楊德慶，許子璇，高處

1高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海200240 2上海交通大學(xué)海洋工程國家重點實驗室，上海200240 3上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海200240

船舶聲學(xué)包性能及配置優(yōu)化設(shè)計

楊德慶1，2，3，許子璇1，2，3，高處1，2，3

1高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海200240 2上海交通大學(xué)海洋工程國家重點實驗室，上海200240 3上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海200240

［目的］聲學(xué)包是通過對基體材料、阻尼材料、吸聲材料和隔聲材料的組合設(shè)計，完成預(yù)定降噪效果的聲學(xué)部件，是未來船舶艙室低噪聲設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)。［方法］提出一種聲學(xué)包性能評估的統(tǒng)計能量數(shù)值模型，用于解決船用聲學(xué)包設(shè)計與快速評估問題。建立聲學(xué)包選型及其在艙室中的配置優(yōu)化設(shè)計模型及數(shù)學(xué)列式，采用遺傳算法求解聲學(xué)包選型與配置優(yōu)化問題。［結(jié)果］通過實例，驗證了所提出模型及設(shè)計方法的有效性。［結(jié)論］研究成果對于實現(xiàn)聲學(xué)包優(yōu)化設(shè)計工作的標(biāo)準(zhǔn)化和程序化，有效減少聲學(xué)包降噪設(shè)計成本具有參考價值。

艙室降噪設(shè)計；聲學(xué)包；聲學(xué)布局優(yōu)化；遺傳算法

0 引 言

隨著綠色船舶設(shè)計技術(shù)的發(fā)展，對船舶舒適性能的要求越來越高，船舶減振降噪設(shè)計技術(shù)受到普遍重視。國際海事組織（IMO）從2014年7月1日開始采用更嚴(yán)格的強制性船舶艙室噪聲標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)有的艙室降噪設(shè)計方法難以滿足艙室低噪聲要求。有效降低船舶艙室噪聲及降噪成本，已成為世界造船企業(yè)共同關(guān)注的問題，成為船舶設(shè)計領(lǐng)域重大的研究課題［1-3］。采用聲學(xué)包降噪技術(shù)解決艙室低噪聲設(shè)計問題是未來的發(fā)展方向。聲學(xué)包是由基體材料、阻尼材料、吸聲材料和隔聲材料等組合而成，完成預(yù)定減振降噪效果的類似層合板的聲學(xué)部件（圖1）［4-6］。船舶艙壁為大型板格結(jié)構(gòu)，非常適合聲學(xué)包降噪技術(shù)的應(yīng)用，但目前在船舶設(shè)計領(lǐng)域應(yīng)用還不多，缺少相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化的評估、設(shè)計及制造方面的理論和方法。鑒于此，本文將開展聲學(xué)包快速數(shù)值評估、設(shè)計及優(yōu)化布置方法研究，以便合理設(shè)計及布置聲學(xué)包，降低船舶艙室噪聲，達(dá)到以最低成本獲到最佳降噪效果的目標(biāo)，實現(xiàn)聲學(xué)包優(yōu)化設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化和程序化。

圖1 4種聲學(xué)包方案示意圖Fig.1 4 kinds of sound packages

1 聲學(xué)包設(shè)計與降噪效果評估方法

在船舶早期設(shè)計階段設(shè)計并使用聲學(xué)包，對其降噪效果進(jìn)行預(yù)測，可減少降噪成本，提高設(shè)計效率，提高船舶市場競爭力。本文首先提出聲學(xué)包聲學(xué)性能快速預(yù)測的數(shù)值模型，為保證數(shù)值模型計算的準(zhǔn)確性，需要根據(jù)船舶結(jié)構(gòu)的聲學(xué)特點，選用合理的聲學(xué)理論進(jìn)行分析并通過實驗測試驗證。

