经验法和统计能量法预报游艇舱室噪声的对比分析

欧礼坚+纪传鹏+李帆+徐海汐

摘 要：经验法是基于“声源-传递路径-接受点”系统分析法结合房间声学提出的一套经验型的船舶舱室噪声快速预报方法。它将噪声的传递和衰减分别按空气噪声和结构噪声两条路径计算；接受点的噪声声压级结合房间声学计算。经验法可在总布置方案基本确定阶段对全船各舱室噪声水平进行初步预报。

统计能量法是以统计物理学原理为基础，将复杂结构分解成一系列子系统，以每一子系统内的能量作为其基本变量。预测耦合结构元件和声学容积的振级和噪声，解决声场与结构间的耦合问题。高频、宽带随机激励的复杂结构动力响应及其噪声辐射问题，采用统计能量法更精确。

为了对比分析两种方法的工程实用性，采用两种方法分别计算某型快艇的主要舱室噪声水平并与实测数据进行比较：经验法预报舱室噪声非常高效，但精度差；统计能量法预报舱室噪声精度较高，但需要详细设计图纸和资料，且建立模型时间较长。

关键词：经验法；能量统计法；噪声

中图分类号：X593 文献标识码：A

Comparison of Empirical Method and Statistical Energy Method for Noise Prediction of Yacht Cabins

OU Lijian1， JI Chuangpeng1， LI Fan1， XU Haixi2

（ 1.South China University of Technology， Guangzhou 510640； 2. Guangzhou Lijian Ship Engineering Co.， Ltd. Guangzhou 510640 ）

Abstract： Based on the systematic analytic method of acoustic source – transmit path – receiver point， combined with room acoustics， the empirical method is proposed as an experiential and rapid approach to predict noise of the cabins aboard. The transmission and attenuation of acoustics are computed in airborne and structureborne paths separately. The sound pressure level （SPL） of the noise in receive point is computed combined with room acoustics. The empirical method can be utilized to preliminarily predict noise levels of cabins the stage that the general arrangement is determined basically. Statistical energy method is based on the principle of statistical physics. The complex structure is decomposed into a series of subsystems， and the energy in every subsystem is served as basic variable to predict the vibration level and noise of coupling structural components and acoustic volumes， and solve the coupling problem of acoustics field and the structure. For high-frequency and broadband random excitation， the complex dynamic response of the structure and its noise radiation， statistical energy method is more accurate. To compare the engineering practicability of the two methods， the noise level of a certain type of yachts main cabin is computed by empirical method and statistic energy method separately， and they are compared with the measured data. For predicting cabin noise， empirical method is very efficient but bad in precision， while statistical energy method is quite accurate but requires detailed design drawings and data and much time for modeling.

Key words： Empirical method； Statistical energy method； Noise

1 前言

國际海事组织（IMO）海上安全委员会（MSC）第90次会议批准了《船上噪声等级规则》修订草案，对1 600 GT适用的船型、船舶不同区域的噪声限值、舱壁和甲板隔声指数、噪声的测量仪器和测量方法等进行了修订，对船舶的降噪性能提出了更高要求。endprint

豪华游艇是一种高级奢侈品，为了达到享受和娱乐的目的，对艇内装修和设备的要求很高。同时，游艇也具有较高的时尚性和舒适性，对游艇的降噪性能提出了更高要求。据统计，在已建造好的游艇上安装声学器材的代价，约为在设计中预先采取措施所需费用的3倍左右。因此，在设计阶段对舱室噪声进行预报并提出声学设计的改进措施，对缩短生产周期、降低成本、提高游艇安全性、舒适性有着非常重要的作用。

我国针对船舶声学的研究、设计、制造和检验等技术储备不足，船舶舱室噪声的预报方法已成为我国现阶段的研究热点之一。船舶与海洋工程噪声预报较常用的方法主要有统计能量法和经验法两种。统计能量分析法是20世纪60 年代初期为模拟大型结构物的振动噪声而提出的用于研究结构高频动态特性的一种计算方法，在航空、舰船、汽车、高速列车等领域得到广泛的应用。统计能量分析法是对相互连接的共振结构之间消耗的振动能量进行系统评估，其基本假设是两个子系统之间的声能量与其能级差值成正比，互连系统应是共振的，而且每个系统的振型密度足够高。在低频段因系统模态密度低于其基本要求误差较大，而高频段所得的结果精度较高。

