36 m全回转拖轮舱室噪声预报与控制技术研究

吕全亮

(江苏省镇江船厂(集团)有限公司，江苏 镇江 212002)

0 引言

港口业的发展在促进我国经济发展中扮演着极其重要的角色。随着停泊船舶吨位的加大和船东个性化的需求，作为港口运行两大必备机械之一的全回转拖轮的功率也不断增大，我国港口目前投产使用的全回转拖轮最大功率达到6 000 kW。然而在船型无变化且舱室空间有限的情况下，主机功率越大，噪声控制的手段就越有限，从而无法确保舱室的舒适度。

为了满足船舶规范对船舶环保性和舒适性的要求，全回转拖轮在设计建造过程中就应对噪声的控制提出解决方案，并在设计的初期阶段，对舱室的降噪效果进行仿真预报和分析，优化设计方案。为此，本文在分析船舶噪声源分布情况和噪声控制方法的基础上，利用VA One软件对36 m全回转拖轮舱室进行新型降噪材料仿真预报，并与传统降噪材料进行减噪效果对比。

1 船舶噪声源分布

1.1 内燃机系统的噪声源

现有的船用动力系统中的主机和辅机绝大多数都是内燃机，同时也是船舶上主要的噪声源，各舱室的噪声级主要取决于船舶内燃机的噪声级。以主机排气系统为例，内燃机的进排气系统不仅会产生空气动力性噪声，而且进排气阀部件与机体的撞击也会产生强烈的机械噪声。

1.2 通风和空气调节系统的噪声源

机舱的通风设备主要用于保障主机的充分燃烧和机舱的通风。由于机舱舱室较大，机舱风机数量较多且功率很大,因此在航行过程中会产生较大的噪声。另外，空调系统中的噪声源虽然功率不大且数量不多，但是由于其处于生活区，也会对生活区舱室产生一定的噪声影响。

1.3 螺旋桨推进器系统的噪声源

相对于船舶舱室机械设备来说，螺旋桨推进器系统的噪声强度较小，主要影响水线附近的机舱和船员舱。根据噪声频率可将其分为2种：

(1)由螺旋桨桨叶和水流相互作用的流体动力效应及推进过程中水冲击艉柱引起的低频噪声。

(2)由螺旋桨叶片表面压力骤降造成的空泡现象并由此引起的叶片高频振动噪声。

1.4 船舶泵的噪声源

船舶泵的种类及数量较多，主要布置在机舱中，用于传输油、水、气，而在船舶航行中绝大多数泵都会开启并产生杂乱的噪声源。

2 噪声控制方法和仿真预报手段

2.1 噪声控制方法

现代船舶噪声控制方法所涵盖的领域较为广且专业性和技术性较强，例如：增加减振设备；优化船舶制造工艺；合理布置舱室和设备；采用新型降噪材料、复合阻尼材料及多孔吸声材料等。

2.2 仿真预报手段

仿真预报手段的发展经历了由简单结构到复杂结构、由单个自由度系统到多个自由度系统、由有限元低频到统计能量高频分析的发展过程，最终形成了能够全频段分析的FE-SEA混合方法。该方法能够对复杂结构中频噪声段进行精确预报，并基于该混合法开发出集成了有限元、边界元和统计能量分析法的VA One软件。通过该声学软件，以高速船艇作为研究对象，逐步解决了船舶舱室噪声的全频段预报困难的问题。

3 新型降噪材料仿真预报分析

3.1 FE-SEA耦合模型

本文建模对象为某36 m全回转拖轮，该轮采用双推进器系统。在VA One软件中，根据船体布置将船舶舱室划分成机舱、驾驶台、船员室、会议室、高级船员室等，并将船体结构中的曲面板与不规则面板简化为平面板。根据船体结构面板的几何面积特征及模态密度[1]，将船舶结构划分为7个主要子模块，分别为主机基底结构(有限元子模块)、主机基底板(有限元子模块)、水线下船壳外板(统计能量子模块)、船艏外板(统计能量子模块)、甲板(统计能量子模块)、船舷外侧板(统计能量子模块)、生活区结构(统计能量子模块)。全回转拖轮FE-SEA耦合模型见图1。

图1 FE-SEA耦合模型图

3.2 激励源与降噪材料的选择

3.2.1 激励源的参数设定

参考现有文献和实际情况，舱室各噪声源的分布情况和贡献率情况主要是根据设备设施布置情况及性能而确定的，但总体来说主机所产生的噪声是船舶舱室的主要噪声源[2]，因此本文中的激励值仅考虑主机激振力及其声功率。主机激振力及主机空气噪声的经验公式如下[3-4]：

20lgf-16

(1)

式中：La为振动加速度级；M为发动机质量；NH为发动机额定转速；N为发动机工作转速；PH为额定功率；f为频率。

(2)

式中：LW为声功率级。

3.2.2 新型降噪材料的选择

目前多孔吸声材料是进行吸声降噪的常用手段。随着科研机构在吸声材料及其结构方面的不断创新和发展，开发出了许多新型吸声材料。相对于传统纤维吸声材料的不耐热、低强度、易腐蚀的缺点，新型的金属类吸声材料的出现解决了上述传统纤维吸声材料的很多难题[5]。考虑到船舶舱室的环保要求和吸声性能，本文选用传统型矿棉装饰吸声板和新型多孔功能材料PML-25泡沫铝作为降噪材料进行分析比较，板材厚度为10 mm。鉴于混合法仿真分析手段对噪声分析，特别是对中低频段的噪声分析的准确性较高，因此选取中低频范围100～1 000 Hz进行分析。该频率段的两者吸声系数见表1。

表1 吸声系数对比表

3.2.3 2种降噪材料的仿真结果对比

在仿真模型中，将吸声材料粘贴在主机舱室，虽然能在一定程度上降低主机声功率辐射，但是并不能降低主机噪声源，只能对离主机舱室最近的船长室有一定降噪效果，对其他舱室没有明显的降噪效果。因此，在模型中将主机舱室除外的各个舱室舱壁和舱顶上粘贴吸声材料，从而控制噪声源引起的各个舱室噪声，并对2种降噪材料的降噪效果进行对比。各舱室降噪效果对比见表2。

表2 减噪效果对比表 单位：dB(A)

对比分析可知，泡沫铝板的降噪性能明显好于传统矿棉装饰吸声板，4个舱室的平均降噪量为3.55 dB，其中驾驶室的降噪效果尤为明显，降噪量为5.5 dB。除了舱室布置的原因外，由于铝制板材的金属特性使得降噪材料密度有所增加，而当多孔材料的密度增加时,会降低材料内部的空隙率,从而改善低频吸声效果[6]。虽然新型材料在500 Hz和1 000 Hz频率段的吸声系数偏低，但由于低频吸声效果明显，使得整个分析频率范围内的平均降噪量较高；而驾驶台所处位置的噪声频率相对于其他舱室的噪声而言较低，因此相对于其他舱室而言，驾驶台的降噪效果较好。

4 结论

(1)对具有复杂结构的模型进行声学分析，需要根据几何面积特征及模态密度建立FE-SEA耦合模型，从而可全频段分析舱室噪声，有利于舱室隔音降噪设计。

(2)相对于传统棉类降噪材料，泡沫铝板的降噪效果更加明显，尤其是在低频段。

(3)多孔功能材料PML-25泡沫铝具有隔音降噪、高强度、耐高温、耐水性好的物理特性，在船舶结构设计和隔音降噪应用方面有着较为广阔的前景。