,, ，，

(哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

船舶噪聲會(huì)引起船舶結(jié)構(gòu)疲勞破壞，同時(shí)也會(huì)使船員感到身體不適，從而使船員不能正常工作，降低精密儀器設(shè)備的適用壽命。若在已建好的船舶上再考慮降低噪聲，這使其成本提高好幾倍[1]。為此，首先將船舶聲學(xué)設(shè)計(jì)融入到船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中。

目前，較為常用的船舶艙室噪聲預(yù)報(bào)的方法是：在低頻段內(nèi)通過(guò)有限元[2]結(jié)合邊界元的方法；在中高頻段內(nèi)則采用統(tǒng)計(jì)能量分析方法[3]。其中有限元結(jié)合邊界元的方法對(duì)聲學(xué)網(wǎng)格的要求較嚴(yán)格：一個(gè)聲波波長(zhǎng)必須至少滿足6個(gè)聲學(xué)網(wǎng)格的要求，從而無(wú)形中加大了聲學(xué)模型計(jì)算規(guī)格，限制了計(jì)算頻率范圍[4]。統(tǒng)計(jì)能量分析方法可用于求解高頻隨機(jī)激勵(lì)作用下的復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，該方法能夠?qū)?fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)或者聲學(xué)系統(tǒng)劃分為不同的模態(tài)群，從統(tǒng)計(jì)意義上將大系統(tǒng)劃分為若干個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)，并不是逐個(gè)精確地確定每個(gè)模態(tài)的響應(yīng)[5]。該方法能夠充分利用在高頻段上振動(dòng)與聲輻射的模態(tài)密集性，適用于解決復(fù)雜系統(tǒng)寬頻動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，能夠?qū)⒄駝?dòng)聲源和空氣聲源有效地合理地模擬，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)聲學(xué)復(fù)合材料地有效定義及常規(guī)的減聲降噪措施。

本文基于統(tǒng)計(jì)能量法，建立某船艙室統(tǒng)計(jì)能量法計(jì)算分析模型，對(duì)其機(jī)艙平臺(tái)附近居住艙艙室噪聲特性及優(yōu)化進(jìn)行數(shù)值分析研究。

1 計(jì)算分析模型

根據(jù)相應(yīng)的圖紙，在有限元軟件中建立有限元模型。該船模型長(zhǎng)69 m，型寬8.7 m，型深5 m，船殼厚度為8 mm，加強(qiáng)肋板厚度為6 mm,主船體材料為鋼材，上層建筑材料為鋁合金。材料的彈性模量為210 GPa，泊松比0.3，密度7 800 kg/m3；鋁合金彈性模量為71 GPa，泊松比為0.33，密度為2 700 kg/m3。通常在實(shí)際計(jì)算模型中，考慮到流固耦合[6]的作用，可對(duì)船體材料密度作適當(dāng)?shù)募哟筇幚怼?/p>

將建立的有限元模型導(dǎo)入到VAONE中，并且相應(yīng)的建立統(tǒng)計(jì)能量分析模型，全船統(tǒng)計(jì)能量分析模型中實(shí)際接收和傳遞能量的子系統(tǒng)共有801個(gè)，其中板殼子系統(tǒng)有726個(gè)，聲腔子系統(tǒng)有75個(gè)，在子系統(tǒng)完全建立后，可得到某船的全船艙室噪聲SEA初步分析模型，見圖1～4。

圖1 某型船SEA板殼子系統(tǒng)

圖2 船舶子系統(tǒng)能量傳遞示意

圖3 某型船機(jī)艙附近居住艙室模型示意

圖4 某型船機(jī)艙附近居住艙室SEA聲腔簡(jiǎn)化模型

基于統(tǒng)計(jì)能量法[7]計(jì)算振動(dòng)和噪聲時(shí)，根據(jù)模態(tài)相似的原則將某型整船劃分為801個(gè)子系統(tǒng)，包括船體甲板、艙壁、外板以及各個(gè)艙室聲腔。當(dāng)振動(dòng)激勵(lì)源作用在某個(gè)或某些子系統(tǒng)上時(shí)，子系統(tǒng)間通過(guò)接觸邊界會(huì)發(fā)生能量交換，對(duì)于每個(gè)子系統(tǒng)可得到一個(gè)能量平衡方程，最終形成一個(gè)高階線性方程組，求解方程組可得到各個(gè)子系統(tǒng)的能量，根據(jù)求得的能量從而可獲得相應(yīng)參數(shù)如速度、加速度和外場(chǎng)聲壓等。

