吳曉佳，溫華兵，吳俊杰，李 軍，李曉亮

（江蘇科技大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

由于近年來中國經(jīng)濟(jì)快速增長，讓郵輪在國內(nèi)市場(chǎng)有了廣闊的發(fā)展前景。同時(shí)政府相關(guān)政策的支持，也為我國進(jìn)軍郵輪建造領(lǐng)域提供了寶貴的發(fā)展機(jī)遇。郵輪是典型的高技術(shù)、高附加值的船舶[1]，其對(duì)舒適性要求極高，郵輪的舒適度主要體現(xiàn)在艙室振動(dòng)和噪聲控制方面。因此開展郵輪艙室減振降噪技術(shù)的研究工作，對(duì)于以后國內(nèi)在該領(lǐng)域的發(fā)展具有重要的意義和實(shí)用價(jià)值。

目前船舶艙室噪聲預(yù)報(bào)的方法主要有有限元法、邊界元法和統(tǒng)計(jì)能量分析法(SEA)等[2],近年來，許多學(xué)者已經(jīng)利用統(tǒng)計(jì)能量法對(duì)相關(guān)船舶艙室進(jìn)行了噪聲預(yù)報(bào)分析。溫華兵等[3]對(duì)全回轉(zhuǎn)拖輪艙室進(jìn)行了噪聲預(yù)報(bào)分析，確定了激勵(lì)源的大小和位置，并將預(yù)報(bào)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，計(jì)算了激勵(lì)源對(duì)目標(biāo)艙室噪聲水平的貢獻(xiàn)率，驗(yàn)證了SEA方法在艙室噪聲預(yù)報(bào)中的可行性。陳攀等[4]以海洋平臺(tái)為研究對(duì)象，分析了艙室有無舾裝材料時(shí)的噪聲情況，得到了舾裝材料對(duì)噪聲預(yù)報(bào)精度有明顯影響，在參數(shù)設(shè)置時(shí)則需要考慮舾裝影響的結(jié)論。Xi[5]研究了自升式鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)噪聲的傳播規(guī)律，分析可得噪聲源艙室及相近艙室需要優(yōu)先分析考慮，可通過在源艙室邊界進(jìn)行吸隔聲處理來降低噪聲的傳播。王充[6]對(duì)海上豪華游艇艙室噪聲進(jìn)行了預(yù)報(bào)分析，得到了對(duì)于噪聲超標(biāo)艙室可以根據(jù)能量傳遞路徑來提出具體的處理措施。劉錕等[7]研究了某油船居住艙室的噪聲情況，對(duì)噪聲較大的艙室鋪設(shè)了浮動(dòng)地板，分析得浮動(dòng)地板能有效降低船舶艙室的噪聲，可以在艙室中廣泛應(yīng)用。

本文以大型郵輪為對(duì)象，對(duì)其艙室進(jìn)行了噪聲預(yù)報(bào)分析。根據(jù)郵輪激勵(lì)源布置特點(diǎn)，主要考慮了柴油機(jī)等動(dòng)力設(shè)備的空氣和結(jié)構(gòu)噪聲，并將動(dòng)力設(shè)備艙室和生活?yuàn)蕵放撌业念A(yù)報(bào)噪聲結(jié)果與IMO標(biāo)準(zhǔn)限值進(jìn)行比較，隨后對(duì)相關(guān)的艙室鋪設(shè)了不同的浮動(dòng)地板結(jié)構(gòu)并討論了其降噪性能，并分析浮動(dòng)地板中不同厚度的礦棉對(duì)其聲學(xué)特性的影響。

1 郵輪SEA分析模型

1.1 模型的建立

本文研究對(duì)象為一艘航行于國際短途航線的郵輪，全船總共有10層甲板。郵輪下層船體（1甲板至4甲板）主要為動(dòng)力設(shè)備艙和車輛艙，上層船體（5甲板至9甲板）密集布滿了居住艙室及日常工作艙室。主要參數(shù)如表1所示。

