩棉为例，对比厚度分别为20、40、60、80和100 mm的5种规格岩棉材料的降噪效果。舱壁安装不同厚度的岩棉材料后中级船员室的声压级对比见图12。由图12可知，岩棉材料的安装将使得中级船员室的噪声水平明显降低，但是降噪效果的增加幅度随着岩棉厚度的递增而逐渐降低。当岩棉厚度达到60 mm后，该舱室声压级为49.8 dB(A)，能够满足技术规范的要求。

图11 中级船员室噪声级随岩棉厚度变化示意图

通过与船东沟通，综合考虑隔声、隔热的要求，最终采取货舱风机增加隔声罩；同时在舱室外围壁上安装60 mm厚的岩棉材料的方法做为本船上建舱室的主要声学处理方案。在此方案的基础上，对声学优化后的典型上建舱室的噪声进行评估分析，结果见表4。所有舱室噪声水平均能满足MSC.337决议的要求。

表4 优化设计后典型舱室噪声预报值与实测值对比

在该船的首制船试航期间，由经过认证，具备船舶噪声测量资质的第三方机构技术人员采用丹麦B&K2250噪声测量仪按照MSC.337(91)决议的相关要求对该船主要舱室的噪声水平进行测量。

由表4中重点舱室噪声预报结果与实测结果的对比情况可知，预报值与实测结果偏差均低于10%，满足工程精度要求。

5 结论

1)集滚船机舱区域的机械设备对于上建舱室噪声的影响较小，上层舱室的噪声控制需重点关注布置于上建周围的机械设备的影响。

2)对于邻近主要机械设备的上建舱室，机械噪声对于决定舱室水平上起主导作用。而对于远离机械设备的上建舱室，机械噪声和空调通风噪声对其舱室噪声水平起到同等的影响作用，对于类似该集滚船布置形式的上建舱室的噪声分析需要考虑空调通风管路噪声的影响

3)对于噪声超标的舱室，通过分析主要噪声成分和传播路径可以针对性的提出声学优化设计方案。通过降低主要噪声源噪声水平和增加舱壁绝缘材料均可以有效降低改善舱室的噪声水平，在实船项目中需要综合考虑。

4)计算分析结果与实测测量结果比较吻合，具有一定的工程应用价值。所提及的噪声计算分析方法和声学优化设计思路可供同类型船舶的噪声预报分析和声学优化设计参考。

[1] 中国船级社.船舶及产品噪声控制与检测指南[S].北京：中国船级社，2013.

[2] 温华兵.船舶振动噪声预报与结构声学设计[M].北京：国防工业出版社，2015.

[3] 吴刚，杨德庆.大型集装箱船振动及噪声数值计算建模方法研究[J].振动与冲击，2008，27(5)：68-72.

[4] 吴文伟，殷学文.大型油船舱室噪声评估与控制[J].船舶力学，2014,18(12)：1524-1533.

[5] 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.

[6] Chartered Institution of Building Services. CIBSE Guide B: Heating, ventilating, air conditioning and refrigeration[M].2005.

[7] 马大猷.噪声与振动控制工程手册[M].北京：机械工业出版社，2002.

[8] 姚德源，王其政.统计能量分析原理及其应用[M].北京：北京工业大学出版社，1995.

Noise Prediction and Optimization of Accommodation Cabins for a Con-Ro Vessel

WAN Zhong1,2, WANG Jia-Ying2, FAN Zhi-Yi2

(1.School of Naval Architecture, Ocean and Civil Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240,China;2.Hudong-Zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd., Shanghai 200129, China)

Noise prediction of typical accommodation cabins under multiple excitations for a Con-Ro vessel was carried out, and contribution of different types of noise sources was analyzed. The result showed that machinery in accommodation area and HVAC systems make major contribution to the noise level of accommodation cabins, while machinery in engine room has little effect. In order to make sure noise level in accommodation cabins meet the requirements of technical specification, noise optimization measures of typical cabins where noise level is over-criteria was suggested by analyzing major noise source and transmission path.

Con-Ro vessel; noise prediction; statistical energy analyze; noise control

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.04.009

2016-11-01

工信部高技术船舶科研项目(Z1212E01)

万忠(1988—)，男，研究生，工程师

研究方向：船舶结构与噪声分析

U661.44

A

1671-7953(2017)04-0041-06

修回日期：2016-11-24