1.1 聲學(xué)包降噪效果快速數(shù)值評估模型

針對不同頻譜特性的噪聲源，在聲學(xué)包設(shè)計中必須選擇相應(yīng)的聲學(xué)材料及降噪方法，對聲學(xué)包中各層材料進(jìn)行聲學(xué)性能設(shè)計，隔聲量是聲學(xué)包整體降噪效果的衡量指標(biāo)。聲學(xué)包設(shè)計中使用的降噪處理方法有隔聲、吸聲和阻尼減振等。常用的吸聲材料有毛氈、玻璃纖維和泡沫等，常用的減振阻尼材料包括橡膠、高分子阻尼材料和塑料阻尼板等。聲學(xué)包是減振降噪材料、面板材料及基體材料的組合，不同材料組合會導(dǎo)致不同的聲學(xué)性能，因此需要針對不同降噪要求設(shè)計合適的聲學(xué)包。評估聲學(xué)包聲學(xué)性能的主要手段是實驗測試與數(shù)值分析。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）頒布了單層板材隔聲量測量標(biāo)準(zhǔn)［7］，其具體規(guī)定是：隔聲量的測量需要兩個形狀不能完全相同、體積都不小于50 m3的混響室，體積差應(yīng)大于10%，試樣面積為10 m2，待測量的聲學(xué)板材布置在兩個混響室組成的聲管中間，聲腔其它表面均絕緣。在其中一個聲腔（混響室）中放置聲源，測量另一個聲腔（混響室）的聲壓大小，兩個聲腔的聲壓差即為板材的隔聲量。實際應(yīng)用中，駐波管是較為常用的替代方法［8］。

根據(jù)上述板材隔聲量測試標(biāo)準(zhǔn)，本文提出一種基于統(tǒng)計能量法的聲學(xué)包降噪效果快速數(shù)值評估模型［9］。該聲學(xué)包降噪效果數(shù)值評估模型利用VA One聲學(xué)軟件建立，模擬ISO測量標(biāo)準(zhǔn)中的混響室聲學(xué)環(huán)境，建立體積分別為60和50 m3、形狀不同的兩個聲腔代表混響室，聲腔之間由單層板（7 mm厚鋼板）隔開，板材面積為10 m2，在板材處布置聲學(xué)包，聲腔其它表面均絕緣處理，不接觸任何物體。在體積為60 m3的聲腔中放置標(biāo)準(zhǔn)聲源，標(biāo)準(zhǔn)聲源在頻率下均保持1 Pa的混響聲壓值（折算為94 dB），數(shù)值計算另一個聲腔的聲壓大小，兩個混響室的聲壓差即為聲學(xué)包的隔聲量（圖2）。將各種聲學(xué)包結(jié)構(gòu)設(shè)計方案在數(shù)值評估模型中分別計算，得到隔聲量預(yù)測結(jié)果對比曲線，從成本及降噪效果等方面優(yōu)選聲學(xué)包并用于降噪設(shè)計。

圖2 聲學(xué)包降噪效果數(shù)值評估模型Fig.2 Numerical evaluation model of the noise reduction effect of sound package

圖1所示是本文設(shè)計的4種聲學(xué)包，聲學(xué)包中基體材料、吸聲材料和隔聲材料的特性參數(shù)如表1所示，4種聲學(xué)包設(shè)計各自有不同的結(jié)構(gòu)特點（表2）。方案S1和方案S2是多層吸聲與隔聲的組合結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，制造成本相對較高。方案S3和方案S4的結(jié)構(gòu)較為簡單，制造成本相對較低。在實際應(yīng)用中，不僅要考慮聲學(xué)包的降噪效果，還要考慮其重量、厚度和成本等，綜合考慮這些因素才能確定最終選定的聲學(xué)包結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

表1 聲學(xué)包中材料的特性參數(shù)Table 1 Material parameters in sound package

表2 聲學(xué)包結(jié)構(gòu)設(shè)計方案參數(shù)Table 2 Design parameters of different sound packages

1.2 聲學(xué)包降噪效果評價

采用快速數(shù)值評估模型對上述4種聲學(xué)包結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行計算，所得到的聲學(xué)包整體隔聲量預(yù)測結(jié)果對比曲線如圖3所示。根據(jù)圖3分析可知，方案S1和方案S2的整體降噪效果優(yōu)于方案S3與方案S4。方案S3和方案S4的降噪效果相近，方案S1在中頻段的降噪效果較好，方案S2在高頻段的降噪效果較好。由于統(tǒng)計能量方法的局限性，本模型的有效計算頻段為100～8 000 Hz，圖3中，在低頻段（小于100 Hz）的隔聲量預(yù)測不準(zhǔn)確。計算表明，本文數(shù)值模型在小于100 Hz的低頻段，子系統(tǒng)單位帶寬模態(tài)數(shù)小于5，而采用統(tǒng)計能量法時為了保證計算精度，單位帶寬模態(tài)數(shù)必須大于5。所以，本文模型不適用于100 Hz以下低頻段的統(tǒng)計能量分析。

