郭云松，丁 煒，周相榮，蔣維鋼

（1.中國船舶重工集團(tuán)公司第七○四研究所，上海 200031；2.漢高（中國）股份有限公司，上海 201203）

VAOne在艙室噪聲預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

郭云松1，丁 煒1，周相榮1，蔣維鋼2

（1.中國船舶重工集團(tuán)公司第七○四研究所，上海 200031；2.漢高（中國）股份有限公司，上海 201203）

介紹統(tǒng)計(jì)能量法的基本理論，并以某科考船為分析對(duì)象，利用VA One軟件進(jìn)行艙室噪聲預(yù)報(bào)，分析聲學(xué)材料、阻尼材料及空調(diào)噪聲對(duì)艙室噪聲的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：添加聲學(xué)材料后，艙室噪聲下降顯著；3種阻尼方案總體上來說對(duì)艙室噪聲影響差別不大，但從重量方面考慮，方案二優(yōu)于其它2種；選用具有良好降噪效果的布風(fēng)器，可減小空調(diào)噪聲對(duì)上層建筑艙室噪聲的影響。

聲學(xué)；VAOne；統(tǒng)計(jì)能量法；艙室噪聲；阻尼材料；空調(diào)噪聲

現(xiàn)代船舶設(shè)計(jì)除滿足功能要求外，對(duì)船上主要生活區(qū)和主要工作艙室提出了更加嚴(yán)格的噪聲控制要求。船舶噪聲不僅會(huì)影響艙內(nèi)各種儀器、設(shè)備的正常運(yùn)行，導(dǎo)致某些結(jié)構(gòu)聲振疲勞破壞，還會(huì)影響船員及乘客的舒適性，損害身體健康。因此在船舶設(shè)計(jì)時(shí)提前預(yù)測各艙室的噪聲值，對(duì)不滿足相關(guān)規(guī)范或船東要求的部位提前采取有力的振動(dòng)噪聲控制措施，不僅能有效達(dá)到降低艙室噪聲的目的，還能避免在船舶建造完成后因采取補(bǔ)救和改動(dòng)措施而造成的巨額開銷，同時(shí)縮短造船周期，降低造船成本。在船舶設(shè)計(jì)階段對(duì)艙室噪聲進(jìn)行預(yù)估，為設(shè)備選取、艙室布置、材料選擇、聲學(xué)設(shè)計(jì)等提供參考意見，具有較大的實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值[1]。

VA One是法國ESI集團(tuán)于2005年推出的全頻段振動(dòng)噪聲分析軟件[2]，它把有限元分析（FEA）、邊界元分析（BEM）、統(tǒng)計(jì)能量分析（SEA）及其混合分析集中于一個(gè)易于進(jìn)行模擬的環(huán)境。同時(shí)，VA One提供有限元、邊界元和統(tǒng)計(jì)能量分析是一種嚴(yán)格的耦合形式，能夠統(tǒng)一而可靠地進(jìn)行全頻段范圍的求解。

基于此，文中針對(duì)某科考船，利用VA One軟件中的SEA原理進(jìn)行全船艙室噪聲仿真計(jì)算，得出各艙室的噪聲水平，為艙室的聲學(xué)處理優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，評(píng)估艙室噪聲設(shè)計(jì)目標(biāo)的可行性以及對(duì)比分析噪聲處理材料的優(yōu)劣。

1 分析理論基礎(chǔ)

統(tǒng)計(jì)能量分析簡稱SEA（Statistical Energy Analysis），是基于統(tǒng)計(jì)平均的概念，將結(jié)構(gòu)按其幾何、物理等參數(shù)劃分成子系統(tǒng)，考慮子系統(tǒng)之間的能量傳遞，最終由能量方程組求解得到各子系統(tǒng)平均能量的一種方法[3–6]。它運(yùn)用能量流關(guān)系式對(duì)復(fù)合的、諧振的組裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力特性、振動(dòng)響應(yīng)級(jí)及聲輻射的理論評(píng)估，是一種在時(shí)間上和空間上的統(tǒng)計(jì)特性分析，這些能量流關(guān)系式在組成結(jié)構(gòu)的各種耦合的子系統(tǒng)（如板、殼等）之間具有一個(gè)簡單的熱類比。在應(yīng)用統(tǒng)計(jì)能量分析理論時(shí)，將船舶劃分為若干個(gè)子系統(tǒng)，并假定各子系統(tǒng)之間的主要能量流是由結(jié)構(gòu)共振或聲學(xué)模態(tài)引起的，即統(tǒng)計(jì)能量分析通常是關(guān)于各個(gè)共振振蕩器組之間的能量或功率流分析。

