李 政 車馳東

（上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院 上海200230）

?

基于半經(jīng)驗法的船舶艙室噪聲實用預(yù)報方法

李 政 車馳東

（上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院 上海200230）

［摘 要］基于“聲源-傳遞路徑-接受點”系統(tǒng)分析法結(jié)合房間聲學(xué)提出一套半經(jīng)驗型的船舶艙室噪聲快速預(yù)報方法。噪聲的傳遞和衰減分別按空氣噪聲和結(jié)構(gòu)噪聲兩條路徑計算，接受點的噪聲聲壓級結(jié)合房間聲學(xué)計算。該方法在總布置方案基本確定階段即可對全船各艙室噪聲分布的水平作出初步預(yù)報，并不依賴于具體的結(jié)構(gòu)和舾裝細節(jié)。通過計算某型快艇的主要艙室噪聲水平并與實測數(shù)據(jù)進行比較，證明了該方法的工程實用性。

［關(guān)鍵詞］艙室噪聲；房間聲學(xué)；半經(jīng)驗法；系統(tǒng)分析

車馳東（1980-），男，博士，研究方向：船舶減振降噪技術(shù)。

引 言

高指標(biāo)的噪聲環(huán)境嚴(yán)重影響船舶的適居性，在船上生活、工作的人員（以及乘客）如長期受到各種噪聲的干擾，則其身心健康將會受到極大傷害。為改善船舶的適居性，國際海事組織（IMO）海上安全委員會（MSC）通過《船上噪聲等級規(guī)則》修訂案對船舶噪聲水平提出更高要求，并已于2014年7月1日正式生效。

在船舶詳細結(jié)構(gòu)確定后再采取降噪措施，往往僅是局部有效且代價巨大；如果待船舶建造結(jié)束后實測噪聲水平超標(biāo)再采取補救措施，其代價則非常昂貴。據(jù)統(tǒng)計，在船舶建造結(jié)束后再采用聲學(xué)方案補救的代價比在設(shè)計階段高2.5倍。因此，在總布置方案基本確定而沒有詳細的結(jié)構(gòu)和舾裝圖紙的階段就能快速估算出全船各艙室噪聲分布的大致水平，是一項十分關(guān)鍵而迫切的工作，進而可根據(jù)估算結(jié)果采取相應(yīng)的降噪措施，如調(diào)整布置、增設(shè)聲學(xué)結(jié)構(gòu)等，既縮短設(shè)計周期又產(chǎn)生很好的經(jīng)濟效益。因此尋求一個系統(tǒng)的、完整的、快速而可靠的船舶艙室噪聲預(yù)報方法是船舶設(shè)計者的當(dāng)務(wù)之急。

船舶艙室噪聲預(yù)報工作十分繁雜，各種預(yù)報方法均以其特有的理論和假設(shè)為依據(jù)。有限元法（FEM）［1-2］的應(yīng)用較為廣泛，其基礎(chǔ)是將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)按照一定的規(guī)則離散，再利用單元之間節(jié)點處的力和位移分量的關(guān)系以及邊界條件對離散所得的每一單元提出近似的插值函數(shù)、建立矩陣，可以編制程序，使用計算機輔助求解。該方法在低頻段的計算精度較高，但在高頻段計算結(jié)果對邊界條件較為敏感［3］；而且隨著頻率增大，波長減小，需要減小單元尺度（導(dǎo)致單元數(shù)量猛增）或者提高插值函數(shù)的階數(shù)以保證計算結(jié)果的精度，從而使計算量激增。這兩方面的原因?qū)е掠邢拊ú贿m用于高頻段的計算。另一種方法是統(tǒng)計能量分析法（SEA）［2， 4］，此方法是對相互連接的共振結(jié)構(gòu)之間消耗的振動能量進行系統(tǒng)評估，其基本假設(shè)是兩個子系統(tǒng)之間的聲能量與其能級差值成正比，互連系統(tǒng)應(yīng)是共振的，而且每個系統(tǒng)的振型密度足夠高。在低頻段因系統(tǒng)模態(tài)密度低于其基本要求誤差較大，而高頻段所得的結(jié)果精度較高［3］。從理論上講，可以結(jié)合FEM和SEA方法進行計算，從而克服兩者分別在高頻段和低頻段的缺陷，但因其基本假設(shè)和研究對象不一致，建模、計算和數(shù)據(jù)交換相當(dāng)復(fù)雜，因此目前市場上已有的商業(yè)軟件多數(shù)是采用SEA方法解決噪聲預(yù)報問題的。然而這類商業(yè)軟件對輸入條件的詳細程度要求較高，操作過程耗時較多，對工程性快速預(yù)報的實用性有待提高。

