船舶水下辐射噪声计算评估方法应用

文武

摘 要：船体受到动力设备激励时会产生相应的振动，而振动不仅会对居住舱室造成影响，还会引起周围的流体振动，导致水下产生辐射噪声。本文就通过有限元与边界元结合法，借助Patran/Nastran和Virtual.lab有限元的软件对船舶水下的辐射噪声实施联合仿真和计算，在实船测试与船模试验的计算后获取激励源条件下船舶水下的辐射噪声实际情况，进而对初步设计中水下辐射噪声评估法实施修正，提升船舶的声学设计与评估精确度。

关键词：船舶;水下辐射噪声;计算评估;方法应用

中图分类号：U661.44文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）20-0034-03

Abstract： When the hull is excited by the power equipment， it will generate corresponding vibration， and the vibration will not only affect the living room， but also cause the surrounding fluid to vibrate， resulting in radiated noise underwater. In this paper， through the combination of finite element and boundary element method， with the help of Patran/Nastran and Virtual.lab finite element software， the joint simulation and calculation of the underwater radiated noise of the ship were carried out， the actual situation of the underwater radiation noise of the ship under the excitation source condition was obtained after the actual ship test and the ship model test calculation， and then the underwater radiation noise evaluation method in the preliminary design was revised to improve the accuracy of the ship's acoustic design and evaluation.

Keywords： ship;underwater radiated noise;calculation evaluation;method application

新時期，随着现代船舶业的迅速发展，人们对现代船舶的性能要求不断提高，不仅要求船舶的振动与噪声满足舒适性的要求，还要求水下辐射的噪声也在规定的标准内。船舶水下的辐射噪声太大，不仅会对水下设备正常运行造成影响，还会对海域内生物日常活动造成不利的影响，因此这就需要采用合理有效的计算评估法对船舶水下的辐射噪声实施预测，为船舶设计提供相应的依据，从而有效控制船舶水下的辐射噪声。

1 船舶水下辐射噪声计算评估方法概述

对于船舶水下的辐射噪声来说，其指标体现出船舶减振和降噪措施的效果优劣，是对船舶受到被动声纳所探测和发现的距离远近衡量。此指标一般通过船舶于水中激发出远场的声压实施评估与检验，而远场主要是指距离船舶有—定的距离且将船舶当作一个点位置。现阶段，国内外的相关文献和资料中并没有见到关于船舶水下辐射噪声评估方法的研究。而对船舶振动的噪声预报法中也存在一些成熟法，包括有限元、边界元以及统计能量等方法，尽管这些方法为船舶振动的噪声性能评估提供了依据，但它们普遍对船舶参数存在己知度的要求高等问题[1]。

2 有限元与边界元结合法理论

2.1 有限元法

在有限元法中，把结构离散成有限的多个单元类型，把无线的自由度转化为有限的自由度，通过计算机对有限参数代数的方程组实施计算。船舶是船体梁，其本身就是弹性结构，将其放置在声学的介质内，则船体和流体的接触面会发生相互耦合的作用。船体和流体耦合的作用一般存在4种类型耦合的模型，主要有水弹性、全耦合、气动弹性和虚拟质量等方法模型。本文就通过虚拟质量方法对流固耦合实施模拟，此方法主要是把流体对船体结构的作用借助一附加性质量矩阵来表示，则船体于流体内振动的状态就表示为：

[[M+MA][u..]+[K+KA]·[u]={0}]                    （1）

式中，[M]与[MA]分别为结构质量矩阵作用以及流体作用条件下其结构所产生附加质量的矩阵;[K]与[KA]分别为结构刚度矩阵以及流体作用条件下其结构所产生附加刚度的矩阵;[u..]和[u]分别为加速度和速度的向量。

根据式（1）分析，流体的状态会改变附加质量的矩阵，并且结构的振动会以结构边界面为载体对流体运动状态产生影响。因此，通过虚拟质量方法对流固耦合实施模拟，要于Nastran的求解器内对船体的外壳部分水线以下的网格实施定义。

