劉甄真，溫華兵，陸金銘，昝浩

(江蘇科技大學(xué)振動(dòng)噪聲研究所，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

全回轉(zhuǎn)拖輪是指在原地可以360度自由轉(zhuǎn)向的拖輪。由于動(dòng)力設(shè)備眾多以及機(jī)艙內(nèi)布置的復(fù)雜性，長期以來拖輪艙室振動(dòng)及空氣噪聲控制的問題沒有得到很好的解決，嚴(yán)重影響船員的健康與舒適度。根據(jù)GB 5980-2000規(guī)定，船長30～75 m的內(nèi)河船舶，機(jī)艙的噪聲限制值為90 dB(A)，會(huì)議室的噪聲限制值為70 dB(A)，臥室的噪聲限制值為65 dB(A)。為了有效控制拖輪的結(jié)構(gòu)振動(dòng)和艙室噪聲，需要在設(shè)計(jì)階段對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的噪聲仿真預(yù)報(bào)。

張娟[1]基于Auto-SEA2研究了船舶的典型動(dòng)力源輻射噪聲；酈茜[2]基于統(tǒng)計(jì)能量法研究了高速船的靜噪聲預(yù)報(bào)與控制；劉凱[3]基于Auto-SEA對(duì)魚雷結(jié)構(gòu)輻射噪聲進(jìn)行了研究。目前國內(nèi)對(duì)全回轉(zhuǎn)拖輪艙室噪聲的研究較少，本文基于統(tǒng)計(jì)能量法，研究了30 m全回轉(zhuǎn)拖輪的艙室噪聲。

基于VA One軟件，探討了全回轉(zhuǎn)拖輪的建模方法，建立了全回轉(zhuǎn)拖輪的艙室噪聲預(yù)報(bào)模型，將拖輪劃分為七個(gè)主要的物理子系統(tǒng)，建立了七個(gè)物理子系統(tǒng)的能量分析模型，確定了拖輪激勵(lì)位置及大小和噪聲源的排序。將仿真結(jié)果與相同船型的測量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了基于統(tǒng)計(jì)能量法建立預(yù)測全回轉(zhuǎn)拖輪艙室噪聲預(yù)報(bào)模型的可行性，從而為拖輪的噪聲控制提供了依據(jù)。

1 全回轉(zhuǎn)拖輪艙室噪聲預(yù)報(bào)模型

1.1 拖輪噪聲預(yù)報(bào)模型的建立

研究對(duì)象為某船廠的30 m全回轉(zhuǎn)拖輪，船長36.8 m，船高10.9 m，水線長35.5 m，型寬10 m，型深4.4 m，設(shè)計(jì)吃水3.4 m，肋距離0.5/0.55 m，梁拱B/50，定員13 P；船體基本結(jié)構(gòu)采用Q 235鋼材制造。VAOne的全船建模步驟如下：

(1)確定并設(shè)置建模所需的模塊

對(duì)拖輪中的一些結(jié)構(gòu)進(jìn)行等效簡化，確定這些結(jié)構(gòu)需要由哪些模塊來創(chuàng)建。根據(jù)拖輪每個(gè)部分的尺寸和材料的物理屬性，在軟件中完成設(shè)置。建模時(shí)所用的材料均選用鋼材，窗、門及其他各種開口均用鋼板代替，主機(jī)采用一塊施加主機(jī)激勵(lì)的厚板代替。

(2)根據(jù)模型的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)合理的建模流程

該拖輪的模型底部肋板結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，并且跟艙室子結(jié)構(gòu)的連接較多；而艙室和上層建筑結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，因此先創(chuàng)建復(fù)雜船底，再創(chuàng)建中間艙室，最后創(chuàng)建上層建筑。

(3)根據(jù)船的結(jié)構(gòu)劃分物理子系統(tǒng)

合理劃分物理子系統(tǒng)是成功應(yīng)用統(tǒng)計(jì)能量分析法的關(guān)鍵。劃分子系統(tǒng)需要滿足相似性條件和顯著性條件。相似性條件指期待這組子系統(tǒng)幾乎具有相等的激勵(lì)和阻尼，如果滿足這一條件，那么這些子系統(tǒng)幾乎具有相等的振動(dòng)能量；顯著性條件指這些子系統(tǒng)在能量的傳輸、消耗和能量存貯中起著重要作用[4]。根據(jù)兩個(gè)條件分析子系統(tǒng)間的連接關(guān)系，并建立統(tǒng)計(jì)能量分析模型。

(4)根據(jù)前幾步的準(zhǔn)備，創(chuàng)立幾何子系統(tǒng)

(5)連接各個(gè)幾何子系統(tǒng)

幾何子系統(tǒng)連接為軟件自動(dòng)連接,對(duì)于沒有公共邊界的幾何子系統(tǒng)，則需要用戶手動(dòng)創(chuàng)建連接。模型創(chuàng)建完成之后,用戶可以通過“連接”對(duì)話框中“相連的子系統(tǒng)”來對(duì)創(chuàng)建完成的幾何子系統(tǒng)進(jìn)行檢查[5]。

