,,大海,

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

船上噪聲不僅會(huì)導(dǎo)致某些結(jié)構(gòu)聲振疲勞破壞，還會(huì)影響艙內(nèi)各種儀器、設(shè)備等的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，而且船舶噪聲對(duì)船上人員的健康、生活、休息和工作甚至心理都存在很大的影響[1-3]。如果在結(jié)束船舶總體設(shè)計(jì)之后再采取各種降低振動(dòng)和空氣噪聲的辦法，在大部分情況下只能局部地解決面臨的問(wèn)題，而且費(fèi)用高昂，在已經(jīng)建造好了的船上，安裝聲學(xué)器材的代價(jià)要比在船舶設(shè)計(jì)過(guò)程中預(yù)先采取措施的費(fèi)用高約2.5倍[4]。所以，在船舶設(shè)計(jì)的早期階段就考慮到聲學(xué)要求，事先完成船舶聲學(xué)設(shè)計(jì)，則可以事半功倍。由于船上激勵(lì)源眾多(主機(jī)、輔機(jī)、螺旋槳、泵類、空氣壓縮機(jī)、空調(diào)器等)、船體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、振動(dòng)噪聲的傳遞途徑復(fù)雜多變，使得船舶艙室噪聲控制的變得十分困難[5]。本文應(yīng)用統(tǒng)計(jì)能量分析方法，具體針對(duì)船舶典型艙室在船舶聲學(xué)主要激勵(lì)所引起直接聲輻射載荷和振動(dòng)加速度載荷的影響下的艙室噪聲進(jìn)行預(yù)報(bào)，進(jìn)而研究在激勵(lì)源設(shè)備添加隔振器和艙壁敷設(shè)阻尼材料等情況下艙室噪聲的改變，對(duì)比相關(guān)規(guī)范，給出典型艙室的優(yōu)化設(shè)計(jì)措施。

1 統(tǒng)計(jì)能量分析

1.1 統(tǒng)計(jì)能量分析方法基本原理

SEA方法是依據(jù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在外載荷作用下能量平衡的原則，從能量輸入、損耗和傳遞的角度來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模的。對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的高頻響應(yīng)預(yù)示是從子系統(tǒng)的劃分開(kāi)始的，對(duì)于一個(gè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，一旦確定每個(gè)子系統(tǒng)后，則對(duì)于每個(gè)子系統(tǒng)都有與其相鄰的子系統(tǒng)的功率流方程。

Pini=Pdissi+Pij

(1)

式中:Pini——子系統(tǒng)的輸入功率；

Pdissi——子系統(tǒng)i的損耗功率，其大小為Pdissi=ωηiEi；

Pij——子系統(tǒng)i與子系統(tǒng)j之間的傳遞功率，其大小為Pij=ωηijEi-ωηjiEj。

其中:ηi——子系統(tǒng)i的內(nèi)損耗因子；

ηij——子系統(tǒng)i對(duì)子系統(tǒng)j的耦合損耗因子;

ηji——子系統(tǒng)j對(duì)子系統(tǒng)i的耦合損耗因子。

由這樣一系列的子系統(tǒng)功率流方程式聯(lián)列，則可得到方程組：

(2)

式中:ω——頻帶中心頻率，rad/s；

ni——子系統(tǒng)i的模態(tài)密度。

每一個(gè)結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)或聲學(xué)子系統(tǒng)都具有一個(gè)與時(shí)間平均和空間平均振速或聲壓成比率的穩(wěn)態(tài)能量水平。

對(duì)于質(zhì)量為ms的結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)

(3)

對(duì)于體積為V的聲場(chǎng)

(4)

由此建立能量與響應(yīng)之間的關(guān)系，由能量可得到響應(yīng)量，由響應(yīng)量亦可計(jì)算出能量。

2 船舶典型艙室噪聲預(yù)報(bào)