圖3 4種聲學(xué)包隔聲量預(yù)測曲線Fig.3 Sound insulation prediction of 4 kinds of sound packages

不同聲學(xué)包結(jié)構(gòu)設(shè)計方案下噪聲能量分布云圖如圖4～圖8所示。

圖4 噪聲能量分布云圖（無聲學(xué)包）Fig.4 Energy distribution fringe of noise（without sound packages）

圖5 噪聲能量分布云圖（方案S1）Fig.5 Energy distribution fringe of noise（Plan S1）

圖6 噪聲能量分布云圖（方案S2）Fig.6 Energy distribution fringe of noise（Plan S2）

圖7 噪聲能量分布云圖（方案S3）Fig.7 Energy distribution fringe of noise（Plan S3）

圖8 噪聲能量分布云圖（方案S4）Fig.8 Energy distribution fringe of noise（Plan S4）

以上噪聲能量分布圖的計量單位均為dB（A），基準(zhǔn)聲壓為2×10-5Pa，且均為總聲壓級。

2 聲學(xué)包艙室配置優(yōu)化設(shè)計模型

在聲學(xué)包降噪效果快速評估與設(shè)計的基礎(chǔ)上，研究聲學(xué)包在船舶艙室中的配置優(yōu)化問題更加重要。船上艙室數(shù)量較多，若不加區(qū)分大量使用聲學(xué)包將會提高降噪成本，因此必須考慮采用拓?fù)鋬?yōu)化配置方法。

2.1 聲學(xué)包選型及配置優(yōu)化模型的數(shù)學(xué)列式

針對某油輪上層建筑艙室降噪的聲學(xué)包配置設(shè)計問題，建立了如圖9所示的統(tǒng)計能量數(shù)值模型［10］，以該模型為例展示聲學(xué)包配置優(yōu)化設(shè)計的具體方法。模型中，每個艙室為邊長3 m的立方體聲腔，艙壁為7 mm厚鋼板，共有22個聲腔子系統(tǒng)，91個板子系統(tǒng)，均為統(tǒng)計能量子系統(tǒng)。計算了模型中各子系統(tǒng)的噪聲及振動，其中紅色聲腔為聲源所在艙室，藍(lán)色聲腔為待控制目標(biāo)艙室，艙壁板材表面可以布置聲學(xué)包。艙室聲學(xué)包選型及配置優(yōu)化設(shè)計，就是通過優(yōu)化聲學(xué)包在各個艙室的聲學(xué)包布放類型以及數(shù)量，實現(xiàn)使用最少數(shù)量的聲學(xué)包，使目標(biāo)艙室聲壓滿足規(guī)范要求，達(dá)到預(yù)期降噪效果的目標(biāo)。在實際優(yōu)化設(shè)計中，為減少聲學(xué)包使用數(shù)目，聲學(xué)包配置設(shè)計只在噪聲主傳遞路徑族中進(jìn)行。

圖9 聲學(xué)包選型與配置優(yōu)化設(shè)計統(tǒng)計能量模型Fig.9 SEA model of sound package optimal allocation design

聲學(xué)包選型及配置優(yōu)化設(shè)計模型的數(shù)學(xué)列式如下：

2.2 優(yōu)化算法

對優(yōu)化模型數(shù)學(xué)列式（1）的求解，本文采用麻省理工學(xué)院的開源C++遺傳算法庫（Genetic Algorithms Library，GAlib）［11］。優(yōu)化設(shè)計模型中，每個板子系統(tǒng)表面均可布置聲學(xué)包，代表設(shè)計變量的染色體采用一維數(shù)組表示，數(shù)組中的每個元素代表聲學(xué)包配置的狀態(tài)。本文算例有4種類型聲學(xué)包可供選擇，數(shù)組中每個元素的可能取值為0，1，2，3，4，分別代表 5種不同的聲學(xué)包配置狀態(tài)。91個板子系統(tǒng)的內(nèi)、外表面都設(shè)定為可加聲學(xué)包，則染色體長度為182（圖10）。選用GAlib庫中的穩(wěn)態(tài)遺傳算法求解式（1）所示的優(yōu)化列式。