本文在“聲源-傳遞路徑-接受點”的系統(tǒng)分析法［5］的基礎(chǔ)上結(jié)合房間聲學(xué)提出一套半經(jīng)驗型的船舶艙室噪聲的實用預(yù)報方法。該方法適用于總布置方案基本確定階段對全船各艙室噪聲分布的水平作出初步預(yù)報，并不依賴于具體結(jié)構(gòu)和舾裝細節(jié)。

1　計算方法

本方法計算流程如圖1所示。

圖1　艙室噪聲預(yù)報流程圖

由于船舶上的噪聲傳遞路徑多種多樣，為避免計算過于復(fù)雜采用以下3點假設(shè)：

（1）由于空氣噪聲在傳播過程中穿過圍壁時的透過損失很大（一般鋼質(zhì)圍壁不采取任何降噪措施，其平均透過損失可達33 dB），因此非相鄰艙室的空氣噪聲源的傳遞可忽略不計；

（2）相鄰2個艙室以遠的結(jié)構(gòu)噪聲源的傳遞可忽略不計；

（3）當(dāng)幾個噪聲源具有相同的傳遞路徑時，它們的源強度級可以能量相加。

1.1噪聲源強度計算

聲源的噪聲級頻譜或總聲級最好采用實測數(shù)據(jù)，在實測數(shù)據(jù)缺乏的情況下，可以采用文獻［6］中的方法進行估算。聲源輻射聲功率級和振動加速度級分別用Lw和La表示。

1.2傳遞路徑上的傳遞損失計算

從噪聲源到接受點通常有多條路徑，當(dāng)某條路徑上的傳遞損失明顯大于其他路徑時，該路徑可以忽略不計。

1.2.1空氣噪聲傳遞損失

噪聲源向空氣中輻射出噪聲，并通過空氣傳遞到各接受艙室，在傳遞過程中遇到艙壁、甲板等圍護結(jié)構(gòu)時，會有顯著衰減，這一過程稱為隔聲。各種圍護結(jié)構(gòu)的隔聲量稱為傳遞損失，用TLA表示，單位：dB。單層壁的隔聲量按式（1）計算［7］：

式中：ρS為單層壁的面密度，kg/m2；f為1/1倍頻帶中心頻率，Hz。

由此可知，隔聲量與入射聲的頻率和單層壁的材料面密度有關(guān)，且頻率越高、材料面密度越大則隔聲效果越好。

1.2.2結(jié)構(gòu)噪聲傳遞損失

1.2.2.1噪聲源機座及隔振裝置（接受點輻射表面的彈性浮動結(jié)構(gòu)）引起的傳遞損失TLI

結(jié)構(gòu)噪聲通過隔振有較大衰減，其傳遞損失在不考慮阻尼影響的情況下按式（2）計算［5，7］，單位：dB。

式中：f和fn分別為激勵力頻率和系統(tǒng)固有頻率，Hz。

由此可見，TLI的理論值會隨擾動頻率的增大而趨向于無窮大，但實際情況是隔振系統(tǒng)在高頻段存在駐波，降低了高頻段的傳遞損失，因此建議盡量采用實測值。

1.2.2.2沿船體結(jié)構(gòu)路徑形成的傳遞損失 TLD

根據(jù)文獻［8］，同種介質(zhì)中結(jié)構(gòu)聲能量的傳遞只與轉(zhuǎn)角、幾何尺寸及傳遞方向有關(guān)，傳遞損失TLD可分別按式（3）～式（7）計算，單位：dB。

（1）直角轉(zhuǎn)角

（2）T形轉(zhuǎn)角

① 直通路徑

② 轉(zhuǎn)角路徑

（3）十字轉(zhuǎn)角

① 直通路徑

② 轉(zhuǎn)角路徑

式中：σ為構(gòu)成轉(zhuǎn)角的兩板材厚度比。

當(dāng)結(jié)構(gòu)板材厚度未知時，傳遞損失一般按照如下原則估算：沿著縱向傳播時的隔斷構(gòu)件為橫向?qū)嵗甙?、橫艙壁，一般橫梁和肋骨不計傳遞損失量；沿垂向傳播時的隔斷構(gòu)件為甲板、平臺板。噪聲源到接受點的傳遞損失TLD由縱向傳遞損失TLDL和垂向傳遞損失TLDV疊加而成：

