張 娟， 謝建勛

(廣東海洋大學(xué) 工程學(xué)院， 廣東 湛江 524088)

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基于SEA的沿海高速客船聲振預(yù)報與控制

張 娟， 謝建勛

(廣東海洋大學(xué) 工程學(xué)院， 廣東 湛江 524088)

利用聲仿真軟件VA ONE中的統(tǒng)計能量分析(Statistical Energy Analysis, SEA)模塊對某沿海高速客船進(jìn)行全船聲振預(yù)報及隔振降噪分析。通過聲仿真軟件建立全船聲仿真模型，對主機(jī)激勵和螺旋槳激勵下的船舶做初期聲振預(yù)報，各主要艙室噪聲均不符合規(guī)范要求。分析不符要求的艙室噪聲產(chǎn)生原因，并且利用軟件中的噪聲控制模塊對相應(yīng)艙室布置隔聲材料，隔聲效果明顯。軟件分析結(jié)果可作為研究統(tǒng)計能量分析工程人員的參考。

沿海高速客船；聲振預(yù)報；SEA；噪聲控制

0 前言

柴油機(jī)、減速器、水泵、螺旋槳等設(shè)備在工作狀態(tài)下會引起船舶振動，在船舶的各個艙段產(chǎn)生不同程度的輻射噪聲，影響工作人員的工作及身心健康，因此必須對船舶聲振進(jìn)行計算及控制。若船舶完工后再進(jìn)行聲振計算，將耗費(fèi)大量時間和財力，如果能在船舶設(shè)計階段對船舶進(jìn)行聲振預(yù)報，則能提早發(fā)現(xiàn)問題，避免損失。

統(tǒng)計能量分析(Statistical Energy Analysis， SEA)方法是目前船舶系統(tǒng)級艙室噪聲分析的唯一手段。VA ONE是法國ESI集團(tuán)于2005年推出的全頻段振動噪聲分析模擬環(huán)境，它把有限元分析、邊界元分析、統(tǒng)計能量分析及其混合分析集中于一個易于進(jìn)行模擬的環(huán)境中。統(tǒng)計能量分析聲仿真軟件可以在產(chǎn)品設(shè)計制造過程中進(jìn)行輔助分析，可節(jié)省大量時間和費(fèi)用。它克服了有限元軟件在設(shè)計初始階段就需要細(xì)節(jié)資料的缺點(diǎn)，可以在相對粗略的建模基礎(chǔ)上提供精確的噪聲和振動評估，能解決20～20 000 Hz 的寬頻設(shè)計問題，準(zhǔn)確預(yù)測隨機(jī)和離散噪聲混雜的情況。王充等[1]利用VA ONE進(jìn)行過游艇的聲振預(yù)報。

本文利用聲仿真軟件VA ONE中的SEA對某沿海高速客船進(jìn)行全船聲振預(yù)報，針對主要的艙室如機(jī)艙、舵機(jī)艙、駕駛室及客艙進(jìn)行噪聲分析，并對各主要艙室施加隔聲材料進(jìn)行噪聲控制(Noise Control Treatment, NCT)，計算結(jié)果表明控制效果較好。

1 子系統(tǒng)間的功率流平衡方程

SEA方法將復(fù)雜結(jié)構(gòu)劃分為若干耦合的子系統(tǒng)，建立了子系統(tǒng)間功率流的平衡方程[2]。功率流平衡方程為

2 SEA建模

2.1 船舶資料介紹

本文的建模對象是某沿海高速客船(見圖1)。該船主機(jī)采用一臺CumminsKTA19-M船用發(fā)動機(jī)，額定功率為351 kW，額定轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，質(zhì)量為1 838 kg。在確保安全的情況下，盡量控制船舶重量，甲板以下船體部分采用鋼材建造，甲板以上的上層建筑采用鋁合金建造。主尺度如表1所示。

