傅 斌 陳景昊 韓晨建 吳衛(wèi)國

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (中國船級社舟山辦事處2) 舟山 316000)(中國船級社溫州辦事處3) 溫州 325000)

中小型集裝箱船噪聲快速預(yù)報與測試研究

傅 斌1,2)陳景昊3)韓晨建2)吳衛(wèi)國1)

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1)武漢 430063) (中國船級社舟山辦事處2)舟山 316000)(中國船級社溫州辦事處3)溫州 325000)

利用基于統(tǒng)計能量分析法的ESI.VA one軟件對某中小型集裝箱在設(shè)計階段進行聲學(xué)建模,采用快速預(yù)報的方法為設(shè)計階段的船舶艙室噪聲控制提供指導(dǎo),并在后期的實船測試中對其預(yù)報精度進行了驗證.結(jié)果表明，由于預(yù)報時選用的激勵計算往往偏大，同時未計及一些艙室的防火分隔帶來的隔聲效果，因此，若按上述保守方式建模預(yù)報對比公約偏大值控制在3 dB以內(nèi)，在實測時基本可以滿足公約要求.在測試階段時，對于部分人員嘈雜的艙室，需要合理的協(xié)調(diào)并處理，最后由于統(tǒng)計能量分析法無法考慮局部共振的影響，對于振動計算中局部共振區(qū)域要特別關(guān)注.

噪聲快速預(yù)報;噪聲測試;統(tǒng)計能量分析法

0 引 言

隨著近代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和船舶體系管理的日益完善，對船舶的要求也不再局限于其安全性、快速性和經(jīng)濟性等方面，對船舶的舒適性即船員和乘客的居住環(huán)境提出了更高的要求，其中，船舶的振動與噪聲問題一直是困擾研究者的一個重要問題[1-2].由文獻[3]可知，船舶的噪聲等級被列為公約要求的法定指標(biāo)，這給我國中小型船廠帶來了巨大的沖擊.文中基于對某2 339 TEU集裝箱船的噪聲預(yù)報與測試，以期為該類型船舶在設(shè)計階段的噪聲預(yù)報與控制及后期的測試提供有益建議.

在聲學(xué)有限元計算中對網(wǎng)格的尺寸要求非常高，一般要求其最大邊長需小于1/6的彎曲波波長[4]，這就對計算機的計算能力和計算效率提出了很高的要求.而統(tǒng)計能量分析法(statistical energy analysis method,SEA)，采用統(tǒng)計的思想，利用系統(tǒng)能量去研究外激勵下結(jié)構(gòu)的動力學(xué)響應(yīng)問題，可以提高計算效率，同時其精度也可以被工程上所接受，因此目前工程上普遍采用SEA進行噪聲預(yù)報.

1 聲學(xué)模型的建立

1.1 建模的基本原則

本文的研究對象為一艘2 339 TEU尾機型集裝箱船，該船的主尺度及主要參數(shù)見表1.

表1 2339TEU集裝箱主尺度及主要參數(shù)

對于該船，其生活區(qū)與主要的噪聲源均位于尾部，因此，對模型進行簡化，只對從尾封板到機艙前端壁區(qū)域(Fr.-5-200 mm～Fr.50)進行建模，基本原則如下.①由于介質(zhì)的不同，將水線上下的板分別建模.②各類開口和門窗均直接采用板結(jié)構(gòu)建模而不予模擬.③由于結(jié)構(gòu)的自然邊界，可能劃分出部分模態(tài)數(shù)較小的聲腔，不利于后續(xù)的計算，因此在進行艙室劃分時，充分考慮同類艙室的相似性，將其劃分在一起.④根據(jù)艙室結(jié)構(gòu)布置圖對實際的內(nèi)裝材料進行統(tǒng)計，充分考慮其對噪聲預(yù)報的影響.⑤駕駛室、集控室、船員房間等艙室采用聲腔形式來進行模擬.⑥外界流場采用空氣或者海水的半無限域流場來模擬.

