董 勇 顏 名 丁許聰 樊 紅

(廣州航通船業(yè)有限公司1) 廣州 510290) (武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院2) 武漢 430063)

0 引 言

船舶艙室噪聲是船舶舒適性的重要指標(biāo).甲板運(yùn)輸船一般采用尾樓尾機(jī)型，上層建筑各艙室受發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳激勵(lì)影響大，噪聲容易超標(biāo)，影響船員的正常休息和工作.如果能在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行艙室噪聲預(yù)報(bào)，能大大減少船舶建成后由于噪聲不達(dá)標(biāo)帶來(lái)的返工成本.

目前，統(tǒng)計(jì)能量分析(statistical energy analysis, SEA)方法因其相比于有限元法有較大的計(jì)算量上的優(yōu)勢(shì)，被越來(lái)越多地使用到船舶艙室噪聲預(yù)報(bào)中.國(guó)內(nèi)各研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者對(duì)油船[1]、高速客船[2]、集裝箱船[3]、散貨船[4]和海工船[5]等類(lèi)型船舶艙室噪聲研究較多，工程船舶關(guān)注相對(duì)較少.本文對(duì)某3 000 t甲板運(yùn)輸船的上層建筑艙室噪聲進(jìn)行預(yù)測(cè)，并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，分析該類(lèi)船舶主要激勵(lì)源對(duì)艙室噪聲的影響大小，并利用聲振軟件進(jìn)行減振降噪模擬.統(tǒng)計(jì)能量分析是用能量描述各種動(dòng)力學(xué)子系統(tǒng)的狀態(tài)，使用功率流平衡方程描述耦合子系統(tǒng)間的相互作用關(guān)系，從而建立機(jī)械振動(dòng)與聲學(xué)間的聯(lián)系.

統(tǒng)計(jì)能量分析把復(fù)雜結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)處理成隨機(jī)變量，給出的是空間和頻域的平均量，因此適用于解決高頻區(qū)內(nèi)(振型數(shù)N≥5)的復(fù)雜系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題.統(tǒng)計(jì)能量分析的關(guān)鍵在于確定統(tǒng)計(jì)能量模型參數(shù)，如模態(tài)密度(或模態(tài)數(shù))、耦合損耗因子、內(nèi)損耗因子和輸入功率等[6].

1 噪聲預(yù)報(bào)模型

1.1 船舶主要參數(shù)

本文研究對(duì)象為單底尾機(jī)型，雙機(jī)雙槳的甲板運(yùn)輸船.總長(zhǎng)79.0 m，垂線(xiàn)間長(zhǎng)76.8 m，型寬19.0 m，型深4.5 m，滿(mǎn)載吃水3.35 m時(shí)載重量3 000 t.兩臺(tái)主機(jī)為某公司的LB6250ZLC-10，功率750 kW，轉(zhuǎn)速750 r/min.兩臺(tái)副機(jī)額定功率是120 kW，轉(zhuǎn)速1 500 r/min.螺旋槳直徑2.38 m，額定轉(zhuǎn)速215.9 r/min.

1.2 統(tǒng)計(jì)能量分析模型建立方法

根據(jù)目標(biāo)船總布置圖、基本結(jié)構(gòu)圖和艙室布置圖等資料，采用有限元軟件PATRAN建立全船模型，再將模型導(dǎo)入聲振軟件VA One中.在VA One中創(chuàng)建平板，使用自動(dòng)連接功能將各個(gè)平板連接.由于船舶的艙壁和甲板等平板上有扶墻材、強(qiáng)肋、桁材等，會(huì)使平板的剛度加大，影響能量傳遞關(guān)系，因此這些平板采用的是帶加強(qiáng)筋的平板，結(jié)構(gòu)尺寸與原船保持一致.再利用平板構(gòu)建聲腔，依據(jù)統(tǒng)計(jì)能量分析法子系統(tǒng)劃分原則，將目標(biāo)船舶每個(gè)艙室作為一個(gè)聲腔，構(gòu)建SEA模型.全船模型一共包括1 333個(gè)節(jié)點(diǎn)、407塊加筋板、62個(gè)聲腔和4個(gè)半無(wú)限流體.半無(wú)限流體用來(lái)模擬舷外海水，將目標(biāo)船水線(xiàn)以下船體板與半無(wú)限液體子系統(tǒng)相連.模型中材料的物理屬性，鋼密度取值7 850 kg/m3，泊松比取值0.3，彈性模量取值210 GPa.

通過(guò)軟件的Do Auto-connect功能，將模型中加筋板與聲腔自動(dòng)連接，從而實(shí)現(xiàn)能量在子系統(tǒng)中的傳遞.全船子系統(tǒng)離散模型見(jiàn)圖1.