船體每個(gè)結(jié)構(gòu)（或聲學(xué)）子系統(tǒng)都具有一個(gè)分別與其時(shí)間平均和空間平均的均方振動(dòng)速度或均方聲壓成比率的穩(wěn)態(tài)能量水平，即

式中Ei為子系統(tǒng)能量；mi為子系統(tǒng)質(zhì)量；ρ為介質(zhì)密度；c為聲音在介質(zhì)中的傳播速度；Vi為聲空間的體積。

一個(gè)子系統(tǒng)定義為一個(gè)具有共振模態(tài)性能的有限區(qū)域，它的響應(yīng)假設(shè)是在頻帶Δf內(nèi)包括同類型ni個(gè)模態(tài)的區(qū)域里的混響。子系統(tǒng)的有限帶寬能量利用功率平衡的概念來估計(jì)，并考慮到子系統(tǒng)間的耦合互易性，它們的平均模態(tài)能量取決于以下功率流平衡方程組的解[7]。

高于200 Hz頻段范圍內(nèi)的聲響應(yīng)具有多模態(tài)特性，且空氣傳播聲占主要地位。統(tǒng)計(jì)能量法對(duì)于受高頻、寬帶隨機(jī)激勵(lì)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)及其噪聲輻射問題尤為有效[8]。根據(jù)上面所述理論，就可以運(yùn)用SEA預(yù)測該頻段范圍內(nèi)艙室空間的平均聲壓級(jí)。

2 全船噪聲預(yù)測模型

考慮到實(shí)際提供的模型輸入和工程分析的特殊性，經(jīng)合理的聲學(xué)簡化處理，建立整船SEA模型。SEA模型建立流程如圖1所示。首先根據(jù)兩維圖樣建立三維架構(gòu)數(shù)據(jù)，再由數(shù)模三維架構(gòu)數(shù)據(jù)組建生成三維有限元網(wǎng)格。

三維有限元網(wǎng)格導(dǎo)入VA One分析軟件，建立整船SEA模型（圖2）。該模型包括約1 360個(gè)面板子系統(tǒng)和316個(gè)聲空間子系統(tǒng)。

整船SEA模型中板系統(tǒng)的聲傳遞損失以及阻尼因子均可通過子系統(tǒng)試驗(yàn)或仿真計(jì)算的方法得到。由于各部位板的組成結(jié)構(gòu)不同，先計(jì)算板系統(tǒng)的聲傳遞損失特性，然后將其輸入整船模型，對(duì)簡化整船SEA模型和提高分析效率有著重要意義。

3 設(shè)計(jì)輸入

3.1 主要參數(shù)

圖1 VAOne建模流程示意圖

圖2 整船SEA建模過程示意

全船結(jié)構(gòu)和聲學(xué)信息關(guān)系到SEA模型的建立和準(zhǔn)確性，極其重要，計(jì)算中所需要輸入的信息主要包括：全船F(xiàn)E模型，包括結(jié)構(gòu)/外形/布置信息；甲板-船體厚度、材料；阻尼材料分布、材料；敷料材料分布、材料；防火材料分布、材料性能；門-窗系統(tǒng)聲學(xué)參數(shù)及其它聲學(xué)相關(guān)信息。

3.2 噪聲源及載荷信息

船舶主要噪聲源主要有以下幾類[9]：機(jī)械(或機(jī)械空氣)噪聲、電磁噪聲、流體動(dòng)力噪聲。機(jī)械噪聲是由固體的振動(dòng)擾動(dòng)周圍空氣而產(chǎn)生的空氣噪聲，電磁噪聲是電流與磁場相互作用引起振動(dòng)而產(chǎn)生的空氣噪聲，流體動(dòng)力噪聲既包括流體動(dòng)力引起的機(jī)械噪聲，又包括流體運(yùn)動(dòng)(流體排出或吸入、壓力脈動(dòng)、漩渦破裂和空泡等)的噪聲。在船上不同的裝置和場合，分別或同時(shí)出現(xiàn)上述噪聲。

噪聲源產(chǎn)生的噪聲通過空氣介質(zhì)和船體結(jié)構(gòu)兩種途徑傳播，以空氣噪聲和結(jié)構(gòu)噪聲兩種方式傳播，圖3給出噪聲源傳播的各種方式。

圖3 噪聲源傳播方式

一個(gè)噪聲源既能直接激發(fā)空氣振動(dòng)，以空氣噪聲方式穿過艙壁、甲板、天花板，沿著通風(fēng)道，經(jīng)過網(wǎng)孔、艙口、窗、非密門等傳播，也能通過承受各種機(jī)械力的基座或各種非支撐性的撐件產(chǎn)生振動(dòng)，以結(jié)構(gòu)噪聲方式傳遞。結(jié)構(gòu)振動(dòng)以彈性波形式在基座、船體結(jié)構(gòu)、艙室的外圍結(jié)構(gòu)中傳播，并在傳播中輻射空氣噪聲。艙室內(nèi)的噪聲幾乎全部來源于空氣噪聲；距離聲源稍遠(yuǎn)的居住艙室的噪聲則主要來源于結(jié)構(gòu)噪聲。