经验法是在“声源-传递路径-接受点”的系统分析法的基础上，结合房间声学提出的一套半经验型的船舶舱室噪声的实用预报方法。经验法可用于总布置方案设计阶段对全船各舱室噪声分布的水平作出初步预报，可不依赖于具体结构和舾装细节。

为了对比分析两种方法的工程实用性，本文采用经验法和统计能量法分别计算某型快艇的主要舱室噪声水平并与实测数据进行比较。

2 噪声预报方法及原理

2.1 统计能量分析法

统计能量分析法运用统计的观点，从能量角度分析复杂结构在外载荷作用下的响应，预测耦合结构元件和声学容积的振级和噪声，解决声场与结构间的耦合问题。统计能量分析法更适用于解决高频、宽带随机激励的复杂结构动力响应及其噪声辐射问题。统计能量分析法以统计物理学原理为基础，将复杂结构分解成一系列子系统，以每一子系统内的能量作为其基本变量。

统计能量分析法的基本关系方程是在一些假设（弱耦合、保守耦合、激励源不相关等）限制条件下建立的。在各子系统的激励相互独立且保守弱耦合情况下稳态响应时的功率流平衡方程为：

（1）

其中，

（2）

式中：ni，ηj为子系统i的模态密度和内部损耗因子；ηij为振动能量从子系统i传递至子系统j的耦合损耗因子；ω为倍频程的中心频率；pi为外界对子系统i的输入功率；Ei为子系统i的能量。

2.2 经验法

经验法是在“声源-传递路径-接受点”的系统分析法的基础上结合房间声学提出的一套半经验型的船舶舱室噪声的实用预报方法，其计算流程如图1所示。噪声预报计算主要分为到噪声源计算、传递损失计算和接收点声压级计算。

由于船舶上的噪聲传递路径多种多样，为避免计算过于复杂采用3点假设：

（1）由于空气噪声在传播过程中穿过围壁时的透过损失很大，因此非相邻舱室的空气噪声源的传递可忽略不计；

（2）相邻2个舱室，以远的结构噪声源的传递可忽略不计；

（3）当几个噪声源具有相同的传递路径时，它们的源强度级可以能量相加。

2.2.1 噪声源

声源的噪声级频谱或总声级最好采用实测数据，在实测数据缺乏的情况下，可以采用文献[1]中的方法进行估算。声源辐射声功率级和振动加速度级分别用Lw 和La 表示。对于主机舱来说，机电设备辐射的声功率是主要的噪声来源，因此主机舱又称为声源舱。其他舱室的噪声来源是由主机舱的噪声经过空气传递和振动传递得到的。

（1）柴油机的辐射声功率级Lw：

（3）

式中：Pe是柴油机的额定功率，kW；Cw是倍频程修正值，dB。

柴油机的振动加速度级La：

（4）

式中：m是柴油机的质量，kg；Pe是柴油机的额定功率，kW；n是工作转速，r/min；ne是额定转速，r/min；Ca是倍频修正值，dB。

2.2.2 传递路径

在传递过程中，无论是通过空气传递还是结构振动传递，都会有一定的传递损失TL，其大致可分为三类：围护结构隔声引起的空气声传递损失；设备基座与减振器引起的结构声传递损失；沿甲板或船壳传递引起的传递损失。

从噪声源到接受点通常有多条路径，当某条路径上的传递损失明显大于其他路径时，该路径可以忽略不计。

（1）围护结构隔声引起的空气声传递损失：

（5）

式中：ρs是隔板面密度，kg/m2 ；f是1/1倍频带中心频率，Hz。

（2）设备基座与减振器引起的结构声传递损失：

（6）

式中：ω- =ω/ωn是激励振动频率与系统固有频率的比。

（3）沿甲板或船壳传递引起的传递损失：

（7）

式中：η是等效损耗因子；λ是沿甲板传递的结构波波长。

（4）舱壁结构声-空气声的传递转换函数TF：

（8）

式中：S是舱壁总表面积，m2；σrad是舱壁的辐射效率；f是1/1倍频带中心频率。

2.2.3 接受点

接受点声压级按照源空间和接受空间两种类型进行计算：源空间是指存在室内噪声源的舱室，接受空间是指主要由室外传入噪声的舱室。在实船上某些舱室可能既是源空间又是接受空间，这类舱室按两类空间计算出的声压级叠加而得。

