鄭律，朱銳

（南通市地方海事局船檢科，江蘇南通 226000）

聲學(xué)建模和阻尼損失系數(shù)對艙室噪聲影響的研究

鄭律，朱銳

（南通市地方海事局船檢科，江蘇南通 226000）

文章基于統(tǒng)計(jì)能量法（SEA）開展了聲學(xué)覆蓋層敷設(shè)位置對艙室噪聲的影響研究，探討了不同損耗因子對艙室噪聲的影響，計(jì)算對比表明阻尼損失系數(shù)發(fā)生改變時(shí)，聲學(xué)覆蓋層的抑振降噪效果亦將發(fā)生改變。

統(tǒng)計(jì)能量法；聲學(xué)覆蓋層；艙室噪聲；阻尼損失系數(shù)；抑振降噪

0 引言

根據(jù)船舶聲學(xué)設(shè)計(jì)基本原則，為了降低船體的艙室噪聲，在船體設(shè)計(jì)之初就要考慮船體的艙室布置形式，同時(shí)也要考慮阻尼層的敷設(shè)方式。[1，2]船舶聲學(xué)預(yù)報(bào)的仿真方法主要有有限元分析法和統(tǒng)計(jì)能量法等兩種，其中有限元法更適用于低頻工況下的振動(dòng)噪聲的分析，而統(tǒng)計(jì)能量法多用于高頻激勵(lì)情況下的船體振動(dòng)與噪聲的計(jì)算分析。[3]

統(tǒng)計(jì)能量法（SEA）方法是一種適用于較寬頻率范圍的隨機(jī)噪聲的統(tǒng)計(jì)方法，從統(tǒng)計(jì)觀點(diǎn)抽取被研究對象，以“能量”作為獨(dú)立的動(dòng)力學(xué)變量，使用能量—功率流平衡方程研究各個(gè)子結(jié)構(gòu)之間的傳遞關(guān)系。SEA法在結(jié)構(gòu)中高頻聲振環(huán)境預(yù)報(bào)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，特別是進(jìn)入20世紀(jì)80年代以后，SEA法開始在理論和工程應(yīng)用上有了新的進(jìn)展，如非保守耦合、強(qiáng)耦合、激勵(lì)相關(guān)性、試驗(yàn)SEA以及有限元和SEA相結(jié)合等，大幅提高了SEA計(jì)算精度。統(tǒng)計(jì)能量分析的基本原理是將復(fù)雜結(jié)構(gòu)劃分成若干子系統(tǒng)，當(dāng)某個(gè)或者某些子系統(tǒng)受到激勵(lì)載荷振動(dòng)時(shí)，子系統(tǒng)間將通過邊界進(jìn)行能量交換；這樣對每個(gè)子系統(tǒng)都能列出一個(gè)能量平衡方程，并最終得到一個(gè)高階線性方程組，求解此方程組可得到各子系統(tǒng)的能量，進(jìn)而由子系統(tǒng)能量得到各個(gè)子系統(tǒng)的振動(dòng)參數(shù)，如位移、速度、加速度、聲壓等。由于聲學(xué)覆蓋層的有效作用頻帶多集中于中高頻段，為此，本文借助統(tǒng)計(jì)能量法開展了聲學(xué)覆蓋層對復(fù)雜錐柱結(jié)構(gòu)水下聲學(xué)特性的影響研究。

1 艙室結(jié)構(gòu)的簡化計(jì)算模型

1.1 計(jì)算模型簡介

本文對典型艙室敷設(shè)0.006m厚的纖維阻尼材料進(jìn)行分析，將敷設(shè)阻尼材料的鋼板分別置于激勵(lì)源艙室和非激勵(lì)源艙室，分別測量激勵(lì)源艙室和非激勵(lì)源艙室聲壓級響應(yīng)。計(jì)算模型由聲學(xué)覆蓋層材料及艙室艙壁兩部分組成。聲學(xué)覆蓋層多為粘彈性材料，并由吸聲層、隔聲層及阻尼層三部分結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示。

圖1 聲學(xué)覆蓋層結(jié)構(gòu)示意圖

利用基于統(tǒng)計(jì)能量法分析原理軟件進(jìn)行三維聲學(xué)建模，采用粘彈性阻尼材料以及板、殼和空氣聲腔等統(tǒng)計(jì)能量分析子系統(tǒng)來模擬船舶結(jié)構(gòu)，本文給定結(jié)構(gòu)噪聲激勵(lì)，數(shù)值模擬模型如圖2所示。

圖2 數(shù)值模擬模型

1.2 工況及載荷設(shè)置

考慮到聲學(xué)覆蓋層敷設(shè)方式的不同及實(shí)際結(jié)構(gòu)的阻尼差異，本文通過改變聲學(xué)覆蓋層部位（分激勵(lì)源艙室敷設(shè)、非激勵(lì)源艙室敷設(shè)）及阻尼損失系數(shù)（分阻尼系數(shù)η=0.1%、η=0.5%、η=1%）等方式，開展了聲學(xué)覆蓋層和阻尼損耗因子對艙室噪聲聲壓級的影響研究，其工況設(shè)置如表1所示。

