范明偉，祝玉梅，陳 雯，閆曉豐

(中國船舶研究設(shè)計中心，武漢430064)

船舶典型艙段全頻段空氣噪聲預(yù)報

范明偉，祝玉梅，陳 雯，閆曉豐

(中國船舶研究設(shè)計中心，武漢430064)

針對受聲艙和聲源艙相鄰的典型艙室分布,基于聲振分析軟件VA One,確定頻率范圍,考慮吸隔聲材料和門縫等因素的影響,綜合運(yùn)用統(tǒng)計能量分析法(SEA)、有限元法(FEM)和FE-SEA混合方法對受聲艙的空氣噪聲進(jìn)行全頻段仿真預(yù)報。模型試驗驗證仿真計算,比較受聲艙空氣噪聲的仿真預(yù)報值和測試值,兩者隨頻率變化的趨勢比較一致,說明預(yù)報方法可行。

統(tǒng)計能量分析法;有限元法;混合法;噪聲預(yù)報

船舶上艙室空氣噪聲直接影響到艙室的居住性,相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對船舶的空氣噪聲艙室分類和限值作了詳細(xì)的規(guī)定。因此,在船舶設(shè)計階段需要預(yù)報艙室的噪聲水平,一旦發(fā)現(xiàn)艙室噪聲不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,可在設(shè)計初期對聲學(xué)設(shè)計進(jìn)行調(diào)整,或者改變艙室布局,從而避免在船舶建成之后再行整改。運(yùn)用有限元方法(FEM)進(jìn)行聲學(xué)問題分析,是一種常用的方法。該方法要求單元的尺寸要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于彈性波的波長,對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜且振動頻率較高的情況,由于單元數(shù)量巨大,以至于硬件上無法實現(xiàn)。因此,該方法一般用于計算有限區(qū)域內(nèi)的結(jié)構(gòu)與聲場的耦合問題。統(tǒng)計能量分析法(SEA)的出現(xiàn)有效解決了高頻范圍內(nèi)復(fù)雜結(jié)構(gòu)或聲學(xué)系統(tǒng)的動力學(xué)問題。對于中頻問題,有學(xué)者將計算低頻的FEM與計算高頻的SEA結(jié)合起來,提出了一種有效解決中頻聲振問題的新方法FE-SEA混合方法［1-2］。VA One是一款基于上述三種方法計算全頻段振動噪聲的分析軟件,以該軟件為計算平臺,已有的研究工作或未考慮吸隔聲材料的影響,或在處理中頻段時將中頻段與高頻段合并采用SEA法進(jìn)行分析。

文中運(yùn)用統(tǒng)計能量分析法、有限元法、混合法對船舶典型艙室空氣噪聲在高、低、中頻段內(nèi)進(jìn)行數(shù)值預(yù)報,并且在預(yù)報模型中考慮了吸隔聲材料和門縫的影響,而后通過模型試驗對仿真結(jié)果進(jìn)行了驗證。結(jié)果表明,計算值與實測值吻合地較好。利用該方法通過輸入船舶艙段結(jié)構(gòu)特征、噪聲控制處理措施以及聲源特性,能夠較準(zhǔn)確地預(yù)報艙室空氣噪聲,從而為船舶的減振降噪設(shè)計提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 方法概述

1.1 統(tǒng)計能量分析法

應(yīng)用統(tǒng)計能量分析法分析系統(tǒng)時,要將其劃分為若干個互相耦合的子系統(tǒng),每個子系統(tǒng)一般為同一結(jié)構(gòu)里相同類型模態(tài)的集合。子系統(tǒng)間的功率流平衡方程可描述為［6］

ηi——子系統(tǒng)i在帶寬Δω內(nèi)所有振型的內(nèi)損耗因子;

ηij——把能量從子系統(tǒng)i傳遞到子系統(tǒng)j時的耦合損耗因子;

ni——模態(tài)密度;

