船舶舾装复合结构声学性能分析方法及应用

曲 雪，董博文，罗 凯，王 禹

(1.中国船舶工业集团公司第七〇八研究所，上海 200011；2.哈尔滨工程大学 船舶工程学院，哈尔滨 150001)

0 引 言

船舶舱室的噪声与振动控制一直是船舶工程研究的热点与难点。近年来，随着船舶减振降噪技术的发展，现代船舶设计对生活、工作区噪声水平提出了更严格的要求，因此，开展船舶噪声分析和声学优化设计具有一定的工程实用价值。目前，舱室噪声预报方法主要有统计能量法（SEA）、有限元法（FEM）和边界元方法（BEM）等[1]。其中统计能量法可以进行复杂系统高频宽带激励作用下的动力响应分析，相比现有的舱室噪声分析方法具有一定优势，但在舾装复合结构的声学参数获取等方面仍存在诸多问题。在此方面，周理杰等[2]基于试验测试，探究了芯材为苎麻、粘胶纤维、聚酯纤维等8 复合结构在不同空腔厚度下的吸声性能，研究表明苎麻复合结构的吸声效果优于其他结构；空腔深度增加时，结构吸声系数增大。杨永钾等[3]通过仿真软件，对多种复合吸声结构声学性能参数进行探究，分析得出质量较轻、吸声性能较好的复合吸声结构，并应用于某型高速船舱室声学优化设计，取得了良好的吸声效果。徐芹亮等[4]通过分析大量舾装复合结构隔声性能试验测试数据，得出海洋平台常用舾装结构的隔声量经验值。探究了舾装结构空腔夹层厚度对隔声性能的影响，研究表明增加夹层厚度可提高低频隔声性能。

目前国内的舱室空气噪声控制方法还是以结构声学优化为主，通过敷设吸隔声材料降低目标舱室噪声水平。然而，现有的复合结构声学性能评估方法存在一定缺陷[5-6]，如试验法存在评估周期长、成本高的问题。因而，本文针对舾装复合结构声学性能参数开展研究，建立了舾装复合结构的声学性能分析方法，方法具有工程适用性好，计算准确度较高的优点。并进一步基于方法的分析结果探究某型船舶舱室噪声特性，旨在为船舶声学设计提供参考依据。

1 船舶舾装复合结构声学性能分析模型

舾装复合结构的声学性能是统计能量模型的主要输入参数之一。为准确获取舾装复合结构的隔声量以及吸声系数，基于传递矩阵法，建立了结构声学性能分析模型，原理如图1 所示。

图 1 声学性能分析模型示意图Fig.1 Acoustic performance analyse model

由波动理论可知任意单层结构上下界面总压力、质点振速连续，则图2 某一层结构上下界面总压力和质点振速 F1、 F2和 v1、 v2的关系可表示为：

式中： [A]为单层结构传递矩阵，各元素计算公式为[7]：

图 2 隔声量测试示意图Fig.2 Schematic diagram for the insertion loss test

当平面波垂直入射，层间交界处的声压和法向振速连续，于是可求得多层结构传递矩阵 [B]：

当结构末端为空气时，边界条件可近似表示为：pi+1= 0，代入式（3）得输入阻抗：

以 ρaca表示空气特性阻抗，则入射界面处的反射系数可表示为：

声强透射系数：

复合结构吸声系数 α以及隔声量 B如下式：

2 舾装复合结构声学性能研究

舾装复合结构能够增加噪声传递能量损耗，其声学性能是统计能量法的主要输入参数之一。为此，基于船舶舾装复合结构声学性能分析模型，进行船舶典型舾装复合结构吸声系数和隔声量仿真计算，计算结果如表1～表2 所示。典型舾装复合结构如下：

1）复合岩棉板复合结构：钢板与复合岩棉板复合，其中钢板厚度为8 mm，复合岩棉板由49 mm 的岩棉和1 mm 的镀锌薄钢板组成。

2）穿孔吸音板复合结构：钢板与穿孔吸音板复合，其中钢板厚度为8 mm，穿孔吸音板由49.1 mm 的岩棉和0.9 mm 的穿孔镀锌铜板组成。

3）隔音棉复合结构：钢板与隔音棉复合，其中钢板厚度为8 mm，隔音棉厚度为60 mm。

2.1 舾装复合结构隔声量计算有效性验证

基于混响室法开展典型舾装复合结构隔声量测试试验。以上述舾装复合结构为试验对象。构件尺寸为2 000×1 500 mm，通过密封胶与墙体弹性连接。试验示意图如图2 所示。以传声器测量发声室和受声室的声压响应P1和P2，分析声波透射衰减规律，并考虑受声室吸声作用，得出舾装复合结构隔声量。受构件尺寸限制，对上述分析方法500～8 000 Hz 频段分析结果进行验证，隔声量分析结果对比图如图3 所示。