圖10 染色體一維數(shù)組示意圖Fig.10 One-dimensional array representation of chromosome

優(yōu)化計算中，遺傳算法的雜交概率設(shè)置為1，變異概率設(shè)置為0.01，具體參數(shù)如表3所示。

表3 遺傳算法參數(shù)設(shè)置Table 3 Genetic algorithm parameters

優(yōu)化中目標(biāo)函數(shù)（適應(yīng)度函數(shù)）如式（2）所示。

式中，η為懲罰因子。

當(dāng)使用的聲學(xué)包數(shù)量不大于指定數(shù)目M時，η取為1，不降低該染色體的適應(yīng)度。否則，η取為一個小于1的常數(shù)。適應(yīng)度函數(shù)最大值為1，對應(yīng)于目標(biāo)艙室的實際計算聲壓等于目標(biāo)聲壓的情況。實際優(yōu)化設(shè)計中，計算聲壓與目標(biāo)聲壓不可能完全一致，故適應(yīng)度不可能取到1，只能接近1。

關(guān)于優(yōu)化迭代終止準(zhǔn)則，本算例優(yōu)化過程的終止準(zhǔn)則為遺傳代數(shù)達(dá)到上限N，或種群中最佳個體的適應(yīng)度大于F（令F=0.999）。F=0.999時聲壓值目標(biāo)函數(shù)約為0.03 dB（A），或目標(biāo)艙室聲壓值誤差在［-0.03，0.03］dB（A）區(qū)間內(nèi)，該誤差符合降噪設(shè)計要求。

3 算例結(jié)果與討論

根據(jù)提出的聲學(xué)包選型與配置優(yōu)化模型及解法，開發(fā)了相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計程序，并通過算例驗證了方法的有效性。針對圖9所示聲學(xué)包配置優(yōu)化設(shè)計問題，共有4種聲學(xué)包可供選擇，故k=4；模型中共有91個待加裝聲學(xué)包的板子系統(tǒng)，故n=91；模型中有一個目標(biāo)艙室的聲壓值需要控制，故d=1。限定可使用的聲學(xué)包數(shù)目為10個，即M=10。得到如式（4）所示的聲學(xué)包選型和配置優(yōu)化數(shù)學(xué)列式。

3.1 噪聲主要傳遞路徑分析

噪聲源噪聲可以通過很多路徑傳遞到目標(biāo)艙室，而通過主要傳遞路徑傳遞的能量占很大比例，因此在船舶聲學(xué)設(shè)計中，分析噪聲主要傳遞路徑非常重要。VA One軟件提供了用能量法求解噪聲主要傳遞路徑的功能。高處和楊德慶［10］提出了一種采用聲振熵賦權(quán)圖法尋找噪聲主要傳遞路徑的方法。該方法將統(tǒng)計能量分析系統(tǒng)類比于熱力學(xué)系統(tǒng)，引入了聲學(xué)振動溫度和聲學(xué)振動熵的概念，結(jié)合圖論中的賦權(quán)有向圖最短路徑方法，可較為簡便快捷地分析噪聲主要傳遞路徑。

在得到噪聲主要傳遞路徑后，便可根據(jù)不同路徑的能量分布情況，有針對性地布置聲學(xué)包，達(dá)到最佳降噪效果。若噪聲主要傳遞路徑所占的能量相對于總體較小，還可引入噪聲主要傳遞路徑族的概念，亦即找到噪聲傳遞的多條主要路徑，在噪聲主要傳遞路徑族上采取降噪措施。通過能量法和聲振熵賦權(quán)圖法找到的2條噪聲主要傳遞路徑，如圖11所示。

圖11 能量法和聲振熵賦權(quán)圖法的噪聲主要傳遞路徑Fig.11 Dominate sound transmission paths by energy method and vibroacoustic entropy weighted graph method