圖1 全船子系統(tǒng)離散模型

1.3 統(tǒng)計(jì)能量模型參數(shù)

1) 模態(tài)數(shù)和耦合損耗因子 當(dāng)子系統(tǒng)的模

態(tài)數(shù)大于等于5時(shí)，SEA模型才能被精確求解.VA One軟件可以自動(dòng)求解各子系統(tǒng)的模態(tài)數(shù)，當(dāng)計(jì)算頻率范圍取為63～8 000 Hz時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)目標(biāo)船子系統(tǒng)的模態(tài)數(shù)基本滿(mǎn)足要求.

耦合損耗因子是子系統(tǒng)間耦合作用大小的一種度量.對(duì)于已經(jīng)實(shí)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)連接以及結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)與聲腔子系統(tǒng)連接的SEA模型，可以利用軟件內(nèi)部提供的耦合損耗因子計(jì)算模塊來(lái)計(jì)算.

2) 內(nèi)損耗因子 船舶艙室除了鋼結(jié)構(gòu)還有內(nèi)裝材料，不能簡(jiǎn)單的用鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)損耗因子表達(dá).由于SEA模型建立時(shí)，按艙室建立的聲腔，因此可以用聲腔的吸聲系數(shù)計(jì)算艙室聲腔子系統(tǒng)的內(nèi)損耗因子，其關(guān)系為

(1)

式中：c為空氣中的聲速，m/s；α為壁面的平均吸聲系數(shù)；f為頻率，Hz；S為聲腔的表面積，m2；V為聲腔的容積，m3.

由于目標(biāo)船按常規(guī)裝修，機(jī)艙也未采用特殊降噪措施，因此，艙室的內(nèi)裝結(jié)構(gòu)折合吸聲系數(shù)按照文獻(xiàn)[7]取值，見(jiàn)表1.

表1 船舶艙室的內(nèi)裝結(jié)構(gòu)折合吸聲系數(shù)

1.4 主要激勵(lì)源的確定

航行工況下，目標(biāo)船噪聲影響最大的激勵(lì)源包括主機(jī)、輔機(jī)和螺旋槳.該船主機(jī)和副機(jī)都安裝有標(biāo)稱(chēng)消聲能力為35 dB(A)的排氣消聲器，其排氣噪聲對(duì)上層建筑艙室的影響相對(duì)于柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)聲和機(jī)體的輻射聲來(lái)說(shuō)可以忽略.由于沒(méi)有柴油機(jī)廠家提供的噪聲數(shù)據(jù)，本文采用文獻(xiàn) [7-8]中的經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)柴油機(jī)的機(jī)腳振動(dòng)加速度級(jí)La(參考加速度為10-6m/s2)，柴油機(jī)機(jī)體輻射聲功率級(jí)LW(參考聲功率為10-12W)進(jìn)行估算，見(jiàn)表2～3.

螺旋槳噪聲估算按文獻(xiàn)[7]中公式估算，得到螺旋槳激勵(lì)作用下船底板振動(dòng)加速度級(jí)(參考加速度為10-6m/s2)，見(jiàn)表4.

表2 主、副機(jī)機(jī)腳振動(dòng)加速度級(jí)

表3 主、副機(jī)輻射聲功率級(jí)

表4 螺旋槳上方船底板振動(dòng)加速度級(jí)

2 艙室噪聲預(yù)報(bào)與分析

2.1 噪聲預(yù)報(bào)結(jié)果及實(shí)測(cè)值對(duì)比

在建立好的SEA模型中，將主、輔機(jī)結(jié)構(gòu)聲以振動(dòng)加速度級(jí)形式施加在柴油機(jī)基座處，螺旋槳結(jié)構(gòu)聲以加速度級(jí)形式施加在槳上方船底板處，主、輔機(jī)機(jī)體輻射聲以擴(kuò)散聲場(chǎng)形式施加在機(jī)艙聲腔相應(yīng)位置處.

求解后可以得到全船艙室聲腔聲壓云圖，見(jiàn)圖2.選取主甲板的廚房和餐廳，起居甲板的船長(zhǎng)室、輪機(jī)長(zhǎng)室、船員室202及最上層駕駛室為各層甲板代表性艙室，將結(jié)果采用A計(jì)權(quán)評(píng)價(jià)，并與測(cè)量值和文獻(xiàn)[9]的限值進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表5.

