顧賽文，寧長(zhǎng)青，周宇雯，張兆德

（1. 舟山萬(wàn)達(dá)船舶設(shè)計(jì)有限公司，浙江 舟山 316021；2. 浙江海洋大學(xué) 船舶與機(jī)電工程學(xué)院，浙江 舟山 316022；3. 浙江省近海海洋工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 舟山 316022）

0 引 言

船舶降噪技術(shù)有多種，如吸聲處理、隔聲技術(shù)、隔振和阻尼等。目前對(duì)船用吸聲降噪材料的研究主要以多孔吸聲材料為主。祝日新等[1]和楊明等[2]介紹了目前吸聲材料的研究進(jìn)展情況；劉凱等[3-4]利用VAone軟件研究了泡沫塑料和多孔吸聲材料的吸聲性能；AKASAKA等[5]研究了二氧化硅細(xì)纖維的吸聲特性；胡凡等[6]通過(guò)軟件模擬，研究了阻尼復(fù)合板的隔聲性能；張?chǎng)挝腫7]在探究吸聲技術(shù)和阻尼材料之后，發(fā)現(xiàn)新型復(fù)合隔聲結(jié)構(gòu)具有良好的減噪效果；楊德慶等[8]研究了基體材料、阻尼材料、吸聲材料和隔聲材料組合的聲學(xué)包，證明了其可行性和有效性；申言鵬[9]和李坤[10]對(duì)船用吸聲材料進(jìn)行了研究。目前，有關(guān)材料的研究主要集中在聲學(xué)包[11-12]的研究?jī)?yōu)化方面，聲學(xué)包在船舶和汽車等領(lǐng)域的應(yīng)用較為廣泛。本文采用數(shù)值模擬方法研究材料參數(shù)變化對(duì)減噪效果的影響及其特性。

1 模型設(shè)計(jì)

在數(shù)值模擬軟件中采用統(tǒng)計(jì)能量分析（Statistical Energy Analysis, SEA）時(shí)必須建立腔室，故建立2個(gè)艙室，一個(gè)為聲源艙，另一個(gè)作為數(shù)值分析的模型對(duì)比。由于巖棉類防火吸聲材料一般敷設(shè)在底板或天花板上，因此在模擬時(shí)仍將其布置在艙室下層甲板上。

圖1為材料數(shù)值分析模型，建立2個(gè)艙室，左邊為聲源艙，右側(cè)相鄰艙室敷設(shè)有試驗(yàn)材料，所有板材都為加筋板設(shè)置，聲腔的吸聲系數(shù)選擇規(guī)則默認(rèn)值[13]，根據(jù)材料變化得到的整體聲腔的噪聲值變化研究材料的影響因素。由于有減噪需求的艙室一般為上層人員活動(dòng)艙室，故只對(duì)空氣噪聲作激勵(lì)聲源的情況進(jìn)行研究。在聲源艙室的艙壁和甲板上布置一定的吸聲材料，模擬中不做改變，測(cè)試的鄰艙敷設(shè)模擬的復(fù)合吸聲材料?？諝庠肼暭?lì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，為貼合船舶噪聲的特點(diǎn)，選用的激勵(lì)主要集中在高頻區(qū)。

圖1 材料數(shù)值分析模型

表1 空氣噪聲激勵(lì)數(shù)據(jù)

2 材料特性

該復(fù)合材料的主要作用為防火絕緣，將其敷設(shè)在甲板和艙壁上有一定的吸聲效果。該復(fù)合材料示意見(jiàn)圖2，其中：巖棉的厚度為50mm；纖維材料1的厚度為25mm；纖維材料2的厚度為1mm，是最外層；整個(gè)復(fù)合材料中嵌有0.7mm的鋼材（FENG[14]通過(guò)將薄板放置在多孔材料的表面或兩層之間，增強(qiáng)對(duì)低頻聲音的吸收）。

圖2 復(fù)合材料示意

改變復(fù)合材料中巖棉層的材料參數(shù)，對(duì)比改動(dòng)前后的噪聲差異和變化趨勢(shì)，對(duì)該材料進(jìn)行分析。采用的吸聲材料的基本屬性見(jiàn)表2。

表2 采用的吸聲材料的基本屬性

2.1 孔隙率

材料的孔隙率對(duì)吸聲性能的影響很大，對(duì)材料吸聲性能的研究一般從材料的孔隙率入手。戴銀所等[15]研究了泡沫鋁在不同孔隙率下的吸聲性能，得出了與本文比較相似的結(jié)論。

