張小海

(海軍裝備部駐上海地區(qū)第八軍事代表室，上海 200011)

0 引 言

振動(dòng)噪聲問(wèn)題不僅關(guān)系到船舶的舒適性，也關(guān)系到船舶的聲目標(biāo)特征。動(dòng)力裝置是船舶最主要的振動(dòng)激勵(lì)源和噪聲源，而這其中進(jìn)排氣系統(tǒng)的噪聲會(huì)沿管路傳播，影響舷外的噪聲等級(jí)，產(chǎn)生很大整體聲目標(biāo)特征。

船上的管路形式多樣，包括圓管、方管，直管、彎管以及直角彎管、圓角彎管。由于船舶進(jìn)排氣管路長(zhǎng)度長(zhǎng)、分布廣且形式復(fù)雜的特點(diǎn)，一直以來(lái)對(duì)船上管路噪聲的控制都是一個(gè)難點(diǎn)。在以往的研究中，動(dòng)力裝置的進(jìn)排氣系統(tǒng)噪聲預(yù)測(cè)多集中在進(jìn)排氣出口管口聲輻射，鮮有研究關(guān)注管道壁面本身的聲輻射問(wèn)題。

但是對(duì)于大型船舶的主動(dòng)力進(jìn)氣管道，管壁聲輻射問(wèn)題不容忽視。主要原因如下：1）對(duì)于大型船舶來(lái)講，若主動(dòng)力采用舷外進(jìn)氣而非艙內(nèi)進(jìn)氣的形式，則必然采用較長(zhǎng)的進(jìn)氣管道穿過(guò)上層建筑，這導(dǎo)致管壁輻射源離艙室空間距離近，容易造成較大的艙室噪聲。2）進(jìn)氣管路尺寸大（最大可達(dá)2 m 以上），且進(jìn)氣管路截面為矩形截面，結(jié)構(gòu)的等效剛度小，容易被管內(nèi)噪聲激勵(lì)而引管壁結(jié)構(gòu)振動(dòng)。而管壁的結(jié)構(gòu)振動(dòng)會(huì)引起二次聲輻射，進(jìn)而在與進(jìn)氣管道相連的艙室內(nèi)引起噪聲。3）從熱絕緣的角度考慮，排氣管路外包覆有多孔隔熱材料，能起到一部分隔聲作用。而進(jìn)氣管路外部一般是裸露的，更容易輻射噪聲。

管道會(huì)在噪聲的激勵(lì)作用下發(fā)生受迫振動(dòng)，管內(nèi)噪聲通過(guò)與管壁的聲振耦合作用輻射到環(huán)境中，這一過(guò)程被稱(chēng)為“breakout”，Webb[1]對(duì)這一過(guò)程進(jìn)行了描述。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于管道聲輻射機(jī)制進(jìn)行了大量研究，并提出了有效的計(jì)算方法。Cremer[2]和 Heckl[3]研究了通過(guò)圓形截面管道壁的高頻傳遞損失。Brown 等[4]和Kuhn 等[5]研究了通過(guò)圓形管道壁的低頻傳遞損失。

Allen[6]引用的1 個(gè)非常簡(jiǎn)單的公式計(jì)算管道聲輻射，但該方法只在高頻下取得比較可靠的結(jié)果，無(wú)法用于低頻管道噪聲的預(yù)測(cè)。Cummings[7-8]針對(duì)低頻范圍內(nèi)矩形管道聲輻射的管壁傳遞損失計(jì)算問(wèn)題提出了wave solution 的計(jì)算方法，并且和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。在更高頻率范圍內(nèi)，Guthrie[9]和Cummings[10]等學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)和解析等方法均觀察到，當(dāng)管道內(nèi)存在高階模態(tài)的聲傳播時(shí)，管壁的傳遞損失曲線呈現(xiàn)以斜率為3dB/octave的增加規(guī)律。

本文以某船燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣管路為研究對(duì)象，首先使用wave solution 計(jì)算方法研究一段簡(jiǎn)單燃機(jī)進(jìn)氣管道的聲輻射特征，在此基礎(chǔ)上給出能維持艙室噪聲不超標(biāo)的最小壁面厚度。其次考慮壁面耦合和腔室負(fù)載的作用，利用商業(yè)有限元軟件計(jì)算燃機(jī)進(jìn)氣管口聲輻射和臨近艙室聲輻射的響應(yīng)。最后，基于計(jì)算結(jié)果給出控制艙室噪聲的建議措施。

1 簡(jiǎn)單管道聲輻射解析估算

在管道設(shè)計(jì)中，通過(guò)管壁輻射到環(huán)境中的噪聲程度可根據(jù)下式計(jì)算：

式中：Lw,out為噪聲通過(guò)管壁輻射到環(huán)境中的聲功率級(jí)， dB；Lw,in為管道入口處噪聲的聲功率級(jí)， dB ；S為向環(huán)境中輻射噪聲的管壁面積， m2；A為 管道的橫截面面積，m2；TLout為管壁的傳遞損失， dB。