圖2 全船艙室聲腔聲壓云圖

表5 代表艙室預(yù)報(bào)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比表dB(A)

67.270-2.86564.266-1.86064.867-2.26020264.466-1.66075.780-4.37574.779-4.365

由表5可知，預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值最大誤差為4.3 dB，相對(duì)誤差5.4%以?xún)?nèi)，預(yù)測(cè)值具有一定工程參考價(jià)值.預(yù)測(cè)值均比實(shí)測(cè)值偏小，居住艙室誤差比餐廳、廚房和駕駛室誤差小.分析原因是由于柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)聲與空氣聲都采用經(jīng)驗(yàn)公式估算，和實(shí)船存在一定誤差，導(dǎo)致預(yù)測(cè)值一致性偏小.由于駕駛室、餐廳和廚房?jī)?nèi)部設(shè)備多，會(huì)產(chǎn)生各種機(jī)械噪聲與電磁噪聲，預(yù)測(cè)模型中未添加這些因素，導(dǎo)致預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值誤差比居住艙室大.另外，無(wú)論是預(yù)測(cè)值還是實(shí)測(cè)值，目標(biāo)船的噪聲值都顯著超過(guò)規(guī)則限值，且餐廳實(shí)測(cè)值超標(biāo)達(dá)14 dB.

2.2 各激勵(lì)源對(duì)艙室噪聲影響的分析

為采取有效的噪聲控制措施，有必要分析各激勵(lì)源對(duì)艙室噪聲影響大小.可以在SEA模型中，分別單獨(dú)施加主機(jī)結(jié)構(gòu)聲，主機(jī)空氣聲、輔機(jī)結(jié)構(gòu)聲，輔機(jī)空氣聲和螺旋槳結(jié)構(gòu)聲進(jìn)行噪聲預(yù)報(bào).讀取上述代表性艙室的結(jié)果，見(jiàn)圖3.

圖3 各激勵(lì)源影響下艙室噪聲頻譜圖

將結(jié)果采用A計(jì)權(quán)評(píng)價(jià)，可以得到表6.

表6 不同激勵(lì)源下各代表艙室噪聲預(yù)報(bào)結(jié)果dB(A)

51.163.758.163.440.951.560.854.060.537.251.861.754.560.737.820250.961.053.960.838.160.873.566.270.145.762.869.770.269.140.6

由圖3和表6各艙室噪聲數(shù)據(jù)可知：

1) 除餐廳外，各激勵(lì)對(duì)代表艙室噪聲值的貢獻(xiàn)由大到小的順序?yàn)橹鳈C(jī)結(jié)構(gòu)聲、輔機(jī)結(jié)構(gòu)聲、主機(jī)空氣聲、螺旋槳結(jié)構(gòu)聲和輔機(jī)空氣聲.

2) 總體而言，主機(jī)無(wú)論結(jié)構(gòu)聲還是空氣聲對(duì)艙室噪聲的影響都比輔機(jī)相應(yīng)結(jié)構(gòu)聲和空氣聲大，但輔機(jī)結(jié)構(gòu)聲又比主機(jī)空氣聲影響大.并且除餐廳外，主機(jī)結(jié)構(gòu)聲明顯比空氣聲影響大，大約在5.6 dB～7.3 dB之間.而對(duì)于餐廳，主機(jī)空氣聲反而比結(jié)構(gòu)聲略大.分析原因，是由于餐廳位于機(jī)艙正上方，且除常規(guī)裝修外，未進(jìn)行任何特殊降噪處理，輻射聲能量進(jìn)入餐廳的比較多.

3) 對(duì)于該類(lèi)型船舶，結(jié)構(gòu)聲和空氣聲對(duì)上層建筑艙室噪聲的影響都比較大，必須予以重視.

3 艙室噪聲控制措施

3.1 隔聲吸聲措施

船舶上常用的吸聲材料有多孔吸聲材料和微穿孔板，多孔吸聲材料包括超細(xì)玻璃棉、礦物棉等纖維類(lèi)多孔吸聲材料和聚氨酯泡沫、三聚氰胺泡沫等泡沫吸聲材料.材料在每個(gè)頻率下吸聲量大小主要與其厚度、密度和空氣層厚度有關(guān)[10].船上不吸聲的鋼板、鋁板、玻璃和膠合板等是常用的隔聲材料.受空間和成本限制，材料厚度應(yīng)合理選擇.