若已知各子系統(tǒng)的輸入功率、內(nèi)損耗因子及其間的耦合損耗因子,則由式(1)可得Ei。由于每個結(jié)構(gòu)或聲學(xué)的子系統(tǒng),都具有一個與時間平均和空間平均的振速或與聲壓成比率的穩(wěn)態(tài)能量水平,因而可進(jìn)一步求得艙內(nèi)的各種物理參數(shù),如艙內(nèi)聲壓級,甲板、艙壁的振動速度級等。

1.2 聲學(xué)有限元分析法

用有限單元將傳播介質(zhì)空氣離散,根據(jù)聲學(xué)波動方程求解空氣域中的聲學(xué)特性。在界面處將流體聲壓載荷加入結(jié)構(gòu)有限元方程中可得到完整的流固耦合問題的有限單元法離散方程。

VA One有限元模型中分為FE結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)和FE聲腔子系統(tǒng)。FE結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)用來表達(dá)剛性的或者模態(tài)數(shù)相對較少的結(jié)構(gòu),其振型通過計算獲得后,被用作基函數(shù)來描述有限元結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)的響應(yīng)。通過一系列基函數(shù)使得VA One模型比較高效。

有限元聲腔子系統(tǒng)用來表達(dá)關(guān)心的頻率范圍內(nèi),剛性或者模態(tài)數(shù)相對較少的封閉聲流體。

1.3 混合法

混合法建立在波動理論上,具體為將系統(tǒng)分為確定性子系統(tǒng)和統(tǒng)計性子系統(tǒng),兩者之間采用混合連接。將統(tǒng)計性子系統(tǒng)根據(jù)結(jié)構(gòu)中傳播的波經(jīng)過反射與否分成直接場和混響場,其中激勵產(chǎn)生的波,即入射波,稱為“直接場”;經(jīng)一次反射和多次反射的波的疊加,稱為“混響場”。系統(tǒng)總體響應(yīng)可以看做是確定性子系統(tǒng)與統(tǒng)計性子系統(tǒng)直接場受外部激勵引起響應(yīng)和統(tǒng)計性子系統(tǒng)混響場受混響荷載引起響應(yīng)的疊加。利用FE法求出直接場的響應(yīng),混響場對直接場影響產(chǎn)生的附加力由SEA法求得。根據(jù)有限元計算方法得到的中間臨時結(jié)果,采用混合連接的方法將統(tǒng)計能量子系統(tǒng),有限元子系統(tǒng)等連接起來,實現(xiàn)中頻段振動噪聲問題的求解。

2 船舶典型艙段全頻段噪聲預(yù)報

2.1 子系統(tǒng)及分析頻段劃分

以受聲艙和聲源艙相鄰的典型布置情況為研究對象,艙室尺寸分別為3.6 m×3.5 m×2.3 m (受聲艙)和3.0 m×3.5 m×2.3 m(聲源艙),聲源艙的四壁、天花板及地板均為未經(jīng)聲學(xué)處理的“裸殼”狀態(tài)。受聲艙四壁及天花板敷設(shè)隔聲材料。建立統(tǒng)計能量分析模型見圖1。

圖1 艙段SEA模型

對聲源艙、受聲艙及其鄰近通道進(jìn)行建模。艙壁和甲板采用加筋板子系統(tǒng)模擬,艙室空腔采用聲腔子系統(tǒng)模擬,聲源艙和受聲艙的門采用平板子系統(tǒng)模擬,門縫可在面連接中予以考慮。吸、隔聲措施通過在加筋板子系統(tǒng)表面敷設(shè)噪聲控制處理措施來模擬,共計有3個聲腔子系統(tǒng),19個板子系統(tǒng),1個半無限流域子系統(tǒng))。

VA One軟件計算出SEA模型中各子系統(tǒng)的模態(tài)數(shù)N,見圖2。

圖2 各子系統(tǒng)模態(tài)數(shù)

