王　充，劉月琴，陳超核

(華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣州 510641)

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100 ft豪華游艇典型艙室噪聲預(yù)報(bào)與控制

王充，劉月琴，陳超核

(華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣州 510641)

針對(duì)海上豪華游艇進(jìn)行典型艙室的噪聲預(yù)報(bào)，由預(yù)報(bào)結(jié)果對(duì)目標(biāo)艙室客廳提出具體降噪措施并進(jìn)行優(yōu)化。以統(tǒng)計(jì)能量分析方法為基礎(chǔ)，使用聲振分析軟件VA One進(jìn)行典型艙室噪聲水平的預(yù)報(bào)，大部分艙室能夠滿足相應(yīng)要求，對(duì)不滿足要求的客廳從能量傳遞途徑進(jìn)行分析提出具體降噪措施。

豪華游艇；統(tǒng)計(jì)能量分析法；噪聲預(yù)報(bào)；降噪措施

艙室噪聲作為評(píng)判游艇舒適度的一個(gè)重要方面越來越受到各方的重視。在已建游艇的基礎(chǔ)上進(jìn)行噪聲控制，往往只能解決局部噪聲問題，同時(shí)還要花費(fèi)大量的時(shí)間和財(cái)力。故在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行艙室噪聲預(yù)報(bào)，可及早發(fā)現(xiàn)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(jìn)行改正，以提升游艇的設(shè)計(jì)質(zhì)量。船舶結(jié)構(gòu)復(fù)雜且處于動(dòng)態(tài)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中，想通過建立微分方程的方法解決振動(dòng)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(jīng)驗(yàn)公式法、有限元法[2]、統(tǒng)計(jì)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(fù)雜系統(tǒng)的耦合動(dòng)力學(xué)問題，使用SEA方法可以很好地預(yù)示復(fù)雜系統(tǒng)的內(nèi)外聲振環(huán)境等問題?？紤]采用統(tǒng)計(jì)能量分析方法對(duì)游艇典型艙室的噪聲水平進(jìn)行預(yù)報(bào)，然后根據(jù)客廳的能量輸入圖提出具體的降噪措施，并對(duì)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(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到比較合理的參考值。

1　基本原理

統(tǒng)計(jì)能量法采用統(tǒng)計(jì)能量的思想將一個(gè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)或聲系統(tǒng)劃分成若干耦合的子系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)的各種參數(shù)建立起各個(gè)子系統(tǒng)間能量流動(dòng)的關(guān)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(gè)子系統(tǒng)上的能量，從而得到所需子系統(tǒng)的平均動(dòng)力響應(yīng)。

功率流平衡方程在保守耦合、弱耦合和激勵(lì)源不相關(guān)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(tǒng)損耗因子矩陣，

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

上述方程代表了利用SEA法對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行分析的最基本表達(dá)式。如果已知模態(tài)密度、內(nèi)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(gè)子系統(tǒng)上的能量Ek，然后把這些能量根據(jù)下式換算成速度、壓力等所需的響應(yīng)。

(2)

(3)

E——子系統(tǒng)的能量；

M——結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)的質(zhì)量；

ρ——聲腔的質(zhì)量密度；

c——聲速；

V——聲腔的容積。

2　游艇艙室噪聲預(yù)報(bào)模型

2.1游艇噪聲預(yù)報(bào)模型的建立

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

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

圖1　夾層結(jié)構(gòu)