根據(jù)能量守恒原則，得到高階線性能量守恒方程。

(1)

式中：ω——計(jì)算頻帶的中心頻率；

UN——外界向該系統(tǒng)輸入的功率；

n——該系統(tǒng)在某頻段內(nèi)的模態(tài)數(shù)；

ηi——子系統(tǒng)的內(nèi)部損耗因子；

ηNi——子系統(tǒng)間的耦合損耗因子。

通過(guò)求解此方程組得到各個(gè)子系統(tǒng)的能量，再根據(jù)求得的各子系統(tǒng)能量對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)進(jìn)行估計(jì)預(yù)報(bào)。

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)結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)，它的振動(dòng)均方速度為

(2)

式中：Ei——子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的模態(tài)振動(dòng)能量;

Mi——子系統(tǒng)質(zhì)量。

振動(dòng)速度級(jí)為

(3)

式中：v0——參考速度值，v0=1×10-9m/s。

據(jù)此相應(yīng)的可求出系統(tǒng)的加速度級(jí)。

對(duì)聲場(chǎng)子系統(tǒng)，其聲壓均方值為

(4)

聲壓級(jí)為

(5)

式中：p0——水介質(zhì)中的參考聲壓，

取p0=1×10-6Pa。

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 機(jī)艙附近居住艙室單人間噪聲特性分析

從建立的分析模型可知，全船的損耗因子并沒(méi)有給定，在此根據(jù)實(shí)際的工程經(jīng)驗(yàn)，暫定全船的損耗因子為0.001。在此假定的基礎(chǔ)上，對(duì)某型船的機(jī)艙平臺(tái)附近居住艙室進(jìn)行噪聲特性分析。

采用統(tǒng)計(jì)能量法首先必須驗(yàn)證其是否滿足計(jì)算條件，即所有子結(jié)構(gòu)的模態(tài)密度都必須大于或者等于4。圖5給出了相應(yīng)部分子結(jié)構(gòu)的模態(tài)密度，通過(guò)分析可知，大部分子結(jié)構(gòu)的模態(tài)密度都大于7，因此采用統(tǒng)計(jì)能量法分析目標(biāo)艙室的噪聲是有效可行的。根據(jù)相關(guān)的船舶減振降噪的經(jīng)驗(yàn)，機(jī)艙平臺(tái)附近的居住艙室噪聲的噪聲源類型分為以下兩類：螺旋槳噪聲源及機(jī)械載荷噪聲源。在此根據(jù)已確定的噪聲源類型，整理出本船的主要載荷，本船在正常巡航狀態(tài)下，所有相關(guān)的設(shè)備都正常運(yùn)行。關(guān)于機(jī)械載荷，主要有主機(jī)、發(fā)電機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵類及空壓機(jī)5種。對(duì)于螺旋槳噪聲源，通常只需要考慮螺旋槳的振動(dòng)激勵(lì)載荷。

圖5 部分子系統(tǒng)的模態(tài)密度

主要設(shè)備激勵(lì)載荷布置位置見表1。

表1 主要設(shè)備激勵(lì)載荷統(tǒng)計(jì)表

在驗(yàn)證其滿足計(jì)算條件后，將以上14種載荷進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的噪聲源類型分類，再將這些載荷對(duì)于機(jī)艙平臺(tái)附近居住艙室噪聲的影響分別進(jìn)行計(jì)算分析。將這些噪聲源分成5種工況進(jìn)行研究分析：只開主機(jī)與發(fā)電機(jī)、只開螺旋槳、只開風(fēng)機(jī)、只開泵、所有激勵(lì)載荷全開。5種工況下機(jī)艙平臺(tái)附近單人間的噪聲聲壓值見表2。