噪声源强度减去各种传递损失即为接收点的空气噪声声功率级和结构噪声的振动加速度级，结构噪声转化为声功率级，再结合房间常数即可计算出接受点舱室的噪声声压级。endprint

引起接受点舱室噪声的主要因素有：室内噪声源引起的空气声辐射；室外或临近舱室噪声通过围护结构传入舱室的空气声；围护结构振动所引起的声辐射。

源空间的围护结构的二次声辐射声功率远小于舱室内部噪声源所辐射的空气噪声声功率，因此在计算源空间噪声级时将其忽略不计。

（1）房间常数Rs：

（9）

式中：S为房间总表面积，m2；α是吸声系数。

房间常数RS是用来表征房间声场的性质，它是由材料的吸声系数α来定义的。吸声系数α指声波落到该表面上时由表面吸收的声能和入射到表面总声能之比。

（2）混响场声压级LRP：

（10）

式中：Lw为室内噪声源总声功率级，dB；R是房间常数， m2。

混响场是指声源发出的声波经过多次反射而无吸收。此时房间某一点的声音是由声源直接发射过来加上各个不同方向发射回来的各种分量的声波的反复交混组合。一般是吸声能力比较差的房间，如主机舱。

（3）直达场声压级 ：

（11）

式中：Lw为为室内噪声源总声功率级，dB；r为噪声源到接收点的声学中心距离，m；Q为噪声源指向系数

直达场是指声音直接从声源处发出的未经反射的声场。一般存在于吸声能力比较好的房间。

当室内存在多个噪声源时，接收点的噪声级为多个噪声源的声压级的和：

（1）总声压级LP：

（12）

（2）透射进相邻舱室的空气噪声级LA（2）：

（13）

（14）

式中： 是源舱室的噪声级，dB； Lw是声源的声功率级，dB；Q是声源的指向性系数；r是舱室中心距声源的距离，m；α是源舱室的吸声系数；S是源舱室的总表面积，m2；R是舱壁的隔声量，dB；F是舱壁的面积，m2；A是房间内的总吸声量，dB；ΔR是考虑舱壁上有声学覆盖层时的修正。

3 计算实例

以图2所示的铝合金高速游艇为例，计算机舱、KTV室和居住舱的噪声级。游艇总长 26.03 m、水线长 22.30 m、型宽 5.83 m、型深 2.90 m、设计吃水 1.00 m；设有机舱、 KTV室、居住舱和主甲板室等。采用双桨双机型，主机6缸4冲程，额定功率1 200 HP、额定转速n=2 300 r/min、减速比1.971：1、采用双层隔振。

游艇是一个漂浮于水上的大型复杂结构，不但受到艇体周围水流的不规则随机激励作用，还受到舱内各种机器设备发出的激励作用，主要包括主机、辅机发电机、空调通风系统、螺旋桨等。

3.1 经验法预报

3.1.1 噪声源强度计算

由于主机舱内机电设备直接发声向外辐射，与此对比，由机电设备引起的船体振动导致的结构声和声波二次辐射的声波是很小的，可以忽略。齿轮箱和发电机属于次要声源，亦可以忽略，故计算中主要考虑主机的作用。

噪声源估算就是利用实测数据、经验公式或借助理论分析来确定各类噪声源的源强度，包括：室内机电设备辐射的声功率级LW；室外或相邻舱室噪声在接受点舱室围护结构外表面引起的声压级Lp；引起接受点舱室围护结构振动的各类机电设备的结构振动加速度级La。

根据文献[1][6]柴油机噪声总声功率计算方法及文献[7]高速柴油机噪声频谱特性，估算得出主机舱频带噪声源强度如表1所示。

3.1.2 主机舱声压级计算

主机舱可近似看作是一个宽5.7 m、长5 m、高2.2 m的长方体加上一个高0.7 m、底边长5.7 m的等腰三角形的组合体。主机舱内存在多种设备，设备表面也会对声波进行反射，所以计算中根据[1]取折合吸声系数。

由于参与计算的噪声源都在机舱，因此机舱作为源空间计算。由前所述，机舱只计算主要机械设备辐射空气噪声的噪声级，同时不需考虑空气噪声的传递损失。机舱噪声计算结果如表2。

