梁炳南，于洪亮，2，蔡延年

(1．大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧 大連116026;2．集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門361021)

0 引 言

噪聲污染已經(jīng)成為與空氣污染和水污染并列的三大主要污染之一，日益成為人們普遍關(guān)注的問(wèn)題。船舶噪聲不僅會(huì)導(dǎo)致某些結(jié)構(gòu)聲振疲勞損壞，還會(huì)影響艙內(nèi)各種儀器、設(shè)備作用的正常發(fā)揮，對(duì)居住在艙室的人來(lái)說(shuō)，輕則影響到環(huán)境的舒適性，重則對(duì)人體健康造成危害。船舶機(jī)艙是船員工作區(qū)域乃至居住區(qū)域的振動(dòng)源和噪聲源，尋找有效實(shí)用的預(yù)測(cè)分析和控制方法來(lái)解決船舶艙室噪聲問(wèn)題成為重要課題［1－2］。IMO 生效的《船上噪聲等級(jí)規(guī)則》將機(jī)艙相關(guān)處所噪聲等級(jí)強(qiáng)制執(zhí)行，艙室噪聲的來(lái)源之一是由結(jié)構(gòu)的振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲，在最接近機(jī)艙的上甲板是控制噪聲的主要區(qū)域(文中艙室位置)，經(jīng)過(guò)噪聲預(yù)估報(bào)告的分析，該甲板上的艙室，尤其是值班艙室的噪聲值一般都會(huì)超標(biāo)，這樣就必須采取有效的措施進(jìn)行噪聲控制，船上對(duì)于噪聲等級(jí)要求較高的機(jī)艙集控室普遍采用浮動(dòng)艙室設(shè)計(jì)，浮動(dòng)艙室以浮動(dòng)地板為基礎(chǔ)，使整個(gè)艙室處于一種“浮動(dòng)”狀態(tài)之中，從而將空氣噪聲、機(jī)械振動(dòng)分隔至理想程度，達(dá)到良好的減振性能和隔音性能［3－5］。在研究聲輻射問(wèn)題一般認(rèn)為有限元+邊界元方法有較好的精度，并有較多應(yīng)用［6－8］，以某航海教學(xué)實(shí)習(xí)船機(jī)艙為原型，將此振聲耦合系統(tǒng)簡(jiǎn)化為箱形多腔結(jié)構(gòu)，以發(fā)電柴油機(jī)振動(dòng)為激勵(lì)源，運(yùn)用有限元和聲學(xué)邊界元法對(duì)敷設(shè)浮動(dòng)地板敷料的船舶機(jī)艙浮動(dòng)艙室(集控室)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)和聲輻射特性進(jìn)行研究。

1 目標(biāo)船艙室振聲預(yù)報(bào)模型的提出和建立

1.1 船舶浮動(dòng)艙室組成及有限元模型的建立

浮動(dòng)艙室能將艙室內(nèi)部的襯板、獨(dú)立圍壁固定于浮動(dòng)地板上并與鋼甲板分開，再將艙室內(nèi)部的襯板、獨(dú)立圍壁以及天花板采用隔振阻尼方式與鋼圍壁連接，使整個(gè)艙室處于一種“浮動(dòng)”狀態(tài)之中，從而將空氣噪聲、機(jī)械振動(dòng)分隔至理想程度，達(dá)到良好的減振性能和隔音性能。根據(jù)浮動(dòng)艙室的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將整個(gè)艙段分為甲板、艙壁、橫梁、縱骨及縱桁等幾部分，每個(gè)部分先單獨(dú)建模，生成艙室結(jié)構(gòu)子模型，然后組合成完整的艙室模型(見(jiàn)圖1)。以浮動(dòng)地板為例，根據(jù)復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的建模思想，將浮動(dòng)地板沿厚度坐標(biāo)分為5 層，按外輪廓幾何尺寸來(lái)生成面，然后在單元的實(shí)常數(shù)上設(shè)置材料的各層特征，有限元網(wǎng)格劃分單元采用SHELL181 單元，鋼板彈性模量為2.10E11 Pa，泊松比為0.3，密度為7 800 kg/m－3;特殊橡膠彈性模量為6.50E8，泊松比為0.49，密度為1 000 kg/m3;巖棉彈性模量為6.20E6，泊松比為0.226，密度為100 kg/m3;復(fù)合材料彈性模量為8.00E9，泊松比為0.16，密度為1710 kg/m3。浮動(dòng)地板的敷料組成由底向上依次為2.0 mm 的特殊橡膠和2.0 mm 的鍍鋅鋼板，這種結(jié)構(gòu)是以最低的高度來(lái)提供一個(gè)優(yōu)質(zhì)的聲學(xué)性能，此外還有40 mm 的巖棉和20 mm 厚的復(fù)合材料，這種組合在振動(dòng)較大的主甲板艙室內(nèi)不但滿足了防火分割的要求，而且更好的保證了艙室的舒適性，能有效減少由于沖擊和結(jié)構(gòu)振動(dòng)引起的噪聲。

