基于统计能量法的海洋平台舱室噪声预报及控制

尤小健，刘依明，董 斌，端木晚露

(武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064)

0 引 言

船舶舱室噪声过高不仅会对船员的健康产生威胁，同时也会导致船上结构发生疲劳破坏，影响船上电子电气设备的正常运转。国际海事组织（IMO）以MSC.337（91）决议通过了《船上噪声等级规则》（以下简称《规则》），并将《规则》作为强制要求。舱室噪声问题引起了高度重视，控制船舶舱室噪声刻不容缓。

在船舶设计阶段对舱室噪声进行预报和控制，能显著改善舱室噪声水平的同时，成本也远低于建造后期采取一系列降噪措施。目前，普遍采用统计能量法进行舱室噪声预报[1–5]。

为了更好的配合公约实施，提升我国船舶的噪声控制水平，船级社结合我国造船实际编制了《船舶及产品噪声控制与检测指南》[6]（以下简称《指南》）。本文将基于此《指南》中的要求，对某型海洋平台进行舱室噪声预报与控制研究，同时对4组不同的内损耗因子进行讨论，按照规范限值对舱室噪声进行评估，通过分析超标舱室的噪声来源，采取有效的控制手段，为此平台的降噪设计提供参考依据，具有工程实用价值。

1 统计能量法基本原理

统计能量法（SEA）是基于统计学的基本思想，将复杂的结构划分成一系列子系统，以各子系统的能量作为基本变量建立各功率流平衡方程，求得各子系统的能量分布，再进一步换算得到声压级、加速度级等。

对于具有N个子系统的SEA模型来说，各子系统的输入功率与输出功率保持平衡。对于子系统i，功率流方程如下：

式中，为子系统i 的输入功率；为子系统i的损耗功率，为分析频率，为子系统i的内损耗因子，为子系统i 的能量；为子系统传递到子系统i 的功率，为子系统i到子系统的耦合损耗因子，为子系统到子系统i的耦合损耗因子，为子系统的能量。统计能量法假设不同的子系统之间遵守互易原理，即

联立所有子系统的功率流方程，得到整个SEA系统的能量方程如下：

求解此能量方程，即可得到各子系统的能量。对于质量为的结构子系统，能量与其均方振速成比例，即对于质量为、空间声场声阻抗为的声学子系统，能量与其声压成比例，即

2 计算实例

2.1 建立海洋平台的SEA模型

结合《指南》中的要求，在VAONE软件中建立平台的SEA模型，共有529个子系统，包括441个结构子系统和88个声腔子系统。图1为SEA模型示意图。图2为SEA模型缩放图。

2.2 确定SEA参数

图 1 海洋平台SEA模型Fig. 1 SEA model of offshore platform

图 2 SEA模型缩放图Fig. 2 Shrink view of SEA model

1）输入功率

统计能量法的输入以功率的形式出现。本平台主要的噪声源是主机和辅机。主、辅机运转时，直接向空气介质辐射空气噪声，计算时以声功率级的形式加载在声腔子系统上；同时，主、辅机运转时产生的振动由机脚向船体传递，引起结构噪声，计算时以加速度级的形式加载在船体结构子系统上。

通常，设备的输入功率应该是厂家提供的实测数据。当厂家无法提供实测数据时，可根据经验公式估算。本平台主、辅机的输入功率根据《指南》中给出的经验公式估算。

2）模态密度

统计能量法解决复杂结构的耦合动力学问题主要是基于高频时结构模态比较密集这一特性。当子系统在计算频带内的模态数越多，即模态密度越高，统计能量法的计算结果越准确。《指南》规定，各子系统在分析带宽内的模态数目应大于5。本次计算选用倍频程作为分析类型，计算频率范围为63～8 000 Hz，此频段内各子系统的模态数均大于5，符合《指南》规定。

3）内损耗因子

内损耗因子是指子系统在单位时间内、单位频率上损耗的能量与平均存储能量的比值，包括结构内损耗因子和声腔内损耗因子，目前普遍采用经验公式进行估算。大部分船体的结构为钢材，钢材的内损耗因子的经验公式[7]为声腔的内损耗因子的经验公式[8]为其中，为介质中的声速；为声腔的表面积；为舱壁的平均吸声系数，一般取0.01；为声腔的体积。