考慮到噪聲源的復(fù)雜性及其貢獻(xiàn)度的大小，仿真分析載荷的選擇包括動(dòng)力系統(tǒng)噪聲、排氣噪聲、風(fēng)機(jī)噪聲和其他大型輔機(jī)設(shè)備的噪聲。由于噪聲工況的復(fù)雜性，艙室聲學(xué)包虛擬評(píng)估分析主要考慮靜置狀態(tài)噪聲源負(fù)載最大的噪聲。添加以上幾大噪聲源激勵(lì)載荷后進(jìn)行全船艙室噪聲預(yù)報(bào)。

4 結(jié)果分析

4.1 聲學(xué)材料的影響

建立整船SEA模型，定義各艙壁、甲板厚度以及噪聲源位置、特性后，計(jì)算艙室噪聲結(jié)果（見圖4(a)）。同時(shí)根據(jù)各艙室的艙壁及天花板所附聲學(xué)材料信息，包括阻尼材料、吸聲材料等信息，計(jì)算全船艙室噪聲(見圖4(b))，將兩張?jiān)茍D進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，相同部位的艙室噪聲在添加聲學(xué)材料后有很大程度的降低。為進(jìn)一步分析內(nèi)部艙室的噪聲水平，可針對(duì)某一甲板進(jìn)行詳細(xì)分析。

圖4 全船艙室噪聲

以艏樓甲板為例，圖5給出添加聲學(xué)材料后艏樓甲板的艙室噪聲值，與目標(biāo)值進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)添加聲學(xué)材料后艏樓甲板各艙室的噪聲值均滿足目標(biāo)值要求。

4.2 阻尼材料選擇

甲板或艙壁上涂覆阻尼材料可有效減小振動(dòng)及其引發(fā)的結(jié)構(gòu)噪聲，但阻尼材料的使用又會(huì)使重量和成本增加，如何在噪聲和重量、成本之間進(jìn)行優(yōu)化處理，尋求平衡變得尤為重要。

圖5 艏樓甲板對(duì)應(yīng)艙室噪聲云圖（含聲學(xué)材料）

共選用3種阻尼配置方案，方案一為原設(shè)計(jì)方案，即4.1節(jié)中的計(jì)算結(jié)果，方案二選用新配方阻尼材料，單位重量低于方案一，但新配方阻尼材料的損耗因子高于方案一所用的阻尼材料。方案三則在方案一的基礎(chǔ)上，對(duì)阻尼材料的厚度減少2 mm。分析比較這3種阻尼方案對(duì)艙室噪聲的影響，結(jié)果對(duì)比如表1所示。

從表1可以看出，3種阻尼配置方案的預(yù)測結(jié)果雖有些差異，但總體上來看，并不顯著，與方案一相比，變化幅值為-1 dB(A)～2 dB(A)。從艙室噪聲水平考慮，方案二最佳，艏樓甲板各艙室的噪聲水平都有一定程度降低；從重量上考慮，相對(duì)方案一而言，方案二與方案三都減輕了阻尼材料的重量，但是方案三中阻尼材料的配置使得各艙室的噪聲水平在一定程度上提高了。綜合噪聲與重量兩方面因素，方案二的阻尼配置最佳。

4.3 空調(diào)噪聲影響

對(duì)于上層建筑的艙室噪聲，由于增加了空氣聲的傳遞路徑，從機(jī)艙輻射出來的噪聲已隨距離衰減，與噪聲源臨近艙室相比，輻射噪聲已經(jīng)不是上層建筑艙室噪聲的主要影響因素，此時(shí)，艙室內(nèi)布風(fēng)口的空調(diào)噪聲成了較主要的影響因素?？照{(diào)噪聲由空調(diào)器產(chǎn)生，經(jīng)管系和布風(fēng)器衰減后傳至艙室內(nèi)，與艙室內(nèi)本底噪聲疊加。由于各廠家的空調(diào)器噪聲水平差別不顯著，管系的自然衰減較小，布風(fēng)器的降噪水平直接影響空調(diào)噪聲的大小。本科考船設(shè)計(jì)中，選用的布風(fēng)器插入損失如表2所示。在空調(diào)噪聲的影響下，艏樓甲板艙室噪聲計(jì)算結(jié)果如表3所示。