根據(jù)經(jīng)驗,N≥5為高頻區(qū);2＜N＜5為中頻區(qū);N≤2為低頻區(qū)。從1 000 Hz起,所有子系統(tǒng)在帶寬內(nèi)的模態(tài)數(shù)大于5,屬于高頻范圍;125～800 Hz內(nèi),除了2個表示門的子系統(tǒng)外,各分子系統(tǒng)在帶寬內(nèi)的模態(tài)數(shù)均大于5,20～100 Hz內(nèi),較多的子系統(tǒng)在帶寬內(nèi)的模態(tài)數(shù)小于2。因此在1 000～8 000 Hz選擇SEA法計算;125～800 Hz選擇FE-SEA混合法計算;20～100 Hz選擇有限元法計算。

2.2 高頻段噪聲預(yù)報

在確定SEA參數(shù)時,首先確定子系統(tǒng)的輸入功率。在該典型艙段模型中,聲源位于聲源艙的角隅,測得其聲源特性見圖3。

圖3 聲源特性

加筋板和三維聲腔的模態(tài)密度、各子系統(tǒng)間的耦合損耗因子由VA One根據(jù)幾何屬性計算。

加筋板的內(nèi)損耗因子ηj為［7］

聲腔的內(nèi)損耗因子ηs為［8］

式中:f——計算頻率,Hz;

其中:V——房間容積,m3;

S——房間內(nèi)總表面積,m2;

α′——平均吸聲系數(shù),對于艙室內(nèi)的平均吸聲系數(shù),一般取0.01［9］。

VA One中通過定義噪聲控制處理方案來模擬吸隔聲措施。一種NCT可以用幾個層來建模。板子系統(tǒng)上的NCT措施可以影響:①產(chǎn)生在板子系統(tǒng)與聲腔之間的能量流;②板子系統(tǒng)的質(zhì)量和剛度(或相應(yīng)的阻抗)。建立SEA模型時,板子系統(tǒng)用到的材料及其參數(shù)見表1,通過設(shè)置NCT來模擬艙壁上的隔聲材料,隔聲材料的參數(shù)見表2。隔聲材料建模時采用表3所列的層來建立。

表1 主要材料參數(shù)表

計算得到高頻段受聲艙的1/3倍頻程聲壓級見表4。

表2 隔聲材料參數(shù)表

表3 隔聲材料建模

表4 受聲艙聲壓級仿真計算值與試驗測試值

2.3 低頻段噪聲預(yù)報

分5步建立聲學(xué)FE模型:①由MSC.Patran軟件建立板梁結(jié)構(gòu)的有限元模型(網(wǎng)格尺寸根據(jù)求解頻率的最高值計算得到,這里取為0.1 m),并生成bdf文件;②將bdf文件導(dǎo)入到VA One并根據(jù)導(dǎo)入的臨時有限元模型建立板梁FE子系統(tǒng);③根據(jù)板梁子系統(tǒng)的有限元面(FE Face)建立聲腔SEA子系統(tǒng);④對SEA聲腔子系統(tǒng)劃分網(wǎng)格(網(wǎng)格尺寸根據(jù)求解頻率的最高值計算得到,這里取0.343 m);⑤建立連接。FE模型見圖4、5。

在FE模型中,需要對FE子系統(tǒng)定義不同的曲面區(qū)域,這些曲面可用來施加噪聲控制處理措施,也可以表示FE子系統(tǒng)與鄰近SEA流體或BEM流體(例如SEA聲腔、半無限流域或者散射聲場)耦合的區(qū)域。在VA one中,這些曲面區(qū)域可以由FE面來表示。FE面由一組單元(單連通)來定義。

圖4 聲腔有限元子系統(tǒng)

圖5 結(jié)構(gòu)有限元子系統(tǒng)

低頻段采用FE法進(jìn)行預(yù)報,得到受聲艙噪聲預(yù)報值見表4。

2.4 中頻段噪聲預(yù)報

在125～800 Hz中頻段內(nèi),由于表示兩扇門的SEA子系統(tǒng)模態(tài)數(shù)較低,因此將兩扇門子系統(tǒng)劃分網(wǎng)格,建立兩扇門的FE子系統(tǒng),而后與剩余部分的SEA子系統(tǒng)建立混合連接,FE-SEA模型見圖6。