《指南》给出了钢结构的内损耗因子和舱室的折合吸声系数，与文献经验公式的值存在差异。文献[1 –3]均未对内损耗因子的取值进行说明；文献[5]的内损耗因子采用文献[7–8]中的经验公式值；文献[4]中的钢板内损耗因子采用船级社建议值，没有内饰板的声腔子系统的内损耗因子采用文献[8]中的经验公式值，而有内饰板的声腔子系统的内损耗因子采用船级社建议的吸声系数，但并未将采用经验公式值和船级社建议值的预报结果进行比较分析，本文将对此进行比较分析。

4）耦合损耗因子

耦合损耗因子是描述SEA模型各子系统之间强弱耦合程度的参数。由于结构形式复杂，工艺多样，工程上确定耦合耗损因子十分困难，所以实际应用时会将耦合简化成点、线、面这些典型的连接形式，再通过解析法得到耦合损耗因子。VAONE软件能计算耦合损耗因子，一般直接采用此值。

2.3 内损耗因子的选取

钢板结构和声腔的内损耗因子各存在船级社《指南》建议值和文献经验公式值2组取值，可分为4组工况，计算工况见表1。

表 1 计算工况Tab. 1 Calculation conditions

本文关注的重点舱室为主、辅机舱和综合控制室，图3～图5为这3个舱室在4组工况下的A计权噪声级（SPL（A））曲线。

从图3～图5可知，钢板内损耗因子对目标舱室噪声级的影响较小，影响范围约0～10 dB，且随着频率的升高而变小；声腔内损耗因子的取值对目标舱室噪声级的影响较大，影响范围约3～15 dB，且随着频率的升高而变大。当声腔内损耗因子采用文献经验公式值时，目标舱室噪声级明显大于采用《指南》建议值的情况。这是因为文献经验公式值没有考虑舱室内装结构的吸声作用，而《指南》建议值进行了考虑，因此《指南》建议值计算得到的舱室噪声级结果更小，更符合实际。

图 3 主机舱噪声级曲线（A计权）Fig. 3 SPL(A) of main engine room

图 4 辅机舱噪声级（A计权）曲线Fig. 4 SPL(A) of auxiliary engine room

图 5 综合控制室噪声级（A计权）曲线Fig. 5 SPL(A) of comprehensive control room

在船舶设计初期，各舱室的内装结构尚不明确，但其吸声作用又不可忽略，同时考虑到船舶入级的问题，建议内损耗因子按照船级社《指南》取值，预报噪声级更符合实际情况。本文中内损耗因子按照船级社《指南》取值，即采取工况1进行计算。

3 噪声级评估与控制

船级社《指南》沿用IMO《规则》中的各舱室的噪声级限值，按照此限值评估本平台的重点舱室，表2为评估结果。从表2中数据来看，综合控制室的噪声级超过限值要求，需要对其进行噪声控制处理。

表 2 重点舱室噪声级（A计权）评估Tab. 2 Assessment of important cabins′ SPL(A)

分析综合控制室的噪声能量输入的主要来源，可以有针对性地对其进行噪声控制，提高效率，达到事半功倍的效果。图6为同时加载结构和空气噪声激励、只加载结构噪声激励和只加载空气噪声激励这3种加载情况下综合控制室的噪声级。可以看到，结构噪声激励为综合控制室噪声能量的主要来源。

图 6 不同激励下综合控制室噪声级（A计权）比较Fig. 6 Comparison of SPL(A) of comprehensive control room with different excitations

结构噪声由机械设备运转产生，沿着船体结构向外传递，最有效的控制方法是采用隔振技术，在设备和基座之间安装隔振器，减少振动能量的输入，从而有效降低结构噪声。因此，本文将在主、辅机和船体之间安装隔振器来进行噪声控制。减振处理前后综合控制室的噪声级见表3。经过减振处理后，综合控制室噪声级明显降低，约4～20 dB，且随着频率的升高，降低效果增强。减振处理后，综合控制室的噪声级总级下降了12.55 dB，减小为74.66 dB，小于噪声级限值75 dB，满足规范要求。

经过隔振技术处理后，综合控制室的噪声级略小于规范要求。当对综合控制室的噪声级有更严格的要求时，可以采取阻尼减振技术降低其结构噪声，即在板上敷设阻尼材料，阻尼材料耗散振动能量，减少振动响应，从而减少结构噪声的传递。阻尼材料通常是内损耗、内摩擦大的材料，如沥青、橡胶以及其他一些高分子涂料。

