萬忠,王佳穎,范志毅

(1.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240；2.滬東中華造船(集團(tuán))有限公司，上海 200129)

?

集滾船上建艙室噪聲預(yù)報(bào)及聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)

萬忠1,2,王佳穎2,范志毅2

(1.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240；2.滬東中華造船(集團(tuán))有限公司，上海 200129)

以某集裝箱滾裝船為研究對(duì)象，對(duì)多源激勵(lì)下上層建筑內(nèi)典型艙室噪聲進(jìn)行預(yù)報(bào)，分析不同類型的噪聲成分對(duì)上建艙室的影響。結(jié)果表明，機(jī)艙區(qū)域的機(jī)械設(shè)備對(duì)上建艙室的噪聲水平影響較小，而上建區(qū)域的機(jī)械設(shè)備和空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)于上建艙室的噪聲水平起主要決定作用。通過分析超標(biāo)艙室的主導(dǎo)噪聲源成分和傳遞路徑，提出對(duì)應(yīng)聲學(xué)優(yōu)化方案，保證艙室噪聲滿足技術(shù)規(guī)范要求。

集滾船；噪聲預(yù)報(bào)；統(tǒng)計(jì)能量法；能量法；降噪設(shè)計(jì)

現(xiàn)代船舶的設(shè)計(jì)與建造在追求更高安全性和經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)還格外注重舒適性的提升，艙室噪聲作為評(píng)判船舶舒適性的一個(gè)重要指標(biāo)越來越得到重視。在設(shè)計(jì)階段開展噪聲預(yù)報(bào)分析，并采取對(duì)應(yīng)降噪措施，可以提前消除噪聲超標(biāo)隱患，提升設(shè)計(jì)和建造質(zhì)量[1]。

船舶噪聲預(yù)報(bào)是一個(gè)復(fù)雜的工程聲學(xué)問題，艙室數(shù)量眾多，設(shè)備種類繁多，在預(yù)報(bào)時(shí)需要考慮不同噪聲成分對(duì)目標(biāo)艙室的影響。此外，部分船舶在總體設(shè)計(jì)時(shí)傾向于將上層建筑遠(yuǎn)離機(jī)艙布置，對(duì)于此類船舶，除了需要注意機(jī)械噪聲通過空氣輻射和結(jié)構(gòu)傳遞對(duì)上建艙室的影響之外，空調(diào)通風(fēng)管路噪聲對(duì)于上建艙室的影響也比較突出，對(duì)于此類將上層建筑布置于船體中部的船舶，噪聲預(yù)報(bào)相關(guān)研究工作較少報(bào)道。

關(guān)于船舶機(jī)械噪聲的分析方法主要包括：有限元法、邊界元法和統(tǒng)計(jì)能量法(SEA)等[2]。其中統(tǒng)計(jì)能量法具有模型簡(jiǎn)單、計(jì)算量小、適應(yīng)頻帶寬的特點(diǎn)，比較適合寬頻、高模態(tài)密度的復(fù)雜系統(tǒng)的耦合動(dòng)力學(xué)問題分析[3]，在船舶及海工產(chǎn)品的噪聲預(yù)報(bào)分析中應(yīng)用比較廣泛[4-5]。關(guān)于空調(diào)通風(fēng)管路噪聲的預(yù)報(bào)分析，目前也有相關(guān)學(xué)者總結(jié)了基于理論計(jì)算和試驗(yàn)的能量法，并在具體工程項(xiàng)目中應(yīng)用[6-7]。

本文以滬東中華造船(集團(tuán))有限公司自主研發(fā)的載重量45 000 t集裝箱滾裝船為研究對(duì)象，進(jìn)行噪聲預(yù)報(bào)分析，分別基于統(tǒng)計(jì)能量法、能量法分析機(jī)械噪聲與上建空調(diào)通風(fēng)管路噪聲，分析不同類型的噪聲成分對(duì)上層建筑典型艙室的貢獻(xiàn)，最終針對(duì)噪聲超標(biāo)艙室提出相應(yīng)的聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

1 艙室機(jī)械噪聲分析

1.1 統(tǒng)計(jì)能量法原理

統(tǒng)計(jì)能量法以統(tǒng)計(jì)物理學(xué)原理為理論基礎(chǔ)，其基本出發(fā)點(diǎn)是將一個(gè)完整的系統(tǒng)離散成若干個(gè)耦合子系統(tǒng)，在外界激勵(lì)作用下子系統(tǒng)間進(jìn)行能量交換，根據(jù)能量守恒原理建立整個(gè)系統(tǒng)的能量平衡方程。對(duì)于具有N個(gè)子系統(tǒng)的系統(tǒng)，可以建立如式(1)所示的能量平衡方程。