圖1 船舶浮動(dòng)艙室結(jié)構(gòu)示意圖和有限元模型Fig.1 The schematic drawing and finite element model of floating cabins

1.2 船舶機(jī)艙艙段模型組成及有限元模型的建立

某航海教學(xué)實(shí)習(xí)船基本參數(shù)如下:船舶總長(zhǎng)116 m，垂線間長(zhǎng)105 m，型寬18 m，型深至主甲板8.35 m (游步甲板11.1 m)，設(shè)計(jì)吃水5.4 m，選取主機(jī)艙段和輔機(jī)艙段，并將其向首部和尾部延伸了半個(gè)艙段，建立3 個(gè)艙段模型，即模型尾端:#21 模型首端:#92，主機(jī)艙#33 －#57 ，輔機(jī)艙尾端:#57 －#79，肋距0.7 m。主機(jī)及相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)備，機(jī)艙集控室、機(jī)修間布置在主機(jī)艙 (兩舷側(cè)對(duì)稱布置)。3 臺(tái)主柴油發(fā)電機(jī)組布置在輔機(jī)艙內(nèi)，機(jī)組采用隔振器安裝。對(duì)機(jī)艙結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，建模時(shí)，船體外板、上層建筑、艙壁、甲板以及基座結(jié)構(gòu)均采用SHELL 單元模擬，考慮到整個(gè)機(jī)艙有限元模型的剛度要求，在船舶外板、上層建筑、艙壁、甲板等結(jié)構(gòu)中各種加強(qiáng)型材通過(guò)定義不同形狀的BEAM 單元的截面實(shí)現(xiàn)不同型材的模擬，使整個(gè)有限元模型的剛度更貼近實(shí)際。艙段內(nèi)所有機(jī)械設(shè)備的質(zhì)量通過(guò)改變密度加在各層甲板上，以保證模型的總質(zhì)量和實(shí)際機(jī)艙艙段質(zhì)量近似相等，重心與實(shí)際近似一致。選取位于主機(jī)艙中部(#38 ～#50)，主甲板上部，兩舷側(cè)對(duì)稱設(shè)置2 個(gè)聲學(xué)艙室 (圖2 左下角):機(jī)艙集控室 (右舷)，機(jī)艙機(jī)修間(左舷)，和柴油發(fā)電機(jī)組基座(結(jié)構(gòu)形式及其激勵(lì)位置/圖2 右下角)進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理。模型的邊界條件詳見(jiàn)表1。采用完全法進(jìn)行諧響應(yīng)分析，頻率計(jì)算區(qū)間設(shè)定為1 ～200 Hz，對(duì)機(jī)艙集控室進(jìn)行浮動(dòng)艙室設(shè)計(jì)。對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，船舶機(jī)艙數(shù)值計(jì)算模型如圖2 所示。