以100 ft游艇CAD圖紙為基礎(chǔ)，對(duì)船體進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，在Patran中建立該游艇的結(jié)構(gòu)有限元模型，并將此模型導(dǎo)入到VA One中，在有限元模型的基礎(chǔ)上，建立板殼結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)和相應(yīng)的艙室聲腔子系統(tǒng)。其中上層建筑艙壁板、甲板、舷側(cè)板等夾層結(jié)構(gòu)按照材料屬性，在VA One中采用復(fù)合夾層板結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行模擬；其余的板子系統(tǒng)根據(jù)材料的屬性用均勻板單元進(jìn)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(tǒng)的材料性質(zhì)進(jìn)行替代，故而采用了原有的鋼化玻璃屬性的板子系統(tǒng)進(jìn)行模擬；其余的干舷甲板以下風(fēng)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(duì)太小，則采用相近的板子系統(tǒng)進(jìn)行替代。各板具體的幾何尺寸由CAD圖紙得到，最終生成相應(yīng)的SEA模型，其相應(yīng)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(jié)構(gòu)。全船的節(jié)點(diǎn)數(shù)和子系統(tǒng)數(shù)見表1。

表1　子系統(tǒng)數(shù)　個(gè)

2.2統(tǒng)計(jì)能量分析方法參數(shù)的確定

采用SEA方法進(jìn)行分析計(jì)算最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，即對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的內(nèi)損耗因子、耦合損耗因子、模態(tài)密度以及噪聲激勵(lì)源進(jìn)行估算。

1)內(nèi)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(tǒng)阻尼特性。內(nèi)損耗因子本來應(yīng)該是由實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到，但由于游艇制作工藝的原因，在初期階段這些復(fù)合材料是接觸不到的，對(duì)于玻璃鋼夾層結(jié)構(gòu)的內(nèi)損耗因子，目前尚沒有經(jīng)驗(yàn)公式可以參考。F.J.Fahy提出大部分結(jié)構(gòu)的內(nèi)損耗因子隨著頻率的增大而減小的理論(大致關(guān)系為f-0.50),以往實(shí)驗(yàn)也表明損耗因子10%的誤差將導(dǎo)致響應(yīng)估計(jì)的1 dB的誤差，損耗因子的100%的誤差將導(dǎo)致響應(yīng)估計(jì)的3 dB誤差。根據(jù)先前穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)的結(jié)論[8]，對(duì)玻璃鋼夾層結(jié)構(gòu)內(nèi)損耗因子暫定為0.024 5。聲腔的內(nèi)損耗因子則由以下經(jīng)驗(yàn)公式[9]進(jìn)行計(jì)算。

(4)

式中：c——介質(zhì)中的聲速；

α——壁面平均吸聲系數(shù)；

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(gè)子系統(tǒng)間的強(qiáng)弱耦合程度，是表示耦合子系統(tǒng)間能量交換的重要參數(shù)。兩子系統(tǒng)間的耦合損耗因子的計(jì)算則由VA One軟件自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算。

3)模態(tài)密度和模態(tài)數(shù)。子系統(tǒng)的模態(tài)密度要足夠的高，分析寬帶內(nèi)的模態(tài)數(shù)要大于5，這樣才能夠滿足統(tǒng)計(jì)能量分析方法的要求。因此在建立游艇的SEA模型時(shí)簡(jiǎn)化一些不必要的構(gòu)件，盡量使子系統(tǒng)的幾何尺寸在所要分析頻段也能滿足模態(tài)數(shù)的要求。由軟件自行計(jì)算的一部分子系統(tǒng)寬帶內(nèi)的模態(tài)數(shù)見圖3。

圖3　子系統(tǒng)單位寬帶模態(tài)數(shù)

由圖3可見，大部分子系統(tǒng)的分析帶寬內(nèi)模態(tài)數(shù)在31.5 Hz以上大于5，符合統(tǒng)計(jì)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(lì)源。游艇在正常航行時(shí)，噪聲主要來自主機(jī)、發(fā)電機(jī)組、螺旋槳等主要機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)噪聲和空氣噪聲。為了消除由子系統(tǒng)大小不同引起的計(jì)算誤差，采用定義功率法和定義約束法進(jìn)行工作載荷的加載?？諝庠肼暵暪β始?jí)和結(jié)構(gòu)噪聲加速度級(jí)的數(shù)值可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算[9]，其中計(jì)算所得的空氣噪聲聲功率級(jí)用聲功率法進(jìn)行加載，結(jié)構(gòu)噪聲加速度級(jí)用約束法進(jìn)行加載。

