王　充，劉月琴，陳超核

(華南理工大學 土木與交通學院，廣州 510641)

?

100 ft豪華游艇典型艙室噪聲預報與控制

王充，劉月琴，陳超核

(華南理工大學 土木與交通學院，廣州 510641)

針對海上豪華游艇進行典型艙室的噪聲預報，由預報結果對目標艙室客廳提出具體降噪措施并進行優(yōu)化。以統計能量分析方法為基礎，使用聲振分析軟件VA One進行典型艙室噪聲水平的預報，大部分艙室能夠滿足相應要求，對不滿足要求的客廳從能量傳遞途徑進行分析提出具體降噪措施。

豪華游艇；統計能量分析法；噪聲預報；降噪措施

艙室噪聲作為評判游艇舒適度的一個重要方面越來越受到各方的重視。在已建游艇的基礎上進行噪聲控制，往往只能解決局部噪聲問題，同時還要花費大量的時間和財力。故在設計階段進行艙室噪聲預報，可及早發(fā)現不符合艙室噪聲規(guī)范要求的艙室，并提出合理的噪聲控制措施，及早進行改正，以提升游艇的設計質量。船舶結構復雜且處于動態(tài)的運動系統中，想通過建立微分方程的方法解決振動噪聲問題是很困難的[1]。目前解決這一問題常用的方法有經驗公式法、有限元法[2]、統計能量分析(SEA)方法，以及其他方法[3]等。SEA方法[4-5]適用于分析含有高頻、高模態(tài)密度的復雜系統的耦合動力學問題，使用SEA方法可以很好地預示復雜系統的內外聲振環(huán)境等問題。考慮采用統計能量分析方法對游艇典型艙室的噪聲水平進行預報，然后根據客廳的能量輸入圖提出具體的降噪措施，并對所提出降噪措施中的雙層降噪材料的鋼板和巖棉厚度參數進行優(yōu)化，得到比較合理的參考值。

1　基本原理

統計能量法采用統計能量的思想將一個復雜結構系統或聲系統劃分成若干耦合的子系統，根據系統的各種參數建立起各個子系統間能量流動的關系，得到功率流平衡方程，通過求解功率流平衡方程得到每個子系統上的能量，從而得到所需子系統的平均動力響應。

功率流平衡方程在保守耦合、弱耦合和激勵源不相關等條件下的基本形式為

(1)

式中：ω——分析帶寬的中心頻率；

η——保守弱耦合系統損耗因子矩陣，

ηk、nk分別為子系統k的內損耗因子和模態(tài)密度。ηik為振動能量從子系統i傳至子系統k的耦合損耗因子；ET={E1/n1,E2/n2,…,Ek/nk}，Ek為子系統k的能量；Pin}T={P1,in,P2,in,…,Pk,in}，Pk,in為外界對子系統k的輸入功率。

上述方程代表了利用SEA法對復雜系統進行分析的最基本表達式。如果已知模態(tài)密度、內損耗因子，耦合損耗因子以及輸人功率，則可以求解上述功率流平衡方程，得到每個子系統上的能量Ek，然后把這些能量根據下式換算成速度、壓力等所需的響應。

(2)

(3)

E——子系統的能量；

M——結構子系統的質量；

ρ——聲腔的質量密度；

c——聲速；

V——聲腔的容積。

2　游艇艙室噪聲預報模型

2.1游艇噪聲預報模型的建立

研究對象為玻璃鋼豪華游艇，總長31.01 m，垂線間長30.48 m，型寬7.06 m，型深3.466 m，設計吃水1.30 m，航速24 kn，航區(qū)為沿海航區(qū)，其最小設計有義波高為2 m。

本艇的甲板、舷側板、船底板、艙壁板等結構采用簡化為圖1所示的玻璃鋼夾層結構。夾層結構一般由內積層、芯材、外積層構成，其中，內積層和外積層由面板和膠合板構成，中間夾心層由重量輕、較厚的芯材組成，常用的夾層結構芯材主要分為三類：硬質泡沫、蜂窩芯材、輕木。通常，夾心層一般為硬質泡沫，根據泡沫的特性，可將硬質泡沫視為各向同性體[6]。

圖1　夾層結構

以100 ft游艇CAD圖紙為基礎，對船體進行適當簡化，在Patran中建立該游艇的結構有限元模型，并將此模型導入到VA One中，在有限元模型的基礎上，建立板殼結構子系統和相應的艙室聲腔子系統。其中上層建筑艙壁板、甲板、舷側板等夾層結構按照材料屬性，在VA One中采用復合夾層板結構單元進行模擬；其余的板子系統根據材料的屬性用均勻板單元進行模擬。由于游艇干舷甲板以上的上層建筑或甲板室外窗的幾何尺寸比較大，不能夠采用附近相鄰板子系統的材料性質進行替代，故而采用了原有的鋼化玻璃屬性的板子系統進行模擬；其余的干舷甲板以下風暴蓋出的窗以及此游艇的門及主甲板上的開口，由于幾何尺寸相對太小，則采用相近的板子系統進行替代。各板具體的幾何尺寸由CAD圖紙得到，最終生成相應的SEA模型，其相應游艇的SEA模型見圖2。