在研究材料中巖棉的孔隙率之前，對(duì)單一巖棉材料的孔隙率和降噪效果進(jìn)行數(shù)值分析比較。在試驗(yàn)所在艙室的地板上單一敷設(shè)50mm厚的巖棉，當(dāng)其孔隙率（取0.99、0.90、0.80、0.70、0.60、0.50、0.40、0.30、0.20、0.10）不同時(shí)，比較該艙室的噪聲值，結(jié)果見(jiàn)圖3。單純敷設(shè)巖棉吸聲時(shí)，其孔隙率在一定程度上對(duì)減噪效果有影響，孔隙率越低，減噪效果越差。但是，在該厚度下，艙室的噪聲值隨孔隙率的變化保持在1dB以內(nèi)。從結(jié)果上看，纖維材料的孔隙率越大，其吸聲性能越好。

同理，研究復(fù)合材料的孔隙率減噪情況。改變復(fù)合材料中巖棉的孔隙率（取0.10、0.20、0.30、0.40、0.50、0.60、0.70、0.80、0.90和0.99），將得到的結(jié)果繪成曲線（見(jiàn)圖4）。由圖4可知，與單一布置情況不同，復(fù)合材料的吸聲減噪效果并不是完全隨巖棉的孔隙率的下降而下降，而是在下降一定程度之后有明顯的回升，可估計(jì)當(dāng)巖棉的孔隙率為0.7左右時(shí)，該復(fù)合材料的吸聲效果最好，且材料整體隨孔隙率變化的降噪維持在0.5dB以內(nèi)，差異不大。

圖3 不同孔隙率下巖棉的吸聲效果

圖4 不同孔隙率下復(fù)合材料的吸聲效果

由圖3和圖4可知：若單純敷設(shè)多孔吸聲材料，其吸聲效果在一定程度上依賴于工藝，即提高孔隙率，實(shí)際的工藝只能使孔隙率盡量接近99.9%，以達(dá)到更好的降噪效果；若使用復(fù)合材料，則可選擇孔隙率合適的材料，而不是僅要求提高工藝技術(shù)。

比較孔隙率為0.95和0.80的聲壓級(jí)數(shù)據(jù)，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知：孔隙率為0.80的材料對(duì)低頻噪聲的吸收比不上孔隙率為0.95的材料；在中高頻部分，二者相差較小，但孔隙率為0.80時(shí)吸聲效果仍占優(yōu)。因此，若作用在船舶等以中高頻噪聲為主的場(chǎng)所，應(yīng)選擇孔隙率恰當(dāng)?shù)牟牧稀?/p>

表3 不同孔隙率下的艙室聲壓級(jí)數(shù)值比較

2.2 材料厚度

在相同情況下，單巖棉層吸聲材料的吸聲效果隨其厚度的增加而加強(qiáng)，具體數(shù)值分析結(jié)果見(jiàn)圖5。對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行研究，在其余材料厚度不變的情況下，分別設(shè)巖棉厚度為10mm、20mm、30mm、40mm和50mm，所得結(jié)果見(jiàn)圖6。在第2.1節(jié)的基礎(chǔ)上選擇孔隙率為0.7的巖棉材料，在其他條件不變的情況下，該材料隨巖棉厚度的變化趨勢(shì)與圖5類似，即隨厚度的增加，艙室噪聲降低。

圖5 不同巖棉厚度下巖棉的吸聲效果

圖6 不同巖棉厚度下復(fù)合材料的吸聲效果

由上述分析可知，在敷設(shè)此種復(fù)合材料時(shí)，當(dāng)巖棉厚度達(dá)到40mm左右時(shí)，可達(dá)到最佳的減噪效果，并不是吸聲層越厚越好，適當(dāng)調(diào)整復(fù)合材料中各種材料的厚度比例可提高減噪效果。纖維材料2的材料屬性與巖棉接近，改變其厚度可得到相似的變化趨勢(shì)，也在40mm厚度處出現(xiàn)峰值。