表2 5種工況下對(duì)機(jī)艙平臺(tái)附近居住艙室單人間噪聲聲壓值

通過(guò)分析表2可知，5種不同工況下對(duì)機(jī)艙平臺(tái)附近居住艙室單人間的艙室噪聲的影響不一樣?？梢钥闯?，在所有載荷全開的工況下，單人間在頻點(diǎn)63 Hz下的艙室噪聲值最大。比較其他4種單機(jī)工況可知，只開主機(jī)與發(fā)電機(jī)對(duì)單人間的艙室噪聲的貢獻(xiàn)量最大;風(fēng)機(jī)對(duì)其貢獻(xiàn)量最小。因此可以得出主機(jī)與發(fā)電機(jī)載荷噪聲源是機(jī)艙平臺(tái)附近居住艙室單人間的主要噪聲源。全船在所有激勵(lì)載荷全開的工況下，全船結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量主要集中在前后機(jī)艙的附近。由船體板殼子系統(tǒng)的能量傳遞原理可知，結(jié)構(gòu)振動(dòng)能量是通過(guò)設(shè)備的基座傳向內(nèi)部聲腔。能量在傳遞的過(guò)程中都會(huì)有耗散，所有的激勵(lì)載荷源對(duì)其附近的艙室噪聲的貢獻(xiàn)量最大,因此，單人間的主要噪聲貢獻(xiàn)量來(lái)源于主機(jī)艙。主機(jī)、發(fā)電機(jī)載荷是居住艙室單人間的主傳導(dǎo)途徑。在全船激勵(lì)載荷全開的工況下，單人間的艙室噪聲值為78.6 dB,而居住艙室噪聲限值為60 dB，因此單人間噪聲聲壓不達(dá)標(biāo)。

3 機(jī)艙附近居住艙室單人間噪聲優(yōu)化研究

對(duì)于不滿足考核標(biāo)準(zhǔn)的艙室需要進(jìn)行減振降噪[8]的優(yōu)化工作。由于各艙室的艙室噪聲與其主要噪聲源及結(jié)構(gòu)布置密切相關(guān)，所以對(duì)考核艙室噪聲的減振降噪措施不能一概而論，而應(yīng)從噪聲源控制、提高傳遞損失、艙室末端防護(hù)等3個(gè)方面進(jìn)行綜合考慮，其優(yōu)化方案如下。

1)噪聲源控制。對(duì)主要的振動(dòng)噪聲源進(jìn)行相應(yīng)的隔振處理。在此次進(jìn)行艙室噪聲預(yù)報(bào)分析計(jì)算時(shí)，所加的主要振動(dòng)載荷輸入都是已經(jīng)過(guò)隔振以后的數(shù)值，所以在此次預(yù)報(bào)計(jì)算中已對(duì)噪聲源進(jìn)行了控制。

2)提高傳遞損失。通過(guò)對(duì)艙室噪聲的主傳導(dǎo)途徑的分析，主機(jī)及發(fā)電機(jī)為單人間艙室噪聲的主傳導(dǎo)傳遞途徑。根據(jù)能量傳遞原理，在傳遞途徑中會(huì)有能量的耗散及被材料吸收，故通過(guò)增大材料的損耗因子，使能量在傳遞途徑上更多地被吸收，使傳遞到目標(biāo)艙室的能量最小。

3)艙室末端防護(hù)。當(dāng)振動(dòng)能量傳遞到單人間艙室時(shí)，可在艙室內(nèi)敷設(shè)吸聲材料，吸收能量，降低艙室的自噪聲。

通過(guò)以上3項(xiàng)優(yōu)化措施的分析，初步確定3種優(yōu)化方案如下。

1)將整船的模態(tài)損耗因子增大到0.01，使能量在傳遞的途徑中損耗更多的能量，從而到達(dá)單人間的能量最少，以降低目標(biāo)艙室自噪聲聲壓級(jí)。

2)在單人間艙室敷設(shè)礦物棉板貼布板，當(dāng)能量傳遞到目標(biāo)艙室時(shí)，礦物棉板貼布板吸收部分能量，從而使目標(biāo)艙室的噪聲聲壓級(jí)降低。