圖2　游艇SEA模型

游艇自上向下分別為陽光甲板、駕駛甲板、主甲板、雙層底結構。全船的節(jié)點數和子系統數見表1。

表1　子系統數　個

2.2統計能量分析方法參數的確定

采用SEA方法進行分析計算最關鍵的環(huán)節(jié)，即對復雜結構系統的內損耗因子、耦合損耗因子、模態(tài)密度以及噪聲激勵源進行估算。

1)內損耗因子。指由阻尼特性所決定的那部分能量損耗因，反映子系統阻尼特性。內損耗因子本來應該是由實驗測量得到，但由于游艇制作工藝的原因，在初期階段這些復合材料是接觸不到的，對于玻璃鋼夾層結構的內損耗因子，目前尚沒有經驗公式可以參考。F.J.Fahy提出大部分結構的內損耗因子隨著頻率的增大而減小的理論(大致關系為f-0.50),以往實驗也表明損耗因子10%的誤差將導致響應估計的1 dB的誤差，損耗因子的100%的誤差將導致響應估計的3 dB誤差。根據先前穩(wěn)態(tài)實驗的結論[8]，對玻璃鋼夾層結構內損耗因子暫定為0.024 5。聲腔的內損耗因子則由以下經驗公式[9]進行計算。

(4)

式中：c——介質中的聲速；

α——壁面平均吸聲系數；

S——聲腔的表面積；

f——頻率；

V——聲腔的體積。

2)耦合損耗因子。耦合損耗因子是描述兩個子系統間的強弱耦合程度，是表示耦合子系統間能量交換的重要參數。兩子系統間的耦合損耗因子的計算則由VA One軟件自動進行計算。

3)模態(tài)密度和模態(tài)數。子系統的模態(tài)密度要足夠的高，分析寬帶內的模態(tài)數要大于5，這樣才能夠滿足統計能量分析方法的要求。因此在建立游艇的SEA模型時簡化一些不必要的構件，盡量使子系統的幾何尺寸在所要分析頻段也能滿足模態(tài)數的要求。由軟件自行計算的一部分子系統寬帶內的模態(tài)數見圖3。

圖3　子系統單位寬帶模態(tài)數

由圖3可見，大部分子系統的分析帶寬內模態(tài)數在31.5 Hz以上大于5，符合統計能量分析方法的要求，故本文選取了倍頻程31.5～8 000 Hz作為分析頻段。

4) 噪聲激勵源。游艇在正常航行時，噪聲主要來自主機、發(fā)電機組、螺旋槳等主要機械設備產生的結構噪聲和空氣噪聲。為了消除由子系統大小不同引起的計算誤差，采用定義功率法和定義約束法進行工作載荷的加載?？諝庠肼暵暪β始壓徒Y構噪聲加速度級的數值可根據經驗公式進行估算[9]，其中計算所得的空氣噪聲聲功率級用聲功率法進行加載，結構噪聲加速度級用約束法進行加載。

本游艇為雙機、雙槳、雙舵，采用柴油機驅動螺旋槳推進的高速游艇。主機采用2臺德國MTU 12V2000M93柴油機，額定功率為1 340 kW，額定轉速為2 450 r/min；2臺發(fā)電機組( KOHLER 40FOZD)；螺旋槳采用5葉大側斜螺旋槳。其主要激勵源的空氣噪聲聲功率頻譜見圖4，振動加速度級頻譜見圖5。

圖4　主要設備空氣噪聲聲功率級

圖5　主要設備振動加速度級

3　游艇艙室噪聲預報結果與分析

3.1游艇艙室噪聲預報結果

將噪聲激勵以各自相對應的形式施加在游艇相應的位置上，利用VA One進行計算，得到游艇典型艙室在31.5～8 000 Hz頻率范圍內倍頻程下的噪聲云圖。限于篇幅，只給出游艇典型艙室聲壓級云圖(見圖6)。

游艇的典型艙室噪聲聲壓級曲線見圖7。

圖6　游艇典型艙室噪聲云圖(2 000 Hz)