2.2 边界元法

本文通过边界元法对声场辐射实施计算，将船舶水线以下结构发生的振动当作水下辐射的噪声主要来源，并不考虑水线以上的结构振动以及空气辐射的噪声等，所以将水线以下部分船体外壳的速度响应当作边界元约束条件，并在边界元的计算模型内对水线面和声场进行定义，其水平面位置压力是0，具体情况如图1所示[2]。

3 船体振动的响应计算和评估

3.1 建立有限元的模型

在仿真计算中，为了确保计算的精准性，要确保有限元模型具有良好的精度。按照实际情况，建立有限元模型，通过Shell的单元对船体内甲板、纵横舱壁、舷侧外板等进行表示;而纵桁、纵骨、横梁和立柱等则通过Beam的单元实施建模;船舶的压载水、润滑油和燃油等通过Solid的单元进行表示;机械设备和甲板的货物等通过Mass点实施模拟。网格设置成500 mm的大小，则整个船体有限元的模型共有31 200个数量的节点和72 554个数量的网格，如图2所示。

3.2 激励力

船舶水下的辐射噪声主要可以分为结构类噪声、流噪声和螺旋桨的噪声等。其中，结构类噪声是船舶动力设备内部的动力元件发生往复或者旋转运动而产生的，从船体外壳朝外进行噪声辐射。当船舶在低速状态航行时，其结构类噪声所产生水下的辐射噪声大致占70%，所以动力设备和传动系统的振动对水下辐射噪声的影响是研究的重点。

本文主要以实船测试方式获取柴油类发电机、轴系中间的支撑基座和推进电机的机脚振动等振动的数值，并且通过船模试验获取螺旋桨产生脉动的压力值[3]。

3.3 水下辐射的噪声预报与实测对比分析

本文中，船舶采用电力推进方式，柴油机是8缸机，额定转速是500 r/min。通过频率响应方式计算获取船体外板以下部分振动速度的响应，并采用边界元法输入，获取不同频率下声场中水下辐射的噪声声压具体分布。船舶初步设计中，由水下辐射的噪声计算得知，柴油机的半缸频位置存在较大的声压级，要重点对此频率位置水下辐射的噪声实施控制。将原来隔振器的频率降低1 Hz，同时综合考虑柴油机稳定性和联轴器位移补偿情况，提升此频率位置的隔振效果，控制船体振动响应。

初步评估船舶水下噪声后，优化柴油机隔振器刚度，然后计算水下辐射噪声，获取50 Hz和100 Hz频率声场内的声压级具体分布图，如图3与图4所示。根据船舶水下辐射噪声的实际测量要求，选用一定距离测点当作计算场点，通过归一化处理获取水下辐射噪声的声压级状态。

按照中国船级社发布的《船舶水下辐射噪声检测指南》，对水下的辐射噪声进行测试。其间要确保海况与测试满足要求，将被测的船舶以图5方式实施机动，一共执行6个航次进行测量，被测船舶和水听器间的最小会遇距离是200 m或1倍的船長，取两者的较大值[4]。

将声压级折合到距离声源为1 m位置1/3倍条件下的频程频带，把计算结果和实船水下辐射噪声的测试结果进行比较。在频率10～200 Hz的大部分频段内，仿真结果小于实测结果，可能是因为声源考虑不全面，忽视流噪声或辅机设备振动的噪声等，而在10～200 Hz的频率中，总体误差小于3 dB，总级仅差1 dB，因此仿真结果较为准确。

4 结语

本文采用一种有限元和边界元结合法，对船舶水下辐射的噪声实施计算和评估，通过建立模型对水下辐射的噪声进行预报与实测。对比分析可知，仿真结果具有很好的准确性，能够为船舶设计提供良好的参考依据。

参考文献：

[1]陈志勇，杨燕明，文洪涛，等.海面干涉对船舶水下辐射噪声测量的影响及其消减方法[J].声学学报，2019（5）：62-63.

[2]邹明松.Pekeris水声波导环境中水面和水下状态船体辐射噪声的差异分析[J].振动与冲击，2019（22）：204-209.

[3]王家文，陈新传，刘云生，等.水线以上机电设备对船舶水下辐射噪声影响研究[J].舰船科学技术，2016（11）：95.

[4]孙军平，杨军，林建恒，等.船舶水下辐射噪声信号理论模型及仿真[J].物理学报，2016（12）：121.