顧賽文，寧長青，周宇雯，張兆德

（1. 舟山萬達船舶設(shè)計有限公司，浙江 舟山 316021；2. 浙江海洋大學(xué) 船舶與機電工程學(xué)院，浙江 舟山 316022；3. 浙江省近海海洋工程技術(shù)重點實驗室，浙江 舟山 316022）

0 引 言

船舶降噪技術(shù)有多種，如吸聲處理、隔聲技術(shù)、隔振和阻尼等。目前對船用吸聲降噪材料的研究主要以多孔吸聲材料為主。祝日新等[1]和楊明等[2]介紹了目前吸聲材料的研究進展情況；劉凱等[3-4]利用VAone軟件研究了泡沫塑料和多孔吸聲材料的吸聲性能；AKASAKA等[5]研究了二氧化硅細(xì)纖維的吸聲特性；胡凡等[6]通過軟件模擬，研究了阻尼復(fù)合板的隔聲性能；張鑫文[7]在探究吸聲技術(shù)和阻尼材料之后，發(fā)現(xiàn)新型復(fù)合隔聲結(jié)構(gòu)具有良好的減噪效果；楊德慶等[8]研究了基體材料、阻尼材料、吸聲材料和隔聲材料組合的聲學(xué)包，證明了其可行性和有效性；申言鵬[9]和李坤[10]對船用吸聲材料進行了研究。目前，有關(guān)材料的研究主要集中在聲學(xué)包[11-12]的研究優(yōu)化方面，聲學(xué)包在船舶和汽車等領(lǐng)域的應(yīng)用較為廣泛。本文采用數(shù)值模擬方法研究材料參數(shù)變化對減噪效果的影響及其特性。

1 模型設(shè)計

在數(shù)值模擬軟件中采用統(tǒng)計能量分析（Statistical Energy Analysis, SEA）時必須建立腔室，故建立2個艙室，一個為聲源艙，另一個作為數(shù)值分析的模型對比。由于巖棉類防火吸聲材料一般敷設(shè)在底板或天花板上，因此在模擬時仍將其布置在艙室下層甲板上。

圖1為材料數(shù)值分析模型，建立2個艙室，左邊為聲源艙，右側(cè)相鄰艙室敷設(shè)有試驗材料，所有板材都為加筋板設(shè)置，聲腔的吸聲系數(shù)選擇規(guī)則默認(rèn)值[13]，根據(jù)材料變化得到的整體聲腔的噪聲值變化研究材料的影響因素。由于有減噪需求的艙室一般為上層人員活動艙室，故只對空氣噪聲作激勵聲源的情況進行研究。在聲源艙室的艙壁和甲板上布置一定的吸聲材料，模擬中不做改變，測試的鄰艙敷設(shè)模擬的復(fù)合吸聲材料?？諝庠肼暭顢?shù)據(jù)見表1，為貼合船舶噪聲的特點，選用的激勵主要集中在高頻區(qū)。

圖1 材料數(shù)值分析模型

表1 空氣噪聲激勵數(shù)據(jù)

2 材料特性

該復(fù)合材料的主要作用為防火絕緣，將其敷設(shè)在甲板和艙壁上有一定的吸聲效果。該復(fù)合材料示意見圖2，其中：巖棉的厚度為50mm；纖維材料1的厚度為25mm；纖維材料2的厚度為1mm，是最外層；整個復(fù)合材料中嵌有0.7mm的鋼材（FENG[14]通過將薄板放置在多孔材料的表面或兩層之間，增強對低頻聲音的吸收）。

圖2 復(fù)合材料示意

改變復(fù)合材料中巖棉層的材料參數(shù)，對比改動前后的噪聲差異和變化趨勢，對該材料進行分析。采用的吸聲材料的基本屬性見表2。

表2 采用的吸聲材料的基本屬性

2.1 孔隙率

材料的孔隙率對吸聲性能的影響很大，對材料吸聲性能的研究一般從材料的孔隙率入手。戴銀所等[15]研究了泡沫鋁在不同孔隙率下的吸聲性能，得出了與本文比較相似的結(jié)論。