圖7　典型艙室聲壓級

游艇典型艙室的總聲壓級見表2。

表2表明，機艙的總聲壓級達到121.3 dB(A),相對標準限值較高，這是由于主要的噪聲激勵源都集中在此艙室所造成的。除了機艙之外，客廳(客廳)和主人房的總聲壓級也沒有達到IMO標準的要求，分別超出了要求的10.1 dB(A和11 dB(A)，結合游艇的典型艙室噪聲云圖和艙室聲壓級曲線圖，可以看出距離噪聲源艙室的距離越近其受到的影響也越大，其中在同一層甲板的各個艙室的總聲壓級由機艙至船艏逐漸減小。

表2　典型艙室總聲壓級　dB(A)

3.2噪聲傳播途徑對典型艙室的影響

噪聲由聲源向外傳播有兩種途徑，一種是通過空氣傳播的噪聲(空氣噪聲)，另外一種是通過固體構件(例如主機機座)受到激勵引起的振動產生的噪聲進行傳遞(結構噪聲)。選取激勵源艙室(主機艙)和位于主甲板上的客廳進行分析，分析頻率為31.5～8 000 Hz，空氣噪聲和結構噪聲單獨作用于典型艙室的情況見圖8。

圖8　空氣噪聲激勵和結構噪聲激勵單獨作用對典型艙室聲壓級的影響

單獨受主機和發(fā)電機的空氣噪聲激勵時，主機艙和客廳的總聲壓級分別為121.1 dB(A)和69.9 dB(A)；單獨受主機、發(fā)電機和螺旋槳的結構噪聲激勵時，主機艙和客廳的總聲壓級分別為87.7 dB(A)和54.5 dB(A)。由圖8可以看出在31.5 Hz以后主機和發(fā)電機的空氣噪聲是噪聲的主要成分；而客廳在85 Hz之前3個主要激勵源所產生的結構噪聲占主要成分，在85 Hz之后其空氣噪聲占主要成分。造成這一現象的主要原因是客廳與主機艙的距離太近，在低頻階段結構振動通過主甲板向客廳進行傳播，影響客廳的總聲壓級比較明顯，中高頻階段空氣噪聲較低頻階段更為明顯。

比較圖7、8可知，在主要激勵源空氣噪聲和結構噪聲共同作用下與主要激勵源的空氣噪聲激勵單獨作用下其典型艙室的總聲壓級基本接近，這說明游艇在正常航行的狀態(tài)下，中高頻階段的艙室噪聲水平主要是由空氣噪聲激勵所貢獻的。

4　游艇典型艙室噪聲控制與分析

4.1典型艙室輸入能量分析

采用統計能量法預報出典型艙室的噪聲水平之后，對于不符合噪聲標準的艙室采取降噪措施。如何采取合理的降噪措施，這就需要對不符合標準的艙室進行噪聲輸入途徑的研究。以客廳為典型艙室，在VA One中通過仿真計算得到典型艙室的能量輸入圖，然后根據此能量輸入圖進而確定各種激勵源輸入功率的途徑。由于客廳艙室的子系統比較多，對于那些給客廳子系統輸入能量很小的板子系統則隱藏起來,便于整體觀看?？蛷d的能量輸入圖見圖9。

圖9　客廳能量輸入

由圖9可見，客廳與底部居住艙室共用的主甲板以及客廳同機艙共用的主甲板這些子系統是主要的能量貢獻子系統；而其余的客廳圍壁以及陽光甲板等板子系統由于距離激勵源相對較遠，貢獻給客廳的能量則相對較少。根據對客廳輸入能量貢獻的大小進一步采取具體的降噪措施。

4.2典型艙室的降噪措施

根據圖9得到影響客廳噪聲水平最大的噪聲成分為空氣噪聲，根據此結果進行降噪處理。與客廳共用的機艙頂部采用雙層降噪材料(4 mm鋼板+50 mm巖棉)，與機艙共用的客廳主甲板采用單層吸聲材料(30 mm環(huán)氧樹脂)。對采取的降噪方案重新進行計算，得到進行降噪措施前后的聲壓級,對比見圖10。

圖10　降噪前后客廳噪聲水平對比

由圖10可見，在采取相應的措施之后客廳總聲壓級下降了11.4 dB，滿足相應要求。本船是一艘豪華游艇，從降噪的性能來說已經滿足要求，但是結合豪華游艇的空間大小和經濟性能還需要做進一步的優(yōu)化分析。

