尤小健，劉依明，董 斌，端木晚露

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064)

0 引 言

船舶艙室噪聲過高不僅會(huì)對船員的健康產(chǎn)生威脅，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致船上結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞，影響船上電子電氣設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。國際海事組織（IMO）以MSC.337（91）決議通過了《船上噪聲等級規(guī)則》（以下簡稱《規(guī)則》），并將《規(guī)則》作為強(qiáng)制要求。艙室噪聲問題引起了高度重視，控制船舶艙室噪聲刻不容緩。

在船舶設(shè)計(jì)階段對艙室噪聲進(jìn)行預(yù)報(bào)和控制，能顯著改善艙室噪聲水平的同時(shí)，成本也遠(yuǎn)低于建造后期采取一系列降噪措施。目前，普遍采用統(tǒng)計(jì)能量法進(jìn)行艙室噪聲預(yù)報(bào)[1–5]。

為了更好的配合公約實(shí)施，提升我國船舶的噪聲控制水平，船級社結(jié)合我國造船實(shí)際編制了《船舶及產(chǎn)品噪聲控制與檢測指南》[6]（以下簡稱《指南》）。本文將基于此《指南》中的要求，對某型海洋平臺進(jìn)行艙室噪聲預(yù)報(bào)與控制研究，同時(shí)對4組不同的內(nèi)損耗因子進(jìn)行討論，按照規(guī)范限值對艙室噪聲進(jìn)行評估，通過分析超標(biāo)艙室的噪聲來源，采取有效的控制手段，為此平臺的降噪設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，具有工程實(shí)用價(jià)值。

1 統(tǒng)計(jì)能量法基本原理

統(tǒng)計(jì)能量法（SEA）是基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的基本思想，將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)劃分成一系列子系統(tǒng)，以各子系統(tǒng)的能量作為基本變量建立各功率流平衡方程，求得各子系統(tǒng)的能量分布，再進(jìn)一步換算得到聲壓級、加速度級等。

對于具有N個(gè)子系統(tǒng)的SEA模型來說，各子系統(tǒng)的輸入功率與輸出功率保持平衡。對于子系統(tǒng)i，功率流方程如下：

式中，為子系統(tǒng)i 的輸入功率；為子系統(tǒng)i的損耗功率，為分析頻率，為子系統(tǒng)i的內(nèi)損耗因子，為子系統(tǒng)i 的能量；為子系統(tǒng)傳遞到子系統(tǒng)i 的功率，為子系統(tǒng)i到子系統(tǒng)的耦合損耗因子，為子系統(tǒng)到子系統(tǒng)i的耦合損耗因子，為子系統(tǒng)的能量。統(tǒng)計(jì)能量法假設(shè)不同的子系統(tǒng)之間遵守互易原理，即

聯(lián)立所有子系統(tǒng)的功率流方程，得到整個(gè)SEA系統(tǒng)的能量方程如下：

求解此能量方程，即可得到各子系統(tǒng)的能量。對于質(zhì)量為的結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)，能量與其均方振速成比例，即對于質(zhì)量為、空間聲場聲阻抗為的聲學(xué)子系統(tǒng)，能量與其聲壓成比例，即

2 計(jì)算實(shí)例

2.1 建立海洋平臺的SEA模型

結(jié)合《指南》中的要求，在VAONE軟件中建立平臺的SEA模型，共有529個(gè)子系統(tǒng)，包括441個(gè)結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)和88個(gè)聲腔子系統(tǒng)。圖1為SEA模型示意圖。圖2為SEA模型縮放圖。

2.2 確定SEA參數(shù)