在研究材料中巖棉的孔隙率之前，對單一巖棉材料的孔隙率和降噪效果進行數(shù)值分析比較。在試驗所在艙室的地板上單一敷設(shè)50mm厚的巖棉，當(dāng)其孔隙率（取0.99、0.90、0.80、0.70、0.60、0.50、0.40、0.30、0.20、0.10）不同時，比較該艙室的噪聲值，結(jié)果見圖3。單純敷設(shè)巖棉吸聲時，其孔隙率在一定程度上對減噪效果有影響，孔隙率越低，減噪效果越差。但是，在該厚度下，艙室的噪聲值隨孔隙率的變化保持在1dB以內(nèi)。從結(jié)果上看，纖維材料的孔隙率越大，其吸聲性能越好。

同理，研究復(fù)合材料的孔隙率減噪情況。改變復(fù)合材料中巖棉的孔隙率（取0.10、0.20、0.30、0.40、0.50、0.60、0.70、0.80、0.90和0.99），將得到的結(jié)果繪成曲線（見圖4）。由圖4可知，與單一布置情況不同，復(fù)合材料的吸聲減噪效果并不是完全隨巖棉的孔隙率的下降而下降，而是在下降一定程度之后有明顯的回升，可估計當(dāng)巖棉的孔隙率為0.7左右時，該復(fù)合材料的吸聲效果最好，且材料整體隨孔隙率變化的降噪維持在0.5dB以內(nèi)，差異不大。

圖3 不同孔隙率下巖棉的吸聲效果

圖4 不同孔隙率下復(fù)合材料的吸聲效果

由圖3和圖4可知：若單純敷設(shè)多孔吸聲材料，其吸聲效果在一定程度上依賴于工藝，即提高孔隙率，實際的工藝只能使孔隙率盡量接近99.9%，以達到更好的降噪效果；若使用復(fù)合材料，則可選擇孔隙率合適的材料，而不是僅要求提高工藝技術(shù)。

比較孔隙率為0.95和0.80的聲壓級數(shù)據(jù)，結(jié)果見表3。由表3可知：孔隙率為0.80的材料對低頻噪聲的吸收比不上孔隙率為0.95的材料；在中高頻部分，二者相差較小，但孔隙率為0.80時吸聲效果仍占優(yōu)。因此，若作用在船舶等以中高頻噪聲為主的場所，應(yīng)選擇孔隙率恰當(dāng)?shù)牟牧稀?/p>

表3 不同孔隙率下的艙室聲壓級數(shù)值比較

2.2 材料厚度

在相同情況下，單巖棉層吸聲材料的吸聲效果隨其厚度的增加而加強，具體數(shù)值分析結(jié)果見圖5。對復(fù)合材料進行研究，在其余材料厚度不變的情況下，分別設(shè)巖棉厚度為10mm、20mm、30mm、40mm和50mm，所得結(jié)果見圖6。在第2.1節(jié)的基礎(chǔ)上選擇孔隙率為0.7的巖棉材料，在其他條件不變的情況下，該材料隨巖棉厚度的變化趨勢與圖5類似，即隨厚度的增加，艙室噪聲降低。

圖5 不同巖棉厚度下巖棉的吸聲效果

圖6 不同巖棉厚度下復(fù)合材料的吸聲效果

由上述分析可知，在敷設(shè)此種復(fù)合材料時，當(dāng)巖棉厚度達到40mm左右時，可達到最佳的減噪效果，并不是吸聲層越厚越好，適當(dāng)調(diào)整復(fù)合材料中各種材料的厚度比例可提高減噪效果。纖維材料2的材料屬性與巖棉接近，改變其厚度可得到相似的變化趨勢，也在40mm厚度處出現(xiàn)峰值。