式中：C為衰減常數(shù)；當(dāng)主機為噪聲源時，每一肋距位0.6 dB；螺旋槳為噪聲源時，每一肋距為1 dB。m為從噪聲源到接受點的橫向?qū)嵗甙鍞?shù)；n為從噪聲源到接受點的橫向艙壁數(shù)；n′從振源到接受點的甲板層數(shù)；K為圍壁或甲板的衰減常數(shù)，dB。根據(jù)實船統(tǒng)計結(jié)果，通常在甲板層數(shù)（橫向艙壁）數(shù)目少于4時，K值為5 dB；后續(xù)各層甲板（橫向艙壁）K值為2 dB。

以上公式在低頻情況下精確度較高，工程應(yīng)用中將低頻段的計算值作為高頻段的保守估算值。

1.3接受點聲壓級計算

接受點聲壓級按照源空間和接受空間兩種類型進行計算，源空間是指存在室內(nèi)噪聲源的艙室，接受空間是指主要由室外傳入噪聲的艙室。在實船上某些艙室可能既是源空間又是接受空間，這類艙室按兩類空間計算出的聲壓級疊加而得。

噪聲源強度減去各種傳遞損失即為接收點的空氣噪聲聲功率級和結(jié)構(gòu)噪聲的振動加速度級，將結(jié)構(gòu)噪聲轉(zhuǎn)化為聲功率級，再結(jié)合房間常數(shù)即可計算出接受點艙室的噪聲聲壓級。

1.3.1源空間聲壓級

式中：Si為內(nèi)表面各部分表面積，m2；αi為與 S對應(yīng)的吸聲系數(shù)；為平均吸聲系數(shù)；S=∑Si。

式中：LW為室內(nèi)噪聲源總聲功率級，dB；r為測點至噪聲源聲學(xué)中心距離，m；Q為噪聲源指向性系數(shù)。當(dāng)噪聲源位于艙室中央，Q=2；當(dāng)噪聲源靠近艙壁，Q=4；當(dāng)噪聲源靠近艙室一角，Q=8。

式中：LW為室內(nèi)噪聲源總聲功率級，dB；R為房間常數(shù)。

（4）源空間內(nèi)測點的總聲壓級LP

1.3.2接受空間聲壓級

（1）房間常數(shù)Rr

參照式（9）計算。

式中：LP為艙室外側(cè)聲壓級，dB；S為圍壁面積，m2；TLA為圍壁的隔聲量，dB。

根據(jù)文獻［8］，圍護結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)噪聲轉(zhuǎn)化為空氣噪聲的傳遞函數(shù)按式（14）計算，單位：dB。

式中：ρ為環(huán)境介質(zhì)的密度，kg/m3；C為在介質(zhì)中的聲速，空氣中取344 m/s，水中取1 450 m/s； δRad為聲輻射系數(shù)； f為結(jié)構(gòu)噪聲的頻率，Hz；ηt為敷料層的有效內(nèi)耗系數(shù)；ρS為敷料層（阻尼層）的面密度，kg/m2。通常為負值。

艙室圍護結(jié)構(gòu)每個面的二次聲輻射聲功率級：

艙室6個圍護結(jié)構(gòu)面總的二次聲輻射聲功率級：

再按照混響聲場聲壓級公式（11）結(jié)合房間常數(shù)Rr計算接受空間聲壓級。

在多數(shù)情況下，源空間的圍護結(jié)構(gòu)的二次聲輻射聲功率遠小于艙室內(nèi)部噪聲源所輻射的空氣噪聲聲功率，因此在計算源空間噪聲級時將其忽略不計。