表1 計(jì)算工況表

由于只有子系統(tǒng)的模態(tài)密度或帶寬△f內(nèi)振型數(shù)N=n（f）△f足夠大時(shí)（如N＞2），統(tǒng)計(jì)能量分析才具有足夠的精度。對本計(jì)算模型進(jìn)行模態(tài)數(shù)分析可知，復(fù)雜錐柱結(jié)構(gòu)的有效計(jì)算頻率為f＞200Hz。由此確定模型的分析頻帶為200Hz-8 000Hz。

2 聲學(xué)覆蓋層對艙室噪聲的影響研究

船體結(jié)構(gòu)在激擾力作用下將產(chǎn)生振動(dòng)，并向艙室輻射噪聲。當(dāng)艙室結(jié)構(gòu)表面敷設(shè)聲學(xué)覆蓋層材料時(shí)，由于聲學(xué)覆蓋層材料的阻尼及吸隔聲性能，船體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)及艙室聲輻射性能也將發(fā)生改變。為便于討論，下面依次討論聲學(xué)覆蓋層敷設(shè)位置的變化及阻尼系數(shù)改變對艙室噪聲聲壓級的影響。

2.1 不同敷設(shè)方式下艙室結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性分析

聲學(xué)覆蓋層敷設(shè)位置改變時(shí)，艙室結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性也會(huì)發(fā)生改變。圖3給出了艙室結(jié)構(gòu)阻尼損失系數(shù)η=1%，頻率分別為200 Hz、800 Hz、3 150 Hz、8 000 Hz時(shí)，裸板船舶工況下的艙室結(jié)構(gòu)振動(dòng)速度級的分布。其它工況下艙室結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)分布情況與之相似。

從圖3可以看出，振動(dòng)響應(yīng)主要集中在激勵(lì)源艙室，而剩下兩個(gè)非激勵(lì)源艙室相對于激勵(lì)源艙室來說位置相同，所以其振動(dòng)響應(yīng)相同。

圖3 裸板船舶情況下艙室結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)分布

2.2 聲學(xué)覆蓋層敷設(shè)位置對艙室噪聲影響的分析

為研究聲學(xué)覆蓋層敷設(shè)位置對艙室噪聲的影響，分別對激勵(lì)源艙室和非激勵(lì)源艙室敷設(shè)阻尼材料，分別對激勵(lì)源所在艙室和非激勵(lì)源所在艙室進(jìn)行噪聲預(yù)報(bào)，形成了5種工況，分別是裸板船舶、激勵(lì)源艙室上下甲板和整個(gè)圍壁敷設(shè)聲學(xué)覆蓋層、激勵(lì)源艙室下甲板和整個(gè)圍壁敷設(shè)聲學(xué)覆蓋層、非激勵(lì)源艙室上下甲板和整個(gè)圍壁敷設(shè)聲學(xué)覆蓋層、非激勵(lì)源艙室下甲板和整個(gè)圍壁敷設(shè)聲學(xué)覆蓋層?？紤]在η=1%的阻尼損失系數(shù)的情況下，這5種工況下激勵(lì)源艙室的艙室噪聲情況如圖4所示。可以發(fā)現(xiàn)，激勵(lì)源艙室在計(jì)算頻域內(nèi)聲壓值不發(fā)生變化。盡管此艙室是一個(gè)混響空間，然而整個(gè)艙室聲腔子系統(tǒng)作為一個(gè)統(tǒng)計(jì)能量分析子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值分析，噪聲響應(yīng)基本上是直達(dá)聲，其對阻尼層邊界條件并不敏感。

圖4 激勵(lì)源艙室聲壓

改變激勵(lì)源艙室聲學(xué)覆蓋層（即裸板船舶、激勵(lì)源艙室上下甲板和整個(gè)圍壁敷設(shè)聲學(xué)覆蓋層、激勵(lì)源艙室下甲板和整個(gè)圍壁敷設(shè)聲學(xué)覆蓋層）的情況下，考察非激勵(lì)源艙室1和非激勵(lì)源艙室2的艙室噪聲情況分別如圖5和圖6所示?？梢钥闯觯诩?lì)源所在艙室區(qū)域敷設(shè)聲學(xué)覆蓋層，對于非激勵(lì)源艙室有明顯的降低，而且高頻區(qū)域比低頻區(qū)域更加明顯，因而對船舶敷設(shè)聲學(xué)覆蓋層，耗散了結(jié)構(gòu)振動(dòng)能量，相當(dāng)于增大了船舶結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)阻尼。