船舶是一個(gè)浮于水上的復(fù)雜大型結(jié)構(gòu)，其上結(jié)構(gòu)龐大眾多，激勵(lì)眾多。本文主要考慮由主機(jī)、空調(diào)和風(fēng)機(jī)等激勵(lì)所引起的空氣和結(jié)構(gòu)噪聲的影響，分別應(yīng)用統(tǒng)計(jì)能量分析的板、梁、圓柱以及空氣、海水介質(zhì)等系統(tǒng)來(lái)模擬船舶結(jié)構(gòu)和艙室。

2.1 艙室噪聲預(yù)報(bào)模型

以某民用船舶典型艙段為研究對(duì)象，研究其振動(dòng)噪聲特性。該船的主尺度及船型系數(shù)為總長(zhǎng)54.4 m、型寬21.6 m、型深9 m、吃水5.2 m、排水量1 350 t。

首先在ANSYS Preprocessor里建立船體典型艙段詳細(xì)幾何模型，包括船體外板、甲板、各部位型材、艙壁及其它加強(qiáng)構(gòu)件等。根據(jù)船體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，建立船體結(jié)構(gòu)，然后賦予其物理屬性，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立船體結(jié)構(gòu)有限元模型，導(dǎo)入VA One。在簡(jiǎn)化模型的基礎(chǔ)上，建立板殼子系統(tǒng)和艙室聲腔子系統(tǒng)，見(jiàn)圖1。

圖1 板殼子系統(tǒng)和艙室聲腔子系統(tǒng)

與水相連的部分通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式添加附連水質(zhì)量，模擬水對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的影響，與空氣相鄰的界面為自由邊界。

2.2 SEA參數(shù)確定

1)模態(tài)密度由VA one軟件自動(dòng)進(jìn)行模態(tài)密度的計(jì)算。

2)通過(guò)近似估算，板的損耗因子為0.004，由此得到聲腔的內(nèi)損耗因子。

3)輸入功率的確定。由于輸入功率可以表達(dá)為力譜與速度譜的乘積，涉及到的輸入阻抗也與頻率有關(guān)，因而輸入功率也是頻率的函數(shù)。

設(shè)備在工作過(guò)程中，由于設(shè)備的動(dòng)力不平衡，導(dǎo)致基座發(fā)生振動(dòng)，從而引起甲板、艙壁、外板等的振動(dòng)并向艙室內(nèi)輻射噪聲，稱為結(jié)構(gòu)噪聲。

載荷包括兩個(gè)部分：一部分為空氣噪聲，一部分為結(jié)構(gòu)噪聲。將各空氣噪聲輻射聲功率加載到對(duì)應(yīng)的艙室聲腔中，將各振動(dòng)加速度級(jí)加載到對(duì)應(yīng)的艙室甲板上。各艙室設(shè)備空氣噪聲聲功率隨頻率的變化曲線見(jiàn)圖2。各艙室設(shè)備振動(dòng)加速度級(jí)隨頻率的變化曲線見(jiàn)圖3。

圖2 艙室設(shè)備空氣噪聲聲功率

圖3 艙室設(shè)備振動(dòng)加速度級(jí)

2.3 典型艙室噪聲預(yù)報(bào)結(jié)果分析

應(yīng)用統(tǒng)計(jì)能量分析方法，針對(duì)船舶典型艙室在船舶聲學(xué)主要激勵(lì)所引起直接聲輻射載荷和振動(dòng)加速度載荷的影響下的艙室噪聲進(jìn)行預(yù)報(bào)。典型艙段聲壓級(jí)分布情況見(jiàn)圖4。

圖4 船舶典型艙段聲壓級(jí)分布

選取典型艙室來(lái)進(jìn)行分析，典型艙室總聲壓級(jí)見(jiàn)表1。

表1 典型艙室總聲壓級(jí) dBA

典型艙室聲壓級(jí)曲線隨頻率變化曲線見(jiàn)圖5。

圖5 典型艙室聲壓級(jí)