表1 郵輪主要參數(shù)/m

根據(jù)郵輪的總布置圖和各甲板結(jié)構(gòu)圖等運(yùn)用PATRAN建立了郵輪的有限元模型，基于SEA子系統(tǒng)劃分原則，利用VA ONE軟件將有限元模型轉(zhuǎn)化成SEA模型，如圖1(a)所示。按照艙室布置情況，以船舶艙室為基本分析單元，將各艙室內(nèi)部空間簡化為空氣聲腔，如圖1(b)所示。根據(jù)圖紙定義12種不同厚度的鋼板，并根據(jù)圖紙將不同位置板子系統(tǒng)設(shè)置為不同的厚度，將板的材料屬性附到SEA板子系統(tǒng)中。根據(jù)全船甲板敷料布置圖、全船絕緣布置圖等在相應(yīng)的板子系統(tǒng)上添加對(duì)應(yīng)的聲學(xué)處理層。水線以下的板單元添加附連水，模擬海水對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的影響。最后將全船進(jìn)行自動(dòng)連接。全船SEA模型共有1 365 227個(gè)節(jié)點(diǎn)，8 281個(gè)板子系統(tǒng)，492個(gè)聲腔。

圖1 郵輪模型

1.2 模態(tài)數(shù)

統(tǒng)計(jì)能量法中的模態(tài)數(shù)是描述振動(dòng)系統(tǒng)存儲(chǔ)能量能力大小的一個(gè)物理量。一般認(rèn)為在一定頻段內(nèi)，子系統(tǒng)的模態(tài)數(shù)越多，計(jì)算結(jié)果越精確。因此將模態(tài)數(shù)大于5作為統(tǒng)計(jì)能量法應(yīng)用的條件之一[2]。圖2列舉了本文所分析艙室典型子系統(tǒng)的模態(tài)數(shù)，在頻率范圍為63 Hz～8 000 Hz內(nèi)，它們的模態(tài)數(shù)都大于5，符合統(tǒng)計(jì)能量分析方法的應(yīng)用條件。

圖2 SEA子系統(tǒng)模態(tài)數(shù)

1.3 內(nèi)損耗因子

內(nèi)損耗因子表征子系統(tǒng)阻尼損耗特性，是指子系統(tǒng)在單位頻率內(nèi)單位時(shí)間內(nèi)損耗能量與平均儲(chǔ)存能量的比值。內(nèi)損耗因子是影響統(tǒng)計(jì)能量分析法計(jì)算精確度的重要參數(shù)[8]。一般而言，內(nèi)損耗因子是根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到，在缺少實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的前提下，可以根據(jù)一些經(jīng)驗(yàn)公式大致估算出結(jié)構(gòu)的損耗因子。對(duì)于板子系統(tǒng)，可以采用文獻(xiàn)[2]推薦的經(jīng)驗(yàn)公式

式中：f為頻率。

則該郵輪板子系統(tǒng)的損耗因子頻譜圖如圖3所示。

1.4 耦合損耗因子

耦合損耗因子是描述兩個(gè)子系統(tǒng)之間耦合程度的一種度量，表示了子系統(tǒng)之間能量傳遞過程中損耗特性。其也是統(tǒng)計(jì)能量分析法中重要的參數(shù)之一。SEA模型中各個(gè)子系統(tǒng)之間的耦合損耗因子一般是通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試獲得。但是在SEA模型建立完成后，也可以在VA ONE軟件自帶的計(jì)算模塊中，獲取耦合損耗因子的值。

圖3 板子系統(tǒng)的內(nèi)損耗因子

1.5 噪聲激勵(lì)源

郵輪的噪聲激勵(lì)源主要分為結(jié)構(gòu)振動(dòng)和空氣噪聲，結(jié)構(gòu)振動(dòng)以加速度級(jí)的形式將振動(dòng)通過機(jī)腳傳遞到設(shè)備機(jī)座及船體結(jié)構(gòu)上，參考加速度為10-6m/s2；空氣噪聲以聲功率級(jí)的形式由設(shè)備通過空氣介質(zhì)輻射到相應(yīng)艙室，參考聲功率為10-12W。

根據(jù)廠家提供的資料，郵輪柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)組的激勵(lì)源分別如表2、表3所示，上層建筑中的風(fēng)機(jī)激勵(lì)源如表4所示。

而空調(diào)激勵(lì)則根據(jù)中國船級(jí)社規(guī)范[9]，選取空調(diào)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)和空氣噪聲頻譜，如表3所示。

表2 郵輪柴油機(jī)激勵(lì)源/dB

表3 郵輪發(fā)電機(jī)組和空調(diào)激勵(lì)源/dB

表4 風(fēng)機(jī)的輻射聲功率級(jí)/dB

螺旋槳激勵(lì)則采用船級(jí)社提供的經(jīng)驗(yàn)公式[9]來估算。式中：M為螺旋槳數(shù)量；N為螺旋槳葉片數(shù)量；D為螺旋槳直徑，m；ne為螺旋槳額定轉(zhuǎn)速，r/min。由廠家提供資料可得螺旋槳為5葉槳，直徑為4.8 m，額定轉(zhuǎn)速為130.9 r/min。