(6)確定艙室噪聲來源，并分析各個(gè)物理子系統(tǒng)間的功率流傳遞。

(7)計(jì)算激勵(lì)大小并確定噪聲源的排序。

(8)計(jì)算輸出結(jié)果。

1.2 30m全回轉(zhuǎn)拖輪的SEA模型

全船SEA模型如圖1所示。拖輪的窗、門及其他各種開口均用鋼板代替。整船SEA模型共有131個(gè)聲腔和438個(gè)板結(jié)構(gòu)。在模型中，將外界流場簡化為4個(gè)半無限流子系統(tǒng)，并與船體兩邊的舷側(cè)及船底相連接。

1.3 拖輪的功率流分析

整個(gè)拖輪可以劃分為7個(gè)存儲(chǔ)能量的振動(dòng)模態(tài)群（即物理子結(jié)構(gòu)），圖2為這7個(gè)物理子系統(tǒng)的主要能量分析模型。

由功率流分析建立拖輪的能量平衡方程為

圖2 子系統(tǒng)的能量分析模型

式中ω是分析帶寬內(nèi)的中心頻率Ei，ηi分別是i子系統(tǒng)的能量和內(nèi)損耗因子，ηij是振動(dòng)能量從i子系統(tǒng)傳至j子系統(tǒng)的耦合損耗因子，耦合損耗因子之間滿足互易原理[6]，即

其中ni表示子系統(tǒng)的模態(tài)密度。

在已知輸入功率P1in、P2in和內(nèi)損耗因子ηi的情況下，就能求解方程獲得子系統(tǒng)能量Ei,由Ei求解所需要的振動(dòng)級(jí)、聲壓級(jí)、應(yīng)力和壓力等動(dòng)力學(xué)參數(shù)。

對(duì)于每個(gè)結(jié)構(gòu)或者聲學(xué)的子系統(tǒng),具有一個(gè)與其時(shí)間平均或空間平均振動(dòng)速度Vi或者聲壓pi成比例的穩(wěn)態(tài)能量關(guān)系。對(duì)于質(zhì)量為Mi的結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)有

對(duì)于體積為Vi的閉空間聲場子系統(tǒng),有：

式中ρ為聲場介質(zhì)密度，c為聲速。

1.4 激勵(lì)的確定和聲源排序

船舶噪聲主要為主機(jī)噪聲和螺旋槳噪聲。主機(jī)噪聲是船舶噪聲源中最主要的噪聲源,可分為空氣噪聲和機(jī)械噪聲兩部分。螺旋槳是船舶的又一個(gè)主要噪聲源,主要分為引起船體振動(dòng)所產(chǎn)生的噪聲和直接產(chǎn)生的噪聲[7]。

該全回轉(zhuǎn)拖輪為雙主機(jī)雙螺旋槳配置，主機(jī)的型號(hào)為YAMA-6 EY 26 W，額定功率為1 800 kW，額定轉(zhuǎn)速750 r/min，齒輪箱轉(zhuǎn)速比為3.201 9，螺旋槳采用四葉槳。在本模型中系統(tǒng)的外部激勵(lì)簡化為三個(gè)：主機(jī)的聲功率激勵(lì)、主機(jī)作用在機(jī)艙基座上的結(jié)構(gòu)激勵(lì)，螺旋槳產(chǎn)生的脈動(dòng)壓力對(duì)螺旋槳機(jī)艙底板上的激勵(lì)作用。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式[8,9]可以分別計(jì)算出主機(jī)和螺旋槳的激勵(lì)頻譜，如圖3—圖5為這三個(gè)聲源的激勵(lì)頻譜圖。

圖3 主機(jī)聲功率頻譜

圖4 主機(jī)激振力頻譜

為了確定三種激勵(lì)對(duì)艙室噪聲的貢獻(xiàn)，將主機(jī)空氣噪聲聲功率在機(jī)艙空間里對(duì)于艙壁的作用，主機(jī)激振力在主機(jī)基座上的作用，以及螺旋槳激振速度對(duì)螺旋槳艙室底板的作用分別單獨(dú)考慮，計(jì)算它們各自引起的船長室、船員室和會(huì)議室的聲壓級(jí)，如圖6—8所示。

圖5 螺旋槳激振速度頻譜

圖6 加載不同激勵(lì)源時(shí)船長室聲壓級(jí)

圖7 加載不同激勵(lì)源時(shí)船員室聲壓級(jí)

圖8 加載不同激勵(lì)源時(shí)會(huì)議室聲壓級(jí)

從圖6—圖8可知，每個(gè)頻率段，噪聲源的排序是不一樣的。16～63 Hz頻率段，螺旋槳激振速度引起的噪聲對(duì)艙室噪聲的貢獻(xiàn)最大，其次是主機(jī)激振力引起的噪聲；63～200 Hz頻率段，主機(jī)激振力引起的噪聲對(duì)艙室噪聲的貢獻(xiàn)最大，其次是螺旋槳激振速度引起的噪聲；200～20 kHz頻率段，主機(jī)激振力引起的噪聲對(duì)艙室噪聲的貢獻(xiàn)最大，其次是空氣噪聲聲功率輻射引起的噪聲。通過仿真預(yù)報(bào)，可以計(jì)算出全頻段每個(gè)聲源對(duì)艙室噪聲的貢獻(xiàn)率，由于聲壓不能疊加，而聲能量可以疊加計(jì)算，根據(jù)聲能量疊加原理，可以知道單個(gè)噪聲源對(duì)總的噪聲的貢獻(xiàn)率為