圖 1 海洋平臺SEA模型Fig. 1 SEA model of offshore platform

圖 2 SEA模型縮放圖Fig. 2 Shrink view of SEA model

1）輸入功率

統(tǒng)計(jì)能量法的輸入以功率的形式出現(xiàn)。本平臺主要的噪聲源是主機(jī)和輔機(jī)。主、輔機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，直接向空氣介質(zhì)輻射空氣噪聲，計(jì)算時(shí)以聲功率級的形式加載在聲腔子系統(tǒng)上；同時(shí)，主、輔機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)由機(jī)腳向船體傳遞，引起結(jié)構(gòu)噪聲，計(jì)算時(shí)以加速度級的形式加載在船體結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)上。

通常，設(shè)備的輸入功率應(yīng)該是廠家提供的實(shí)測數(shù)據(jù)。當(dāng)廠家無法提供實(shí)測數(shù)據(jù)時(shí)，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式估算。本平臺主、輔機(jī)的輸入功率根據(jù)《指南》中給出的經(jīng)驗(yàn)公式估算。

2）模態(tài)密度

統(tǒng)計(jì)能量法解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)的耦合動(dòng)力學(xué)問題主要是基于高頻時(shí)結(jié)構(gòu)模態(tài)比較密集這一特性。當(dāng)子系統(tǒng)在計(jì)算頻帶內(nèi)的模態(tài)數(shù)越多，即模態(tài)密度越高，統(tǒng)計(jì)能量法的計(jì)算結(jié)果越準(zhǔn)確?！吨改稀芬?guī)定，各子系統(tǒng)在分析帶寬內(nèi)的模態(tài)數(shù)目應(yīng)大于5。本次計(jì)算選用倍頻程作為分析類型，計(jì)算頻率范圍為63～8 000 Hz，此頻段內(nèi)各子系統(tǒng)的模態(tài)數(shù)均大于5，符合《指南》規(guī)定。

3）內(nèi)損耗因子

內(nèi)損耗因子是指子系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)、單位頻率上損耗的能量與平均存儲能量的比值，包括結(jié)構(gòu)內(nèi)損耗因子和聲腔內(nèi)損耗因子，目前普遍采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算。大部分船體的結(jié)構(gòu)為鋼材，鋼材的內(nèi)損耗因子的經(jīng)驗(yàn)公式[7]為聲腔的內(nèi)損耗因子的經(jīng)驗(yàn)公式[8]為其中，為介質(zhì)中的聲速；為聲腔的表面積；為艙壁的平均吸聲系數(shù)，一般取0.01；為聲腔的體積。

《指南》給出了鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)損耗因子和艙室的折合吸聲系數(shù)，與文獻(xiàn)經(jīng)驗(yàn)公式的值存在差異。文獻(xiàn)[1 –3]均未對內(nèi)損耗因子的取值進(jìn)行說明；文獻(xiàn)[5]的內(nèi)損耗因子采用文獻(xiàn)[7–8]中的經(jīng)驗(yàn)公式值；文獻(xiàn)[4]中的鋼板內(nèi)損耗因子采用船級社建議值，沒有內(nèi)飾板的聲腔子系統(tǒng)的內(nèi)損耗因子采用文獻(xiàn)[8]中的經(jīng)驗(yàn)公式值，而有內(nèi)飾板的聲腔子系統(tǒng)的內(nèi)損耗因子采用船級社建議的吸聲系數(shù)，但并未將采用經(jīng)驗(yàn)公式值和船級社建議值的預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行比較分析，本文將對此進(jìn)行比較分析。

4）耦合損耗因子

耦合損耗因子是描述SEA模型各子系統(tǒng)之間強(qiáng)弱耦合程度的參數(shù)。由于結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，工藝多樣，工程上確定耦合耗損因子十分困難，所以實(shí)際應(yīng)用時(shí)會(huì)將耦合簡化成點(diǎn)、線、面這些典型的連接形式，再通過解析法得到耦合損耗因子。VAONE軟件能計(jì)算耦合損耗因子，一般直接采用此值。

2.3 內(nèi)損耗因子的選取

鋼板結(jié)構(gòu)和聲腔的內(nèi)損耗因子各存在船級社《指南》建議值和文獻(xiàn)經(jīng)驗(yàn)公式值2組取值，可分為4組工況，計(jì)算工況見表1。