對(duì)于矩形截面管道，有S=2L(a+b)，A=ab。 其中，a和b為管道的寬和高， m；L為向環(huán)境中輻射噪聲的管道的長(zhǎng)度， m 。根據(jù)上述公式可看出，只要能得到管壁的傳遞損失，就可計(jì)算出噪聲通過(guò)管壁向環(huán)境中輻射的聲功率級(jí)水平。但是，管壁的傳遞損失是聲振耦合問(wèn)題，影響因素復(fù)雜，既與管道的結(jié)構(gòu)、尺寸和材料有關(guān)，還與管道2 側(cè)的介質(zhì)屬性相關(guān)，解析計(jì)算的重點(diǎn)在于計(jì)算管壁的傳遞損失。

因此，對(duì)于矩形管道的傳遞損失計(jì)算采用wave solution 方法，通過(guò)建立管道內(nèi)噪聲以平面波形式傳播情況下管壁與噪聲的聲振耦合模型，計(jì)算得到管壁的傳遞損失。在更高頻率范圍內(nèi)，根據(jù)低頻范圍的計(jì)算結(jié)果，以3 dB/octave 的斜率向高頻方向拓展，估算管壁的傳遞損失。

圖1 wave solution 方法計(jì)算模型Fig. 1 wave solution method calculation model

令管內(nèi)氣體介質(zhì)密度為c，入射激勵(lì)頻率為f，則管內(nèi)波數(shù)為：

由于?γ2，令kx=ki計(jì)算α1,α2，并不會(huì)造成過(guò)大誤差，如下式：

令與xy平面平行的管壁在z方向上的振動(dòng)：

與xz平面平行的管壁在y方向上的振動(dòng)：

管壁的受迫振動(dòng)滿足邊界條件，如下式：

式中：令P0=0聯(lián)立求解上述邊界條件，得到幅值系數(shù)A1,A2,A3,A4,B1,B2,B3,B4。

計(jì)算xy，xz平面上壁面導(dǎo)納：

上式是通過(guò)曲線擬合，并非聲輻射系數(shù)的定義式。

管道傳遞損失：

計(jì)算的噪聲源輸入如表1 所示。

表1 燃機(jī)進(jìn)氣管路噪聲源計(jì)算輸入Tab. 1 Input for calculation of noise source in the combustion engine intake pipe

幾何輸入?yún)?shù)為：a=b=2.56 m；L=7.68 m ；材料特性參數(shù)為：楊氏模量E=2e11 Pa；ρ=7850 kg/m3；σ=0.3＞

當(dāng)管道外為自由空間時(shí)，按照wave solution 方法計(jì)算得到的燃機(jī)進(jìn)氣管外輻射聲壓級(jí)如圖2 和圖3所示。從圖2 可看出，隨著板厚的增加，管外輻射聲壓逐漸降低。這是由于厚度增加時(shí)，既能在低頻區(qū)域增加控制剛度，也能在高頻區(qū)域增加等效質(zhì)量，提高了管壁的隔聲效果，降低了管壁周?chē)妮椛渎晧?。?dāng)壁面厚度為4 mm，6 mm，8 mm 時(shí)，壁面輻射總聲壓級(jí)分別為76.2 dBA，74.5 dBA，73.2 dBA。按照IMO《船上噪聲等級(jí)規(guī)則》中的要求，機(jī)器控制室的工作面聲壓級(jí)應(yīng)低于75 dB。因此，為了滿足IMO 標(biāo)準(zhǔn)，所采用的進(jìn)氣管壁面厚度應(yīng)至少為6 mm。雖繼續(xù)增加壁面厚度有助于隔聲，但過(guò)厚會(huì)增大整個(gè)進(jìn)氣系統(tǒng)的質(zhì)量，不利于全船輕量化設(shè)計(jì)。

圖2 不同厚度下的壁面輻射聲壓級(jí)Fig. 2 Radiated sound pressure levels for different thicknesses

圖3 不同管道截面下的壁面輻射聲壓級(jí)Fig. 3 Radiated sound pressure levels for different pipe sections

從圖3 可看出，隨著管道尺寸的減小，壁面外的輻射聲壓級(jí)會(huì)增大。另外，管道尺寸減小也會(huì)增大管內(nèi)氣體流速，進(jìn)而增大進(jìn)氣阻力。因此，在噪聲源聲功率級(jí)不變的情況下，應(yīng)當(dāng)盡量使用截面較大的進(jìn)氣管道，但繼續(xù)增加進(jìn)氣管道會(huì)帶來(lái)重量增加的問(wèn)題，根據(jù)實(shí)船需要選定合適的管道尺寸。

wave solution 方法可以在設(shè)計(jì)之初給出管壁輻射聲壓的解析估算結(jié)果，但該方法也存在以下問(wèn)題：

首先，該方法適用的模型過(guò)于簡(jiǎn)單和理想化，難以直接用于評(píng)估實(shí)船復(fù)雜管路輻射噪聲，僅能給出一部分定性分析；其次，該方法沒(méi)有考慮到外部封閉腔室的輻射阻抗，無(wú)法在受限空間中準(zhǔn)確評(píng)估聲輻射效果。最后，該方法無(wú)法考慮到壁面聲振耦合的高階模態(tài)。

