尤小健，劉依明，董 斌，端木晚露

(武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064)

0 引 言

船舶艙室噪聲過高不僅會對船員的健康產(chǎn)生威脅，同時也會導致船上結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞，影響船上電子電氣設備的正常運轉(zhuǎn)。國際海事組織（IMO）以MSC.337（91）決議通過了《船上噪聲等級規(guī)則》（以下簡稱《規(guī)則》），并將《規(guī)則》作為強制要求。艙室噪聲問題引起了高度重視，控制船舶艙室噪聲刻不容緩。

在船舶設計階段對艙室噪聲進行預報和控制，能顯著改善艙室噪聲水平的同時，成本也遠低于建造后期采取一系列降噪措施。目前，普遍采用統(tǒng)計能量法進行艙室噪聲預報[1–5]。

為了更好的配合公約實施，提升我國船舶的噪聲控制水平，船級社結(jié)合我國造船實際編制了《船舶及產(chǎn)品噪聲控制與檢測指南》[6]（以下簡稱《指南》）。本文將基于此《指南》中的要求，對某型海洋平臺進行艙室噪聲預報與控制研究，同時對4組不同的內(nèi)損耗因子進行討論，按照規(guī)范限值對艙室噪聲進行評估，通過分析超標艙室的噪聲來源，采取有效的控制手段，為此平臺的降噪設計提供參考依據(jù)，具有工程實用價值。

1 統(tǒng)計能量法基本原理

統(tǒng)計能量法（SEA）是基于統(tǒng)計學的基本思想，將復雜的結(jié)構(gòu)劃分成一系列子系統(tǒng)，以各子系統(tǒng)的能量作為基本變量建立各功率流平衡方程，求得各子系統(tǒng)的能量分布，再進一步換算得到聲壓級、加速度級等。

對于具有N個子系統(tǒng)的SEA模型來說，各子系統(tǒng)的輸入功率與輸出功率保持平衡。對于子系統(tǒng)i，功率流方程如下：

式中，為子系統(tǒng)i 的輸入功率；為子系統(tǒng)i的損耗功率，為分析頻率，為子系統(tǒng)i的內(nèi)損耗因子，為子系統(tǒng)i 的能量；為子系統(tǒng)傳遞到子系統(tǒng)i 的功率，為子系統(tǒng)i到子系統(tǒng)的耦合損耗因子，為子系統(tǒng)到子系統(tǒng)i的耦合損耗因子，為子系統(tǒng)的能量。統(tǒng)計能量法假設不同的子系統(tǒng)之間遵守互易原理，即

聯(lián)立所有子系統(tǒng)的功率流方程，得到整個SEA系統(tǒng)的能量方程如下：

求解此能量方程，即可得到各子系統(tǒng)的能量。對于質(zhì)量為的結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)，能量與其均方振速成比例，即對于質(zhì)量為、空間聲場聲阻抗為的聲學子系統(tǒng)，能量與其聲壓成比例，即

2 計算實例

2.1 建立海洋平臺的SEA模型

結(jié)合《指南》中的要求，在VAONE軟件中建立平臺的SEA模型，共有529個子系統(tǒng)，包括441個結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)和88個聲腔子系統(tǒng)。圖1為SEA模型示意圖。圖2為SEA模型縮放圖。

2.2 確定SEA參數(shù)

圖 1 海洋平臺SEA模型Fig. 1 SEA model of offshore platform

圖 2 SEA模型縮放圖Fig. 2 Shrink view of SEA model

1）輸入功率

統(tǒng)計能量法的輸入以功率的形式出現(xiàn)。本平臺主要的噪聲源是主機和輔機。主、輔機運轉(zhuǎn)時，直接向空氣介質(zhì)輻射空氣噪聲，計算時以聲功率級的形式加載在聲腔子系統(tǒng)上；同時，主、輔機運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的振動由機腳向船體傳遞，引起結(jié)構(gòu)噪聲，計算時以加速度級的形式加載在船體結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)上。

通常，設備的輸入功率應該是廠家提供的實測數(shù)據(jù)。當廠家無法提供實測數(shù)據(jù)時，可根據(jù)經(jīng)驗公式估算。本平臺主、輔機的輸入功率根據(jù)《指南》中給出的經(jīng)驗公式估算。

2）模態(tài)密度

統(tǒng)計能量法解決復雜結(jié)構(gòu)的耦合動力學問題主要是基于高頻時結(jié)構(gòu)模態(tài)比較密集這一特性。當子系統(tǒng)在計算頻帶內(nèi)的模態(tài)數(shù)越多，即模態(tài)密度越高，統(tǒng)計能量法的計算結(jié)果越準確?！吨改稀芬?guī)定，各子系統(tǒng)在分析帶寬內(nèi)的模態(tài)數(shù)目應大于5。本次計算選用倍頻程作為分析類型，計算頻率范圍為63～8 000 Hz，此頻段內(nèi)各子系統(tǒng)的模態(tài)數(shù)均大于5，符合《指南》規(guī)定。