此外，綜合考慮孔隙率和材料厚度有助于有效降低艙室噪聲。表4為不同材料厚度下的艙室聲壓級(jí)數(shù)值比較。

表4 不同材料厚度下的艙室聲壓級(jí)數(shù)值比較

由此可見(jiàn)，在敷設(shè)吸聲材料時(shí)，除了考慮材料本身的吸聲特性以外（例如各種材料的配合厚度），還要結(jié)合船舶的特性，考慮整體敷設(shè)的厚度，使其在有限材料的基礎(chǔ)上達(dá)到最佳的吸聲效果。

3 材料敷設(shè)

復(fù)合材料在敷設(shè)時(shí)會(huì)按順序?qū)訉盈B加，材料敷設(shè)順序、材料分層等同樣影響材料的吸聲效果。下面對(duì)材料的敷設(shè)順序和分層數(shù)量進(jìn)行研究。

表5為材料屬性，選取3種纖維材料進(jìn)行數(shù)值模擬，研究材料敷設(shè)順序在減噪上的差別，計(jì)算模型仍采用圖1所示結(jié)構(gòu)。

表5 材料屬性

將這3種纖維材料組合，2種材料間布置有減振的鋼材（其屬性采用系統(tǒng)默認(rèn)數(shù)值），根據(jù)排列組合得到6種布置情況（見(jiàn)表6）。另設(shè)定3種材料的厚度相同，都為0.05m，將根據(jù)SEA法得到的結(jié)果作為對(duì)照組。

表6 不同布置順序下的艙室噪聲值對(duì)比 單位：dB

由于對(duì)照組的材料厚度相同，比較對(duì)照組的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在材料厚度相同的情況下，材料敷設(shè)順序在其中所起的作用不大；對(duì)照組的復(fù)合材料厚度和質(zhì)量等都比設(shè)定的試驗(yàn)組大，體現(xiàn)在試驗(yàn)組的噪聲值應(yīng)該比對(duì)照組大，然而在②①③和③②①的敷設(shè)順序下，試驗(yàn)組的噪聲值更低；單比較試驗(yàn)組，選擇合適的材料敷設(shè)順序能使整個(gè)艙室的噪聲降低近1.5dB。

圖7為材料的艙室吸聲率對(duì)比，比較了復(fù)合材料中敷設(shè)順序?yàn)棰冖邰俸廷冖佗蹠r(shí)整個(gè)艙室的吸聲率。從圖7中可明顯看出，②③①的敷設(shè)順序下艙室的吸聲率更大。將僅敷設(shè)材料①和材料③的數(shù)據(jù)作對(duì)比數(shù)據(jù)，可發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料對(duì)整個(gè)艙室的吸聲率的影響主要取決于最外層材料的吸聲特性，復(fù)合材料②③①的吸聲率與①接近，②①③的吸聲率與③基本重合，二者的差異主要體現(xiàn)在低頻區(qū)域。當(dāng)然，復(fù)合材料艙室的噪聲值仍小于單層材料艙室。

圖7 材料的艙室吸聲率對(duì)比

綜合以上對(duì)比結(jié)果可推測(cè)復(fù)合材料的最外層材料在減噪中起主要作用，在敷設(shè)材料時(shí)，應(yīng)盡可能地保證最外層材料的吸聲效果，可整體提高該材料的減噪、降噪性能。

此外，在不改變復(fù)合吸聲材料的總厚度和質(zhì)量等參數(shù)的情況下改變材料分層的數(shù)量，研究吸聲變化。根據(jù)上述研究，保持最外層材料的一致性，以圖5中的復(fù)合材料作為參照進(jìn)行模擬，研究3種復(fù)合材料的降噪效果，結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 材料多分層情況下的噪聲值對(duì)比

由表7可知，多分層情況下艙室噪聲差異較小，復(fù)合材料在敷設(shè)時(shí)對(duì)某材料的分段多次敷設(shè)在減噪、降噪方面的影響較小，可不考慮該因素帶來(lái)的噪聲差異。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)某特定的復(fù)合材料進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，比較了材料孔隙率、厚度和敷設(shè)順序等因素對(duì)該材料吸聲效果的影響，主要得到以下結(jié)論：

1) 針對(duì)特定的復(fù)合材料，在確定激勵(lì)的情況下改變材料的厚度和孔隙率，可達(dá)到較佳的降噪效果；

2) 材料的敷設(shè)順序?qū)ε撌医翟氲挠绊戄^大，主要取決于最外層材料的吸聲效果；

3) 同一材料分段敷設(shè)對(duì)艙室減噪基本無(wú)影響。