從表3可以看出，在空調(diào)開啟的工況下，僅少數(shù)幾個(gè)艙室的噪聲水平有1 dB(A)的提高，這主要是因?yàn)樵O(shè)計(jì)時(shí)所選用的布風(fēng)器具有較好的降噪效果，插入損失達(dá)20 dB(A)以上，使得經(jīng)布風(fēng)器衰減后傳至艙室內(nèi)的空調(diào)噪聲相對(duì)較小，低于機(jī)艙等其他噪聲源傳至相應(yīng)艙室的空氣聲，對(duì)艙室噪聲的貢獻(xiàn)小。

5 結(jié)語

在船舶設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，采用VA One軟件對(duì)艙室噪聲進(jìn)行預(yù)報(bào)，對(duì)平衡控制重量、成本、目標(biāo)三者關(guān)系有顯著作用，為船舶艙室噪聲控制提供有力的數(shù)據(jù)支持。

表1 阻尼材料變更后目標(biāo)區(qū)域噪聲預(yù)測結(jié)果對(duì)比/dB(A)

表2 某型布風(fēng)器插入損失/dB(A)

表3 艏樓甲板噪聲預(yù)測結(jié)果對(duì)比（空調(diào)開啟與否）/dB(A)

文中比較了聲學(xué)材料、阻尼材料及空調(diào)噪聲的影響，發(fā)現(xiàn)添加聲學(xué)材料后各艙室噪聲水平都有很大程度的降低；選用方案二的阻尼材料布置方案，可使艙室噪聲降低，同時(shí)減少材料的重量；布風(fēng)器的降噪效果直接影響空調(diào)噪聲，進(jìn)而影響上層建筑的艙室噪聲水平。

對(duì)艙室噪聲的預(yù)測可為使設(shè)計(jì)達(dá)到噪聲指標(biāo)要求和聲學(xué)材料的選擇、比較提供有效支持，可應(yīng)用在沒有準(zhǔn)確艙室噪聲數(shù)據(jù)的前期開發(fā)過程中，指導(dǎo)聲學(xué)處理措施以達(dá)到偏安全的結(jié)果，以便于后期根據(jù)實(shí)際測試結(jié)果局部調(diào)整聲學(xué)處理方案。

[1]夏侯命勝.油船艙室噪聲預(yù)報(bào)[J].船舶，2011，22(2)：31-37.

[2]邱斌.高速船全頻段噪聲預(yù)報(bào)與控制方法的研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2010.

[3]張晶.基于統(tǒng)計(jì)能量分析法的船艇機(jī)艙艙室噪聲仿真[J].裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，20(1)：58-62.

[4]康洪軍.聲學(xué)包仿真技術(shù)在高速綜合檢測列車降噪設(shè)計(jì)上的應(yīng)用與實(shí)踐[J].鐵道車輛，2012，50(4)：17-21.

[5]酈茜.高速船噪聲預(yù)報(bào)與控制的方法研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2007.

[6]陳鑫.SEA方法在車身聲振設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].汽車技術(shù)，2008(4)：13-17.

[7]施引.船舶動(dòng)力機(jī)械噪聲及其控制[M].北京：國防工業(yè)出版社，1990.

[8]紹亮.統(tǒng)計(jì)能量法在船舶艙室噪聲預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2012，34(5)：98-100.

[9]王玉紅.船舶上層建筑艙室噪聲預(yù)測[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2003.

Application of VAOne in Ship Cabin Noise Prediction

GUO Yun-song1,DING Wei1,ZHOU Xiang-rong1,JIANG Wei-gang2
（1.704 Institute of CSIC,Shanghai 200031,China;2.Henkel(China)Company Limited,Shanghai 201203,China)

The basic theory of Statistical Energy Analysis(SEA)is introduced.The VA One software is used to predict the cabin noise of a ship.The influences of acoustics material,damping material and air-conditioning noise on the cabin noise are analyzed.The results show that the cabin noise of the ship is reduced evidently when the acoustics materials are added.The effects of three different damping schemes for the ship cabin noise reduction are nearly the same.But in the point of view of the weight of the damping material,scheme 2 is better than the other two.By selecting the air diffuser with high noise reduction effect,the influence of air conditioning noise on the superstructure noise level can be greatly reduced.

acoustics;VA One;statistical energy analysis method;ship cabin noise;damping material;airconditioning noise

U66

：A

：10.3969/j.issn.1006-1355.2017.04.020

1006-1355(2017)04-0100-05

2017-01-16

郭云松（1979－），男，遼寧省喀左縣人，碩士研究生，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榇拜o機(jī)設(shè)備減振、降噪、抗沖擊。

E-mail:kayunsong@163.com