張桂臣, 車馳東, 楊 勇, 孫增華

(1. 哈爾濱工程大學 船舶工程學院, 哈爾濱 150001； 2. 上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院, 上海 200240； 3. 中國船舶及海洋工程設計研究院, 上海 200011； 4. 大連海事大學 輪機工程學院, 遼寧 大連 116026)

船舶振動與噪聲“源-路徑-接受點”

張桂臣1, 車馳東2, 楊 勇3, 孫增華4

(1. 哈爾濱工程大學 船舶工程學院, 哈爾濱 150001； 2. 上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院, 上海 200240； 3. 中國船舶及海洋工程設計研究院, 上海 200011； 4. 大連海事大學 輪機工程學院, 遼寧 大連 116026)

針對國際海事組織MSC《船上噪聲等級規(guī)則》修訂案對我國造船業(yè)帶來的挑戰(zhàn)及船舶結構振動工程預報難點，研究船舶結構聲傳遞規(guī)律，提出“源-路徑-接受點”的系統(tǒng)分析法。按“振動源強度估算-傳遞路徑計算-接受點能量分析”過程對船室空氣噪聲級進行計算，利用現(xiàn)場數(shù)據(jù)觀測和數(shù)值模擬相結合的方法進行船舶結構振動的快速工程預報，開發(fā)“源-路徑-接受點”法分析軟件。對某船艙段進行噪聲預報和半實物模擬分析，結果表明：“源-路徑-接受點”法減少了船舶振動預報時間及設計風險，船舶艙室噪聲預報誤差lt;3 dB。

船舶工程； 振動與噪聲； 噪聲(振動)規(guī)范； 結構噪聲； 噪聲(振動)評價

船舶動力裝置引起的振動不僅會引起周邊結構疲勞破壞，其結構聲傳遞后引起的二次聲輻射還影響上層建筑艙室的適居環(huán)境。[1-2]高強度振動嚴重影響設備的壽命與可靠性，影響船員的工作、休息和健康。為提高船舶適居性，國際海事組織MSC.337(91)決議通過了《船上噪聲等級規(guī)則》[3]，提出更高的船舶降噪標準，對1 600總噸以上新建船舶的噪聲限值、隔聲指數(shù)和測量方法等進行了修訂，下調了噪聲限值。海上人命安全公約(International Convertion for Safety of Life at Sea，SOLAS)將全部引用該規(guī)則,使之成為強制性標準和規(guī)范。該規(guī)則于2014年7月1日起正式生效，不滿足噪聲等級規(guī)則的船舶不能獲得《船舶構造安全證書》，這將影響其入級。

此處利用解析法和數(shù)值法對船舶結構振動源及傳遞路徑特性進行分析[1]，按“振動源強度估算-傳遞路徑計算-接受點能量分析”過程“源-路徑-接受點”(Source-Path-Receiver, S-P-R)法對艙室空氣噪聲級進行計算，研制船舶結構振動快速工程預報方法和基于數(shù)據(jù)庫的結構振動預報軟件[4]，為船舶設計單位提供整體聲學和結構設計、振動預報和校核，以節(jié)約預報時間和成本、降低設計風險，提高我國船舶設計水平。

1 船舶減振降噪措施

船舶減振降噪涉及船舶設計、艙室結構、設備布置、隔音材料、工藝及建造等諸多因素，專業(yè)性強，因此使船舶滿足噪聲防護規(guī)范是一項系統(tǒng)工程。[1,5]船舶建成后，如果因不符合噪聲等級標準而采取補救措施代價會較高，且未必能達到預期效果。針對船舶減振降噪問題，可預先進行船舶優(yōu)化設計和設備合理布置，如共振問題可在設計階段用有限元計算發(fā)現(xiàn)，并通過改進結構或對主激振設備進行重新選型來解決。通過現(xiàn)場測試及分析結果研究振動噪聲傳遞規(guī)律的實驗法，對船舶振動問題的反映最直觀且可信度很高，因此各船級社及船廠把實測數(shù)據(jù)作為衡量船舶噪聲與振動狀況的依據(jù)，但這樣操作太復雜且代價較大。