船長(zhǎng)室的總聲壓級(jí)為67.1 dBA，主要由兩艙室內(nèi)柜式空調(diào)的直接聲輻射造成。當(dāng)把船長(zhǎng)室和會(huì)議室的空調(diào)關(guān)掉后，其艙室聲壓級(jí)減小很多。由于船長(zhǎng)室安裝1臺(tái)柜式空調(diào)，且遠(yuǎn)離其他各種振動(dòng)設(shè)備，關(guān)閉空調(diào)后總聲壓級(jí)下降24 dBA；會(huì)議室安裝一臺(tái)柜式空調(diào)機(jī)，且離其他振動(dòng)設(shè)備較近，其艙室噪聲下降20.6 dBA。

機(jī)艙總聲壓級(jí)為108.7 dBA，主機(jī)艙屬于激勵(lì)源所在艙室，其中機(jī)艙柴油機(jī)殼體表面直接聲輻射是機(jī)艙噪聲的主導(dǎo)分量。由于機(jī)艙值班室距離柴油機(jī)艙較近，而柴油機(jī)的直接聲輻射較大，導(dǎo)致臥室聲壓級(jí)偏大。

3 典型艙室的優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)于船舶聲學(xué)設(shè)計(jì)，既包括在船舶設(shè)計(jì)的早期階段選擇聲學(xué)上最佳的船舶建造型式，也包括阻尼減振技術(shù)。阻尼減振技術(shù)是通過(guò)提高材料或結(jié)構(gòu)的損耗因數(shù)，將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為其它形式的能量而達(dá)到減振降噪目的的。因此，阻尼技術(shù)在艦船結(jié)構(gòu)噪聲控制中有著重要的地位。從船舶艙室噪聲的傳遞途徑入手，找到船舶艙室噪聲主導(dǎo)傳遞途徑、主導(dǎo)分量，并以此給出相應(yīng)的降噪措施，為船舶的艙室噪聲設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

分別以典型的激勵(lì)源艙室和典型的非激勵(lì)源艙室為研究對(duì)象，計(jì)算并且說(shuō)明各項(xiàng)措施的減震降噪效果。典型的激勵(lì)源艙室以船長(zhǎng)室、主機(jī)艙為例，典型的非激勵(lì)源艙室以機(jī)艙值班室、臥室為例。

3.1 激勵(lì)源艙室噪聲的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1.1 船長(zhǎng)室噪聲優(yōu)化

船長(zhǎng)室的總聲壓級(jí)為67.1 dBA，大于噪聲級(jí)限值。對(duì)船長(zhǎng)室艙室的柜式空調(diào)機(jī)按正常工作、不考慮振動(dòng)加速度載荷(僅考慮直接聲輻射載荷)、不考慮直接聲輻射載荷(僅考慮振動(dòng)加速度載荷)三種狀態(tài)進(jìn)行分析，其聲壓級(jí)見(jiàn)表2。

表2 空調(diào)不同狀態(tài)下船長(zhǎng)室的聲壓級(jí) dBA

船長(zhǎng)室安裝1臺(tái)柜式空調(diào)且遠(yuǎn)離其它各種振動(dòng)設(shè)備。對(duì)于船長(zhǎng)室，不考慮空調(diào)振動(dòng)加速度載荷(即僅考慮直接聲輻射載荷)，船長(zhǎng)室的聲壓級(jí)降低0.1 dBA。而不考慮空調(diào)直接聲輻射載荷(即僅考慮振動(dòng)加速度載荷)，船長(zhǎng)室聲壓級(jí)降低24.4 dBA?？梢?jiàn)船長(zhǎng)室噪聲的主導(dǎo)分量為空調(diào)的直接聲輻射。解決的辦法是對(duì)空調(diào)設(shè)備進(jìn)行隔聲處理，將空調(diào)設(shè)備轉(zhuǎn)移至空調(diào)機(jī)房，能使船長(zhǎng)室的聲壓級(jí)滿足要求。

