梁炳南，于洪亮,2，蔡延年

（1.大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧 大連116026；2.集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門361021）

船舶機(jī)艙模型振聲環(huán)境預(yù)報與控制

梁炳南1，于洪亮1,2，蔡延年1

（1.大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧 大連116026；2.集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門361021）

以某航海教學(xué)實(shí)習(xí)船機(jī)艙為原型，將此振動—聲輻射耦合系統(tǒng)簡化為箱形多腔結(jié)構(gòu)，建立多腔結(jié)構(gòu)及其單元腔室有限元模型，考慮液艙布置與充液、激勵源處設(shè)置隔振器等情況，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行頻率響應(yīng)分析，運(yùn)用聲學(xué)邊界元法對艙室噪聲進(jìn)行預(yù)報，通過對艙室中心場點(diǎn)聲學(xué)貢獻(xiàn)較大的板件進(jìn)行約束阻尼處理，有效降低艙室噪聲。并進(jìn)行船舶機(jī)艙模型振動—聲輻射實(shí)驗(yàn)。分析表明：研究三艙段船舶機(jī)艙模型振聲性能時，充液及增加充液艙數(shù)，對模型固有頻率影響明顯，通過設(shè)置隔振器能有效降低艙室振聲等級，在非激勵源艙室敷設(shè)約束阻尼材料，也可起到較好降噪作用。

振動與波；船舶機(jī)艙模型；邊界元法；聲輻射；聲學(xué)貢獻(xiàn)度

為了實(shí)現(xiàn)船舶艙室振聲環(huán)境的預(yù)報與控制，針對船舶動力艙室,可以采取安裝隔振器的方法減小動力設(shè)備的振動傳遞;阻尼減振是將機(jī)械振動的能量轉(zhuǎn)變成熱能或其他能量，從而達(dá)到減振的目的，采用阻尼減振理論措施,在艙壁表面敷設(shè)阻尼材料以減小結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)；此外船舶機(jī)艙為滿足動力裝置需要廣泛布置液艙，動力設(shè)備所引起的振動會導(dǎo)致液艙結(jié)構(gòu)和其中的液體產(chǎn)生耦合振動;船舶機(jī)艙是船員工作區(qū)域乃至居住區(qū)域的振動源和噪聲源，尋找有效實(shí)用的預(yù)測分析和控制方法來解決船舶艙室噪聲問題成為重要課題[1－5]。一般認(rèn)為有限元+邊界元方法在研究聲輻射問題有較好的精度,并有較多應(yīng)用[6－10]。以某航海教學(xué)實(shí)習(xí)船機(jī)艙為原型，將此振聲耦合系統(tǒng)簡化為箱形多腔結(jié)構(gòu)，以發(fā)電柴油機(jī)振動為激勵源，考慮液艙布置與充液、動力裝置隔振、艙室敷設(shè)約束阻尼材料，運(yùn)用有限元和聲學(xué)邊界元法對機(jī)艙簡化模型的結(jié)構(gòu)振動和聲輻射特性進(jìn)行了研究。并使用LMS test lab振動噪聲分析系統(tǒng)對數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證。

1 簡化模型及其數(shù)值計(jì)算模型的建立

模型試驗(yàn)的原型為某航海教學(xué)實(shí)習(xí)船機(jī)艙。機(jī)艙分為主機(jī)艙和輔機(jī)艙，主機(jī)及相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)備，機(jī)艙集控室、輪機(jī)儲藏間布置在主機(jī)艙，3臺主柴油發(fā)電機(jī)組布置在輔機(jī)艙內(nèi)，機(jī)組采用隔振器安裝。在主柴油發(fā)電機(jī)組和集控室的中間和兩側(cè)布置各類液艙和艙室。選取主機(jī)艙段和輔機(jī)艙段，并將其向艏部和尾部延伸了半個艙段，建立三個艙段模型，從形狀上，實(shí)際船舶的機(jī)艙不規(guī)則，為了定性說明問題，同時考慮船舶結(jié)構(gòu)對稱性，將目標(biāo)船機(jī)艙成比例簡化為箱形多腔結(jié)構(gòu)，建立簡化模型如下：考慮船舶液艙一般靠近兩舷并由船底結(jié)構(gòu)和舷側(cè)結(jié)構(gòu)（或液艙壁板）組成，模型設(shè)置6個液艙（1—6號），液艙不充液時，可看作局部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，模型設(shè)置了5個聲學(xué)艙室，1號艙室和2號艙室對稱設(shè)置，對1號艙室（類比機(jī)艙集控室）頂板和底板敷設(shè)約束阻尼材料。該模型試驗(yàn)的振動源僅是用激振器模擬發(fā)電機(jī)組設(shè)備，沒有考慮主機(jī)、螺旋槳、波浪的干擾力，模型激勵位置(1.0 m，0.25 m)處對稱安裝隔振器。機(jī)艙模型剖面圖，如圖1、圖2所示。