表 1 計(jì)算工況Tab. 1 Calculation conditions

本文關(guān)注的重點(diǎn)艙室為主、輔機(jī)艙和綜合控制室，圖3～圖5為這3個(gè)艙室在4組工況下的A計(jì)權(quán)噪聲級（SPL（A））曲線。

從圖3～圖5可知，鋼板內(nèi)損耗因子對目標(biāo)艙室噪聲級的影響較小，影響范圍約0～10 dB，且隨著頻率的升高而變?。宦暻粌?nèi)損耗因子的取值對目標(biāo)艙室噪聲級的影響較大，影響范圍約3～15 dB，且隨著頻率的升高而變大。當(dāng)聲腔內(nèi)損耗因子采用文獻(xiàn)經(jīng)驗(yàn)公式值時(shí)，目標(biāo)艙室噪聲級明顯大于采用《指南》建議值的情況。這是因?yàn)槲墨I(xiàn)經(jīng)驗(yàn)公式值沒有考慮艙室內(nèi)裝結(jié)構(gòu)的吸聲作用，而《指南》建議值進(jìn)行了考慮，因此《指南》建議值計(jì)算得到的艙室噪聲級結(jié)果更小，更符合實(shí)際。

圖 3 主機(jī)艙噪聲級曲線（A計(jì)權(quán)）Fig. 3 SPL(A) of main engine room

圖 4 輔機(jī)艙噪聲級（A計(jì)權(quán)）曲線Fig. 4 SPL(A) of auxiliary engine room

圖 5 綜合控制室噪聲級（A計(jì)權(quán)）曲線Fig. 5 SPL(A) of comprehensive control room

在船舶設(shè)計(jì)初期，各艙室的內(nèi)裝結(jié)構(gòu)尚不明確，但其吸聲作用又不可忽略，同時(shí)考慮到船舶入級的問題，建議內(nèi)損耗因子按照船級社《指南》取值，預(yù)報(bào)噪聲級更符合實(shí)際情況。本文中內(nèi)損耗因子按照船級社《指南》取值，即采取工況1進(jìn)行計(jì)算。

3 噪聲級評估與控制

船級社《指南》沿用IMO《規(guī)則》中的各艙室的噪聲級限值，按照此限值評估本平臺的重點(diǎn)艙室，表2為評估結(jié)果。從表2中數(shù)據(jù)來看，綜合控制室的噪聲級超過限值要求，需要對其進(jìn)行噪聲控制處理。

表 2 重點(diǎn)艙室噪聲級（A計(jì)權(quán)）評估Tab. 2 Assessment of important cabins′ SPL(A)

分析綜合控制室的噪聲能量輸入的主要來源，可以有針對性地對其進(jìn)行噪聲控制，提高效率，達(dá)到事半功倍的效果。圖6為同時(shí)加載結(jié)構(gòu)和空氣噪聲激勵(lì)、只加載結(jié)構(gòu)噪聲激勵(lì)和只加載空氣噪聲激勵(lì)這3種加載情況下綜合控制室的噪聲級?？梢钥吹?，結(jié)構(gòu)噪聲激勵(lì)為綜合控制室噪聲能量的主要來源。

圖 6 不同激勵(lì)下綜合控制室噪聲級（A計(jì)權(quán)）比較Fig. 6 Comparison of SPL(A) of comprehensive control room with different excitations

結(jié)構(gòu)噪聲由機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生，沿著船體結(jié)構(gòu)向外傳遞，最有效的控制方法是采用隔振技術(shù)，在設(shè)備和基座之間安裝隔振器，減少振動(dòng)能量的輸入，從而有效降低結(jié)構(gòu)噪聲。因此，本文將在主、輔機(jī)和船體之間安裝隔振器來進(jìn)行噪聲控制。減振處理前后綜合控制室的噪聲級見表3。經(jīng)過減振處理后，綜合控制室噪聲級明顯降低，約4～20 dB，且隨著頻率的升高，降低效果增強(qiáng)。減振處理后，綜合控制室的噪聲級總級下降了12.55 dB，減小為74.66 dB，小于噪聲級限值75 dB，滿足規(guī)范要求。