3.1.2 機(jī)艙室噪聲優(yōu)化

機(jī)艙總聲壓級(jí)為108.7 dBA，大于噪聲級(jí)限值。根據(jù)提供的隔振器設(shè)備的振動(dòng)加速度級(jí)，柴油機(jī)添加隔振器前后傳遞到船體結(jié)構(gòu)上的加載曲線見(jiàn)圖6。

圖6 柴油機(jī)通過(guò)隔振器后的加載曲線

對(duì)主機(jī)艙的柴油機(jī)添加基座、不考慮振動(dòng)加速度載荷(僅考慮直接聲輻射載荷)、不考慮直接聲輻射載荷(僅考慮振動(dòng)加速度載荷)進(jìn)行分析，其聲壓級(jí)曲線見(jiàn)圖7，總聲級(jí)見(jiàn)表3。

圖7 柴油機(jī)通過(guò)隔振器后機(jī)艙聲壓級(jí)

表3 不同狀況下的機(jī)艙聲壓級(jí) dBA

機(jī)艙總聲壓級(jí)為108.7 dBA，大于噪聲級(jí)限值。由計(jì)算可見(jiàn)，當(dāng)柴油機(jī)添加基座后，其艙室聲壓級(jí)降低1.3 dBA；不考慮振動(dòng)加速度載荷(即僅考慮直接聲輻射載荷)，主機(jī)艙室的聲壓級(jí)相對(duì)于不添加基座時(shí)降低1.3 dBA；而不考慮直接聲輻射載荷(即僅考慮振動(dòng)加速度載荷)，主機(jī)艙室聲壓級(jí)降低52.2 dBA?？梢?jiàn)主機(jī)艙的噪聲主導(dǎo)分量為直接聲輻射。艙室的邊界條件(艙壁敷設(shè)阻尼材料)對(duì)艙室內(nèi)聲壓級(jí)的影響不大。

主機(jī)艙屬于激勵(lì)源所在艙室，主機(jī)艙的噪聲主導(dǎo)分量為主機(jī)的直接聲輻射，艙室的邊界條件(艙壁敷設(shè)阻尼材料)對(duì)艙室內(nèi)聲壓級(jí)的影響不大。對(duì)主機(jī)設(shè)置隔聲罩，可降低主機(jī)艙內(nèi)柴油機(jī)的直接聲輻射。機(jī)艙在柴油機(jī)采取隔振措施后的結(jié)構(gòu)噪聲在允許限值范圍內(nèi)。

3.2 非激勵(lì)源艙室的優(yōu)化設(shè)計(jì)

柴油機(jī)殼體表面直接聲輻射是機(jī)艙內(nèi)噪聲的主導(dǎo)分量。機(jī)艙附近的艙室屬于非激勵(lì)源艙室，聲壓級(jí)也較大，且不滿足規(guī)范要求。

非激勵(lì)源艙室以機(jī)艙值班室、臥室為例，分別分析主機(jī)艙室內(nèi)側(cè)艙壁敷設(shè)阻尼材料時(shí)主機(jī)不添加基座、主機(jī)添加基座，以及主機(jī)艙室內(nèi)側(cè)艙壁不敷設(shè)阻尼材料時(shí)主機(jī)不添加基座、主機(jī)添加基座等狀況，檢測(cè)機(jī)艙值班室和臥室的聲壓級(jí)的變化情況。

3.2.1 機(jī)艙值班室噪聲優(yōu)化

分別分析主機(jī)艙室內(nèi)側(cè)艙壁敷設(shè)阻尼材料時(shí)主機(jī)不添加基座、主機(jī)添加基座，以及主機(jī)艙室內(nèi)側(cè)艙壁不敷設(shè)阻尼材料時(shí)主機(jī)不添加基座、主機(jī)添加基座等狀況，檢測(cè)機(jī)艙值班室的聲壓級(jí)的變化情況，見(jiàn)表4。