3）內(nèi)損耗因子

內(nèi)損耗因子是指子系統(tǒng)在單位時間內(nèi)、單位頻率上損耗的能量與平均存儲能量的比值，包括結(jié)構(gòu)內(nèi)損耗因子和聲腔內(nèi)損耗因子，目前普遍采用經(jīng)驗公式進行估算。大部分船體的結(jié)構(gòu)為鋼材，鋼材的內(nèi)損耗因子的經(jīng)驗公式[7]為聲腔的內(nèi)損耗因子的經(jīng)驗公式[8]為其中，為介質(zhì)中的聲速；為聲腔的表面積；為艙壁的平均吸聲系數(shù)，一般取0.01；為聲腔的體積。

《指南》給出了鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)損耗因子和艙室的折合吸聲系數(shù)，與文獻經(jīng)驗公式的值存在差異。文獻[1 –3]均未對內(nèi)損耗因子的取值進行說明；文獻[5]的內(nèi)損耗因子采用文獻[7–8]中的經(jīng)驗公式值；文獻[4]中的鋼板內(nèi)損耗因子采用船級社建議值，沒有內(nèi)飾板的聲腔子系統(tǒng)的內(nèi)損耗因子采用文獻[8]中的經(jīng)驗公式值，而有內(nèi)飾板的聲腔子系統(tǒng)的內(nèi)損耗因子采用船級社建議的吸聲系數(shù)，但并未將采用經(jīng)驗公式值和船級社建議值的預報結(jié)果進行比較分析，本文將對此進行比較分析。

4）耦合損耗因子

耦合損耗因子是描述SEA模型各子系統(tǒng)之間強弱耦合程度的參數(shù)。由于結(jié)構(gòu)形式復雜，工藝多樣，工程上確定耦合耗損因子十分困難，所以實際應用時會將耦合簡化成點、線、面這些典型的連接形式，再通過解析法得到耦合損耗因子。VAONE軟件能計算耦合損耗因子，一般直接采用此值。

2.3 內(nèi)損耗因子的選取

鋼板結(jié)構(gòu)和聲腔的內(nèi)損耗因子各存在船級社《指南》建議值和文獻經(jīng)驗公式值2組取值，可分為4組工況，計算工況見表1。

表 1 計算工況Tab. 1 Calculation conditions

本文關注的重點艙室為主、輔機艙和綜合控制室，圖3～圖5為這3個艙室在4組工況下的A計權噪聲級（SPL（A））曲線。

從圖3～圖5可知，鋼板內(nèi)損耗因子對目標艙室噪聲級的影響較小，影響范圍約0～10 dB，且隨著頻率的升高而變??；聲腔內(nèi)損耗因子的取值對目標艙室噪聲級的影響較大，影響范圍約3～15 dB，且隨著頻率的升高而變大。當聲腔內(nèi)損耗因子采用文獻經(jīng)驗公式值時，目標艙室噪聲級明顯大于采用《指南》建議值的情況。這是因為文獻經(jīng)驗公式值沒有考慮艙室內(nèi)裝結(jié)構(gòu)的吸聲作用，而《指南》建議值進行了考慮，因此《指南》建議值計算得到的艙室噪聲級結(jié)果更小，更符合實際。

圖 3 主機艙噪聲級曲線（A計權）Fig. 3 SPL(A) of main engine room

圖 4 輔機艙噪聲級（A計權）曲線Fig. 4 SPL(A) of auxiliary engine room

圖 5 綜合控制室噪聲級（A計權）曲線Fig. 5 SPL(A) of comprehensive control room

在船舶設計初期，各艙室的內(nèi)裝結(jié)構(gòu)尚不明確，但其吸聲作用又不可忽略，同時考慮到船舶入級的問題，建議內(nèi)損耗因子按照船級社《指南》取值，預報噪聲級更符合實際情況。本文中內(nèi)損耗因子按照船級社《指南》取值，即采取工況1進行計算。

3 噪聲級評估與控制

船級社《指南》沿用IMO《規(guī)則》中的各艙室的噪聲級限值，按照此限值評估本平臺的重點艙室，表2為評估結(jié)果。從表2中數(shù)據(jù)來看，綜合控制室的噪聲級超過限值要求，需要對其進行噪聲控制處理。

表 2 重點艙室噪聲級（A計權）評估Tab. 2 Assessment of important cabins′ SPL(A)

