曲 雪，董博文，羅 凱，王 禹

(1.中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司第七〇八研究所，上海 200011；2.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

0 引 言

船舶艙室的噪聲與振動(dòng)控制一直是船舶工程研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。近年來(lái)，隨著船舶減振降噪技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代船舶設(shè)計(jì)對(duì)生活、工作區(qū)噪聲水平提出了更嚴(yán)格的要求，因此，開(kāi)展船舶噪聲分析和聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。目前，艙室噪聲預(yù)報(bào)方法主要有統(tǒng)計(jì)能量法（SEA）、有限元法（FEM）和邊界元方法（BEM）等[1]。其中統(tǒng)計(jì)能量法可以進(jìn)行復(fù)雜系統(tǒng)高頻寬帶激勵(lì)作用下的動(dòng)力響應(yīng)分析，相比現(xiàn)有的艙室噪聲分析方法具有一定優(yōu)勢(shì)，但在舾裝復(fù)合結(jié)構(gòu)的聲學(xué)參數(shù)獲取等方面仍存在諸多問(wèn)題。在此方面，周理杰等[2]基于試驗(yàn)測(cè)試，探究了芯材為苧麻、粘膠纖維、聚酯纖維等8 復(fù)合結(jié)構(gòu)在不同空腔厚度下的吸聲性能，研究表明苧麻復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲效果優(yōu)于其他結(jié)構(gòu)；空腔深度增加時(shí)，結(jié)構(gòu)吸聲系數(shù)增大。楊永鉀等[3]通過(guò)仿真軟件，對(duì)多種復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)聲學(xué)性能參數(shù)進(jìn)行探究，分析得出質(zhì)量較輕、吸聲性能較好的復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用于某型高速船艙室聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)，取得了良好的吸聲效果。徐芹亮等[4]通過(guò)分析大量舾裝復(fù)合結(jié)構(gòu)隔聲性能試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，得出海洋平臺(tái)常用舾裝結(jié)構(gòu)的隔聲量經(jīng)驗(yàn)值。探究了舾裝結(jié)構(gòu)空腔夾層厚度對(duì)隔聲性能的影響，研究表明增加夾層厚度可提高低頻隔聲性能。

目前國(guó)內(nèi)的艙室空氣噪聲控制方法還是以結(jié)構(gòu)聲學(xué)優(yōu)化為主，通過(guò)敷設(shè)吸隔聲材料降低目標(biāo)艙室噪聲水平。然而，現(xiàn)有的復(fù)合結(jié)構(gòu)聲學(xué)性能評(píng)估方法存在一定缺陷[5-6]，如試驗(yàn)法存在評(píng)估周期長(zhǎng)、成本高的問(wèn)題。因而，本文針對(duì)舾裝復(fù)合結(jié)構(gòu)聲學(xué)性能參數(shù)開(kāi)展研究，建立了舾裝復(fù)合結(jié)構(gòu)的聲學(xué)性能分析方法，方法具有工程適用性好，計(jì)算準(zhǔn)確度較高的優(yōu)點(diǎn)。并進(jìn)一步基于方法的分析結(jié)果探究某型船舶艙室噪聲特性，旨在為船舶聲學(xué)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 船舶舾裝復(fù)合結(jié)構(gòu)聲學(xué)性能分析模型

舾裝復(fù)合結(jié)構(gòu)的聲學(xué)性能是統(tǒng)計(jì)能量模型的主要輸入?yún)?shù)之一。為準(zhǔn)確獲取舾裝復(fù)合結(jié)構(gòu)的隔聲量以及吸聲系數(shù)，基于傳遞矩陣法，建立了結(jié)構(gòu)聲學(xué)性能分析模型，原理如圖1 所示。

圖 1 聲學(xué)性能分析模型示意圖Fig.1 Acoustic performance analyse model

由波動(dòng)理論可知任意單層結(jié)構(gòu)上下界面總壓力、質(zhì)點(diǎn)振速連續(xù)，則圖2 某一層結(jié)構(gòu)上下界面總壓力和質(zhì)點(diǎn)振速 F1、 F2和 v1、 v2的關(guān)系可表示為：

式中： [A]為單層結(jié)構(gòu)傳遞矩陣，各元素計(jì)算公式為[7]：

圖 2 隔聲量測(cè)試示意圖Fig.2 Schematic diagram for the insertion loss test

當(dāng)平面波垂直入射，層間交界處的聲壓和法向振速連續(xù)，于是可求得多層結(jié)構(gòu)傳遞矩陣 [B]：

當(dāng)結(jié)構(gòu)末端為空氣時(shí)，邊界條件可近似表示為：pi+1= 0，代入式（3）得輸入阻抗：

以 ρa(bǔ)ca表示空氣特性阻抗，則入射界面處的反射系數(shù)可表示為：

聲強(qiáng)透射系數(shù)：

復(fù)合結(jié)構(gòu)吸聲系數(shù) α以及隔聲量 B如下式：

2 舾裝復(fù)合結(jié)構(gòu)聲學(xué)性能研究

舾裝復(fù)合結(jié)構(gòu)能夠增加噪聲傳遞能量損耗，其聲學(xué)性能是統(tǒng)計(jì)能量法的主要輸入?yún)?shù)之一。為此，基于船舶舾裝復(fù)合結(jié)構(gòu)聲學(xué)性能分析模型，進(jìn)行船舶典型舾裝復(fù)合結(jié)構(gòu)吸聲系數(shù)和隔聲量仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表1～表2 所示。典型舾裝復(fù)合結(jié)構(gòu)如下：