由計(jì)算可知，當(dāng)主機(jī)有基座，主機(jī)艙敷設(shè)阻尼材料時(shí)，能保證機(jī)艙值班室滿足艙室噪聲級(jí)限值規(guī)定。且由于機(jī)艙值班室臨近激勵(lì)源設(shè)備主機(jī)，敷設(shè)阻尼材料能較大幅度地降低機(jī)艙值班室的艙室噪聲。

3.2.2 臥室噪聲優(yōu)化

對(duì)于臥室，分別分析主機(jī)艙室內(nèi)側(cè)艙壁敷設(shè)阻尼材料時(shí)主機(jī)不添加基座、主機(jī)添加基座，以及主機(jī)艙室內(nèi)側(cè)艙壁不敷設(shè)阻尼材料時(shí)主機(jī)不添加基座、主機(jī)添加基座行裝狀況，檢測(cè)臥室的聲壓級(jí)的變化情況，表5。

表5 不同狀況下的臥室聲壓級(jí) dBA

當(dāng)主機(jī)有基座，主機(jī)艙敷設(shè)阻尼材料時(shí)，能保證臥室滿足艙室噪聲級(jí)限值規(guī)定。柴油機(jī)殼體表面直接聲輻射是機(jī)艙附近非激勵(lì)源艙室的噪聲主導(dǎo)分量。解決的方法是在主機(jī)艙室內(nèi)側(cè)艙壁敷設(shè)阻尼材料。同時(shí)柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲也是影響臨近艙室噪聲聲壓級(jí)的重要因素，對(duì)主機(jī)添加基座可降低噪聲。

4 結(jié)論

1)對(duì)于激勵(lì)源艙室而言，其艙室噪聲的主導(dǎo)分量為激勵(lì)源設(shè)備的表面直接聲輻射。激勵(lì)源所在艙室的噪聲優(yōu)化可以通過(guò)轉(zhuǎn)移激勵(lì)源設(shè)備的位置，對(duì)激勵(lì)源設(shè)備添加隔聲罩，以降低對(duì)應(yīng)艙室噪聲的聲壓級(jí)。

2)對(duì)于臨近激勵(lì)源設(shè)備的非激勵(lì)源艙室而言，其艙室噪聲來(lái)源既有直接聲輻射，又有激勵(lì)源

設(shè)備的結(jié)構(gòu)振動(dòng)。遠(yuǎn)離激勵(lì)源的非激勵(lì)源艙室，其艙室噪聲的主導(dǎo)分量為激勵(lì)源設(shè)備的振動(dòng)加速度載荷；離激勵(lì)源設(shè)備越近，非激勵(lì)源艙室的艙室噪聲中的激勵(lì)源設(shè)備的直接聲輻射所占比例越大。

3)在激勵(lì)源所在艙室敷設(shè)阻尼材料，不會(huì)明顯降低此艙室噪聲，但對(duì)臨近激勵(lì)源所在艙室的艙室有降噪作用。

4)對(duì)激勵(lì)源設(shè)備添加隔振器，能有效地降低非激勵(lì)源艙室的艙室噪聲。

[1] 尼基福羅夫阿斯.船體結(jié)構(gòu)聲學(xué)設(shè)計(jì)[M].謝 信，譯.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1998.

[2] 黎露鋼，林鵲梅.海軍某艦輪機(jī)兵接觸噪聲情況調(diào)查[J].海軍醫(yī)學(xué)雜志,2001，22(3):249.

[3] 伍先俊，朱石堅(jiān).統(tǒng)計(jì)能量法及其在船舶聲振預(yù)鍘中的應(yīng)用綜述[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，28(2)：212-215.

[4] IHLENBURG F,BABUSKA I. Finite element solution of the Helmholtz equation with high wave number PartⅠ: the hp-version of the FEM[J].Computers and mathematics with application,1995,30:9-37.

[5] 于大鵬，趙德有，黎 勝.半無(wú)限域流場(chǎng)和有限水深對(duì)船舶水下輻射噪聲特性影響研究[C]∥第十屆船舶水下噪聲學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集，2005：88-96.