1.2 建模的基本流程

通過對預(yù)報船總布置圖、艙室布置圖、設(shè)備布置圖及設(shè)備說明書等資料的分析，通過MSC.PATRAN軟件對本船尾部機艙及上層建筑區(qū)域進行有限元模型的建立，并通過將導(dǎo)出*.bdf文件輸入ESI.VAone軟件中，構(gòu)建基于統(tǒng)計能量分析法的聲學(xué)預(yù)報模型見圖1.

圖1 建?；玖鞒碳澳Ｐ蛨D

2 噪聲源及基本參數(shù)的確定

2.1 激勵源

本船尾機型集裝箱船，采用了一臺滬東重機生產(chǎn)的6G60ME-C9.2型12 840 kW的主機，額定轉(zhuǎn)速為97 r/min，螺旋槳采用槳葉直徑為6 700 mm的5葉槳，同時該船還配備了現(xiàn)代重機生產(chǎn)的HFC7 568-08P型1 368 kW和HFC7 636-08P 型1 824 kW的發(fā)電機各兩臺，額定轉(zhuǎn)速均為900 r/min.

文中計及預(yù)報船主要激勵源，包括螺旋槳激勵、主機激勵和發(fā)電機的激勵.在預(yù)報中激勵源可以采用實測數(shù)據(jù)和經(jīng)驗公式，一方面在進行噪聲預(yù)報階段時多數(shù)船還處于設(shè)計階段無法采取實測，另一方面該船為系列船首制船無姊妹船可以參考，因此，在預(yù)報時均采用經(jīng)驗公式.選用文獻[5]中主機及發(fā)電機基座處振動加速度級式(1)進行估算,主機及發(fā)電機的空氣聲采用式(2)進行計算；同時采用式(3)對螺旋槳在船底板引起的激勵進行估計[6].

(1)

式中：m為發(fā)動機質(zhì)量，kg；ne為發(fā)動機工作轉(zhuǎn)速，r/min；Pe為額定功率，kW；n為發(fā)動機工作轉(zhuǎn)速，r/min;f為頻率，Hz.

Lw=57+10 lg(hp)+C0(dB)

(2)

式中：hp為主機額定馬力；C0為修正值，參考聲功率為10-12W.

Lv(propeller)=c+10 lg(M×z)+

refV0=10-9m/s

(3)

2.2 模態(tài)數(shù)

在SEA分析中，z≥5為高頻區(qū)，1

圖2 模態(tài)數(shù)圖

2.3 損耗因子

損耗因子分為內(nèi)損耗因子和耦合損耗因子，船結(jié)構(gòu)模型在分析時視為弱耦合結(jié)構(gòu)動力學(xué)問題的求解，而VA ONE自帶的基于波分析法的損耗因子的計算可以適用于這類結(jié)構(gòu)的求解[7-9].

2.4 噪聲預(yù)報結(jié)果

根據(jù)對板子系統(tǒng)和聲腔子系統(tǒng)模態(tài)數(shù)的計算，確定對模型80～8 000 Hz范圍內(nèi)1/3倍頻程中心頻率進行預(yù)報，各艙室聲壓級曲線見圖3.

圖3 各艙室聲壓級曲線圖

在設(shè)計階段的預(yù)報，激勵源的計算往往采用偏大選取，同時一些特殊的內(nèi)裝材料也先不在考慮范圍內(nèi)，一般會造成艙室噪聲比實測值大，因此某些艙室的噪聲預(yù)報值稍微大一點并不要緊，但是本次計算中的醫(yī)院的噪聲值明顯偏大接近了64 dB，考慮到其周圍還有一個風(fēng)道在預(yù)報中未計及，因此在設(shè)計階段對該艙室的內(nèi)裝材料進行了特別考慮，增加了一些吸聲材料，而后預(yù)報值下降至約61 dB左右.其余個別艙室預(yù)報值雖有稍大于公約值的現(xiàn)象，但大體還在控制范圍中.

3 噪聲測試

船上噪聲測試所需的儀器包括聲級計、倍頻層濾波器、傳聲器風(fēng)罩和聲音校準(zhǔn)器.根據(jù)CCS要求，聲壓級測量須采用精密積分聲級計進行，同時應(yīng)符合IEC61672-1(2002-05)1類型/級標(biāo)準(zhǔn).