表 1 典型舾装复合结构隔声量计算结果/dBTab.1 Calculation results for insertion loss of outfitting composite structure /dB

表 2 典型舾装复合结构吸声系数计算结果Tab.2 Calculation results for absorption coefficient of outfitting composite structure

由图3 可知，虽然舾装复合结构的隔声量计算曲线和试验曲线存在数值差异，但分析频段范围内，曲线整体趋势基本一致，总体吻合较为良好。由此可知，以舾装复合结构声学分析模型计算结构隔声量是可行的。

2.2 舾装复合结构吸声系数计算有效性验证

基于阻抗管法开展典型舾装复合结构吸声系数测试试验。构件尺寸为Φ100 mm，能与阻抗管内表面完全贴合。试验示意图如图4 所示。当声源被激发后，管中形成驻波声场，以探管测得管长方向驻波声场的极值，从而求得驻波比和结构的正入射吸声系数。验证频段为80～1 000 Hz，吸声系数分析结果对比图如图5 所示。

由图4 可知，与隔声量对比曲线类似，舾装复合结构的吸声系数计算曲线和测量曲线在频点处存在数值差异，但是2 种曲线整体趋势基本一致，曲线总体吻合较为良好。由此可见，基于传递矩阵法的船舶舾装复合结构声学性能分析方法有效。

3 船舶舱室噪声特性研究

基于某型水面舰船结构，探究舾装复合结构对舱室噪声特性的影响规律。该船总长79.2 m，型宽17 m，型深4.3 m。依据结构图、舾装图等图纸资料，建立统计能量模型。为保障宽频结构响应分析的有效性，一般需各子系统在分析频带的模态数大于5。为此，本模型对板子系统的划分尺寸进行控制，在计算频率大于63 Hz 时，满足统计能量分析对模态密度的要求。尾部板壳子系统模型如图6 所示，声腔子系统如图7所示。子系统损耗因子参照文献[8] 分析结果。

图 3 典型舾装复合结构隔声量Fig.3 Sound insertion loss for composite structure

图 4 吸声系数测试示意图Fig.4 Schematic diagram for absorption coefficient the test

图 5 典型舾装复合结构吸声系数Fig.5 Sound absorption coefficient for composite structure

图 6 尾部板壳子系统离散视图Fig.6 Shrink view for stern shell subsystem

图 7 尾部声腔子系统离散视图Fig.7 Shrink view for stern acoustic cavities subsystem

图 8 考核舱室分布示意图Fig.8 Schematic diagram of the position distribution of assessed cabins

图 9 噪声源设备振动加速度级曲线Fig.9 Vibration acceleration level curve of noise source equipment

图 10 噪声源设备声源级曲线Fig.10 Sound source level curve of noise source equipment

现以该船下甲板报务室与集控室为舱室噪声特性研究对象（见图8），以主机设备为激励源，振动加速度频谱曲线及声源级频谱曲线如图9～图10 所示。通过在报务室和集控室地板以及靠近主机舱一侧舱壁分别敷设上述3 种舾装复合结构，探究舾装结构对考核舱室噪声特性影响规律。噪声分析结果如图11 和表3及表4 所示。

可以看出，敷设舾装复合结构可有效控制舱室噪声，舾装方案对降噪效果影响不大，图10 中声源级曲线基本重合。舾装复合结构对低频、中频噪声控制效果较好，在63～250 Hz 频段，考核舱室各频点声压级下降10 dBA 左右，在500～8 000 Hz 频段，声压级下降3 dBA 左右。从声压总级来看，敷设隔音棉复合结构降噪效果相对较好，报务室和集控室总声压级分别下降2.2 dBA 和2.5 dBA。另外，在3 种结构中，复合岩棉板复合结构具有更好的防火性能，在实际应用中应权衡结构综合性能，选取最优方案。

4 结 语

图 11 考核舱室声压级频谱曲线Fig.11 SPL（A）level curve for assessed cabins

表 3 报务室声压级/dBATab.3 Assessment for telegraph cabins SPL/dBA

表 4 集控室声压级/dBATab.4 Assessment for centralized control cabins SPL/dBA

本文基于传递矩阵法，建立了舾装复合结构声学性能分析方法。并进行舾装复合结构声学性能试验测试，验证了方法的有效性。在此基础上，依据方法的分析结果，探究舾装复合结构对舱室噪声特性的影响规律，得出以下结论：

1）舾装复合结构声学性能分析方法和实验测试的频谱分析结果趋势一致，总体吻合良好，方法可有效分析结构的隔声量和吸声系数。

2）舾装复合结构可有效控制舱室噪声，其中隔音棉复合结构降噪效果相对较好，报务室和集控室声压总级分别下降2.2 dBA 和2.5 dBA。

3）舾装复合结构对舱室中、低频噪声控制效果较好。在63～250 Hz 频段，各频点降噪效果约为10 dBA，在500～8 000 Hz 频段，降噪效果在3 dBA 左右。