船舶結構振動及噪聲傳遞機理的研究從簡單的典型船舶連接結構到整船結構振動，從單一的平面波到多種相互耦合的非平面波，范圍很廣，研究方法主要有解析法、數(shù)值法和實驗法。

1. 解析法多用于簡化模型的機理研究，不適于對復雜的船舶結構工程進行分析。

2. 數(shù)值法為簡化分析和計算的“近似”法，主要包括有限元法、遷移矩陣法和統(tǒng)計能量分析法。有限元法比較適合于低頻振動問題的分析，因高頻條件下的計算精度對參數(shù)及邊界條件的變化較為敏感，有限元法高頻分析具有一定局限性；遷移矩陣法把船舶作為一根梁分段處理，但通常只能得到前幾階自振情況，結果較粗略[6]；統(tǒng)計能量分析法在工程上通常用于計算整個結構振動能量的大致分布，但不能用于求解局部區(qū)域的振動能量的詳細分布或對系統(tǒng)參數(shù)變化引起的振動速度場變化進行分析。

3. 實驗法是在船舶建成后進行的，所測得的數(shù)據(jù)適于評估艙室空氣噪聲，驗證解析法或數(shù)值法的正確性。

結構聲最簡便且研究最多是阻振質量[7]，即用“阻波”法研究阻振質量對平面彎曲波傳遞的抑制作用、阻振質量及轉動慣量等參數(shù)變化對傳遞損失的影響。阻振質量和加強筋在理論分析中被簡化為一根梁[8]，其中：加強筋通常是焊接在平板上的型鋼，用于增加板的抗彎強度；而阻振質量通常是附加在平板或轉角處的矩形截面或圓截面鋼條，其作用是抑制結構聲傳遞。

船舶振動噪聲與船舶的設計、建造及使用等各個環(huán)節(jié)緊密相關，任一環(huán)節(jié)失誤都可能產(chǎn)生嚴重的振動噪聲問題。有些問題看上去是建造或設備工作異常引起的，其實是詳細設計時沒有考慮船舶聲學特性導致的。這些失誤可通過正確的聲學性能優(yōu)化而避免，因此不能把減振降噪放在補救措施上，應重視前期設計階段的聲學計算及優(yōu)化。

2 噪聲源-路徑-接受點(S-P-R)法

目前，研究振動噪聲問題多采用系統(tǒng)分析法，噪聲預報、控制及優(yōu)化均可遵循”S-P-R”過程進行(見圖1)。

圖1 S-P-R法船舶振動與噪聲預報分析原理

1. 控制噪聲源設備，盡量選擇低噪聲設備并保證其最佳安裝狀態(tài)。

2. 嚴格控制噪聲傳遞路徑，盡量增加各傳遞路徑上的傳遞損失，使噪聲影響范圍受到很好的控制。

3. 優(yōu)化接受點聲學參數(shù)，如增大其房間常數(shù)等，使噪聲能量被及時耗散或輸入聲波與目標聲場時能量不會富集。

就傳遞路徑而言，噪聲可分為沿空氣路徑傳遞的空氣聲和沿彈性結構傳遞的結構聲兩大類。空氣聲的特點是沿空氣途徑僅以壓縮波的形式傳遞，抑制手段主要是在其傳遞途徑中提高分隔墻板的隔聲量；彈性結構中，結構聲的傳播形式不僅限于壓縮波(縱波)，同時還存在彎曲波及剪切波，情況較為復雜，通常所說的結構聲是不同模式的結構振動在彈性結構中的傳遞。