經(jīng)過隔振技術(shù)處理后，綜合控制室的噪聲級略小于規(guī)范要求。當(dāng)對綜合控制室的噪聲級有更嚴(yán)格的要求時(shí)，可以采取阻尼減振技術(shù)降低其結(jié)構(gòu)噪聲，即在板上敷設(shè)阻尼材料，阻尼材料耗散振動(dòng)能量，減少振動(dòng)響應(yīng)，從而減少結(jié)構(gòu)噪聲的傳遞。阻尼材料通常是內(nèi)損耗、內(nèi)摩擦大的材料，如瀝青、橡膠以及其他一些高分子涂料。

現(xiàn)分別采取在綜合控制室內(nèi)部敷設(shè)50 mm的硬橡膠、50 mm的玻璃纖維和50 mm的聚氨酯這3種阻尼敷設(shè)方案，這3種方案下綜合控制室的噪聲級見表4。

由表4中數(shù)據(jù)可得，這3種阻尼敷設(shè)方案對高頻噪聲的降噪效果更為明顯，且隨著頻率升高，降噪效果增強(qiáng)。從噪聲總級上來看，50 mm硬橡膠的降噪效果最好，為4.37 dB；玻璃纖維的降噪效果最差，為2.76 dB；聚氨酯的降噪效果為3.06 dB。但硬橡膠的單位面積重量為55 kg/m2，玻璃纖維的單位面積重量為0.275 kg/m2，聚氨酯的單位面積重量為1.1 kg/m2，即硬橡膠的降噪效果略小于玻璃纖維與聚氨酯，但其增加的重量分別是玻璃纖維的200倍和聚氨酯的50倍。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)綜合權(quán)衡不同降噪材料的降噪效果和重量，選取最優(yōu)方案。

表 3 減振處理前后綜合控制室噪聲級（A計(jì)權(quán)）Tab. 3 SPL(A) of comprehensive control room before and after vibration damping

表 4 三種阻尼敷設(shè)方案下綜合控制室的噪聲級（A計(jì)權(quán)）Tab. 4 SPL(A) of comprehensive control room of 3 damping laying schemes

4 結(jié) 語

本文基于統(tǒng)計(jì)能量法，通過VAONE軟件對某新型海洋平臺進(jìn)行艙室噪聲預(yù)報(bào)。將4種工況下的內(nèi)損耗因子的預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行比較，并通過分析超標(biāo)艙室的噪聲來源提出有效的控制措施，得到以下結(jié)論：

1）鋼板內(nèi)損耗因子的取值對目標(biāo)艙室噪聲級的影響范圍約0～10 dB，聲腔內(nèi)損耗因子的取值對目標(biāo)艙室噪聲級的影響范圍約3～15 dB，考慮到艙室內(nèi)裝的吸聲作用，以及后期船舶入級的問題，建議按照船級社指南取值。

2）在設(shè)備與船體之間安裝隔振器，能有效降低結(jié)構(gòu)噪聲占主導(dǎo)作用的艙室噪聲，本文在主、輔機(jī)與船體之間安裝隔振器，使綜合控制室的總噪聲級降低了12.55 dB。

3）50 mm硬橡膠的降噪效果最好，為4.37 dB；玻璃纖維的降噪效果最差，為2.76 dB；聚氨酯的降噪效果為3.06 dB。但硬橡膠增加的重量分別是玻璃纖維的200倍和聚氨酯的50倍。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)綜合權(quán)衡不同降噪材料的降噪效果和重量，選取最優(yōu)方案。

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