本游艇為雙機(jī)、雙槳、雙舵，采用柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳推進(jìn)的高速游艇。主機(jī)采用2臺(tái)德國MTU 12V2000M93柴油機(jī)，額定功率為1 340 kW，額定轉(zhuǎn)速為2 450 r/min；2臺(tái)發(fā)電機(jī)組( KOHLER 40FOZD)；螺旋槳采用5葉大側(cè)斜螺旋槳。其主要激勵(lì)源的空氣噪聲聲功率頻譜見圖4，振動(dòng)加速度級(jí)頻譜見圖5。

圖4　主要設(shè)備空氣噪聲聲功率級(jí)

圖5　主要設(shè)備振動(dòng)加速度級(jí)

3　游艇艙室噪聲預(yù)報(bào)結(jié)果與分析

3.1游艇艙室噪聲預(yù)報(bào)結(jié)果

將噪聲激勵(lì)以各自相對(duì)應(yīng)的形式施加在游艇相應(yīng)的位置上，利用VA One進(jìn)行計(jì)算，得到游艇典型艙室在31.5～8 000 Hz頻率范圍內(nèi)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(jí)云圖(見圖6)。

游艇的典型艙室噪聲聲壓級(jí)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(jí)

游艇典型艙室的總聲壓級(jí)見表2。

表2表明，機(jī)艙的總聲壓級(jí)達(dá)到121.3 dB(A),相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)限值較高，這是由于主要的噪聲激勵(lì)源都集中在此艙室所造成的。除了機(jī)艙之外，客廳(客廳)和主人房的總聲壓級(jí)也沒有達(dá)到IMO標(biāo)準(zhǔn)的要求，分別超出了要求的10.1 dB(A和11 dB(A)，結(jié)合游艇的典型艙室噪聲云圖和艙室聲壓級(jí)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(gè)艙室的總聲壓級(jí)由機(jī)艙至船艏逐漸減小。

表2　典型艙室總聲壓級(jí)　dB(A)

3.2噪聲傳播途徑對(duì)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(gòu)件(例如主機(jī)機(jī)座)受到激勵(lì)引起的振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行傳遞(結(jié)構(gòu)噪聲)。選取激勵(lì)源艙室(主機(jī)艙)和位于主甲板上的客廳進(jìn)行分析，分析頻率為31.5～8 000 Hz，空氣噪聲和結(jié)構(gòu)噪聲單獨(dú)作用于典型艙室的情況見圖8。