表1 有限元模型邊界條件表Tab.1 Boundary conditions of the finite element model

圖2 船舶機(jī)艙數(shù)值計(jì)算模型Fig.2 Numerical calculation model of engine room

2 船舶機(jī)艙模型振聲環(huán)境預(yù)報(bào)與控制

2.1 船舶機(jī)艙簡(jiǎn)化模型建立

從形狀上，實(shí)際船舶的機(jī)艙不規(guī)則，在分析和研究機(jī)艙振聲特征的基礎(chǔ)上，為了定性說(shuō)明問(wèn)題，同時(shí)考慮船舶結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，將目標(biāo)船機(jī)艙成比例簡(jiǎn)化為箱形多腔結(jié)構(gòu)，建立簡(jiǎn)化模型如下:考慮船舶液艙一般靠近兩舷并由船底結(jié)構(gòu)和舷側(cè)結(jié)構(gòu)(或液艙壁板)組成，模型設(shè)置6 個(gè)液艙(1 ～6 號(hào))，液艙不充液時(shí)，可看作局部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，模型設(shè)置了5 個(gè)聲學(xué)艙室，1 號(hào)艙室和2 號(hào)艙室對(duì)稱布置，對(duì)1 號(hào)艙室(類比機(jī)艙集控室)頂板和底板敷設(shè)約束阻尼材料。該模型試驗(yàn)的振動(dòng)源僅是用激振器模擬發(fā)電機(jī)組設(shè)備，模型激勵(lì)位置(1.0 m，0.25 m)處對(duì)稱安裝隔振器。機(jī)艙模型截面如圖3 和圖4 所示。

圖3 簡(jiǎn)化模型水平截面圖Fig.3 The horizontal sectional views of simplified model

圖4 簡(jiǎn)化模型橫截面圖Fig.4 The crossl sectional views of simplified model

2.2 結(jié)構(gòu)振動(dòng)聲輻射數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，激勵(lì)源位置對(duì)稱設(shè)置隔振器，1號(hào)艙室底板和頂板敷設(shè)約束阻尼材料，考慮局部約束阻尼減振設(shè)計(jì)對(duì)整體結(jié)構(gòu)振動(dòng)阻尼特性的影響，應(yīng)用模態(tài)應(yīng)變能法，進(jìn)行阻尼結(jié)構(gòu)模態(tài)計(jì)算，求得頻變材料的材料損耗因子及復(fù)合材料損耗因子，用于定義數(shù)值計(jì)算文件中的結(jié)構(gòu)阻尼參數(shù)，APDL語(yǔ)言編寫材料參數(shù)及實(shí)常數(shù)，板材:ET，1，SHELL181＆MP，EX，1，2E11＆MP，PRXY，1，0.3＆MP，DENS，1，7800＆SECTYPE，1，SHELL＆SECDATA，0.004，1，約束阻尼結(jié)構(gòu):ET，1，SHELL181＆MP，EX，1，2E11＆MP，PRXY，1，0.3＆MP，DENS，1，7800＆MP，EX，2，3.4E6＆MP，PRXY，2，0.49＆MP，DENS，2，980＆SECTYPE， 2， SHELL＆SECDATA， 0.004，1＆SECDATA，0.002，2＆SECDATA，0.002，1，隔振器:ET，3，COMBIN14＆R，3，1.2E5，25＆R，4，2.45E5，50＆R，5，5E5，42。模型的邊界條件見(jiàn)表1，有限元模型如圖5 所示。采用完全法進(jìn)行諧響應(yīng)分析，頻率計(jì)算區(qū)間設(shè)定為50 ～1 000 Hz。激勵(lì)力幅值5 N。計(jì)算結(jié)果作為聲學(xué)邊界元模型邊界條件輸入，利用Virtual. Lab 進(jìn)行聲場(chǎng)計(jì)算。實(shí)驗(yàn)室條件下利用激振器進(jìn)行正弦掃描激勵(lì)，聲音信號(hào)采用壓電式聲傳感器采集，LMS SCADAS 硬件與LMS Test. Lab 軟件無(wú)縫集成，保證最佳數(shù)據(jù)質(zhì)量和精度。實(shí)物模型及測(cè)試系統(tǒng)如圖6 所示。

圖5 簡(jiǎn)化模型數(shù)值計(jì)算模型Fig.5 Calculation model of simplified model

圖6 實(shí)物模型及測(cè)試系統(tǒng)Fig.6 Actual physical models and LMS Test System

通過(guò)數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，如圖7 所示，1號(hào)艙室中心處場(chǎng)點(diǎn)1 (0.05 m，0.075 m，0.10 m)處二者聲壓級(jí)隨頻率的變化規(guī)律具有一定的相似性，在230 Hz，410 Hz，560 Hz 頻率處誤差較大，分別為7.7 dB，7.58 dB，7.08 dB，其余對(duì)應(yīng)各頻率處誤差集中在3 ～4 dB之間，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果吻合較好，表明本方法預(yù)測(cè)該模型振聲環(huán)境有較好的準(zhǔn)確度。

