基于统计能量法的邮轮舱室噪声预报与控制

吴晓佳，温华兵，吴俊杰，李 军，李晓亮

（江苏科技大学 能源与动力学院，江苏 镇江 212003）

由于近年来中国经济快速增长，让邮轮在国内市场有了广阔的发展前景。同时政府相关政策的支持，也为我国进军邮轮建造领域提供了宝贵的发展机遇。邮轮是典型的高技术、高附加值的船舶[1]，其对舒适性要求极高，邮轮的舒适度主要体现在舱室振动和噪声控制方面。因此开展邮轮舱室减振降噪技术的研究工作，对于以后国内在该领域的发展具有重要的意义和实用价值。

目前船舶舱室噪声预报的方法主要有有限元法、边界元法和统计能量分析法(SEA)等[2],近年来，许多学者已经利用统计能量法对相关船舶舱室进行了噪声预报分析。温华兵等[3]对全回转拖轮舱室进行了噪声预报分析，确定了激励源的大小和位置，并将预报结果和实验结果进行了对比分析，计算了激励源对目标舱室噪声水平的贡献率，验证了SEA方法在舱室噪声预报中的可行性。陈攀等[4]以海洋平台为研究对象，分析了舱室有无舾装材料时的噪声情况，得到了舾装材料对噪声预报精度有明显影响，在参数设置时则需要考虑舾装影响的结论。Xi[5]研究了自升式钻井平台结构噪声的传播规律，分析可得噪声源舱室及相近舱室需要优先分析考虑，可通过在源舱室边界进行吸隔声处理来降低噪声的传播。王充[6]对海上豪华游艇舱室噪声进行了预报分析，得到了对于噪声超标舱室可以根据能量传递路径来提出具体的处理措施。刘锟等[7]研究了某油船居住舱室的噪声情况，对噪声较大的舱室铺设了浮动地板，分析得浮动地板能有效降低船舶舱室的噪声，可以在舱室中广泛应用。

本文以大型邮轮为对象，对其舱室进行了噪声预报分析。根据邮轮激励源布置特点，主要考虑了柴油机等动力设备的空气和结构噪声，并将动力设备舱室和生活娱乐舱室的预报噪声结果与IMO标准限值进行比较，随后对相关的舱室铺设了不同的浮动地板结构并讨论了其降噪性能，并分析浮动地板中不同厚度的矿棉对其声学特性的影响。

1 邮轮SEA分析模型

1.1 模型的建立

本文研究对象为一艘航行于国际短途航线的邮轮，全船总共有10层甲板。邮轮下层船体（1甲板至4甲板）主要为动力设备舱和车辆舱，上层船体（5甲板至9甲板）密集布满了居住舱室及日常工作舱室。主要参数如表1所示。

表1 邮轮主要参数/m

根据邮轮的总布置图和各甲板结构图等运用PATRAN建立了邮轮的有限元模型，基于SEA子系统划分原则，利用VA ONE软件将有限元模型转化成SEA模型，如图1(a)所示。按照舱室布置情况，以船舶舱室为基本分析单元，将各舱室内部空间简化为空气声腔，如图1(b)所示。根据图纸定义12种不同厚度的钢板，并根据图纸将不同位置板子系统设置为不同的厚度，将板的材料属性附到SEA板子系统中。根据全船甲板敷料布置图、全船绝缘布置图等在相应的板子系统上添加对应的声学处理层。水线以下的板单元添加附连水，模拟海水对结构振动的影响。最后将全船进行自动连接。全船SEA模型共有1 365 227个节点，8 281个板子系统，492个声腔。

图1 邮轮模型

1.2 模态数

统计能量法中的模态数是描述振动系统存储能量能力大小的一个物理量。一般认为在一定频段内，子系统的模态数越多，计算结果越精确。因此将模态数大于5作为统计能量法应用的条件之一[2]。图2列举了本文所分析舱室典型子系统的模态数，在频率范围为63 Hz～8 000 Hz内，它们的模态数都大于5，符合统计能量分析方法的应用条件。