S-P-R法的計算流程如下。

2.1振動源強度估算

首先確定引起接受點結構振動的主要因素，對振源進行識別與分類，以確定主要激勵源。通常有以下幾類：艙室機電設備(如柴油機、電機、泵、壓縮機等)引起的振動；螺旋漿及軸系引起的結構振動(主要通過軸承傳遞給船體)；高聲壓級的空氣噪聲(如風機出口或柴油機排氣口等)引起的結構振動；風浪流對船體造成的激勵(該激勵頻率較低，主要引起船舶晃動)。

振源估算就是利用實測數(shù)據(jù)、經(jīng)驗公式，借助理論分析來確定各類振源的源強度，主要包括：引起接受點艙室維護結構振動的各類機電設備的結構振動源強度(振動加速度級)(基準值10-6m/s2)；室外或艙室噪聲在接受點艙室維護結構外表面引起的聲壓級(基準值2×10-5Pa)。振源強度應盡量使用實測數(shù)據(jù)，只有在無法得到實測數(shù)據(jù)時才按照理論分析或經(jīng)驗公式進行求取。對于相距3 m以內(nèi)的2個振聲源，可將兩者的源強度級能量疊加為一個振源處理，以兩者中點作為聲源中心。一臺機械設備包含不同類型激勵源時，各類聲源的貢獻需分開考慮。船舶振動源有很多，若某些設備的振動源強度明顯低于其他設備(通常振動加速度級低約10 dB)，為簡化計算，這些設備對艙室振動的貢獻可忽略不計。

2.2傳遞路徑計算

該環(huán)節(jié)的主要任務是確定結構振動能量從振源傳遞到接受點的主要路徑，并計算出相應的傳遞損失。

能引起結構聲傳遞衰減的環(huán)節(jié)包括：結構的轉角及立柱、減振器及機座、有阻尼層的甲板及艙壁、任何可能引起結構振動反射的不連續(xù)結構。由噪聲源至接受點的傳遞路徑可能不止一條，因此在確定結構聲傳遞路徑時必須將全部可能的路徑都考慮在內(nèi)，只有當某條傳遞路徑上的傳遞損失明顯大于其他路徑時，該傳遞路徑才可忽略。

2.3接受點振級計算

源強度分別減去每條傳遞路徑對應的傳遞損失，即可得到結構振動通過該路徑傳遞到目標點的振動能量;將這些振動能量疊加，便可得到接受點的振動總能量。此時結合該接受點的阻抗，可求出該點的振動速度響應。在船上實測引起振動的荷載參數(shù)，同時檢測船舶的結構振動與激勵源(主要包括螺旋槳、船舶主機、副機、空壓機、機艙風機等)的振動數(shù)據(jù)。將這些實測數(shù)據(jù)作為經(jīng)驗數(shù)據(jù)，用于S-P-R法優(yōu)化船舶結構振動與噪聲預報分析，提取結構振動最不利部位的數(shù)據(jù)，改進結構型式，實現(xiàn)減振降噪結構的優(yōu)化。利用S-P-R法對存在振動噪聲問題的船舶進行分析與減振優(yōu)化，通過設置阻波手段采取相應的“補救措施”，實現(xiàn)減振降噪。

3 S-P-R法的應用

在船舶設計階段對噪聲進行控制至關重要，船舶80%以上的噪聲控制工作應該放在該階段。只有在設計階段及時發(fā)現(xiàn)可能存在的問題，并作出相應的修改，才能避免船舶建成后出現(xiàn)噪聲控制方面的嚴重問題。因此，除了結構強度與水動力性能設計以外，必須重視船舶聲學設計。

聲學設計環(huán)節(jié)中，在船舶基本艙室布置確定以后就將“噪聲額度”(各艙室為滿足噪聲防護要求所能容納或承受的最大噪聲源強度)分配到各個艙室，然后參照這些額度的限定值考慮機電設備。如果不考慮艙室所能承受的噪聲源強度，有可能引起噪聲超標的問題；而一味選擇低噪聲設備又可能使得船舶成本大增。因此，這個環(huán)節(jié)對噪聲控制與節(jié)約成本而言非常重要。