圖7 場(chǎng)點(diǎn)1 聲壓級(jí)仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.7 Comparison between simulation and measurement SPL data of field point1

3 結(jié)構(gòu)聲學(xué)特性分析結(jié)果

3.1 兩舷側(cè)對(duì)稱艙室FEM/BEM 計(jì)算結(jié)果與分析

在實(shí)驗(yàn)室搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，仿真結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證仿真方法的有效性。采用有限元/邊界元法，預(yù)測(cè)了機(jī)艙集控室和機(jī)修間聲功率級(jí)，對(duì)比分析該兩舷側(cè)對(duì)稱艙室場(chǎng)點(diǎn)聲壓級(jí)云圖。在結(jié)構(gòu)有限元模型的基礎(chǔ)上利用其內(nèi)表面生成了封閉的空腔模型，最終建立的聲學(xué)邊界元模型，由于集中控制臺(tái)、座椅、電站的存在對(duì)計(jì)算結(jié)果有較大影響，因此同時(shí)考慮設(shè)備占據(jù)空間的影響，并采用間接邊界元法進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)聲學(xué)邊界元模型必須滿足一個(gè)波長(zhǎng)包含6 個(gè)網(wǎng)格單元的原則，本模型可以分析的頻率范圍可到200 Hz，通常將室內(nèi)部流體介質(zhì)定義為標(biāo)準(zhǔn)大氣下空氣，密度為1.2 kg/m3。計(jì)算結(jié)果作為聲學(xué)邊界元模型邊界條件輸入，利用Virtual. Lab 軟件進(jìn)行聲場(chǎng)計(jì)算。計(jì)算頻率范圍內(nèi)集控室和機(jī)修間聲功率級(jí)如圖8 所示，選取12 Hz，16 Hz，20 Hz，24 Hz 的場(chǎng)點(diǎn)聲壓級(jí)云圖(見(jiàn)圖9)，120 Hz，124 Hz，128 Hz，132 Hz 的場(chǎng)點(diǎn)聲壓級(jí)云圖(見(jiàn)圖10)，由于對(duì)船舶機(jī)艙集控室進(jìn)行浮動(dòng)艙室設(shè)計(jì)，機(jī)艙集控室的噪聲等級(jí)明顯小于機(jī)艙機(jī)修間。

圖8 集控室和機(jī)修間聲功率級(jí)曲線Fig.8 The curve of the acoustic power of the machinery control room and mechanical workshops

圖9 場(chǎng)點(diǎn)聲壓級(jí)云圖Fig.9 Sound pressure color nephogram of field point

圖10 場(chǎng)點(diǎn)聲壓級(jí)云圖Fig.10 Sound pressure color nephogram of field point

3.2 浮動(dòng)艙室設(shè)計(jì)對(duì)艙室聲學(xué)特性影響

艙室噪聲的傳遞有固體波動(dòng)和氣體波動(dòng)2 種傳播方式，若只考慮固體傳播方式最終影響室內(nèi)噪聲的主要因素是艙室所有板件的振動(dòng)和聲學(xué)特性，通過(guò)板件聲學(xué)貢獻(xiàn)分析，確定對(duì)噪聲影響最大的結(jié)構(gòu)板件，這是進(jìn)行低噪聲設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)和主要手段。以降低艙室內(nèi)低頻結(jié)構(gòu)噪聲為目標(biāo)，優(yōu)化艙室板件，并以上述工況下的振動(dòng)響應(yīng)作為聲學(xué)邊界元模型的邊界條件，以機(jī)艙集控室內(nèi)值班輪機(jī)右耳位置為目標(biāo)響應(yīng)點(diǎn)，對(duì)艙室進(jìn)行板件聲學(xué)貢獻(xiàn)分析，通過(guò)計(jì)算得到各板件的聲學(xué)貢獻(xiàn)，分析出影響比較顯著地關(guān)鍵面板進(jìn)行振動(dòng)抑制，如圖11 所示，機(jī)艙集控室聲學(xué)貢獻(xiàn)圖能夠清晰地表明不同壁板在不同頻率下的聲學(xué)貢獻(xiàn)，下甲板對(duì)集控室內(nèi)值班輪機(jī)右耳位置的場(chǎng)點(diǎn)的聲壓貢獻(xiàn)最為突出，因此對(duì)下甲板敷設(shè)浮動(dòng)地板敷料。