(1)

式中：ω為分析帶寬的中心頻率；ηi和ni為子系統(tǒng)i的內(nèi)損耗因子和模態(tài)密度；ηik為能量從子系統(tǒng)i傳至子系統(tǒng)k的耦合損耗因子；Ei和Pi分別為子系統(tǒng)i的能量和外界對(duì)子系統(tǒng)的輸入功率。

通過求解能量平衡方程得到每個(gè)子系統(tǒng)的能量Ei，進(jìn)而得到各個(gè)子系統(tǒng)的聲振參數(shù)。對(duì)于閉空間聲場(chǎng)子系統(tǒng)，其聲壓均方值為

(2)

式中：Zc為閉空間聲場(chǎng)的聲阻抗；Mi為閉空間聲場(chǎng)的空氣質(zhì)量。

1.2 統(tǒng)計(jì)能量模型建立

根據(jù)總布置圖和結(jié)構(gòu)圖紙，采用CABIN-NOISE軟件建立統(tǒng)計(jì)能量模型。對(duì)于甲板、艙壁、肋板和外板等結(jié)構(gòu)以帶加強(qiáng)筋的板子系統(tǒng)進(jìn)行模擬，對(duì)于主要艙室以聲腔子系統(tǒng)進(jìn)行模擬，對(duì)于門、窗及其他小開口采用鄰近的板進(jìn)行模擬。

采用統(tǒng)計(jì)能量法分析計(jì)算的關(guān)鍵在于對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的內(nèi)損耗因子、耦合損耗因子和模態(tài)密度的準(zhǔn)確模擬確定[8]。本文所采用的內(nèi)損耗因子主要基于此前船舶產(chǎn)品噪聲預(yù)報(bào)實(shí)例的經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行確定。子系統(tǒng)之間的耦合損耗因子由軟件自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算。在劃分子系統(tǒng)時(shí)注意簡(jiǎn)化不必要的構(gòu)件，以保證子系統(tǒng)的模態(tài)密度在分析頻段內(nèi)滿足模態(tài)密度要求。建立完成的統(tǒng)計(jì)能量模型見圖1。

圖1 全船統(tǒng)計(jì)能量模型

1.3 主要噪聲源設(shè)備

船舶在正常航行時(shí)，主要的機(jī)械噪聲來自主機(jī)、發(fā)電機(jī)、螺旋槳等設(shè)備產(chǎn)生的空氣輻射噪聲和結(jié)構(gòu)噪聲。本船采用1臺(tái)Wartsila-8RTflex68D主機(jī)，4臺(tái)Yanmar EY26LW柴油發(fā)電機(jī)組和1部4葉螺旋槳，這些設(shè)備均布置于機(jī)艙區(qū)域。

上建區(qū)域的主要機(jī)械設(shè)備包括：用于上建艙室通風(fēng)的空調(diào)機(jī)組和布置于上建周圍甲板上用于貨艙通風(fēng)的貨艙風(fēng)機(jī)。

通過設(shè)備廠商獲得主機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)、空調(diào)機(jī)組和風(fēng)機(jī)的空氣輻射噪聲參數(shù)，同時(shí)獲取主機(jī)和螺旋槳的結(jié)構(gòu)噪聲參數(shù)，上述設(shè)備的空氣輻射噪聲參數(shù)和結(jié)構(gòu)噪聲參數(shù)分別見圖2、3。

圖2 主要機(jī)械設(shè)備空氣輻射噪聲參數(shù)

圖3 主要機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)噪聲參數(shù)

1.4 機(jī)械噪聲分析結(jié)果

分3種工況計(jì)算機(jī)械噪聲：①只有機(jī)艙區(qū)域的機(jī)械設(shè)備工作，模型中包含主機(jī)、發(fā)電機(jī)、螺旋槳等聲源激勵(lì)；②只有上建區(qū)域的機(jī)械設(shè)備工作，模型中包含貨艙風(fēng)機(jī)和空調(diào)機(jī)組等聲源激勵(lì)；③所有機(jī)械設(shè)備均正常工作，所有機(jī)械設(shè)備噪聲參數(shù)均加載于模型中。