表1 主尺度 m

圖1 客船側(cè)視圖

在船體結(jié)構(gòu)的布置方面，主船體在 FR1，F(xiàn)R18，F(xiàn)R52 和 FR61處設(shè)置橫艙壁。全船共劃分為12個艙室，從首到尾依次是：艏尖艙、駕駛室、貨艙、一號空艙、客艙、二號空艙、一號燃油艙、二號燃油艙、隔離空艙、淡水艙、機(jī)艙、舵機(jī)艙。

2.2 建模說明

在建模之前，因統(tǒng)計能量分析的需要，必須提前考慮將結(jié)構(gòu)分成若干個子系統(tǒng)。由于船舶的外板一般都安裝縱骨、肋板和縱桁等結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，因此模型中的實(shí)際結(jié)構(gòu)按照加筋板來考慮。本文建立兩類模型：(1) 考慮NCT；(2) 不考慮NCT。通過對兩類模型預(yù)測的結(jié)果進(jìn)行對比，考察阻尼處理的效果。

船舶的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，一般將其分為4種子系統(tǒng)，分別為：梁、板、 聲腔和半無限流體。船體板用加筋板進(jìn)行模擬，各類艙室用聲腔模擬，向外輻射的能量用半無限流場來模擬，其中流場中的流體有海水和空氣。

統(tǒng)計能量分析對于模型的邊界要求不高，模型的邊界條件對預(yù)報的結(jié)果影響很小。因此，可對船舶進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?/p>

(1) 不考慮船上的開孔，如門窗。

(2) 上層建筑以近似的長方體代替。

(3) 船體外板上的加強(qiáng)筋以加筋板代替，不再對骨材建模，僅對基座進(jìn)行建模。

(4) 船體的外板本來是雙向的曲面，本次建模中以較小的單向曲面板代替，以減小誤差。另外，板厚度(即物理屬性)按照規(guī)范要求選取。

全船模型(見圖2)包括：524個節(jié)點(diǎn)，333個板子系統(tǒng)，12個聲腔子系統(tǒng)，5個半無限流場。這些子系統(tǒng)之間共建立1 159個連接。

圖2 SEA模型

SEA模型主要考慮了船舶的兩大激勵源：主機(jī)和螺旋槳。圖3和圖4分別為主機(jī)和螺旋槳振動加速度級頻譜。

圖3 主機(jī)激勵振動加速度級

圖4 螺旋槳激勵振動加速度級

以上2個振動加速度級均由經(jīng)驗(yàn)公式得出， 其中主機(jī)的振動加速度級是由尼基福羅夫(俄)[3]給出的某些國外柴油機(jī)基座處的振動加速度級估算公式計算的：

式中:Lam為主機(jī)振動加速度級；ME為發(fā)動機(jī)質(zhì)量，kg;NH為發(fā)動機(jī)額定轉(zhuǎn)速，r/min；NW為發(fā)動機(jī)工作轉(zhuǎn)速，r/min；PH為額定功率，kW。

螺旋槳的振動加速度級是由李丹[4]提出的估算公式計算的：

La=10+10×log(M·Np)+40×logD+

式中:M為螺旋槳數(shù)目；Np為槳葉數(shù)；D為槳的直徑,m;n為螺旋槳轉(zhuǎn)速。

3 模型分析

3.1 頻段選擇

統(tǒng)計能量分析一般適用于解決高頻區(qū)的復(fù)雜系統(tǒng)動力學(xué)問題。根據(jù)模型中的子系統(tǒng)在單位帶寬Δf內(nèi)的模態(tài)數(shù)N可將頻率范圍劃分為低頻區(qū)、中頻區(qū)、高頻區(qū)[5]。

計算后發(fā)現(xiàn)，對于各聲腔子系統(tǒng)，在200Hz以上的模態(tài)數(shù)均滿足高頻要求，隨著頻率的增加而增加；對于加筋板子系統(tǒng)，在200～1 000Hz，模態(tài)數(shù)存在著波動，但大部分子系統(tǒng)都能滿足高頻模態(tài)的要求，頻率超過1 000Hz后，都能滿足高頻模態(tài)數(shù)的要求，也就是說，整個系統(tǒng)在200Hz以上時基本處于高頻區(qū)。除個別較小板外，總體上加筋板的模態(tài)數(shù)依然是隨頻率增加而增加的。各聲腔子系統(tǒng)在2 000Hz以上時，已經(jīng)明顯超過共振頻率，因此決定選取200～8 000Hz作為分析頻域。各子系統(tǒng)中，聲腔的模態(tài)數(shù)最多，因而其貯存的能量最多，聲壓級也越大。