图2 SEA子系统模态数

1.3 内损耗因子

内损耗因子表征子系统阻尼损耗特性，是指子系统在单位频率内单位时间内损耗能量与平均储存能量的比值。内损耗因子是影响统计能量分析法计算精确度的重要参数[8]。一般而言，内损耗因子是根据实验测量得到，在缺少实验测试数据的前提下，可以根据一些经验公式大致估算出结构的损耗因子。对于板子系统，可以采用文献[2]推荐的经验公式

式中：f为频率。

则该邮轮板子系统的损耗因子频谱图如图3所示。

1.4 耦合损耗因子

耦合损耗因子是描述两个子系统之间耦合程度的一种度量，表示了子系统之间能量传递过程中损耗特性。其也是统计能量分析法中重要的参数之一。SEA模型中各个子系统之间的耦合损耗因子一般是通过实验测试获得。但是在SEA模型建立完成后，也可以在VA ONE软件自带的计算模块中，获取耦合损耗因子的值。

图3 板子系统的内损耗因子

1.5 噪声激励源

邮轮的噪声激励源主要分为结构振动和空气噪声，结构振动以加速度级的形式将振动通过机脚传递到设备机座及船体结构上，参考加速度为10-6m/s2；空气噪声以声功率级的形式由设备通过空气介质辐射到相应舱室，参考声功率为10-12W。

根据厂家提供的资料，邮轮柴油机、发电机组的激励源分别如表2、表3所示，上层建筑中的风机激励源如表4所示。

而空调激励则根据中国船级社规范[9]，选取空调的结构振动和空气噪声频谱，如表3所示。

表2 邮轮柴油机激励源/dB

表3 邮轮发电机组和空调激励源/dB

表4 风机的辐射声功率级/dB

螺旋桨激励则采用船级社提供的经验公式[9]来估算。式中：M为螺旋桨数量；N为螺旋桨叶片数量；D为螺旋桨直径，m；ne为螺旋桨额定转速，r/min。由厂家提供资料可得螺旋桨为5叶桨，直径为4.8 m，额定转速为130.9 r/min。

对于激励加载方式主要有，柴油机和发电机组的激振力直接加载在船体基座结构上，在SEA模型中通过点力添加在基座上，而空调系统的激振力则直接添加在空调室的甲板上。螺旋桨产生的脉动压力转化为螺旋桨对舵机舱底板的激振加速度，在SEA模型中，通过将加速度激励添加到螺旋桨上方的板上。柴油机、发电机组以及空调等产生的空气噪声，在VA ONE软件中，通过自定义功率添加在所在舱室的声腔上。

2 舱室噪声预报和分析

在完成SEA模型建立，添加子系统的材料属性以及施加振动噪声激励源后，邮轮的舱室噪声预报结果如图4所示。

图4 邮轮舱室噪声预报云图

由该图可得，舱室噪声最大值位于机舱处，而且随着距离噪声源舱室的距离增加，接受舱室的噪声值在逐步降低。由于邮轮舱室众多，为了更好地分析其舱室噪声特性，本文主要研究了动力设备舱室（机舱、舵机室、空调机室、风机室）和距离噪声源较近的生活娱乐舱室（四人间、贵宾室、诊疗室、电影院、KTV）等典型舱室的频谱特性。如图5(a)和图5(b)所示，动力设备舱室和生活娱乐舱室的噪声频谱图主要与激励源的频谱特性以及舱室的舾装材料特性有关。动力设备舱室的噪声在1 000 Hz左右达到峰值，而生活娱乐舱室的噪声则分别在100 Hz和2 000 Hz左右出现峰值。