圖1 機(jī)艙模型水平剖面圖

圖2 機(jī)艙模型橫剖面圖

有限元模型坐標(biāo)系采用笛卡爾坐標(biāo)系，其X軸沿船體縱向指向船艏，Y軸沿船寬方向指向左舷，Z軸沿型深向上，參數(shù)如圖所示。APDL語言編寫材料參數(shù)及實(shí)常數(shù)，板材：ET,1,SHELL181&MP, EX,1,

2e11&MP,PRXY,1,0.3&MP,DENS,1,7 800 &SECTYPE,1,

SHELL&SECDATA,0.004,1,約束阻尼結(jié)構(gòu)：ET,1,

SHELL 181&MP,EX,1,2e11&MP,PRXY,1, 0.3&MP,DENS,

1,7800&MP,EX,2,3.4E 6&MP,PRXY,2,0.49 &MP,DENS,

2,980&SECTYPE,2,SHELL&SECDATA, 0.004,1&SECDATA,0.002,2&SECDATA,0.002, 1,隔振器：ET,3,COMBIN

14&R,3,1.2e5,25&R,4,2.45e5,50&R,5, 5e5,42。模型兩端（H端和S端）和中縱剖面（CL）均需約束，模型的邊界條件詳見表1。液艙設(shè)置方案詳見表2。

表1 有限元模型邊界條件

表2 液艙設(shè)置方案 單位/m

2 結(jié)構(gòu)振動聲輻射數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

液艙設(shè)置采用方案六，激勵源位置對稱設(shè)置隔振器，1號艙室底板和頂板敷設(shè)約束阻尼材料，對結(jié)構(gòu)振動和聲輻射進(jìn)行數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)物模型及測試系統(tǒng)如圖3所示，有限元模型及邊界條件如圖4所示?？紤]局部約束阻尼減振設(shè)計(jì)對整體結(jié)構(gòu)振動阻尼特性的影響，應(yīng)用模態(tài)應(yīng)變能法，進(jìn)行阻尼結(jié)構(gòu)模態(tài)計(jì)算，求得頻變材料的材料損耗因子及復(fù)合材料損耗因子，用于定義數(shù)值計(jì)算文件中的結(jié)構(gòu)阻尼參數(shù)，采用完全法進(jìn)行諧響應(yīng)分析，頻率計(jì)算區(qū)間設(shè)定為50 Hz～1 000 Hz。激勵力幅值5 N。計(jì)算結(jié)果作為聲學(xué)邊界元模型邊界條件輸入，利用Virtual.Lab進(jìn)行聲場計(jì)算。實(shí)驗(yàn)室條件下利用激振器進(jìn)行正弦掃描激勵，聲音信號采用壓電式聲傳感器采集，LMS SCADAS硬件與LMS Test.Lab軟件無縫集成，保證最佳數(shù)據(jù)質(zhì)量和精度。

圖3 實(shí)物模型及測試系統(tǒng)

圖4 有限元模型及邊界條件

通過數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比，如圖5所示，場點(diǎn)1(0.05 m，0.075 m，0.10 m)處兩者聲壓級隨頻率的變化規(guī)律具有一定的相似性，在230 Hz、410 Hz、560 Hz頻率處誤差較大，分別為7.7 dB、7.58 dB、 7.08 dB，其余對應(yīng)各頻率處誤差集中在3 dB～4 dB之間，可以表明本方法預(yù)測該模型振聲環(huán)境有較好的準(zhǔn)確度。從圖5還可以看出，聲壓級頻率響應(yīng)函數(shù)曲線在84 Hz、128 Hz左右出現(xiàn)峰值，模態(tài)分析表明艙室出現(xiàn)結(jié)構(gòu)局部振動（對應(yīng)第6階和第15階），圖6給出了第6階和第15階的場點(diǎn)聲壓級云圖，可以看出由于對1號艙室進(jìn)行局部減振設(shè)計(jì)，1號艙室的聲壓級明顯小于2號艙室。