對(duì)于激勵(lì)加載方式主要有，柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)組的激振力直接加載在船體基座結(jié)構(gòu)上，在SEA模型中通過點(diǎn)力添加在基座上，而空調(diào)系統(tǒng)的激振力則直接添加在空調(diào)室的甲板上。螺旋槳產(chǎn)生的脈動(dòng)壓力轉(zhuǎn)化為螺旋槳對(duì)舵機(jī)艙底板的激振加速度，在SEA模型中，通過將加速度激勵(lì)添加到螺旋槳上方的板上。柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)組以及空調(diào)等產(chǎn)生的空氣噪聲，在VA ONE軟件中，通過自定義功率添加在所在艙室的聲腔上。

2 艙室噪聲預(yù)報(bào)和分析

在完成SEA模型建立，添加子系統(tǒng)的材料屬性以及施加振動(dòng)噪聲激勵(lì)源后，郵輪的艙室噪聲預(yù)報(bào)結(jié)果如圖4所示。

圖4 郵輪艙室噪聲預(yù)報(bào)云圖

由該圖可得，艙室噪聲最大值位于機(jī)艙處，而且隨著距離噪聲源艙室的距離增加，接受艙室的噪聲值在逐步降低。由于郵輪艙室眾多，為了更好地分析其艙室噪聲特性，本文主要研究了動(dòng)力設(shè)備艙室（機(jī)艙、舵機(jī)室、空調(diào)機(jī)室、風(fēng)機(jī)室）和距離噪聲源較近的生活?yuàn)蕵放撌遥ㄋ娜碎g、貴賓室、診療室、電影院、KTV）等典型艙室的頻譜特性。如圖5(a)和圖5(b)所示，動(dòng)力設(shè)備艙室和生活?yuàn)蕵放撌业脑肼曨l譜圖主要與激勵(lì)源的頻譜特性以及艙室的舾裝材料特性有關(guān)。動(dòng)力設(shè)備艙室的噪聲在1 000 Hz左右達(dá)到峰值，而生活?yuàn)蕵放撌业脑肼晞t分別在100 Hz和2 000 Hz左右出現(xiàn)峰值。

在設(shè)計(jì)和建造郵輪時(shí)，需要遵照IMO規(guī)定對(duì)艙室噪聲進(jìn)行控制。動(dòng)力設(shè)備艙室和生活?yuàn)蕵放撌业母髟肼曋担ˋ計(jì)權(quán)）與IMO標(biāo)準(zhǔn)限值的比較如表6所示。

由表6可得，除了四人間的噪聲值不符合IMO標(biāo)準(zhǔn)要求外，其他艙室均符合標(biāo)準(zhǔn)。分析四人間室噪聲能量輸入的路徑可得，如圖6所示，四人間的噪聲主要是通過天花板傳遞進(jìn)來的，而由圖4可得四人間的上層是空調(diào)機(jī)室，所以其噪聲超標(biāo)主要是由上層空調(diào)機(jī)室的結(jié)構(gòu)振動(dòng)和空氣噪聲引起的。

為了具體分析空調(diào)設(shè)備的結(jié)構(gòu)振動(dòng)和空氣噪聲對(duì)四人間的噪聲貢獻(xiàn)量，分別計(jì)算了在單獨(dú)考慮空調(diào)設(shè)備結(jié)構(gòu)振動(dòng)和空氣噪聲激勵(lì)下以及綜合考慮兩種激勵(lì)的情況下四人間的噪聲值，結(jié)果如圖7所示。

由圖可得，在63 Hz～125 Hz和500 Hz～1 000 Hz范圍內(nèi)，空調(diào)設(shè)備的結(jié)構(gòu)振動(dòng)與空氣噪聲對(duì)四人間噪聲的貢獻(xiàn)量相近。在125 Hz～500 Hz范圍內(nèi)，空氣噪聲對(duì)四人間噪聲的貢獻(xiàn)量要略高于結(jié)構(gòu)振動(dòng)，但是在1 000 Hz～8 000 Hz范圍內(nèi)，空氣噪聲對(duì)四人間的貢獻(xiàn)量要顯著低于結(jié)構(gòu)振動(dòng)，分析可得空調(diào)設(shè)備的空氣噪聲和結(jié)構(gòu)振動(dòng)對(duì)四人間不同頻段的噪聲貢獻(xiàn)量的主導(dǎo)權(quán)不一樣。