工況1和工況2下全船艙室聲壓分布見圖4、5。部分艙室在所有機(jī)械設(shè)備正常工作狀態(tài)下機(jī)械噪聲預(yù)報(bào)值見表1。

圖4 全船艙室聲壓分布云圖(工況1)

圖5 全船艙室聲壓分布云圖(工況2)

表1 典型艙室機(jī)械噪聲預(yù)報(bào)結(jié)果 dB(A)

由表1可知：①全船的高噪聲艙室主要分布于機(jī)艙附近，上建區(qū)域的機(jī)械噪聲相對(duì)較低。但由于上建艙室的噪聲標(biāo)準(zhǔn)相較于機(jī)艙區(qū)域更為嚴(yán)苛，需要特別重視上建區(qū)域的機(jī)械噪聲的控制；②機(jī)艙區(qū)域的設(shè)備影響范圍主要集中于機(jī)艙附近，對(duì)于上建艙室噪聲的影響較小；③與之類似，上建區(qū)域的機(jī)械設(shè)備主要影響上建附近的艙室噪聲，對(duì)于機(jī)艙區(qū)域的影響較小。對(duì)于該船而言，上建艙室聲學(xué)設(shè)計(jì)優(yōu)化應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注上建區(qū)域機(jī)械設(shè)備噪聲的控制。

2 空調(diào)通風(fēng)管路噪聲分析

2.1 分析原理

空調(diào)機(jī)組和風(fēng)機(jī)的噪聲除透過機(jī)殼進(jìn)行傳播以外，還可通過通風(fēng)管路傳播至相關(guān)艙室，在每個(gè)艙室風(fēng)口形成一個(gè)聲源，影響到艙室內(nèi)噪聲水平。

采用能量法分析該船上層建筑區(qū)域主要艙室的空調(diào)通風(fēng)管路噪聲。噪聲隨氣流自風(fēng)機(jī)出口進(jìn)入風(fēng)管系統(tǒng)，經(jīng)閥門、管路分支、彎頭、消聲器等管路構(gòu)件的衰減后通過布風(fēng)器作為聲源點(diǎn)傳入房間。由空調(diào)通風(fēng)管路進(jìn)出風(fēng)口輻射噪聲所引起的房間內(nèi)聲壓級(jí)主要按式(3)進(jìn)行計(jì)算，相關(guān)元件的衰減參數(shù)通過試驗(yàn)測(cè)量或者查閱相關(guān)手冊(cè)獲取。

(3)

式中：Lpj為距風(fēng)口r處的聲壓級(jí)；Lwj為聲源傳入管路的聲功率級(jí)；ΔLwj為聲源至艙室的管路中所有元件總聲衰減值；ΔLoj為艙室噪聲衰減值。

2.2 通風(fēng)管路噪聲模型建立

該船上建區(qū)域的通風(fēng)系統(tǒng)分為主送風(fēng)和廚房送風(fēng)2個(gè)獨(dú)立的管路系統(tǒng)，對(duì)于會(huì)議室、健身房、醫(yī)務(wù)室、洗衣室和餐廳等艙室設(shè)置了抽風(fēng)系統(tǒng)。采用CABIN-NOISE軟件分別建立各管路系統(tǒng)的噪聲分析模型，在模型中依次輸入相關(guān)噪聲源參數(shù)、元件的衰減參數(shù)和目標(biāo)艙室的相關(guān)參數(shù)。上建空調(diào)通風(fēng)管路的部分噪聲模型見圖6。

圖6 空調(diào)通風(fēng)管路噪聲模型(部分)

計(jì)算空調(diào)通風(fēng)管路噪聲主要考慮的聲源設(shè)備包括中央空調(diào)機(jī)組、廚房空調(diào)機(jī)組和抽風(fēng)機(jī)等。上述設(shè)備傳入通風(fēng)管路的聲功率級(jí)參數(shù)見圖7。

圖7 空調(diào)通風(fēng)管路分析主要聲源設(shè)備參數(shù)

2.3 通風(fēng)管路噪聲預(yù)報(bào)結(jié)果

部分上建艙室的空調(diào)通風(fēng)管路噪聲的預(yù)報(bào)結(jié)果見表2，由預(yù)報(bào)結(jié)果可知大部分艙室的空調(diào)通風(fēng)管路噪聲級(jí)主要集中于41～49 dB(A)。

表2 典型艙室空調(diào)通風(fēng)噪聲分析結(jié)果 dB(A)