3.1 測試條件

試航時，天氣狀況良好，蒲氏風(fēng)力約為3級，目測波高不超過1 m，同時船舶處于開闊水域，周圍無島嶼或大型船舶等大面積反射物，水深58 m，大于5倍吃水(d=8.5).噪聲測量時，船舶處于壓載工況，主機功率為額定功率12 840 kW，轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速97 r/min，四臺發(fā)電機處于正常工作狀態(tài)，分別為900 r/min，1 368 kW和900 r/min，1 824 kW，除此之外正常航行所需的機械、航行儀器、無線電、雷達等裝置均處于正常工作狀態(tài).除個別航行中必須開啟的門窗外，艙室門窗處于緊閉狀態(tài).

3.2 測試的基本原則

1) 對于居住艙室和工作間，測量點盡可能選擇靠近人員工作的位置，工作間測量時傳聲器應(yīng)放在甲板以上1.2 m(模擬坐著的人員)和1.6 m(模擬站著的人員)的高度處，居住艙室測量時需要考慮將床頭作為一個測量點[10].

2) 兩個測量點之間的距離至少應(yīng)為2 m，在無機艙的大處所內(nèi)，整個處所應(yīng)按不超過10 m的間距進行測量.

3) 傳聲器位置應(yīng)距離反射表明1 m以上，并盡可能遠(yuǎn)離反射表面.

4) 在測量噪聲級時，傳聲器的位置應(yīng)盡可能與氣流方向的夾角不小于30°，且距發(fā)動機、通風(fēng)、空調(diào)和冷卻系統(tǒng)的進氣口或排氣口邊緣不小于1 m.

5) 在電力設(shè)備附近測量時，應(yīng)考慮電磁場對測量結(jié)果的影響.如果改變傳聲器方位(不改變位置)發(fā)現(xiàn)積分聲級計指示的聲級有明顯變化，應(yīng)變換聲級計的方位或者在離磁場更遠(yuǎn)的地方進行測量.

6) 在振動明顯的環(huán)境中進行測量時應(yīng)考慮振動對測量結(jié)果的影響，避免振動方向與聲級計的膜片方向垂直.

4 噪聲預(yù)報與測試結(jié)果對比分析

表2為噪聲預(yù)報與測試結(jié)果.

由表2可知，多數(shù)非機器處所艙室的預(yù)報值比實測值高3～6 dB，其主要原因有以下兩點：①激勵源的影響，本文的預(yù)報時在設(shè)計階段進行的，同時該船又是首制船，激勵源只能采用經(jīng)驗公式，具有一定的誤差，同時考慮到外國船東對噪聲指標(biāo)比較苛刻，在預(yù)報階段的激勵經(jīng)驗公式選取采取偏保守的方式，因此最后的預(yù)報值偏大；②內(nèi)裝材料的影響，在預(yù)報時都只考慮了普通的內(nèi)裝材料，未計及船上一些特殊的防火分隔材料，如A60，A30等，造成廚房(SOLAS公約中定義為較大失火危險的服務(wù)處所)，應(yīng)急發(fā)電機間(SOLAS公約中定義為A類機器處所)等特殊艙室周圍的艙室噪聲預(yù)報值偏大更多，本模型預(yù)報中應(yīng)急發(fā)電機間的A60防火材料由其他艙室的普通材料代替，因此，上方的醫(yī)院和側(cè)方的水手廚工室噪聲偏大，醫(yī)院的預(yù)報值高達63.54 dB，廚工水手6的預(yù)報值達到了63.23 dB，高于同層甲板其他艙室3 dB左右.對應(yīng)急發(fā)電機間施加A60防火材料前后，醫(yī)院的噪聲預(yù)報聲壓級曲線見圖4，下降約3.5 dB.