3)在在適當(dāng)改變模態(tài)損耗因子為0.004的基礎(chǔ)上，在單人間艙室敷設(shè)礦物棉板貼布板。

表3為將整船的模態(tài)損耗因子定為0.01時(shí)在63 Hz考核頻點(diǎn)下船舶單人間的艙室噪聲聲壓級(jí)。表4為在居住艙單人間加礦物棉板貼布板后單人間的艙室噪聲聲壓級(jí)。表5列出了將整船的模態(tài)損耗因子定為0.004且在目標(biāo)艙室內(nèi)敷設(shè)吸聲材料礦物棉板貼布板下船舶艙室單人間的噪聲聲壓級(jí)。圖6給出了3種不同優(yōu)化措施方案下居住艙單人間艙室噪聲聲壓。

表3 整船模態(tài)損耗因子為0.01時(shí)的噪聲聲壓級(jí) dB

表4 在單人間加吸聲材料的噪聲聲壓級(jí) dB

表5 模態(tài)損耗因子為0.004時(shí)加吸聲材料的噪聲聲壓級(jí) dB

圖6 3種不同優(yōu)化措施方案下單人間的艙室噪聲聲壓

通過(guò)比較表3和表4可知，將整船的模態(tài)損耗因子定為0.01和在單人間敷設(shè)吸聲材料都能達(dá)到一定的降噪效果，都能達(dá)到考核目標(biāo)要求，前者比后者的吸聲效果更好。但是敷設(shè)吸聲材料的經(jīng)濟(jì)效益比改變損耗因子要好。所以在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，應(yīng)該從考慮經(jīng)濟(jì)效率出發(fā)，在適當(dāng)?shù)馗淖儞p耗因子的基礎(chǔ)上結(jié)合艙室敷設(shè)吸聲材料也能達(dá)到不錯(cuò)的降噪效果，所以第三種方案為最佳優(yōu)化方案。

4 結(jié)論

1)機(jī)械載荷激勵(lì)源中的主機(jī)及發(fā)電機(jī)振動(dòng)噪聲源是機(jī)艙平臺(tái)附近居住艙室單人間的主要噪聲源，分析可知，不同的載荷激勵(lì)源對(duì)居住艙室單人間的噪聲貢獻(xiàn)量不一樣。

2)在確定了主要噪聲源的基礎(chǔ)上，得到居住艙室單人間的艙室噪聲的主導(dǎo)傳遞途徑，并且根據(jù)艙室分布，得出離單人間艙室越近，則對(duì)單人間居住艙室自噪聲影響越大；

3)通過(guò)對(duì)3種優(yōu)化方案的對(duì)比分析可知，第一種方案的降噪效果最好，其次是第三種方案，最后是第二種優(yōu)化方案。從經(jīng)濟(jì)效應(yīng)及可行性出發(fā)，得出第三種方案為機(jī)艙平臺(tái)附近居住艙室單人間自噪聲最優(yōu)化的降噪方法。

[1] А.С.НИКИФОРОВ.船體結(jié)構(gòu)聲學(xué)設(shè)計(jì)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1998.

[2] 王玉紅.船舶上層建筑艙室噪聲預(yù)測(cè)[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2003.

[3] 姚德源，王其政.統(tǒng)計(jì)能量分析原理及其應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社,1997.

[4] 張 立，基于國(guó)際新規(guī)范的艙室噪聲預(yù)報(bào)及控制技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2012.

[5] 和衛(wèi)平，陳美霞，高 菊，等.基于統(tǒng)計(jì)能量法的環(huán)肋圓柱殼中、高頻振動(dòng)與聲輻射性能數(shù)值分析[J].中國(guó)艦船研究,2008，3(6):7-12.

[6] 愈孟薩，朱正道.集成統(tǒng)計(jì)能量法計(jì)算聲納自噪聲水動(dòng)力噪聲分量[J].船舶力學(xué),2007,11(2):274-283．

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

[8] 朱石堅(jiān)，何 琳.船舶減振降噪技術(shù)與工程設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2002.