2　計算實例

2.1對象描述

以圖2所示的某型快艇為例，計算其機艙、休息室、駕駛室的噪聲級。幾個主要艙室及噪聲源的相對位置如圖 2所示。

圖2　快艇艙室布置示意圖

主要噪聲源的參數(shù)如下，均布置在機艙中：

（1）S1——主機（MTU 12V2000M84，2 450 kW，2 450 r/min，2臺）；

（2）S2——發(fā)電機（33 kW，1 500 r/min，2臺）；

（3）S3——齒輪箱（2臺）。

各計算艙室尺寸（長×寬×高）如下：機艙（7 m×6.3 m×2.5 m）；休息室（6.5 m×6.3 m×2.9 m）；駕駛室（7 m×4 m×2.2 m）。艙壁和甲板為4 mm厚的鋼板。

2.2機艙聲壓級計算

由于參與計算的噪聲源都在機艙，因此機艙作為源空間計算。由前述可知，機艙只計算主要機械設(shè)備輻射空氣噪聲的噪聲級，同時不需要考慮空氣噪聲的傳遞損失。

2.2.1噪聲源強度計算

按照文獻［6］估算各聲源強度（1/1倍頻帶），由表 1可見，由于主機、齒輪箱、發(fā)電機組數(shù)量均是2臺，故所列出數(shù)據(jù)為單臺設(shè)備數(shù)據(jù)增加3 dB之后的結(jié)果。

表1　聲源強度單位　dB

2.2.2接受點聲壓級

（1）機艙的房間常數(shù)RS。由于機艙內(nèi)安裝有大量機電設(shè)備、管路，其表面因不規(guī)則而具有吸聲效果。房間總的吸聲量為艙室邊界與非邊界吸聲的總和。邊界吸聲與非邊界吸聲都與其各自的面積和吸聲系數(shù)相關(guān)。非邊界面積系數(shù)Cf= Sf/S，其中 Sf和S分別為非邊界吸聲面積和機艙內(nèi)表面積。

由前述可知，S=154.7 m2。根據(jù)實際情況，取Cf=0.4，則機艙非邊界面積Sf= 61.9 m2。

機艙1/1倍頻帶房間常數(shù)RS按式（9）計算，詳見表 2。

（2）機艙聲壓級。按照源空間聲壓級計算方法計算，見表 3。計算測點至噪聲源中心距離r = 2.5 m。

表3　機艙聲壓級計算　dB

2.3休息室聲壓級計算

2.3.1噪聲源強度計算

（1）空氣噪聲。由于休息室與機艙有空艙相隔，機艙向休息室輻射的空氣噪聲可以忽略不計。

（2）結(jié)構(gòu)噪聲。由于3個噪聲源相互距離較近且到休息室的傳遞路徑一致，因此將3個聲源引起的機艙地板振動加速度級的總和作為休息室結(jié)構(gòu)噪聲的源強度，機艙地板中心作為聲源中心。3個噪聲源的機座及隔振裝置的傳遞損失采用經(jīng)驗數(shù)據(jù)。1/1倍頻帶估算值見表 4。

表4　結(jié)構(gòu)噪聲源計算　dB

2.3.2傳遞路徑

設(shè)計初期尚不確定結(jié)構(gòu)板材厚度，因此傳遞損失TLD按式（8）計算。

表5　聲輻射系數(shù)

根據(jù)該艇的布置情況，結(jié)合式（15）分別計算圍護結(jié)構(gòu)各表面輻射的聲功率級，式中的La-TLI用表 4計算所得的代入。

（1）地板

式（8）中的參數(shù)取值如下：聲源中心距離地板中心14個肋距，則m=14；經(jīng)過空艙的前后壁，則n=2；與機艙處于同一高度，則n′=0。

表6　休息室地板輻射聲功率級計算　dB

（2）尾部橫艙壁

式（8）中的參數(shù)取值如下：聲源中心距離艙壁中心8個肋距，m=8；經(jīng)過空艙的前后壁，n=2；空艙中設(shè)有一水平橫隔板，則n′=1。

表7　尾部橫艙壁輻射聲功率級計算　dB

（3）按前述方法計算其余幾個結(jié)構(gòu)面輻射的聲功率級：

表8　其余各圍壁輻射聲功率級　dB

2.3.3接受點聲壓級

（1）接受空間房間常數(shù)

休息室總表面積S=156.1 m2；根據(jù)休息室實際布置情況，由于其中存在桌椅等家具，取Cf=0.1，則機艙非邊界面積Sf=15.6 m2。1/1倍頻帶房間常數(shù)按式（9）計算，見表 9。