此外，綜合考慮孔隙率和材料厚度有助于有效降低艙室噪聲。表4為不同材料厚度下的艙室聲壓級數(shù)值比較。

表4 不同材料厚度下的艙室聲壓級數(shù)值比較

由此可見，在敷設(shè)吸聲材料時，除了考慮材料本身的吸聲特性以外（例如各種材料的配合厚度），還要結(jié)合船舶的特性，考慮整體敷設(shè)的厚度，使其在有限材料的基礎(chǔ)上達到最佳的吸聲效果。

3 材料敷設(shè)

復(fù)合材料在敷設(shè)時會按順序?qū)訉盈B加，材料敷設(shè)順序、材料分層等同樣影響材料的吸聲效果。下面對材料的敷設(shè)順序和分層數(shù)量進行研究。

表5為材料屬性，選取3種纖維材料進行數(shù)值模擬，研究材料敷設(shè)順序在減噪上的差別，計算模型仍采用圖1所示結(jié)構(gòu)。

表5 材料屬性

將這3種纖維材料組合，2種材料間布置有減振的鋼材（其屬性采用系統(tǒng)默認(rèn)數(shù)值），根據(jù)排列組合得到6種布置情況（見表6）。另設(shè)定3種材料的厚度相同，都為0.05m，將根據(jù)SEA法得到的結(jié)果作為對照組。

表6 不同布置順序下的艙室噪聲值對比 單位：dB

由于對照組的材料厚度相同，比較對照組的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在材料厚度相同的情況下，材料敷設(shè)順序在其中所起的作用不大；對照組的復(fù)合材料厚度和質(zhì)量等都比設(shè)定的試驗組大，體現(xiàn)在試驗組的噪聲值應(yīng)該比對照組大，然而在②①③和③②①的敷設(shè)順序下，試驗組的噪聲值更低；單比較試驗組，選擇合適的材料敷設(shè)順序能使整個艙室的噪聲降低近1.5dB。

圖7為材料的艙室吸聲率對比，比較了復(fù)合材料中敷設(shè)順序為②③①和②①③時整個艙室的吸聲率。從圖7中可明顯看出，②③①的敷設(shè)順序下艙室的吸聲率更大。將僅敷設(shè)材料①和材料③的數(shù)據(jù)作對比數(shù)據(jù)，可發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料對整個艙室的吸聲率的影響主要取決于最外層材料的吸聲特性，復(fù)合材料②③①的吸聲率與①接近，②①③的吸聲率與③基本重合，二者的差異主要體現(xiàn)在低頻區(qū)域。當(dāng)然，復(fù)合材料艙室的噪聲值仍小于單層材料艙室。

圖7 材料的艙室吸聲率對比

綜合以上對比結(jié)果可推測復(fù)合材料的最外層材料在減噪中起主要作用，在敷設(shè)材料時，應(yīng)盡可能地保證最外層材料的吸聲效果，可整體提高該材料的減噪、降噪性能。

此外，在不改變復(fù)合吸聲材料的總厚度和質(zhì)量等參數(shù)的情況下改變材料分層的數(shù)量，研究吸聲變化。根據(jù)上述研究，保持最外層材料的一致性，以圖5中的復(fù)合材料作為參照進行模擬，研究3種復(fù)合材料的降噪效果，結(jié)果見表7。

表7 材料多分層情況下的噪聲值對比

由表7可知，多分層情況下艙室噪聲差異較小，復(fù)合材料在敷設(shè)時對某材料的分段多次敷設(shè)在減噪、降噪方面的影響較小，可不考慮該因素帶來的噪聲差異。

4 結(jié) 語

本文對某特定的復(fù)合材料進行了數(shù)值模擬研究，比較了材料孔隙率、厚度和敷設(shè)順序等因素對該材料吸聲效果的影響，主要得到以下結(jié)論：

1) 針對特定的復(fù)合材料，在確定激勵的情況下改變材料的厚度和孔隙率，可達到較佳的降噪效果；

2) 材料的敷設(shè)順序?qū)ε撌医翟氲挠绊戄^大，主要取決于最外層材料的吸聲效果；

3) 同一材料分段敷設(shè)對艙室減噪基本無影響。