1）復(fù)合巖棉板復(fù)合結(jié)構(gòu)：鋼板與復(fù)合巖棉板復(fù)合，其中鋼板厚度為8 mm，復(fù)合巖棉板由49 mm 的巖棉和1 mm 的鍍鋅薄鋼板組成。

2）穿孔吸音板復(fù)合結(jié)構(gòu)：鋼板與穿孔吸音板復(fù)合，其中鋼板厚度為8 mm，穿孔吸音板由49.1 mm 的巖棉和0.9 mm 的穿孔鍍鋅銅板組成。

3）隔音棉復(fù)合結(jié)構(gòu)：鋼板與隔音棉復(fù)合，其中鋼板厚度為8 mm，隔音棉厚度為60 mm。

2.1 舾裝復(fù)合結(jié)構(gòu)隔聲量計(jì)算有效性驗(yàn)證

基于混響室法開(kāi)展典型舾裝復(fù)合結(jié)構(gòu)隔聲量測(cè)試試驗(yàn)。以上述舾裝復(fù)合結(jié)構(gòu)為試驗(yàn)對(duì)象。構(gòu)件尺寸為2 000×1 500 mm，通過(guò)密封膠與墻體彈性連接。試驗(yàn)示意圖如圖2 所示。以傳聲器測(cè)量發(fā)聲室和受聲室的聲壓響應(yīng)P1和P2，分析聲波透射衰減規(guī)律，并考慮受聲室吸聲作用，得出舾裝復(fù)合結(jié)構(gòu)隔聲量。受構(gòu)件尺寸限制，對(duì)上述分析方法500～8 000 Hz 頻段分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，隔聲量分析結(jié)果對(duì)比圖如圖3 所示。

表 1 典型舾裝復(fù)合結(jié)構(gòu)隔聲量計(jì)算結(jié)果/dBTab.1 Calculation results for insertion loss of outfitting composite structure /dB

表 2 典型舾裝復(fù)合結(jié)構(gòu)吸聲系數(shù)計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation results for absorption coefficient of outfitting composite structure

由圖3 可知，雖然舾裝復(fù)合結(jié)構(gòu)的隔聲量計(jì)算曲線和試驗(yàn)曲線存在數(shù)值差異，但分析頻段范圍內(nèi)，曲線整體趨勢(shì)基本一致，總體吻合較為良好。由此可知，以舾裝復(fù)合結(jié)構(gòu)聲學(xué)分析模型計(jì)算結(jié)構(gòu)隔聲量是可行的。

2.2 舾裝復(fù)合結(jié)構(gòu)吸聲系數(shù)計(jì)算有效性驗(yàn)證

基于阻抗管法開(kāi)展典型舾裝復(fù)合結(jié)構(gòu)吸聲系數(shù)測(cè)試試驗(yàn)。構(gòu)件尺寸為Φ100 mm，能與阻抗管內(nèi)表面完全貼合。試驗(yàn)示意圖如圖4 所示。當(dāng)聲源被激發(fā)后，管中形成駐波聲場(chǎng)，以探管測(cè)得管長(zhǎng)方向駐波聲場(chǎng)的極值，從而求得駐波比和結(jié)構(gòu)的正入射吸聲系數(shù)。驗(yàn)證頻段為80～1 000 Hz，吸聲系數(shù)分析結(jié)果對(duì)比圖如圖5 所示。

由圖4 可知，與隔聲量對(duì)比曲線類似，舾裝復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)計(jì)算曲線和測(cè)量曲線在頻點(diǎn)處存在數(shù)值差異，但是2 種曲線整體趨勢(shì)基本一致，曲線總體吻合較為良好。由此可見(jiàn)，基于傳遞矩陣法的船舶舾裝復(fù)合結(jié)構(gòu)聲學(xué)性能分析方法有效。