表9　休息室房間常數(shù)RS

（2）休息室A計權(quán)聲壓級

結(jié)合式（16）、（17）、（11）計算休息室總聲壓級（注：本艙室只有混響聲）。

表10　休息室聲壓級計算　dB

2.4駕駛室聲壓級

按前述的方法計算駕駛室的A計權(quán)總聲壓級為75.5 dB（A）。

2.5誤差分析

與實測結(jié)果對比見表11。

表11　誤差計算

由表11可知：

（1）本方法所得結(jié)果達到工程實用的精度；

（2）由于各種估算值是按照保守值進行估計的，因此估算結(jié)果均偏高；而在計算傳遞路徑中的損失時忽略了各種裝配縫隙的漏聲等因素，使傳遞損失計算值大于實際值。這兩方面的誤差抵消后結(jié)果落在可接受的誤差范圍內(nèi)。

3　結(jié) 論

本文分析了船舶艙室噪聲的特征，并提出一套基于半經(jīng)驗法的船舶艙室噪聲預(yù)報方法，通過實例闡述了該方法的計算過程，與實測數(shù)據(jù)比較驗證了該方法的工程實用性。

本方法對于有限元、統(tǒng)計能量法而言計算十分簡便快捷，且所得結(jié)果的誤差均在可接受范圍內(nèi)。本方法實現(xiàn)了在總布置方案基本確定階段即可預(yù)報全船各艙室噪聲水平的目標(biāo)，而并不依賴于邊界條件、詳細的結(jié)構(gòu)和舾裝圖紙。

在設(shè)計前期明確艙室的噪聲水平，既能節(jié)省設(shè)計成本，縮短設(shè)計周期，又能避免建造完成后發(fā)現(xiàn)噪聲超標(biāo)的補救返工、減少設(shè)計風(fēng)險，真可謂一舉三得。

［參考文獻］

［1］徐張明，汪玉，華宏星，等. 船舶結(jié)構(gòu)的建模及水下振動和輻射噪聲的FEM/BEM計算［J］. 船舶力學(xué)，2002（4）：89-95.

［2］邱斌. 高速船全頻段艙室噪聲預(yù)報與控制方法的研究［D］. 水聲工程，2010.

［3］Bercin A N. An assessment of the effects of in-plane vibrations on the energy flow between coupled plates［J］. Journal of Sound and Vibration，1996（5）： 661-680.

［4］李丹. 船舶艙室噪聲預(yù)示的統(tǒng)計能量分析研究［D］.船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計制造，2003.

［5］陳端石，趙玫，周海亭. 動力機械振動與噪聲學(xué)［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，1996.

［6］中國船級社.船舶及產(chǎn)品噪聲控制與檢測指南. 第2篇第4章［S］. 2013.

［7］馬大猷. 聲學(xué)手冊［M］. 北京. 科學(xué)出版社，1983.

［8］ Cremer L， Heckl M，Ungar E E. Structure-borne Sound［M］. Second edition. Berlin：Springer-Verlag. 1988.

［9］ 杜功煥，朱哲民，龔秀芬. 聲學(xué)基礎(chǔ)［M］. 第3版. 南京：南京大學(xué)出版社，2012.

Practical prediction of ship cabin noise based on semi-empirical method

LI Zheng CHE Chi-dong
(School of Naval Architecture, Ocean & Civil Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200230, China)

Abstract:A semi-empirical method for the ship cabin noise prediction is put forward based on the system analysis method of “noise source-path-receiving point” and room acoustics. Noise transmission and attenuation are calculated according to the air-borne and structure-borne paths, respectively. And the sound pressure levels in receiving points are calculated combined with room acoustics. Therefore, the noise distribution level of each cabin in the whole ship can be preliminarily predicted during the phase of initial ship general arrangement without dependency on the specific details of the structures and outfitting. The cabin noise level of a yacht is calculated and compared with the measured data to demonstrate the engineering practicability of this method.

Keywords:shipboard cabin noise; room acoustics; semi-empirical method; system analysis

［中圖分類號］U661.44

［文獻標(biāo)志碼］A

［文章編號］1001-9855（2016）02-0043-07

［收稿日期］2015-11-18；［修回日期］2016-03-10

［作者簡介］李 政（1983-），男，碩士，工程師，研究方向：船舶減振減操技術(shù)。