3.2 計算結(jié)果

經(jīng)過計算,機(jī)艙、舵機(jī)艙、駕駛室及客艙的聲壓級計算結(jié)果如表2所示。

由表2可知，在200～2 000Hz：客艙的最大聲壓級為88dB，均值84.5dB；駕駛艙的最大聲壓級為77.1dB，均值73.9dB；機(jī)艙的最大聲壓級為100dB，均值96dB；舵機(jī)艙的最大聲壓級為95.4dB，均值93dB。這些數(shù)值均不能滿足規(guī)范要求，需采取必要的措施來減小聲壓級。

表2 各艙聲壓級

4 噪聲控制

4.1 振動功率流傳播規(guī)律

計算發(fā)現(xiàn)，輸入功率最大的3個子系統(tǒng)分別是淡水艙與客艙之間的甲板、機(jī)艙前端(FR18) 處的橫艙壁及機(jī)艙處甲板。因此，主要針對這3個子系統(tǒng)進(jìn)行阻尼處理。

駕駛室輸入功率最大的是駕駛室與客艙之間的艙壁。出現(xiàn)這種情況的可能性是振動能量在縱向傳播時，由于船體存在許多肋板，使得能量沿縱向傳遞要比沿艙壁垂直向上傳遞消耗更多。

圖5 顯示的是在1 000 Hz 時，板子系統(tǒng)之間的能量流動圖，箭頭越大代表流過連接的能量值越大。

圖5 能量流動圖

在基座處的板子系統(tǒng)之間能量流動值最大。在機(jī)艙段，能量流動主要在基座縱桁兩側(cè)沿著舷側(cè)垂直向上。另外，兩基座縱桁的能量非常小，說明強(qiáng)力構(gòu)件對振動傳播的影響很大。

在機(jī)艙前端(FR18)橫艙壁處，沿著內(nèi)底板流動的能量要大于沿著艙壁向上流動的能量，橫艙壁的加筋要大于內(nèi)底板，這進(jìn)一步說明振動能量沿著較小剛度構(gòu)件傳遞時會更容易一些。因此，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的剛度對于減小振動能量的傳遞應(yīng)該是非常有效的。

從FR15 處傳到FR18 處的能量值與舷側(cè)之間的能量值相近，說明能量縱向傳遞衰減值要大于沿著舷側(cè)垂直向上的衰減值，這也說明了肋板之間的振動能量損耗較大。

從以上分析可以得出如下規(guī)律：一部分振動能量在基座縱桁處，沿舷側(cè)向上傳遞到甲板和上層建筑；另一部分振動能量則沿著船底傳遞到FR18處的橫艙壁，在橫艙壁處能量又分開2部分，大部分沿著艙壁向上，傳遞到客艙甲板后，其中的一部分又沿著客艙甲板傳遞。從以上現(xiàn)象可以看出，構(gòu)件越多，剛度越大，能量的損耗也越大，換句話說，能量流動偏向于剛度較小的板子系統(tǒng)。

4.2 噪聲處理(NCT)

SEA 中可以自定義NCT。SEA 中計算阻尼控制處理措施效果是不是從聲腔傳遞到板時，可在AcousticCavity對話框中勾選Absorption From Noise Control Treatment。若是能從板傳遞到聲腔，在Flat Plate對話框中勾選Damping From Noise Control Treatment。這樣能確保阻尼控制處理的效果被計算出來[6]。