圖5 郵輪典型艙室的噪聲頻譜圖

表6 典型艙室噪聲值與IMO限值的比較/dB(A)

圖6 四人間的功率輸入圖

圖7 不同空調(diào)激勵(lì)下四人間的噪聲值

在考慮空調(diào)設(shè)備兩種不同激勵(lì)特性的情況下，結(jié)構(gòu)振動(dòng)主要通過板來進(jìn)行傳遞振動(dòng)能量，而空氣噪聲也是通過與地板的耦合產(chǎn)生振動(dòng)，最終由地板將能量傳遞到四人間，為降低四人間的噪聲值，本文主要對(duì)空調(diào)機(jī)室鋪設(shè)了3種不同結(jié)構(gòu)的浮動(dòng)地板進(jìn)行降噪控制處理，該處理措施可以有效降低空調(diào)機(jī)組對(duì)地板結(jié)構(gòu)振動(dòng)能量的傳遞，從而可以減小四人間噪聲能量的輸入，不同結(jié)構(gòu)的浮動(dòng)地板類型如表7所示。

由圖8分析可得，在空調(diào)機(jī)室鋪設(shè)浮動(dòng)地板1和3后四人間室的噪聲值在頻率為63 Hz到100 Hz的范圍內(nèi)有2 dB左右的降噪量，這是由于浮動(dòng)地板中粘彈性阻尼結(jié)構(gòu)起到了衰減振動(dòng)能量的效果。鋪設(shè)浮動(dòng)地板1、2和3后四人間室的噪聲值在1 000 Hz到8 000 Hz降噪效果一般，主要是因?yàn)閵A層板結(jié)構(gòu)對(duì)振動(dòng)能量起到了衰減作用。

圖8 不同結(jié)構(gòu)浮動(dòng)地板下的四人間噪聲頻譜圖

鋪設(shè)浮動(dòng)地板2和3后，對(duì)比鋪設(shè)浮動(dòng)地板1四人間室的噪聲值在100 Hz到1 000 Hz范圍內(nèi)效果顯著，主要是浮動(dòng)地板中礦棉對(duì)該頻段的振動(dòng)能量起了主要衰減作用。表8為空調(diào)機(jī)室鋪設(shè)不同浮動(dòng)地板后四人間室總噪聲值與IMO限值的對(duì)比。由表可知，鋪設(shè)浮動(dòng)地板2和3后，艙室總得聲壓值顯著降低，且達(dá)到了IMO的標(biāo)準(zhǔn)。

為了進(jìn)一步分析礦棉不同厚度對(duì)浮動(dòng)地板減振降噪性能的影響，以浮動(dòng)地板3為基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)礦棉的厚度尺寸為h=25 mm～140 mm，間隔為5 mm。得到了不同厚度下四人間室的噪聲聲壓級(jí)，如圖9所示。

圖9 不同厚度礦棉下的四人間噪聲聲壓級(jí)

由該圖可得，隨著礦棉厚度的增加四人間室的噪聲值的下降趨勢(shì)由陡峭變?yōu)槠骄彛诳紤]經(jīng)濟(jì)性的前提下，浮動(dòng)地板3中的礦棉厚度取50 mm最合適。

表7 不同浮動(dòng)地板的組成結(jié)構(gòu)

表8 不同浮動(dòng)地板下的四人間室噪聲聲級(jí)/dB(A)

3 結(jié)語

本文以郵輪為研究對(duì)象，基于統(tǒng)計(jì)能量法對(duì)艙室進(jìn)行了噪聲預(yù)報(bào)分析。研究表明，除四人間外，其他艙室均符合IMO標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)四人間室噪聲的傳遞路徑得，上層空調(diào)機(jī)室結(jié)構(gòu)振動(dòng)和空氣噪聲對(duì)其影響較大。隨后研究了在空調(diào)機(jī)室中鋪設(shè)不同結(jié)構(gòu)的浮動(dòng)地板對(duì)四人間室噪聲的影響。結(jié)果表明，鋪設(shè)浮動(dòng)地板2和3后對(duì)四人間室有顯著的降噪效果，且滿足IMO標(biāo)準(zhǔn)。最后分析了不同礦棉厚度對(duì)浮動(dòng)地板減振降噪性能的影響，隨著礦棉厚度的增加，浮動(dòng)地板減振降噪性能變優(yōu)，但在考慮經(jīng)濟(jì)性的條件下，取礦棉厚度為50 mm最合適。