3 船舶艙室噪聲特性研究

基于某型水面艦船結(jié)構(gòu)，探究舾裝復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)艙室噪聲特性的影響規(guī)律。該船總長(zhǎng)79.2 m，型寬17 m，型深4.3 m。依據(jù)結(jié)構(gòu)圖、舾裝圖等圖紙資料，建立統(tǒng)計(jì)能量模型。為保障寬頻結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析的有效性，一般需各子系統(tǒng)在分析頻帶的模態(tài)數(shù)大于5。為此，本模型對(duì)板子系統(tǒng)的劃分尺寸進(jìn)行控制，在計(jì)算頻率大于63 Hz 時(shí)，滿足統(tǒng)計(jì)能量分析對(duì)模態(tài)密度的要求。尾部板殼子系統(tǒng)模型如圖6 所示，聲腔子系統(tǒng)如圖7所示。子系統(tǒng)損耗因子參照文獻(xiàn)[8] 分析結(jié)果。

圖 3 典型舾裝復(fù)合結(jié)構(gòu)隔聲量Fig.3 Sound insertion loss for composite structure

圖 4 吸聲系數(shù)測(cè)試示意圖Fig.4 Schematic diagram for absorption coefficient the test

圖 5 典型舾裝復(fù)合結(jié)構(gòu)吸聲系數(shù)Fig.5 Sound absorption coefficient for composite structure

圖 6 尾部板殼子系統(tǒng)離散視圖Fig.6 Shrink view for stern shell subsystem

圖 7 尾部聲腔子系統(tǒng)離散視圖Fig.7 Shrink view for stern acoustic cavities subsystem

圖 8 考核艙室分布示意圖Fig.8 Schematic diagram of the position distribution of assessed cabins

圖 9 噪聲源設(shè)備振動(dòng)加速度級(jí)曲線Fig.9 Vibration acceleration level curve of noise source equipment

圖 10 噪聲源設(shè)備聲源級(jí)曲線Fig.10 Sound source level curve of noise source equipment

現(xiàn)以該船下甲板報(bào)務(wù)室與集控室為艙室噪聲特性研究對(duì)象（見(jiàn)圖8），以主機(jī)設(shè)備為激勵(lì)源，振動(dòng)加速度頻譜曲線及聲源級(jí)頻譜曲線如圖9～圖10 所示。通過(guò)在報(bào)務(wù)室和集控室地板以及靠近主機(jī)艙一側(cè)艙壁分別敷設(shè)上述3 種舾裝復(fù)合結(jié)構(gòu)，探究舾裝結(jié)構(gòu)對(duì)考核艙室噪聲特性影響規(guī)律。噪聲分析結(jié)果如圖11 和表3及表4 所示。

可以看出，敷設(shè)舾裝復(fù)合結(jié)構(gòu)可有效控制艙室噪聲，舾裝方案對(duì)降噪效果影響不大，圖10 中聲源級(jí)曲線基本重合。舾裝復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)低頻、中頻噪聲控制效果較好，在63～250 Hz 頻段，考核艙室各頻點(diǎn)聲壓級(jí)下降10 dBA 左右，在500～8 000 Hz 頻段，聲壓級(jí)下降3 dBA 左右。從聲壓總級(jí)來(lái)看，敷設(shè)隔音棉復(fù)合結(jié)構(gòu)降噪效果相對(duì)較好，報(bào)務(wù)室和集控室總聲壓級(jí)分別下降2.2 dBA 和2.5 dBA。另外，在3 種結(jié)構(gòu)中，復(fù)合巖棉板復(fù)合結(jié)構(gòu)具有更好的防火性能，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)權(quán)衡結(jié)構(gòu)綜合性能，選取最優(yōu)方案。

4 結(jié) 語(yǔ)

圖 11 考核艙室聲壓級(jí)頻譜曲線Fig.11 SPL（A）level curve for assessed cabins

表 3 報(bào)務(wù)室聲壓級(jí)/dBATab.3 Assessment for telegraph cabins SPL/dBA

表 4 集控室聲壓級(jí)/dBATab.4 Assessment for centralized control cabins SPL/dBA

本文基于傳遞矩陣法，建立了舾裝復(fù)合結(jié)構(gòu)聲學(xué)性能分析方法。并進(jìn)行舾裝復(fù)合結(jié)構(gòu)聲學(xué)性能試驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證了方法的有效性。在此基礎(chǔ)上，依據(jù)方法的分析結(jié)果，探究舾裝復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)艙室噪聲特性的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論：

1）舾裝復(fù)合結(jié)構(gòu)聲學(xué)性能分析方法和實(shí)驗(yàn)測(cè)試的頻譜分析結(jié)果趨勢(shì)一致，總體吻合良好，方法可有效分析結(jié)構(gòu)的隔聲量和吸聲系數(shù)。

2）舾裝復(fù)合結(jié)構(gòu)可有效控制艙室噪聲，其中隔音棉復(fù)合結(jié)構(gòu)降噪效果相對(duì)較好，報(bào)務(wù)室和集控室聲壓總級(jí)分別下降2.2 dBA 和2.5 dBA。

3）舾裝復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)艙室中、低頻噪聲控制效果較好。在63～250 Hz 頻段，各頻點(diǎn)降噪效果約為10 dBA，在500～8 000 Hz 頻段，降噪效果在3 dBA 左右。