3.1.3 KTV室声压级计算

KTV室近似为长4.5 m、宽5.7 m、高2.2 m的长方体，属于相邻舱，其主要声源是来自于主机舱声音通过空气传递和结构振动传递。空气传递过程中需要经过舱壁，这是空气传递主要的传递损失，声音在空气中的损失则忽略不计；振动传递过程中会有能量损耗，主要是引起结构振动导致的。

相邻舱的声压级计算分为两个部分，一部分是空气声的计算；另一部分是结构声的计算。然后再进行声学叠加，得到总的声压级。计算结果如表3所示。

、

3.1.4居住舱声压级计算

居住舱属于相隔舱，与相邻舱类似，相隔舱的声源也是来自于空气传递和结构振动两方面，所以计算方法和步骤与相邻舱相似，先计算相邻舱舱壁附近的噪声级，再计算透射进相隔舱的空气噪声级。不过相邻舱相较于主机舱而言，几乎没有非边界面积，所以相邻舱只是一个直达场。具体计算結果见表4。

3. 2 统计能量法计算

运用全频振动噪声仿真分析软件VAOne进行建模计算分析。首先，采用 ANSYS 建立几何模型，将几何模型划分为有限元网格；在 VAOne 里导入网格，生成 SEA 模型，定义各种材料的属性及各种加筋板，将它们赋予给对应的子系统；最后，定义各类设备的空气噪声和结构噪声，输入或约束到对应子系统。

3.2.1 建模设置的参数

全船的SEA模型共包含82个板子系统、6个声腔子系统。在耦合子系统后，建立两个半无限流体子系统，其中一个流体为空气，另一个流体为海水。将海水的半无限流子系统和船体水下部分的板连接，将空气的半无限流子系统和船体与空气接触的外板连接，这样就模拟了船在海水和空气中运动时噪声通过这些流体的辐射。SEA声学模型见图3。endprint

建立好SEA模型后，进行噪声预报时需要设置一些参数，如内损耗因子、耦合损耗因子和噪声源激励等。内损耗因子是指单位频率单位时间内损耗的能力与平均存储的能力的比值，主要包括三部分：因摩擦形成的内损耗因子；因振动向环境进行声辐射的阻尼形成的内损耗因子；因边界连接阻尼形成的内损耗因子。这三部分是互相独立的，可以线性叠加得到总内损耗因子。耦合损耗因子是指两个系统振动时能量流的关系，表征被直接激励的子系统的能量传到被间接激励的子系统的量。它代表了两个系统耦合程度的强弱，只有在振动能量传递时才会体现出来，其参数根据[1]中的经验公式进行估算。

3.2.2 噪声预报结果

建立模型确定参数后，进行运算可得到声腔子系统的噪声级。分别对空气噪声、结构噪声、空气噪声及结构噪声共同作用3种状态进行计算，计算结果如表5所示。

4 分析与结论

4.1 对比分析

（1）对比数据可以看出，采用经验法预报舱室噪声时，源舱的预报结果误差最大，相隔舱的预报结果误差最小；

（2）采用统计能量法预报舱室噪声结果，其误差比采用经验法小，且与实测值吻合较好。见表6；故统计能量法预报结果的精度较高。

4. 2 结论

采用经验法预报船舶舱室噪声计算过程十分简便快捷，在总布置方案基本确定阶段即可预报全船各舱室的噪声水平，而不必依赖边界条件、详细的结构和舾装图纸。但从经验法计算结果与实测数据比较发现，在没有同类型船或近似船型的噪声数据的基础上采用经验法预报，其结果工程实用性较差。

统计能量法预报值与实测值误差不大于3 dB，达到了工程精度要求。因此，基于统计能量法的船舶舱室噪声预报是可行的。

参考文献

[1] 中国船级社. 船舶及产品噪声控制与检测指南 [S]. 2013.

[2] 邱斌. 高速船全频段舱室噪声预报与控制方法的研究[J]. 水声工程，

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[3] Bercin A N. An assessment of the effects of in-planevibrations on the energy

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[4]李丹. 船舶艙室噪声预示的统计能量分析研究[J].船舶与海洋结构物

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[5] 陈端石，赵玫，周海亭. 动力机械振动与噪声学[M].上海交通大学

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[6] Edward. B. Magrab. Environmental Noise control[M].Canada： John Wiley &

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[7] J.W.E. 彼得森， J.Fr.斯托姆. 船舶噪声控制[M]. 国防工业出版社，

1983.endprint