现分别采取在综合控制室内部敷设50 mm的硬橡胶、50 mm的玻璃纤维和50 mm的聚氨酯这3种阻尼敷设方案，这3种方案下综合控制室的噪声级见表4。

由表4中数据可得，这3种阻尼敷设方案对高频噪声的降噪效果更为明显，且随着频率升高，降噪效果增强。从噪声总级上来看，50 mm硬橡胶的降噪效果最好，为4.37 dB；玻璃纤维的降噪效果最差，为2.76 dB；聚氨酯的降噪效果为3.06 dB。但硬橡胶的单位面积重量为55 kg/m2，玻璃纤维的单位面积重量为0.275 kg/m2，聚氨酯的单位面积重量为1.1 kg/m2，即硬橡胶的降噪效果略小于玻璃纤维与聚氨酯，但其增加的重量分别是玻璃纤维的200倍和聚氨酯的50倍。在实际应用中，应综合权衡不同降噪材料的降噪效果和重量，选取最优方案。

表 3 减振处理前后综合控制室噪声级（A计权）Tab. 3 SPL(A) of comprehensive control room before and after vibration damping

表 4 三种阻尼敷设方案下综合控制室的噪声级（A计权）Tab. 4 SPL(A) of comprehensive control room of 3 damping laying schemes

4 结 语

本文基于统计能量法，通过VAONE软件对某新型海洋平台进行舱室噪声预报。将4种工况下的内损耗因子的预报结果进行比较，并通过分析超标舱室的噪声来源提出有效的控制措施，得到以下结论：

1）钢板内损耗因子的取值对目标舱室噪声级的影响范围约0～10 dB，声腔内损耗因子的取值对目标舱室噪声级的影响范围约3～15 dB，考虑到舱室内装的吸声作用，以及后期船舶入级的问题，建议按照船级社指南取值。

2）在设备与船体之间安装隔振器，能有效降低结构噪声占主导作用的舱室噪声，本文在主、辅机与船体之间安装隔振器，使综合控制室的总噪声级降低了12.55 dB。

3）50 mm硬橡胶的降噪效果最好，为4.37 dB；玻璃纤维的降噪效果最差，为2.76 dB；聚氨酯的降噪效果为3.06 dB。但硬橡胶增加的重量分别是玻璃纤维的200倍和聚氨酯的50倍。在实际应用中，应综合权衡不同降噪材料的降噪效果和重量，选取最优方案。

[1] 邱斌, 吴卫国, 刘恺. 高速船全频段舱室噪声仿真预报[J]. 中国舰船研究, 2011, 6(6): 49–53.QIU Bin, WU Wei-guo, LIU Kai. Full spectrum simulation prediction of high-speed vessel cabin noise[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2011, 6(6): 49-53.

[2] 邵亮. 统计能量法在船舶舱室噪声预报中的应用[J]. 舰船科学技术, 2012, 34(5): 98–100.SHAO Liang. Prediction and research of ship cabin noise with statistical energy analysis[J]. Ship Science and Technology,2012, 34(5): 98-100.

[3] 夏代波, 季振林, 刘洋, 等. 三体高速船舱室噪声预报与控制[J]. 噪声与振动控制, 2014, 34(2): 119–122.XIA Dai-bo, JI Zhen-lin, LIU Yang, et al. Prediction and control of cabin's noise of a three-hulled high-speed ship[J]. Noise &Vibration Control, 2014, 34(2):119-122.

[4] 刘琨, 潘溜溜, 徐智言. 油船居住舱室噪声预报分析[J]. 噪声与振动控制, 2016, 36(5): 94–98.LIU Kun, PAN Liu-liu, XU Zhi-yan. Prediction and analysis of cabin noise of a crude oil tanker[J]. Noise & Vibration Control,2016, 36(5): 94-98.

[5] 刘磊. 基于国际噪声新规范的船舶舱室噪声测试与计算方法研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2013.

[6] 中国船级社(CCS). 船舶及产品噪声控制与检测指南[R]. 北京, 中国船级社, 2013.

[7] HYNNA P, KLINGE P, NIEMINEN M. Statistical energy analysis with finite element model for noise prediction in ships[C]// Stockholm, Sweden: International Cooperation on Marine Engineering Systems(ICMES), 1987.

[8] PLUNT J, Methods for predicting noise levels in ships:Experiences from emirical and sea calculation methods[M].Noise level prediction methods for ships, based on empirical and data, 1980.