在船舶機電設備和結構確定后，通過S-P-R法預報船舶振動與噪聲，對可能存在問題的艙室和各類缺陷進行改進與優(yōu)化。這些缺陷包括設備引起的結構的共振，艙室聲學參數(shù)不匹配以及可能存在的測漏路徑等。船舶建造必須按照聲學設計的要求進行，各類設備必須正確安裝及對中，基礎剛度等必須達到設計要求。在聲學設計中未曾考慮的但可能引起振動及噪聲問題的設備及艙段，在建造過程中必須就地補救，如適當加強結構薄弱處、在振動速度可能較大的地方敷設阻尼、給管路安裝彈性隔振及抗沖擊裝置等。此外，船舶建造時還必須保證不產(chǎn)生額外的測漏路徑，如縫隙及焊接不當?shù)取?/p>

上述措施可保證設計工況下的減振降噪效果，但船舶營運過程中機電設備超負荷運行或異常會造成額外的振動噪聲，如果減振降噪措施失效(如吸聲材料損壞或減振器失效等)，也會產(chǎn)生較大噪聲。因此在船舶營運中，可對機電設備進行故障診斷和預報。

4 S-P-R法船舶振動與噪聲分析預報

利用解析法及數(shù)值法對船舶結構聲傳遞進行建模，分析船舶主要機電設備的振動源強度及參數(shù)對結構聲傳遞的影響?？衫肧-P-R法軟件分析船舶典型結構振動的傳遞規(guī)律，結合理論分析與實測數(shù)據(jù)回歸經(jīng)驗公式，簡化分析和計算的過程，實現(xiàn)工程快速預報。其內(nèi)容包括：各主要機電設備的振源強度及對船體激勵的模式，船舶結構幾何參數(shù)、材料屬性等對結構聲傳遞的影響；結構連接處的阻抗匹配程度對結構聲透射及反射系數(shù)的影響；結構聲能量沿典型船體結構的衰減規(guī)律；S-P-R法計算程序對實際船舶結構中結構聲的傳遞進行計算。

通過實船測試獲得各主要機電設備的振動源強度及各典型船舶結構中振動能量的衰減規(guī)律。在船舶詳細設計階段進行船舶結構參數(shù)的振動與噪聲工程預報?；诮?jīng)驗公式和實船測試數(shù)據(jù)庫的S-P-R法軟件，重點考慮各振源強度及振動能量沿典型結構的傳遞損失隨決定性參數(shù)的變化規(guī)律，簡單有效地估算由機電設備等引起的振動最終傳遞至接受點的能量級，計算簡便且受邊界條件影響較小。

基于S-P-R法的船舶振動與噪聲分析預報軟件克服了只有在完工后才能根據(jù)振動與噪聲測量結果采取相應補救措施的難題，節(jié)省了相應的技術改造費用，極大地降低了因船舶振動與噪聲不達標而被罰款的技術風險。該軟件可用于船舶建造和設計工程技術人員的船舶減振技術培訓，針對多種船型、船舶不同區(qū)域的噪聲限值、艙壁和甲板隔聲指數(shù)、噪聲測量方法等進行振動和噪聲檢測與評估，可節(jié)約硬件投入與測量費用，節(jié)省計算分析時間。

5 試驗分析

利用S-P-R法分析軟件對某船主機艙及其正上方艙室振級進行預報。結構聲源強度為主機艙地面甲板振動總加速度級，噪聲源設備以高速柴油機實測數(shù)據(jù)為參考，估算某型船柴油機振動加速度級。甲板未敷設阻尼層，結構聲傳遞過程中以轉角損失為主，計算結構聲由主機艙地面?zhèn)髦琳蠈优撌业膫鬟f損失，然后求得艙室圍護結構各表面的振動加速度級。轉角處不采取阻波措施時，轉角傳遞損失隨頻率變化不大，故將低頻數(shù)據(jù)作為全頻段的傳遞損失的保守估算值。