圖5 場點(diǎn)1聲壓級仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

圖6 場點(diǎn)聲壓級云圖

3 結(jié)構(gòu)聲學(xué)特性分析結(jié)果

3.1 液艙設(shè)置對艙室聲學(xué)特性影響

利用已建立艙段有限元模型，通過調(diào)整充液艙室位置及數(shù)目，考察上述結(jié)構(gòu)改變的聲學(xué)效果。圖7給出了1號艙室中心場點(diǎn)1七種方案的聲壓級頻率響應(yīng)函數(shù)曲線。

七種方案中場點(diǎn)1在低頻振動頻段內(nèi)，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的響應(yīng)主要反映總體振動，艙室都產(chǎn)生了較高聲壓級。液艙充液及設(shè)置對模型固有頻率影響明顯，艙室輻射聲頻曲線向左移，結(jié)構(gòu)固有頻率下降，頻率在50 Hz～1 000 Hz內(nèi)相同階數(shù)內(nèi)充液導(dǎo)致聲壓級下降，七種方案艙室振聲性能隨頻率的變化趨勢均具有一定的相似性，如圖7（b）所示改變充液艙室數(shù)目對聲輻射性能峰值影響較大，從總體上看，增加液艙數(shù)量對于改善艙段振聲性能有利。

圖7 場點(diǎn)1聲壓級頻率響應(yīng)函數(shù)曲線圖

3.2 設(shè)置隔振器對艙室聲學(xué)特性影響

針對目標(biāo)船輔機(jī)艙發(fā)電柴油機(jī)采用隔振器與基座相連的連接方式，利用已建立艙段有限元模型，通過設(shè)置隔振器，考察上述結(jié)構(gòu)改變的聲學(xué)效果。圖8、圖9給出了1號艙室中心場點(diǎn)1（0.5 m，0.075 m，0.1 m）、5號艙室中心場點(diǎn)2（1.25 m，0.25 m，0.125 m）處聲壓級頻率響應(yīng)函數(shù)曲線。

圖8 場點(diǎn)1聲壓級頻率響應(yīng)函數(shù)曲線圖

由模態(tài)理論及波動理論可知，當(dāng)激擾力頻率遠(yuǎn)低于機(jī)艙模型結(jié)構(gòu)的固有頻率或激擾力激發(fā)的模型彎曲波波長遠(yuǎn)大于模型長度時，模型的振動將主要表現(xiàn)為整體運(yùn)動，布置隔振器對各艙室噪聲的影響則相對較小。但由于模型結(jié)構(gòu)是由面板、橫板、局部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)等組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，彎曲波在各結(jié)構(gòu)中的波長差異較大，且隨著激勵頻率不同，不同艙室的振動響應(yīng)也不相同。從場點(diǎn)1和場點(diǎn)2聲壓級頻率響應(yīng)函數(shù)曲線，可以看出激勵頻率較低時，安裝隔振器對不同場點(diǎn)的噪聲影響規(guī)律大致相同；而當(dāng)頻率較高時，規(guī)律差異則相對較大。從艙室噪聲預(yù)報結(jié)果來看，對激勵源位置設(shè)置隔振器可有效降低艙室噪聲水平。

圖9 場點(diǎn)2聲壓級頻率響應(yīng)函數(shù)曲線圖

3.3 敷設(shè)約束阻尼材料對艙室聲學(xué)特性影響

如圖10所示，1號艙室聲學(xué)貢獻(xiàn)圖能夠清晰地表明不同面板在不同頻率下的聲學(xué)貢獻(xiàn)，底板、頂板、左板和右板對設(shè)定的場點(diǎn)的聲壓貢獻(xiàn)較為突出，使用約束阻尼的方法對面板振動進(jìn)行約束控制，阻尼材料為橡膠，約束層為鋼板。選取貢獻(xiàn)較大的艙室頂板和底板，對其施加約束阻尼處理。