圖8　空氣噪聲激勵(lì)和結(jié)構(gòu)噪聲激勵(lì)單獨(dú)作用對(duì)典型艙室聲壓級(jí)的影響

單獨(dú)受主機(jī)和發(fā)電機(jī)的空氣噪聲激勵(lì)時(shí)，主機(jī)艙和客廳的總聲壓級(jí)分別為121.1 dB(A)和69.9 dB(A)；單獨(dú)受主機(jī)、發(fā)電機(jī)和螺旋槳的結(jié)構(gòu)噪聲激勵(lì)時(shí)，主機(jī)艙和客廳的總聲壓級(jí)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(jī)和發(fā)電機(jī)的空氣噪聲是噪聲的主要成分；而客廳在85 Hz之前3個(gè)主要激勵(lì)源所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)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(xiàn)象的主要原因是客廳與主機(jī)艙的距離太近，在低頻階段結(jié)構(gòu)振動(dòng)通過主甲板向客廳進(jìn)行傳播，影響客廳的總聲壓級(jí)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(lì)源空氣噪聲和結(jié)構(gòu)噪聲共同作用下與主要激勵(lì)源的空氣噪聲激勵(lì)單獨(dú)作用下其典型艙室的總聲壓級(jí)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(lì)所貢獻(xiàn)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(tǒng)計(jì)能量法預(yù)報(bào)出典型艙室的噪聲水平之后，對(duì)于不符合噪聲標(biāo)準(zhǔn)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(duì)不符合標(biāo)準(zhǔn)的艙室進(jìn)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(jì)算得到典型艙室的能量輸入圖，然后根據(jù)此能量輸入圖進(jìn)而確定各種激勵(lì)源輸入功率的途徑。由于客廳艙室的子系統(tǒng)比較多，對(duì)于那些給客廳子系統(tǒng)輸入能量很小的板子系統(tǒng)則隱藏起來,便于整體觀看。客廳的能量輸入圖見圖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(jī)艙共用的主甲板這些子系統(tǒng)是主要的能量貢獻(xiàn)子系統(tǒng)；而其余的客廳圍壁以及陽光甲板等板子系統(tǒng)由于距離激勵(lì)源相對(duì)較遠(yuǎn)，貢獻(xiàn)給客廳的能量則相對(duì)較少。根據(jù)對(duì)客廳輸入能量貢獻(xiàn)的大小進(jìn)一步采取具體的降噪措施。

4.2典型艙室的降噪措施

根據(jù)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(jù)此結(jié)果進(jìn)行降噪處理。與客廳共用的機(jī)艙頂部采用雙層降噪材料(4 mm鋼板+50 mm巖棉)，與機(jī)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(duì)采取的降噪方案重新進(jìn)行計(jì)算，得到進(jìn)行降噪措施前后的聲壓級(jí),對(duì)比見圖10。

圖10　降噪前后客廳噪聲水平對(duì)比

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

1)雙層降噪材料中巖棉厚度對(duì)客廳總聲壓級(jí)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(jìn)行客廳艙室的降噪效果比較分析，結(jié)果見圖11。

圖11　不同厚度的巖棉對(duì)客廳聲壓級(jí)的影響

由圖11可見，巖棉對(duì)艙室聲壓級(jí)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(jié)合圖11和表3可知，客廳的總聲壓級(jí)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(jí)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(jí)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?？紤]到船上的實(shí)際情況以及施工、艙室布置、經(jīng)濟(jì)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(duì)客廳總聲壓級(jí)的影響。選用1，2，3，4，5及6 mm這6種不同厚度的鋼板進(jìn)行客廳艙室的降噪效果比較分析，結(jié)果見圖12和表4。

圖12　不同厚度的鋼板客廳龍聲壓級(jí)的影響

鋼板厚度/mm123456總聲壓級(jí)/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(jí)，鋼板厚度影響艙室總聲壓級(jí)主要集中在中低頻區(qū)域，尤其集中在63.5 Hz附近，針對(duì)中低頻降噪是有幫助的。

結(jié)合表4可知，當(dāng)鋼板達(dá)到一定厚度時(shí)其總聲壓級(jí)趨于平穩(wěn)，再增加鋼板的厚度對(duì)與降低艙室的總聲壓級(jí)沒有多大意義，但是合理的鋼板厚度不僅能夠?qū)⒃肼曈绊懰浇档阶畹?，而且也?huì)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(jié)論

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

2)對(duì)雙層降噪材料(鋼板+巖棉)厚度進(jìn)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(jīng)濟(jì)性較好；巖棉厚度不變，使用2 mm厚的鋼板，降噪效果和經(jīng)濟(jì)性較好。

3)基于統(tǒng)計(jì)能量法對(duì)豪華游艇典型艙室噪聲預(yù)報(bào)和分析是可行的，但是需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究，精確測(cè)量某些參數(shù)，經(jīng)過綜合的分析才能得到更優(yōu)的結(jié)果。

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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(xué)基金項(xiàng)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(dòng)與噪聲控制

E-mail:337972356@qq.com