圖11 艙室板塊聲學(xué)貢獻(xiàn)量Fig.11 Panel color bars contribution display of cabin

機(jī)艙集控室內(nèi)值班輪機(jī)右耳位置的場(chǎng)點(diǎn)1 的聲壓和機(jī)艙機(jī)修間對(duì)稱位置處場(chǎng)點(diǎn)2 聲壓變化情況如圖12 所示，機(jī)艙集控室敷設(shè)浮動(dòng)地板敷料后，聲壓級(jí)變小，尤其在55 ～140 Hz 頻率范圍之內(nèi)，對(duì)艙室噪聲改善明顯。只在3 ～11 Hz 頻段和17 Hz，172 Hz 附近有幾個(gè)點(diǎn)聲壓級(jí)要高于場(chǎng)點(diǎn)2，這是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)在該頻段產(chǎn)生共振輻射，形成共振峰值，此外由于阻尼結(jié)構(gòu)在17 Hz 這個(gè)頻率范圍對(duì)振動(dòng)有較強(qiáng)的抑制作用，場(chǎng)點(diǎn)1 聲壓級(jí)曲線有一個(gè)明顯谷點(diǎn)。通過(guò)對(duì)艙室板件聲學(xué)貢獻(xiàn)進(jìn)行分析，確定了各板件對(duì)于艙室的聲學(xué)貢獻(xiàn)性質(zhì)。找出對(duì)應(yīng)場(chǎng)點(diǎn)聲學(xué)貢獻(xiàn)較大的板件，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行約束阻尼處理，噪聲水平的問(wèn)題得以初步改善。

圖12 場(chǎng)點(diǎn)1 和場(chǎng)點(diǎn)2 聲壓級(jí)頻率響應(yīng)函數(shù)曲線圖Fig.12 The curve of sound pressure level of field point 1 and field point 2

4 結(jié) 語(yǔ)

船舶機(jī)艙是船員工作區(qū)域乃至居住區(qū)域的振動(dòng)源和噪聲源，以某航海教學(xué)實(shí)習(xí)船機(jī)艙為原型，建立艙室集成計(jì)算模型，采用FEM/BEM 法對(duì)結(jié)構(gòu)模型的振動(dòng)響應(yīng)及艙室振動(dòng)輻射噪聲進(jìn)行計(jì)算，得到如下結(jié)論:

1)在分析和研究機(jī)艙振聲特征的基礎(chǔ)上，將目標(biāo)船機(jī)艙成比例簡(jiǎn)化為箱形多腔結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)室搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行船舶機(jī)艙模型振動(dòng)－聲輻射實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證仿真方法的有效性。在此基礎(chǔ)上預(yù)報(bào)船舶機(jī)艙艙段振聲環(huán)境;

2)對(duì)目標(biāo)船機(jī)艙結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，建立船舶機(jī)艙三艙段模型，引入復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)單元，合理設(shè)置數(shù)值計(jì)算的邊界條件及單元的網(wǎng)格劃分，使船舶機(jī)艙艙室噪聲預(yù)報(bào)結(jié)果接近實(shí)際。通過(guò)集控室和機(jī)修間聲功率級(jí)對(duì)比分析，驗(yàn)證浮動(dòng)艙室設(shè)計(jì)可以有效降低船舶艙室噪聲，結(jié)果滿足工程分析要求;

3)計(jì)算各壁板對(duì)機(jī)艙集控室值班輪機(jī)員右耳位置聲壓的貢獻(xiàn)度，通過(guò)對(duì)艙室板件聲學(xué)貢獻(xiàn)進(jìn)行分析，對(duì)聲學(xué)貢獻(xiàn)較大的板件敷設(shè)浮動(dòng)地板敷料，有效降低了艙段振動(dòng)和聲輻射，改善了艙段的振聲性能。浮動(dòng)地板敷料在振動(dòng)較大的主甲板艙室內(nèi)不但滿足了防火分割的要求，能有效減少由于沖擊和結(jié)構(gòu)振動(dòng)引起的噪聲。

本文研究可指導(dǎo)船舶聲學(xué)設(shè)計(jì)和噪聲預(yù)報(bào)，同時(shí)為船舶振動(dòng)噪聲的治理提供有效依據(jù)。

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