圖10 艙室板塊聲學(xué)貢獻(xiàn)量

1號艙室中心場點(diǎn)1（0.5 m，0.075 m，0.1 m）和2號艙室中心場點(diǎn)2（0.5 m，0.425 m，0.1 m）聲壓變化情況如圖11所示，1號艙室敷設(shè)阻尼材料后，聲壓級變小，尤其在200 Hz～600 Hz頻率范圍之內(nèi),對艙室噪聲改善明顯。只在70 Hz～90 Hz頻段和30 Hz、390 Hz～410 Hz頻段附近有幾個點(diǎn)聲壓級要高于場點(diǎn)2，這是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)在該頻段產(chǎn)生共振輻射，形成共振峰值，此外由于阻尼結(jié)構(gòu)在250 Hz這個頻率范圍對振動有較強(qiáng)的抑制作用，場點(diǎn)1聲壓級曲線有一個明顯谷點(diǎn)。通過對艙室板件聲學(xué)貢獻(xiàn)進(jìn)行分析，確定了各板件對于艙室的聲學(xué)貢獻(xiàn)性質(zhì)。找出對應(yīng)場點(diǎn)聲學(xué)貢獻(xiàn)較大的板件，通過對其進(jìn)行約束阻尼處理，噪聲水平的問題得以初步改善。

圖11 場點(diǎn)1與場點(diǎn)2聲壓級頻率響應(yīng)函數(shù)曲線對比圖

4 結(jié)語

本文研究了三艙段機(jī)艙模型振動聲輻射特性。采用FEM/BEM法對結(jié)構(gòu)模型的振動響應(yīng)及艙室振動輻射噪聲進(jìn)行計(jì)算，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，針對本文設(shè)置邊界條件下三艙段簡化模型，得到如下結(jié)論：

(1)通過數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較，證明數(shù)值仿真計(jì)算具有較好的準(zhǔn)確度，在此基礎(chǔ)上將振動模型利用間接邊界元法進(jìn)行進(jìn)一步延伸分析；

(2)液艙對低頻段首階振動基本狀態(tài)變化影響很小，隨著頻率的增高，共振頻率向低頻移動，對艙室聲學(xué)環(huán)境的影響逐漸表現(xiàn)出來，從總體上看，增加液艙數(shù)量對于改善艙段振聲性能有利；

(3)對激勵源位置設(shè)置隔振器顯著降低了激勵源沿基座向船體結(jié)構(gòu)振動能量的傳遞，具有較好的隔振效果；

(4)通過對艙室板件聲學(xué)貢獻(xiàn)進(jìn)行分析，對聲學(xué)貢獻(xiàn)較大的板件敷設(shè)約束阻尼材料，有效降低了艙段振動和聲輻射，改善了艙段的振聲性能。

通過本文研究可指導(dǎo)船舶的聲學(xué)設(shè)計(jì)和噪聲預(yù)報，同時為船舶的振動噪聲治理提供有效的依據(jù)。

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Prediction and Control on Vibro-acoustic Environment of Marine Engine Room Model

LIANG Bing-nan1,YU Hong-liang1,2,CAI Yan-nian1

(1.School of Marine Engineering,Dalian Maritime University,Dalian 116026,Liaoning China; 2.School of Marine Engineering,Jimei University,Xiamen 361021,Fujian China)

∶The engine room of a training ship for navigation teaching was taken as a prototype,and the finite element model of multi-tanks structure and its unit chamber was built when the vibro-acoustic coupling system was simplified.Frequency response analysis was carried out in the consideration of filling liquid,arrangements of the liquid tanks,and locations of excitation source with vibration isolator.The noise of ship cabin was predicted by means of acoustic boundary element method and the noise level was reduced effectively by using constrainted damping treatment on plates of a large amount of acoustic contribution to the center field.And the vibro-acoustic radiation experiment of the marine engine room model was conducted.Analysis indicates that the natural frequency is influenced obviously with different conditions of filling liquid and increasing the number of tanks filled with liquid.Vibration isolator can reduce the vibro-acoustic level.Constraint damping materials laid in the cabin with non-excitation source can also reduce noise effectively.

∶vibration and wave;marine engine room model;boundary element method;sound radiation;acoustic contribution

U661.44；TB532< class="emphasis_bold">文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI編碼：

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.06.024

1006-1355(2014)06-0107-05

2014-05-12

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(3132013337)

梁炳南(1983-)，男，吉林長春人，博士研究生，講師，主要研究方向：船舶減振降噪及艙室聲振環(huán)境預(yù)報。

E-mail∶lbn83@126.com