對各個部位的阻尼控制處理材料如表3所示。

表3 各部位噪聲處理材料

4.3 噪聲控制結(jié)果

加入NCT處理之后，各艙室的聲壓級如圖6和圖7所示。從圖6中可以看出：在200～2 000 Hz，客艙的聲壓級均值為64.6 dB，駕駛室的聲壓級均值為55 dB；客艙在300 Hz以下時，還不能滿足要求。駕駛室僅在一個頻率范圍內(nèi)不滿足要求，基本可認(rèn)定為滿足要求，這是由于之前已提過，沒有考慮過駕駛室內(nèi)的裝飾對聲學(xué)傳播特性的影響。另外，就目前的情況而言，由于沒有詳盡考慮各種情況，也沒有實(shí)測數(shù)據(jù)，因此，即使再次進(jìn)行處理也沒有很大的使用價值。

圖6 客艙和駕駛艙加NCT前后艙室聲壓級比較

圖7 機(jī)艙和舵機(jī)艙加 NCT 前后艙室聲壓級對比

從圖7中可看出一個比較明顯的現(xiàn)象，在300 Hz以后，隨著頻率的增加艙室的聲壓級迅速減小，說明之前所施加的阻尼控制處理措施在300 Hz以后效果明顯。這也符合一般材料內(nèi)損耗因子和吸聲系數(shù)隨頻率升高而升高的規(guī)律，且低頻噪聲遞減速度慢，聲波長，易穿透障礙物。

5 結(jié)論

通過上述的計算分析可以得出以下結(jié)論：

(1) 本文通過分析SEA中能量流分布規(guī)律判斷需要添加阻尼材料的部位，計算證明判斷準(zhǔn)確，噪聲控制效果明顯，添加阻尼材料后，在200～1 000 Hz時，艙室噪聲差值平均為10～15 dB；在1 000～8 000 Hz時，艙室的噪聲差值平均為20～30 dB。

(2) 對艙室添加NCT后可以有效降低艙室噪聲，但是如何達(dá)到最佳的控制效果還需要進(jìn)行進(jìn)一步的理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。

[1] 王充，劉月琴，陳超核.100 ft 豪華游艇典型艙室噪聲預(yù)報與控制[J].船海工程，2016，45(1):26-31.

[2] 施引，朱石堅，何琳. 船舶動力機(jī)械噪聲及其控制[M].北京：國防工業(yè)出版社，1990.

[3] (俄)阿·斯·尼基福羅夫.船體結(jié)構(gòu)聲學(xué)設(shè)計[M].謝信，王軻，譯.北京:國防工業(yè)出版社,1998.

[4] 李丹.船舶艙室噪聲預(yù)示的統(tǒng)計能量分析研究[D].大連:大連理工大學(xué),2003.

[5] 汪濤.統(tǒng)計能量分析原理及其應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社,2006.

[6] 國際海事組織.船上噪聲等級規(guī)則[S].2012.

Vibro-Acoustic Prediction and Noise Reduction in CoastalHigh-Speed Passenger Ship Based on SEA

ZHANG Juan， XIE Jianxun

(Department of Engineering, Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524088， Guangdong， China)

The Statistical Energy Analysis(SEA) of VA ONE software is used to analyze the vibro-acoustic prediction and noise reduction of the coastal high-speed passenger ship. The overall 3D simulation model of the ship which is excited by main engine excitation and propeller excitation is built and calculated by AUTOSEA2. According to the calculation results, necessary Noise Control Treatment (NCT) such as Melamine foam and so on is added to some structure subsystems like passenger cabin, engine room, cockpit and rudder engine room where the value of input power is bigger, and it is found that NCT is effective to reduce noise.

coastal high-speed passenger ship；vibro-acoustic prediction； SEA； Noise Control Treatment(NCT)

廣東省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃(編號：201410566083)，廣東省“創(chuàng)新強(qiáng)校工程”青年人才項目(編號：2015KQNCX053，GDOU2015050240)

張 娟(1984-)，女，講師，研究方向?yàn)楣こ探Y(jié)構(gòu)物靜動態(tài)分析

1000-3878(2017)03-0088-05

U661

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