表2 噪聲預(yù)報與測試結(jié)果 dB

圖4 處理前后醫(yī)院聲壓級曲線

對于部分艙室，如駕駛室的噪聲要比實測值要小很多，主要有兩方面原因：一方面在試航階段，根據(jù)振動測試顯示羅經(jīng)甲板出現(xiàn)了共振現(xiàn)象，而采取統(tǒng)計能量法無法預(yù)報到該現(xiàn)象；另一方面試航時，駕駛室人員較多，環(huán)境嘈雜，使得其測試值較真實值偏大.而對于廚房，預(yù)報值比測試值要大很多，這主要是測試時并不是在廚房工作期間，而預(yù)報時外加了一個空氣聲的激勵.

5 結(jié) 論

1) 在設(shè)計階段時，激勵源的計算值往往偏大，同時不計及一些特殊的防火材料，這樣會造成預(yù)報值偏大，因此若按上述保守方式建模預(yù)報值對比公約值偏大值控制在3 dB以內(nèi)，在最后實測時多數(shù)能滿足.

2) 噪聲測試時，對一些環(huán)境比較嘈雜的艙室，如駕駛時的測量，要與船長等協(xié)商好，并在后期對其進行適當(dāng)?shù)男拚?

3) 采用統(tǒng)計能量分析法無法計及到由于局部共振引起的某些艙室的噪聲值偏大，因此當(dāng)振動計算發(fā)現(xiàn)某些結(jié)構(gòu)存在共振現(xiàn)象時，應(yīng)特別注意其周圍艙室的噪聲情況.

[1] 張立.基于國際新規(guī)范的艙室噪聲預(yù)報與控制技術(shù)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2012.

[2] 陳實.基于IMO新標(biāo)準(zhǔn)的船舶艙室噪聲研究[D].大連:大連理工大學(xué),2013.

[3] 國際海事組織.船上噪聲等級規(guī)則[Z].倫敦:國際海事組織,2014.

[4] 李增剛,詹福良.Virtual.Lab Acoustics聲學(xué)仿真計算高級應(yīng)用實例[M].北京:國防工業(yè)出版社,2010.

[5] 阿斯尼基福羅夫.船體結(jié)構(gòu)聲學(xué)設(shè)計[M].北京:國防工業(yè)出版社,1998.

[6] NILSSON A C. Noise Prediction and Prevention in Ships[C]. America:Arlington,1978.

[7] 高麗莎.基于實船試驗的鋼鋁混合結(jié)構(gòu)船舶噪聲預(yù)報與控制研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2014.

[8] 陳景昊.異種混合結(jié)構(gòu)耦合損耗因子研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2015.

[9] 陳景昊,吳衛(wèi)國,林永水.基于有限元能量流的混合結(jié)構(gòu)間耦合損耗因子[J].中國艦船研究,2016,11(4):79-86.

[10] 中國船級社.船舶及產(chǎn)品噪聲控制與檢測指南[Z].北京:中國船級社,2013.

Research on Acoustic Rapid Prediction and Noise Test of Small and Middle Size Container Ship

FUBin1,2)CHENJinghao3)HANChenjian2)WUWeiguo1)

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)1)(ZhoushanOffice,ChinaClassificationSociety,Zhoushan316000,China)2)(WenzhouOffice,ChinaClassificationSociety,Wenzhou325000,China)3)

The acoustic rapid prediction of a 2339TEU container ship is carried out by ESI.VA One based on the statistical energy analysis method. Fast prediction method provides a guidance for ship cabin noise control in design phase, and the forecast accuracy is verified by full scale tests. Because the excitation calculation of simulation is relatively large and the fire separation is ignored, the simulation result is more than the requirement of convention about 3dB according to the conservative method above, but the test result meets the requirement of convention. Meanwhile, for some chaotic cabin, a more reasonable method should be adopt in the test phase. Finally, because the statistical energy analysis method can not consider the effect of local resonance, which should be paid special attention.in the calculation of vibration.

acoustic rapid prediction; acoustic test; statistical energy analysis method (SEA)

U661.44

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.05.020

2017-07-12

傅斌(1971—)：男，碩士，高級工程師，主要研究領(lǐng)域為船舶檢驗及結(jié)構(gòu)振動與噪聲控制