在设计和建造邮轮时，需要遵照IMO规定对舱室噪声进行控制。动力设备舱室和生活娱乐舱室的各噪声值（A计权）与IMO标准限值的比较如表6所示。

由表6可得，除了四人间的噪声值不符合IMO标准要求外，其他舱室均符合标准。分析四人间室噪声能量输入的路径可得，如图6所示，四人间的噪声主要是通过天花板传递进来的，而由图4可得四人间的上层是空调机室，所以其噪声超标主要是由上层空调机室的结构振动和空气噪声引起的。

为了具体分析空调设备的结构振动和空气噪声对四人间的噪声贡献量，分别计算了在单独考虑空调设备结构振动和空气噪声激励下以及综合考虑两种激励的情况下四人间的噪声值，结果如图7所示。

由图可得，在63 Hz～125 Hz和500 Hz～1 000 Hz范围内，空调设备的结构振动与空气噪声对四人间噪声的贡献量相近。在125 Hz～500 Hz范围内，空气噪声对四人间噪声的贡献量要略高于结构振动，但是在1 000 Hz～8 000 Hz范围内，空气噪声对四人间的贡献量要显著低于结构振动，分析可得空调设备的空气噪声和结构振动对四人间不同频段的噪声贡献量的主导权不一样。

图5 邮轮典型舱室的噪声频谱图

表6 典型舱室噪声值与IMO限值的比较/dB(A)

图6 四人间的功率输入图

图7 不同空调激励下四人间的噪声值

在考虑空调设备两种不同激励特性的情况下，结构振动主要通过板来进行传递振动能量，而空气噪声也是通过与地板的耦合产生振动，最终由地板将能量传递到四人间，为降低四人间的噪声值，本文主要对空调机室铺设了3种不同结构的浮动地板进行降噪控制处理，该处理措施可以有效降低空调机组对地板结构振动能量的传递，从而可以减小四人间噪声能量的输入，不同结构的浮动地板类型如表7所示。

由图8分析可得，在空调机室铺设浮动地板1和3后四人间室的噪声值在频率为63 Hz到100 Hz的范围内有2 dB左右的降噪量，这是由于浮动地板中粘弹性阻尼结构起到了衰减振动能量的效果。铺设浮动地板1、2和3后四人间室的噪声值在1 000 Hz到8 000 Hz降噪效果一般，主要是因为夹层板结构对振动能量起到了衰减作用。

图8 不同结构浮动地板下的四人间噪声频谱图

铺设浮动地板2和3后，对比铺设浮动地板1四人间室的噪声值在100 Hz到1 000 Hz范围内效果显著，主要是浮动地板中矿棉对该频段的振动能量起了主要衰减作用。表8为空调机室铺设不同浮动地板后四人间室总噪声值与IMO限值的对比。由表可知，铺设浮动地板2和3后，舱室总得声压值显著降低，且达到了IMO的标准。

为了进一步分析矿棉不同厚度对浮动地板减振降噪性能的影响，以浮动地板3为基准，设计矿棉的厚度尺寸为h=25 mm～140 mm，间隔为5 mm。得到了不同厚度下四人间室的噪声声压级，如图9所示。

图9 不同厚度矿棉下的四人间噪声声压级

由该图可得，随着矿棉厚度的增加四人间室的噪声值的下降趋势由陡峭变为平缓，在考虑经济性的前提下，浮动地板3中的矿棉厚度取50 mm最合适。

表7 不同浮动地板的组成结构

表8 不同浮动地板下的四人间室噪声声级/dB(A)

3 结语

本文以邮轮为研究对象，基于统计能量法对舱室进行了噪声预报分析。研究表明，除四人间外，其他舱室均符合IMO标准。根据四人间室噪声的传递路径得，上层空调机室结构振动和空气噪声对其影响较大。随后研究了在空调机室中铺设不同结构的浮动地板对四人间室噪声的影响。结果表明，铺设浮动地板2和3后对四人间室有显著的降噪效果，且满足IMO标准。最后分析了不同矿棉厚度对浮动地板减振降噪性能的影响，随着矿棉厚度的增加，浮动地板减振降噪性能变优，但在考虑经济性的条件下，取矿棉厚度为50 mm最合适。