3 不同類型噪聲成分對(duì)上建艙室影響

上建居住艙室占全船艙室總數(shù)量的60%以上，也是全船噪聲控制要求最高的區(qū)域。

根據(jù)機(jī)械噪聲和空調(diào)通風(fēng)噪聲的預(yù)報(bào)分析結(jié)果，整理2種噪聲成分對(duì)比見圖8?？梢姡孩亳{駛室、船長(zhǎng)室、大副室、中級(jí)船員室等艙室的機(jī)械噪聲明顯高于空調(diào)通風(fēng)管路噪聲；②對(duì)于健身房、會(huì)議室和餐廳而言，空調(diào)通風(fēng)管路噪聲與機(jī)械噪聲基本處于同一水平，甚至高于機(jī)械噪聲。

圖8 上建典型艙室兩種噪聲對(duì)比

這主要是因?yàn)轳{駛室、船長(zhǎng)室、大副室和中級(jí)船員室主要布置于上建區(qū)域外圍，距離貨艙風(fēng)機(jī)較近，受貨艙風(fēng)機(jī)的噪聲影響較大。而會(huì)議室、健身房和餐廳主要布置于遠(yuǎn)離機(jī)械設(shè)備的上建中間區(qū)域，受外圍艙室和走廊等結(jié)構(gòu)的衰減影響，機(jī)械噪聲處于相對(duì)較低的水平，此時(shí)空調(diào)通風(fēng)管路噪聲對(duì)于這些艙室噪聲水平的影響占主要因素。

因此，對(duì)于鄰近主要機(jī)械設(shè)備的艙室，機(jī)械噪聲對(duì)于其艙室水平起到主導(dǎo)作用。而對(duì)于遠(yuǎn)離機(jī)械設(shè)備的艙室，機(jī)械噪聲和空調(diào)通風(fēng)噪聲對(duì)其艙室噪聲水平起到同等的影響作用，對(duì)于此類艙室的噪聲分析需要考慮空調(diào)通風(fēng)管路噪聲的影響。

4 超標(biāo)艙室聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)

綜合機(jī)械噪聲和空調(diào)通風(fēng)噪聲的預(yù)報(bào)結(jié)果，得到上建艙室的最終噪聲預(yù)報(bào)結(jié)果。限于篇幅，列出7個(gè)典型艙室的噪聲預(yù)報(bào)結(jié)果和技術(shù)規(guī)范(MSC.337決議)中對(duì)于該類型艙室噪聲級(jí)的限值要求見表3。

表3 典型艙室噪聲預(yù)報(bào)結(jié)果 dB(A)

由表3可知，除中級(jí)船員室外大部分艙室的噪聲水平均滿足MSC.337決議中對(duì)于艙室噪聲級(jí)的要求。為了分析判斷中級(jí)船員室的主要噪聲源，整理該艙室主要噪聲源單獨(dú)工作時(shí)的艙室聲壓級(jí)頻譜分布見圖9。由圖9可知，該艙室的主要噪聲源是貨艙風(fēng)機(jī)的機(jī)械噪聲。

圖9 中級(jí)船員室主要噪聲成分頻譜分布

對(duì)該艙室進(jìn)行聲學(xué)設(shè)計(jì)優(yōu)化。

1)考慮降低聲源設(shè)備的噪聲水平，受設(shè)計(jì)和生產(chǎn)進(jìn)度所限更改風(fēng)機(jī)型號(hào)不太現(xiàn)實(shí)，經(jīng)過與廠商溝通，在風(fēng)機(jī)外部增加隔聲罩；同時(shí)在隔聲罩內(nèi)部安裝吸聲材料(見圖10)。測(cè)試表明，該方案可以將貨艙風(fēng)機(jī)的噪聲水平降低8～11 dB。

圖10 風(fēng)機(jī)加裝隔聲罩后的外觀

風(fēng)機(jī)增加隔聲罩前后中級(jí)船員室的聲壓級(jí)對(duì)比見圖11，由圖11可知隔聲罩的安裝將使該艙室的噪聲水平得到明顯改善，從安裝隔聲罩之前的56 dB(A)減少為47 dB(A)，艙室噪聲水平相較于初始設(shè)計(jì)方案降低了9 dB(A)。