1)雙層降噪材料中巖棉厚度對客廳總聲壓級的影響。選用20、30、40、50及60 mm這5種不同厚度的巖棉分別進行客廳艙室的降噪效果比較分析，結果見圖11。

圖11　不同厚度的巖棉對客廳聲壓級的影響

由圖11可見，巖棉對艙室聲壓級的影響主要集中在63～500 Hz之間，在125 Hz附近尤為明顯，這為減小游艇艙室中頻區(qū)域的噪聲提供了合理的參考。

結合圖11和表3可知，客廳的總聲壓級不隨著巖棉厚度增加線性遞減。從20～30 mm，30～40 mm之間總聲壓級分別下降了3.6和2.6 dB,降噪效果比較明顯；但是之后巖棉的厚度每增加10 mm其聲壓級減小的幅度很小不到1 dB,降噪效果不明顯；在40 mm之后以增加巖棉厚度降低噪聲而縮小游艇空間的做法是不合理的。考慮到船上的實際情況以及施工、艙室布置、經濟性等綜合因素，40 mm的巖棉厚度是降噪效果合理的參考值。

2)雙層降噪材料中鋼板厚度對客廳總聲壓級的影響。選用1，2，3，4，5及6 mm這6種不同厚度的鋼板進行客廳艙室的降噪效果比較分析，結果見圖12和表4。

圖12　不同厚度的鋼板客廳龍聲壓級的影響

鋼板厚度/mm123456總聲壓級/dB(A)59.3459.2858.7758.7158.6958.69

由圖12可知,在巖棉厚度為50 mm的情況下，增加鋼板的厚度并不能明顯改變客廳的總聲壓級，鋼板厚度影響艙室總聲壓級主要集中在中低頻區(qū)域，尤其集中在63.5 Hz附近，針對中低頻降噪是有幫助的。

結合表4可知，當鋼板達到一定厚度時其總聲壓級趨于平穩(wěn)，再增加鋼板的厚度對與降低艙室的總聲壓級沒有多大意義，但是合理的鋼板厚度不僅能夠將噪聲影響水平降到最低，而且也會提高船舶的穩(wěn)性，有利于豪華游艇的海上安全行駛，在巖棉厚度為50 mm的情況下鋼板為2 mm是合理的參考厚度。

5　結論

1)目標艙室客廳采用單層吸聲材料，機艙采用雙層降噪材料，不會明顯降低機艙噪聲水平，但對機艙上部目標艙室客廳有明顯的降噪效果。

2)對雙層降噪材料(鋼板+巖棉)厚度進一步優(yōu)化，得出：鋼板厚度不變，使用40 mm厚的巖棉，降噪效果和經濟性較好；巖棉厚度不變，使用2 mm厚的鋼板，降噪效果和經濟性較好。

3)基于統計能量法對豪華游艇典型艙室噪聲預報和分析是可行的，但是需要進一步的實驗研究，精確測量某些參數，經過綜合的分析才能得到更優(yōu)的結果。

[1] FAHY F J. Sound and structural vibration radiation trans-mission and response [M] .Edition Academic Press,1985.

[2] 楊德慶,王德禹,劉洪林.艦艇振動聲學特性數值計算分析.上海交通大學學報,2002,36(11):1537-1539.

[3] 姚熊亮，戴偉，唐永生.船舶上層建筑艙室噪聲灰色預測[J].中國造船，2006，47(1):35-42.

[4] 姚德源，楊家富，王其政.統計能量分析原理及其應用[M].北京：北京工業(yè)大學出版社，1995.

[5] 張成，鄭超凡，張大海，等.艦船艙室噪聲綜合預報及聲學優(yōu)化設計[J].船海工程，2104,43(3):17-20.

[6] 黃燕玲，郭強波，廖文，等.小型玻璃鋼開敞艇結構強度分析[J].船海工程，2013,42(1):21-23.

[7] 張飛.鋁蜂窩夾層結構損耗因子實驗辨識[D]．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學．2008.

[8] PLUENT J,Methods for predicting noise levels in ships:Ex-periences from empircal and SEA calculation methods[M]. Noise level prediction methods for ships,based on empi-cal data,1980.

[9] 中國船級社.船舶及產品噪聲控制與檢測指南[S]. 2013.

Typical Cabin Noise Prediction and Control for the 100 ft Luxury Yacht

WANG Chong, LIU Yue-qin, CHEN Chao-he

(School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

The noise prediction of typical cabins in the marine luxury yacht is carried out. By the prediction results, specific noise reduction measures are put forward and optimized for the target cabin salon. On the basis of the statistical energy analysis (SEA) method, the prediction of typical cabin noise level by using the software VA One, most of the cabin can meet the requirements. For the salon that is not satisfied with the requirements, by the energy transfer path analysis, the specific noise reduction measures are set forth.

luxury yacht; statistic energy analysis; noise prediction; noise reduction measures

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.01.006

2015-10-19

2015-11-16

國家自然科學基金項目(51049010)

王充(1989-)，男，碩士生

U661.44

A

1671-7953(2016)01-0026-06

研究方向:船舶振動與噪聲控制

E-mail:337972356@qq.com