分析綜合控制室的噪聲能量輸入的主要來源，可以有針對性地對其進行噪聲控制，提高效率，達到事半功倍的效果。圖6為同時加載結(jié)構(gòu)和空氣噪聲激勵、只加載結(jié)構(gòu)噪聲激勵和只加載空氣噪聲激勵這3種加載情況下綜合控制室的噪聲級。可以看到，結(jié)構(gòu)噪聲激勵為綜合控制室噪聲能量的主要來源。

圖 6 不同激勵下綜合控制室噪聲級（A計權）比較Fig. 6 Comparison of SPL(A) of comprehensive control room with different excitations

結(jié)構(gòu)噪聲由機械設備運轉(zhuǎn)產(chǎn)生，沿著船體結(jié)構(gòu)向外傳遞，最有效的控制方法是采用隔振技術，在設備和基座之間安裝隔振器，減少振動能量的輸入，從而有效降低結(jié)構(gòu)噪聲。因此，本文將在主、輔機和船體之間安裝隔振器來進行噪聲控制。減振處理前后綜合控制室的噪聲級見表3。經(jīng)過減振處理后，綜合控制室噪聲級明顯降低，約4～20 dB，且隨著頻率的升高，降低效果增強。減振處理后，綜合控制室的噪聲級總級下降了12.55 dB，減小為74.66 dB，小于噪聲級限值75 dB，滿足規(guī)范要求。

經(jīng)過隔振技術處理后，綜合控制室的噪聲級略小于規(guī)范要求。當對綜合控制室的噪聲級有更嚴格的要求時，可以采取阻尼減振技術降低其結(jié)構(gòu)噪聲，即在板上敷設阻尼材料，阻尼材料耗散振動能量，減少振動響應，從而減少結(jié)構(gòu)噪聲的傳遞。阻尼材料通常是內(nèi)損耗、內(nèi)摩擦大的材料，如瀝青、橡膠以及其他一些高分子涂料。

現(xiàn)分別采取在綜合控制室內(nèi)部敷設50 mm的硬橡膠、50 mm的玻璃纖維和50 mm的聚氨酯這3種阻尼敷設方案，這3種方案下綜合控制室的噪聲級見表4。

由表4中數(shù)據(jù)可得，這3種阻尼敷設方案對高頻噪聲的降噪效果更為明顯，且隨著頻率升高，降噪效果增強。從噪聲總級上來看，50 mm硬橡膠的降噪效果最好，為4.37 dB；玻璃纖維的降噪效果最差，為2.76 dB；聚氨酯的降噪效果為3.06 dB。但硬橡膠的單位面積重量為55 kg/m2，玻璃纖維的單位面積重量為0.275 kg/m2，聚氨酯的單位面積重量為1.1 kg/m2，即硬橡膠的降噪效果略小于玻璃纖維與聚氨酯，但其增加的重量分別是玻璃纖維的200倍和聚氨酯的50倍。在實際應用中，應綜合權衡不同降噪材料的降噪效果和重量，選取最優(yōu)方案。

表 3 減振處理前后綜合控制室噪聲級（A計權）Tab. 3 SPL(A) of comprehensive control room before and after vibration damping

表 4 三種阻尼敷設方案下綜合控制室的噪聲級（A計權）Tab. 4 SPL(A) of comprehensive control room of 3 damping laying schemes

4 結(jié) 語

本文基于統(tǒng)計能量法，通過VAONE軟件對某新型海洋平臺進行艙室噪聲預報。將4種工況下的內(nèi)損耗因子的預報結(jié)果進行比較，并通過分析超標艙室的噪聲來源提出有效的控制措施，得到以下結(jié)論：

1）鋼板內(nèi)損耗因子的取值對目標艙室噪聲級的影響范圍約0～10 dB，聲腔內(nèi)損耗因子的取值對目標艙室噪聲級的影響范圍約3～15 dB，考慮到艙室內(nèi)裝的吸聲作用，以及后期船舶入級的問題，建議按照船級社指南取值。

2）在設備與船體之間安裝隔振器，能有效降低結(jié)構(gòu)噪聲占主導作用的艙室噪聲，本文在主、輔機與船體之間安裝隔振器，使綜合控制室的總噪聲級降低了12.55 dB。

3）50 mm硬橡膠的降噪效果最好，為4.37 dB；玻璃纖維的降噪效果最差，為2.76 dB；聚氨酯的降噪效果為3.06 dB。但硬橡膠增加的重量分別是玻璃纖維的200倍和聚氨酯的50倍。在實際應用中，應綜合權衡不同降噪材料的降噪效果和重量，選取最優(yōu)方案。

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