圖5 非激勵(lì)源艙室1的艙室噪聲情況

圖6 非激勵(lì)源艙室2的艙室噪聲情況

同時(shí)改變非激勵(lì)源艙室聲學(xué)覆蓋層敷設(shè)情況的非激勵(lì)源艙室的艙室噪聲預(yù)報(bào)情況如圖7所示。對于非激勵(lì)源艙室敷設(shè)阻尼材料，明顯能夠達(dá)到很好的降噪效果，而且高頻區(qū)域更加地明顯，阻尼材料耗散了結(jié)構(gòu)振動(dòng)能量。由于在激勵(lì)源艙室和非激勵(lì)源艙室敷設(shè)聲學(xué)覆蓋層對激勵(lì)源艙室的聲壓影響不大，而在非激勵(lì)源艙室敷設(shè)聲學(xué)覆蓋層能夠更好地降低非激勵(lì)源艙室的艙室噪聲，能夠達(dá)到降噪的目的。

圖7 非激勵(lì)源艙室1的艙室噪聲情況

2.3 聲學(xué)覆蓋層阻尼損失系數(shù)對艙室噪聲的影響分析

由于阻尼損失系數(shù)對每個(gè)艙室的噪聲影響趨勢幾乎一樣，選擇非激勵(lì)源艙室1作為考察艙室，分別取覆蓋層阻尼損失系數(shù)為η=0.1%、η=0.5%、η=1%等情況下進(jìn)行分析，共分為四個(gè)工況進(jìn)行研究，其中工況1為激勵(lì)源艙室上下甲板和整個(gè)圍壁敷設(shè)聲學(xué)覆蓋層；工況2為激勵(lì)源艙室下甲板和整個(gè)圍壁敷設(shè)聲學(xué)覆蓋層；工況3為非激勵(lì)源艙室上下甲板和整個(gè)圍壁敷設(shè)聲學(xué)覆蓋層；工況4為非激勵(lì)源艙室下甲板和整個(gè)圍壁敷設(shè)聲學(xué)覆蓋層。以工況1為例，聲學(xué)覆蓋層阻尼損失系數(shù)對艙室噪聲影響如圖8所示。

圖8 工況1艙室噪聲影響

由圖8可以看出，隨著阻尼損失系數(shù)的增大，艙室噪聲是逐漸降低的。因?yàn)樽枘釗p失系數(shù)增加相當(dāng)于耗散了結(jié)構(gòu)振動(dòng)能量，增加了艙室結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)阻尼。在頻率為3 000Hz左右時(shí)，艙室噪聲明顯增大，這是因?yàn)樵诠舱駞^(qū)域，阻尼影響起主要作用，因此3 000Hz聲壓顯著增加是由于共振引起的。

3 結(jié)束語

利用統(tǒng)計(jì)能量分析方法，對艙室聲學(xué)數(shù)值模擬模型進(jìn)行計(jì)算分析，得到如下結(jié)論。第一，在激勵(lì)源所在艙室敷設(shè)聲學(xué)覆蓋層，不會(huì)明顯降低此艙室噪聲，其對阻尼邊界條件不敏感；對非激勵(lì)源艙室噪聲響應(yīng)，有降噪作用。第二，在非激勵(lì)源艙室敷設(shè)聲學(xué)覆蓋層，對非激勵(lì)源艙室能起到降噪作用；并且非激勵(lì)源艙室敷設(shè)聲學(xué)覆蓋層對非激勵(lì)源艙室的降噪作用比在激勵(lì)源所在艙室敷設(shè)聲學(xué)覆蓋層效果更好。第三，阻尼損失系數(shù)發(fā)生改變時(shí)，聲學(xué)覆蓋層的抑振降噪效果亦將發(fā)生改變：聲學(xué)覆蓋層的抑振降噪效果隨阻尼損失系數(shù)的增大有所降低；同時(shí)，隨著阻尼損失系數(shù)的增大，可以有效地降低船舶艙室聲壓響應(yīng)。所以，對于非激勵(lì)源艙室，敷設(shè)高阻尼的聲學(xué)覆蓋層能起到很好的降噪效果。

[1]于大鵬,趙德有.船舶上層建筑布置型式對噪聲影響分析[J].造船技術(shù)，2004(5):14-18.

[2]朱英富,張國良.艦船隱身技術(shù)[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,2005.

[3]姚德源,王其政.統(tǒng)計(jì)能量分析原理及其應(yīng)用[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,1995.

Study on the Influence of the Acoustic Modeling and Damping Coefficients on Cabin Noise

ZHENG LV,ZHU Rui
(Dept.of Ship Inspection,Nantong Local Maritime Bureau,Nantong 226000,China)

In combination with SEA,this article,based on an analysis of the influence of the laying position of the acoustic layer on cabin noise,studies the influence of different dissipation factors on cabin noise,the results of which indicate that the changes of the damping coefficients have a great effect on the vibration damping and noise reduction of the acoustic layer.

SEA;Acoustic layer;Cabin noise;Dissipation factor;Vibration damping and noise reduction

U663.8

A

1671-9891（2014）03-0047-05

10.3969/j.issn.1671—9891.2014.03.013

2014-04-15

鄭律（1988—），男，湖北宜昌人，南通市地方海事局船檢科助理工程師。