本文利用VA One軟件中的聲學(xué)包設(shè)計(jì)模塊，試驗(yàn)了多種措施的降噪效果.最后采用如下兩種方案對(duì)不同艙室進(jìn)行降噪：①艙室地板，阻尼層1.5 mm+礦物棉30 mm+鋼板3 mm；艙室圍壁：礦物棉50 mm+空氣層50 mm+鋼板1 mm；艙室天花板：超細(xì)玻璃棉50 mm+空氣層50 mm+鋼板1 mm；②艙室地板，阻尼層1.5 mm+礦物棉30 mm+阻尼層1.5 mm+鋼板3 mm+20 mm輕質(zhì)敷料；艙室圍壁：礦物棉50mm+空氣層50 mm+鋼板1 mm+礦物棉30 mm+鋼板1 mm；艙室天花板：超細(xì)玻璃棉50 mm+空氣層50 mm+鋼板1 mm+礦物棉30 mm+鋼板1 mm.

考慮到經(jīng)濟(jì)性，對(duì)非人員居住區(qū)采用方案①，對(duì)于人員居住區(qū)，以及餐廳、廚房等超標(biāo)情況較嚴(yán)重艙室采用方案②.兩種方案中，艙室地板除了吸聲、隔聲處理，還加了阻尼減振材料，對(duì)圍壁和天花板主要進(jìn)行吸聲和隔聲處理.為了消耗振動(dòng)能量，在甲板鋼板上噴涂一層內(nèi)耗較大的黏彈性高阻尼材料，再敷設(shè)礦物棉吸聲材料，貼上薄鋼板構(gòu)成約束阻尼.圍壁和天花板的吸聲材料主要選取超細(xì)玻璃棉和礦物棉，同時(shí)設(shè)計(jì)空氣層增加吸聲效果.采取上述措施后，艙室噪聲預(yù)測(cè)值結(jié)果見(jiàn)表7.

表7 隔聲吸聲處理前后代表艙室噪聲預(yù)測(cè)值dB(A)

65.467.261.264.261.564.820260.364.568.575.767.974.7

由表7可知，因?yàn)閺N房和餐廳緊鄰聲源，受結(jié)構(gòu)聲和空氣聲影響都很大，在其地板上敷設(shè)雙層阻尼并加上30 mm厚吸聲材料后，降噪幅度可以達(dá)到7 dB左右.其他艙室降噪幅度在1.8～4.2 dB，采用方案②的艙室降噪效果比方案①要好一些.各艙室預(yù)測(cè)噪聲值仍未達(dá)標(biāo).

3.2 柴油發(fā)電機(jī)組隔振

柴油發(fā)電機(jī)組隔振是指將發(fā)電機(jī)組公共底座與船體彈性連接，從而削弱結(jié)構(gòu)噪聲的傳播.采用VA One軟件中的Isolator模塊模擬其降噪效果.選擇Isolator模塊中的Spring，修改垂直方向的剛度和阻尼，可以模擬隔振彈簧.

設(shè)置完成后，對(duì)模型進(jìn)行求解，得到進(jìn)行隔振處理后代表艙室噪聲預(yù)測(cè)值，見(jiàn)表8.

表8 進(jìn)行隔聲吸聲及隔振處理后艙室噪聲值dB(A)

59.66557.36057.16020256.26064.57564.865

由表8可知，經(jīng)過(guò)發(fā)電機(jī)組隔振處理后的艙室噪聲預(yù)測(cè)值又下降了3.1～5.8 dB，多數(shù)艙室在4 dB左右.相比于隔聲吸聲材料，各艙室噪聲下降幅度較同步.最終通過(guò)隔聲吸聲和發(fā)電機(jī)組隔振處理后，各艙室噪聲值均下降到規(guī)則限值以?xún)?nèi).但由于噪聲預(yù)報(bào)模型中，施加的主機(jī)激勵(lì)略小于實(shí)際值，餐廳噪聲實(shí)際值還是略微超標(biāo)，但相比原船已經(jīng)大幅下降了約10 dB.

4 結(jié) 論

1) 對(duì)于甲板運(yùn)輸船這種尾樓尾機(jī)型，且上層建筑層數(shù)少的船舶來(lái)說(shuō)，如果不做特殊減振降噪處理，上層建筑艙室包括最上層駕駛室噪聲均可能超標(biāo).

2) 無(wú)論結(jié)構(gòu)聲還是空氣聲，對(duì)甲板運(yùn)輸船艙室噪聲影響都很大，其中主、輔機(jī)結(jié)構(gòu)聲的影響是最大的.艙室噪聲治理中應(yīng)綜合考慮吸聲、隔聲、阻尼減振和隔振措施，不僅要滿(mǎn)足措施的有效性，同時(shí)還要考慮控制成本.

3) 對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組采取主動(dòng)隔振措施，可以顯著降低全船的噪聲水平，是降低艙室噪聲的有效方法.而要進(jìn)一步降低主機(jī)引起的結(jié)構(gòu)聲則只有在主機(jī)選型時(shí)，選取振動(dòng)噪聲小的柴油機(jī).