圖11 風(fēng)機(jī)隔聲罩增強(qiáng)前后艙室噪聲頻譜圖

2)考慮提高噪聲主要傳播路徑的隔聲量，在中級(jí)船員室與右舷貨艙風(fēng)機(jī)組之間的艙壁上附加巖棉等絕緣材料。以容重為120 kg/m3的巖棉為例，對(duì)比厚度分別為20、40、60、80和100 mm的5種規(guī)格巖棉材料的降噪效果。艙壁安裝不同厚度的巖棉材料后中級(jí)船員室的聲壓級(jí)對(duì)比見圖12。由圖12可知，巖棉材料的安裝將使得中級(jí)船員室的噪聲水平明顯降低，但是降噪效果的增加幅度隨著巖棉厚度的遞增而逐漸降低。當(dāng)巖棉厚度達(dá)到60 mm后，該艙室聲壓級(jí)為49.8 dB(A)，能夠滿足技術(shù)規(guī)范的要求。

圖11 中級(jí)船員室噪聲級(jí)隨巖棉厚度變化示意圖

通過與船東溝通，綜合考慮隔聲、隔熱的要求，最終采取貨艙風(fēng)機(jī)增加隔聲罩；同時(shí)在艙室外圍壁上安裝60 mm厚的巖棉材料的方法做為本船上建艙室的主要聲學(xué)處理方案。在此方案的基礎(chǔ)上，對(duì)聲學(xué)優(yōu)化后的典型上建艙室的噪聲進(jìn)行評(píng)估分析，結(jié)果見表4。所有艙室噪聲水平均能滿足MSC.337決議的要求。

表4 優(yōu)化設(shè)計(jì)后典型艙室噪聲預(yù)報(bào)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

在該船的首制船試航期間，由經(jīng)過認(rèn)證，具備船舶噪聲測(cè)量資質(zhì)的第三方機(jī)構(gòu)技術(shù)人員采用丹麥B&K2250噪聲測(cè)量?jī)x按照MSC.337(91)決議的相關(guān)要求對(duì)該船主要艙室的噪聲水平進(jìn)行測(cè)量。

由表4中重點(diǎn)艙室噪聲預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比情況可知，預(yù)報(bào)值與實(shí)測(cè)結(jié)果偏差均低于10%，滿足工程精度要求。

5 結(jié)論

1)集滾船機(jī)艙區(qū)域的機(jī)械設(shè)備對(duì)于上建艙室噪聲的影響較小，上層艙室的噪聲控制需重點(diǎn)關(guān)注布置于上建周圍的機(jī)械設(shè)備的影響。

2)對(duì)于鄰近主要機(jī)械設(shè)備的上建艙室，機(jī)械噪聲對(duì)于決定艙室水平上起主導(dǎo)作用。而對(duì)于遠(yuǎn)離機(jī)械設(shè)備的上建艙室，機(jī)械噪聲和空調(diào)通風(fēng)噪聲對(duì)其艙室噪聲水平起到同等的影響作用，對(duì)于類似該集滾船布置形式的上建艙室的噪聲分析需要考慮空調(diào)通風(fēng)管路噪聲的影響

3)對(duì)于噪聲超標(biāo)的艙室，通過分析主要噪聲成分和傳播路徑可以針對(duì)性的提出聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。通過降低主要噪聲源噪聲水平和增加艙壁絕緣材料均可以有效降低改善艙室的噪聲水平，在實(shí)船項(xiàng)目中需要綜合考慮。

4)計(jì)算分析結(jié)果與實(shí)測(cè)測(cè)量結(jié)果比較吻合，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。所提及的噪聲計(jì)算分析方法和聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)思路可供同類型船舶的噪聲預(yù)報(bào)分析和聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)參考。

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Noise Prediction and Optimization of Accommodation Cabins for a Con-Ro Vessel

WAN Zhong1,2, WANG Jia-Ying2, FAN Zhi-Yi2

(1.School of Naval Architecture, Ocean and Civil Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240,China;2.Hudong-Zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd., Shanghai 200129, China)

Noise prediction of typical accommodation cabins under multiple excitations for a Con-Ro vessel was carried out, and contribution of different types of noise sources was analyzed. The result showed that machinery in accommodation area and HVAC systems make major contribution to the noise level of accommodation cabins, while machinery in engine room has little effect. In order to make sure noise level in accommodation cabins meet the requirements of technical specification, noise optimization measures of typical cabins where noise level is over-criteria was suggested by analyzing major noise source and transmission path.

Con-Ro vessel; noise prediction; statistical energy analyze; noise control

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.04.009

2016-11-01

工信部高技術(shù)船舶科研項(xiàng)目(Z1212E01)

萬忠(1988—)，男，研究生，工程師

研究方向：船舶結(jié)構(gòu)與噪聲分析

U661.44

A

1671-7953(2017)04-0041-06

修回日期：2016-11-24