基于S-P-R法的船舶振動與噪聲分析預報軟件的預報值：接受空間地板102.8 dB，縱艙壁98.3 dB；采用有限元法的分析值：接受空間地板110.3 dB，縱艙壁105.1 dB；半實物模擬艙段的實測值：接受空間地板100 dB，縱艙壁100 dB。由此可知，基于S-P-R法的船舶艙室噪聲預報能達到一定工程精度，誤差不超過3 dB。

6 結 語

通過研究噪聲與振動在典型船舶結構中的傳遞規(guī)律，分析船舶結構參數(shù)變化對噪聲振動能量傳遞的影響，研究具有針對性的船舶減振降噪措施。根據(jù)實測數(shù)據(jù)及經(jīng)驗公式建立船舶結構聲傳遞模型，研制一套基于S-P-R法的船舶振動與噪聲分析的預報方法和軟件，為船舶提供聲學設計、振動情況預報和校核，以節(jié)約振動預報時間和成本，降低設計風險。

[1] CHE Chidong, CHEN Duanshi. Structure-Borne Sound Attenuation at Corner Interface with Dynamic Vibration Absorber Attached [J]. Shanghai Jiaotong University, 2011, 16(6):750-758.

[2] 姚熊亮,計方,錢德進,等.典型船舶結構中振動波傳遞特性研究[J].振動與沖擊,2009,28(8):20-24.

[3] 中國船級社.GD17—2013,船舶噪聲檢測指南[S].北京：中國船級社,2013.

[4] 張桂臣,車馳東,楊勇,等.基于S-P-R法的船舶結構振動與噪聲分析快速預報軟件[P].中國: 2014SR012378, 2014.

[5] ZHANG Guichen, PANG Huandong, HE Jiqing. Selection and Optimization in Vibration Isolation Structure of Marine Podded SSP Propulsion [J]. Applied Mechanics and Materials, 2012, 128: 280-284.

[6] YANG Yong, MA Jie, TANG Wenyong,etal. Shafting Alignment Based on Hydrodynamics Simulation Under Larger Rudder Corner Conditions [J]. Shanghai Jiaotong University: Science Edition, 2012, 17 (2): 1-9.

[7] 姚熊亮,計方,錢德進,等.偏心阻振質量阻抑振動波傳遞特性研究[J].振動與沖擊,2010,29(1): 48-52.

[8] 何琳,何世平.阻隔質量對桿類結構彎曲波隔離的工程應用研究[J]. 聲學技術,2007,26(1):153-158.

ShipVibrationandNoiseControlBasedon“Source-Path-Receiver”Method

ZHANGGuichen1，CHEChidong2，YANGYong3,SUNZenghua4

(1. College of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China; 2. School of Naval Architecture, Ocean amp; Civil Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China; 3.Marine Design amp; Research Institute of China, Shanghai 200011, China; 4. Marine Engineering College, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

The amendments to the “Code on Noise Levels Onboard Ships” of MSC IMO challenge the shipbuilding industry and bring difficulties to the engineering forecasting of ship structure vibration. The noise and vibration sources in ship structure and the law of vibration transmission are analyzed and the “Source-Path-Receiver” (S-P-R) systematic analysis method is put forth. The cabin air noise is calculated in accordance with “intensifying estimation of the vibration sources, calculation of transmission, energy analysis of reception”, and the fast engineering forecasting of ship structure vibration is made in conjunction with online data observation and data simulation. The response characteristics of a ship to noise and vibration are determined through both the noise analysis calculation and the semi-physical simulation experiment in the ship stern. The results show that the “S-P-R” method reduces the time for forecasting ship vibration and the design risks with the noise forecasting error of less than 3 dB

ship engineering; vibration and noise; vibration (noise) standard; structure-borne sound; noise (vibration) evaluation

2014-05-02

國家自然科學基金(51179102)

張桂臣(1971—)，男，山東青島人，輪機長，教授，博士后，從事船舶節(jié)能減排研究。E-mail:zhanggc2004@163.com

1000-4653(2014)03-0108-04

TB533+.2

A