式中ηn為聲源n對(duì)艙室噪聲的貢獻(xiàn)率，En為聲源n在艙室中產(chǎn)生的聲能量，Lpn為噪聲源n在艙室中產(chǎn)生的聲壓級(jí)。

2 艙室噪聲結(jié)果分析

為了驗(yàn)證仿真預(yù)報(bào)的正確性，對(duì)實(shí)船進(jìn)行相應(yīng)的噪聲測試。測量儀器為丹麥B&K 2250噪聲測量儀，在主機(jī)處于100%工況（即轉(zhuǎn)速為750 r/min）時(shí)，對(duì)船員室、船長室、會(huì)議室等艙室進(jìn)行聲壓級(jí)測量。圖9—圖11為船員室、船長室、會(huì)議室這三個(gè)艙室的實(shí)驗(yàn)測量值與仿真值對(duì)比圖。

圖10 船員室聲壓級(jí)對(duì)比圖

圖11 船長室聲壓級(jí)對(duì)比圖

由圖9—圖11可知，三個(gè)房間的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線變化趨勢一致，而在80 Hz之后，仿真值要明顯大于實(shí)測值。這是由于實(shí)驗(yàn)測量時(shí)拖輪的艙壁上粘貼了大量的多孔吸聲材料，而在模型預(yù)報(bào)時(shí)卻沒有進(jìn)行噪聲控制處理，由于多孔吸聲材料主要吸收中高頻段噪聲，所以中高頻部分的實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)比仿真結(jié)果偏小。

從仿真結(jié)果可以看出，會(huì)議室、船員室、船長室的總聲壓級(jí)為 74.9 dB(A)、75.4 dB(A)、79.3 dB(A)，表明船長室是受噪聲源影響最大的房間，會(huì)議室是受噪聲源影響最小的房間，這是由于隨著相對(duì)振動(dòng)源的距離的增大，其振幅不斷減小。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因有以下幾點(diǎn)：

(1)振動(dòng)能量在沿船體傳遞時(shí)，不斷的被結(jié)構(gòu)吸收；

(2)散波波前的擴(kuò)大[7]。

根據(jù)公式(5)可以進(jìn)一步計(jì)算出各個(gè)噪聲源產(chǎn)生的噪聲對(duì)艙室噪聲的貢獻(xiàn)率，噪聲源貢獻(xiàn)率情況如表1所示。從整個(gè)分析頻率段來看，主機(jī)激勵(lì)力引起的噪聲對(duì)艙室噪聲的貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)大于主機(jī)空氣噪聲和螺旋槳激勵(lì)噪聲對(duì)艙室噪聲的貢獻(xiàn)率。

表1 噪聲源的貢獻(xiàn)率

從整個(gè)分析頻率段來看，三個(gè)艙室的仿真結(jié)果與預(yù)測結(jié)果的整體絕對(duì)誤差小于6 dB(A)，如表2所示。誤差滿足工程精度要求，證實(shí)了本文所建統(tǒng)計(jì)能量分析模型對(duì)全回轉(zhuǎn)拖輪艙室噪聲預(yù)報(bào)的可信性。

表2 仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差

3 結(jié)語

(1)三個(gè)房間仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果整體誤差滿足工程精度要求，表明在滿足相似性條件和顯著性條件的前提下，使用VA One將全回轉(zhuǎn)拖輪劃分為7個(gè)物理子系統(tǒng)的步驟和方法是合理有效的；

(2)通過對(duì)拖輪單獨(dú)施加激勵(lì)源，說明每個(gè)頻率段對(duì)艙室噪聲貢獻(xiàn)最大的噪聲源是不一樣的。在進(jìn)行拖輪減振降噪處理時(shí)，16～63 Hz頻率段，螺旋槳減振控制是首要考慮對(duì)象；63～20 kHz頻率段，主機(jī)減振控制是首要考慮對(duì)象。而通過對(duì)聲源整體貢獻(xiàn)率的計(jì)算，可以得出全頻段內(nèi)主機(jī)激勵(lì)力引起的噪聲對(duì)艙室噪聲的貢獻(xiàn)率達(dá)到90%以上，進(jìn)一步說明主機(jī)減振控制的重要性；

(3)從仿真結(jié)果可以看出，會(huì)議室、船員室、船長室的總聲壓級(jí)為 74.9 dB(A)、75.4 dB(A)、79.3 dB(A)，表明船長室是受噪聲源影響最大的房間，在進(jìn)行拖輪艙室吸聲處理時(shí)，船長室應(yīng)該重點(diǎn)考慮。

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