3.2 聲學(xué)包配置優(yōu)化結(jié)果

種群數(shù)P取為100，遺傳代數(shù)N取為200，目標(biāo)艙室聲壓控制值為40 dB（A），假定在全部位置均可布置聲學(xué)包。針對聲振熵賦權(quán)圖法給出的噪聲主要傳遞路徑進(jìn)行聲學(xué)包配置設(shè)計，當(dāng)種群中最佳個體的適應(yīng)度值達(dá)到0.999時，優(yōu)化解滿足誤差要求，優(yōu)化迭代終止。聲學(xué)包選型及配置優(yōu)化結(jié)果如圖12所示，圖中綠色板為未布置聲學(xué)包的板，暗黃色的板為已布置聲學(xué)包的板，目標(biāo)艙室最終聲壓值為39.97 dB（A）。

針對能量法給出的噪聲主要傳遞路徑進(jìn)行聲學(xué)包配置設(shè)計，當(dāng)遺傳代數(shù)達(dá)到200時，種群中最佳個體的適應(yīng)度值達(dá)到0.998，優(yōu)化迭代計算終止。聲學(xué)包配置優(yōu)化結(jié)果如圖13所示，目標(biāo)艙室最終聲壓值為39.96 dB（A），接近指定值。

圖12 針對聲振熵賦權(quán)圖法找到的噪聲主要傳遞路徑的聲學(xué)包配置優(yōu)化設(shè)計結(jié)果Fig.12 Optimal design of sound package allocation for dominate sound transmission path by vibroacoustic entropy weighted graph method

圖13 針對能量法找到的噪聲主要傳遞路徑的聲學(xué)包配置優(yōu)化設(shè)計結(jié)果Fig.13 Optimal design of sound packageallocation for dominate sound transmission path by energy method

4 結(jié) 語

聲學(xué)包在船舶艙室低噪聲設(shè)計中具有廣闊的應(yīng)用前景。本文研究了船用聲學(xué)包的快速評估方法，以及聲學(xué)包在船舶艙室中的選型及優(yōu)化配置理論。所建立的聲學(xué)包性能快速數(shù)值評估統(tǒng)計能量數(shù)值模型適用于中高頻域，可彌補基于實驗測試的聲學(xué)包設(shè)計優(yōu)化方法的低效性及高成本。提出的聲學(xué)包選型及其在艙室中的配置優(yōu)化設(shè)計模型可以較好地實現(xiàn)艙室降噪工程設(shè)計，基于遺傳算法的聲學(xué)包設(shè)計與配置優(yōu)化求解策略適應(yīng)面廣，便于工程應(yīng)用。未來進(jìn)一步的工作應(yīng)關(guān)注于低中頻域聲學(xué)包性能快速評估及設(shè)計方法。

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Acoustic performance design and optimal allocation of sound package in ship cabin noise reduction

YANG Deqing1，2，3，XU Zixuan1，2，3，GAO Chu1，2，3
1 Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration，Shanghai 200240，China 2 State Key Laboratory of Ocean Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China 3 School of Naval Architecture，Ocean and Civil Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China

The sound package in noise reduction design of ship cabins has become the main approach for the future.The sound package is a specially designed acoustic component consisting of damping materials,absorption materials,sound isolation materials and base structural materials which can achieve the prescribed performance of noise reduction.Based on the Statistical Energy Analysis（SEA）method,quick evaluation and design methods,and the optimal allocation theory of sound packages are investigated.The standard numerical acoustic performance evaluation model,sound package optimization design model and sound package optimal allocation model are presented.A genetic algorithm is applied to solve the presented optimization problems.Design examples demonstrate the validity and efficiency of the proposed models and solutions.The presented theory and methods benefit the standardization and programming of sound package design,and decrease noise reduction costs.

noise reduction design of cabins；sound package；acoustic layout optimization；genetic algorithm

U661.44

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2017.04.006

http://kns.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20170727.1027.026.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

楊德慶，許子璇，高處.船舶聲學(xué)包性能及配置優(yōu)化設(shè)計［J］.中國艦船研究，2017，12（4）：35-40，54.

YANG D Q，XU Z X，GAO C.Acoustic performance design and optimal allocation of sound package in ship cabin noise reduction［J］.Chinese Journal of Ship Research，2017，12（4）：35-40，54.

2017-03-10< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時間：

時間：2017-7-27 10:27

國家高技術(shù)船舶科研計劃資助項目（2012-533）；國家自然科學(xué)基金資助項目（51479115）

楊德慶（通信作者），男，1968年生，博士，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：船舶結(jié)構(gòu)減振降噪理論與方法。E-mail：yangdq@sjtu.edu.cn