圖6 混合模型連接圖

注意,表示兩扇門的FE子系統(tǒng)與周邊的SEA板子系統(tǒng)和聲腔子系統(tǒng)建立的是FE-SEA混合連接,圖6中指引線所示為FE-SEA混合連接,未注明的連接表示SEA連接

3 試驗驗證

在聲源艙一角放置一通過測試系統(tǒng)控制的音箱模擬聲源,聲源艙和受聲艙分別放置了傳聲器。

試驗測得受聲艙的1/3倍頻程聲壓級見表4。對比計算結(jié)果與測試結(jié)果發(fā)現(xiàn),受聲艙的總聲級預(yù)報值和測試值之間的誤差為2.5 dB,見圖7。分析認(rèn)為誤差原因為①隔聲材料的處理方式與實際情況存在一定差異;②SEA參數(shù)的取值與實際情況存在一定差異,比如在計算板的內(nèi)損耗因子時忽略了聲輻射因素。更為精確的SEA參數(shù)應(yīng)當(dāng)來自于實驗測量。經(jīng)驗表明:損耗因子10%的誤差,將導(dǎo)致響應(yīng)估計1 dB的誤差;損耗因子100%的誤差將導(dǎo)致響應(yīng)產(chǎn)生約3 dB的誤差［6］。

圖7 受聲艙噪聲預(yù)報值與測試值比較

4 結(jié)論

1)對比數(shù)值仿真預(yù)報結(jié)果和試驗測試結(jié)果,發(fā)現(xiàn)兩種方法得到的規(guī)律是一致的,證明運(yùn)用SEA法、FE法以及FE-SEA法進(jìn)行全頻段艙室空氣噪聲預(yù)報的可行性與準(zhǔn)確性。

2)進(jìn)行全頻段噪聲預(yù)報的首要步驟是劃分頻率范圍,根據(jù)模態(tài)數(shù)N劃分較為可靠。

3)在建立數(shù)值模型時,應(yīng)該對吸隔聲材料、阻尼等減振降噪措施進(jìn)行模擬,并且吸隔聲材料的物理及性能參數(shù)準(zhǔn)確與否對預(yù)報精度有較大影響。同時在數(shù)值模型中還應(yīng)考慮門縫等細(xì)節(jié)。

對典型艙段全頻段空氣噪聲的預(yù)報方法可推廣至整船艙室噪聲預(yù)報。需要注意的是,在運(yùn)用SEA法時,SEA參數(shù)的精度直接關(guān)系到計算結(jié)果的精度,文中采用經(jīng)驗公式或者仿真軟件計算得到SEA參數(shù),更為精確的SEA參數(shù)應(yīng)當(dāng)來自于實驗測量。

［1］SHORTER P J,LANGLEY R S.On the reciprocity relationship between direct field radiation and diffuse reverberant loading［J］.Journal of the Acoustical Society of America,2005,117(1):85-95.

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Full Band Noise Prediction of the Typical Cabins of Ship

FAN M ing-wei,ZHU Yu-mei,CHEN wen,YAN Xiao-feng
(China Ship Development and Design Center,Wuhan 430064,China)

Taking the noise distribution in the typical cabin near the cabin with sound source as the research object,by using synthetically the statistical energy analysis(SEA),finite elementmethod(FEM)and the hybrid FE-SEA method,the full band noise prediction in a ship cabin is implemented in VA One software,considering the influence of sound-absorbingmaterials and the crack between the door and its frame.Amodel test is carried out to verify the numerical simulation.It's found that the error between the test result and the predictive value is small,and the varying tendency of them is similar.

statistical energy analysis;finite elementmethod;hybrid method;noise prediction

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.03.002

U664.1

A

1671-7953(2015)03-0006-05

2015-01-21

修回日期:2015-03-03

范明偉(1985-),男,碩士,助理工程師

研究方向:船舶振動與噪聲控制

E-m ail:ceofan@whut.edu.cn

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