在利用解析方法完成估算后，有必要利用成熟的數(shù)值計(jì)算方法對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算效率，使用有限元方法建立進(jìn)氣管道的聲固耦合模型，計(jì)算進(jìn)氣管的管口聲輻射效果和壁面輻射效果。

2 燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣管道聲輻射數(shù)值計(jì)算

燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣管路幾何模型如圖4 所示。模型的聲學(xué)計(jì)算域包括進(jìn)氣管路、進(jìn)氣消聲器、進(jìn)氣集箱等。為了模擬管道壁面的二次聲輻射情況，在燃機(jī)進(jìn)氣管路的第1 個(gè)彎頭處建立周?chē)呐撌夷Ｐ汀Ｍ瑫r(shí)，建立進(jìn)氣管路和艙室之間的結(jié)構(gòu)壁面模型，管道內(nèi)聲學(xué)域、管道結(jié)構(gòu)壁面和艙室內(nèi)聲學(xué)域三者之間采用雙向耦合模型?？紤]到模型的計(jì)算規(guī)模和計(jì)算效率，僅建立和進(jìn)氣管路第1 個(gè)彎頭相鄰的艙室模型作為典型例子，分析管道的輻射特性。模型的邊界設(shè)定如下：入口邊界根據(jù)燃?xì)獾倪M(jìn)氣噪聲譜施加聲源入射條件?？紤]到噪聲出口的開(kāi)孔截面大，為使出口處噪聲充分發(fā)展，故在進(jìn)氣百葉窗周?chē)⒏郊佑?jì)算域，并設(shè)定輻射邊界條件。根據(jù)計(jì)算頻率上限，劃分計(jì)算網(wǎng)格，確保每個(gè)波長(zhǎng)內(nèi)至少有6 個(gè)單元，共劃分四面體網(wǎng)格共560 萬(wàn)。

圖4 燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣管路計(jì)算模型Fig. 4 Calculation model of gas turbine intake pipeline

圖5 給出了燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣噪聲源和經(jīng)過(guò)進(jìn)氣管路出口輻射的噪聲聲壓級(jí)對(duì)比。圖6～圖10 給出了部分頻率下的燃機(jī)進(jìn)氣管路和相鄰艙室內(nèi)的聲壓級(jí)分布。

圖5 燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣噪聲源與百葉窗處輻射噪聲對(duì)比Fig. 5 Comparison of gas turbine intake noise sources and radiated noise at louvers

圖6 頻率為31.5 Hz 時(shí)聲壓級(jí)分布Fig. 6 Sound pressure level distribution at 31.5 Hz

圖7 頻率為125 Hz 時(shí)聲壓級(jí)分布Fig. 7 Sound pressure level distribution at a frequency of 125 Hz

圖8 頻率為500 Hz 時(shí)聲壓級(jí)分布Fig. 8 Sound pressure level distribution at a frequency of 500 Hz

圖9 頻率為2 000 Hz 時(shí)聲壓級(jí)分布Fig. 9 Sound pressure level distribution at a frequency of 2 000 Hz

圖10 頻率為8 000 Hz 時(shí)聲壓級(jí)分布Fig. 10 Sound pressure level distribution at a frequency of 8 000 Hz

如圖5 所示，進(jìn)氣噪聲的總聲壓級(jí)為112.3 dBA，與柴油機(jī)不同，燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)氣噪聲呈現(xiàn)出隨著頻率的增高而逐漸上升的趨勢(shì)。500 Hz～8 kHz 的各個(gè)頻帶上A 聲級(jí)均可達(dá)到100 dBA 以上，說(shuō)明其葉片旋轉(zhuǎn)噪聲和氣流噪聲占比很大。管口輻射的總聲壓級(jí)為76.8 dBA。其中管路出口監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離進(jìn)氣百葉窗1 m，和百葉窗端面法向呈45°。

當(dāng)頻率低于500 Hz 時(shí)，對(duì)管道聲衰減起主要作用的是進(jìn)氣集箱，其內(nèi)部較大的中空結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)膨脹腔消聲器，阻止了進(jìn)氣噪聲向舷外傳播。當(dāng)頻率高于500 Hz 以后，隨著頻譜的增加，抗式結(jié)構(gòu)逐漸出現(xiàn)高頻失效現(xiàn)象。而消聲器中吸聲材料的高頻吸聲特性逐漸體現(xiàn)，從云圖上可能看到，當(dāng)頻率高于500 Hz后，聲波經(jīng)過(guò)消聲后有很大的衰減。

經(jīng)過(guò)進(jìn)氣集箱和消聲器的雙重降噪后，進(jìn)氣噪聲得到了很大的衰減，距離進(jìn)氣百葉窗1 m 處的總聲壓級(jí)降低至76.8 dBA。在艙室內(nèi)距離進(jìn)氣管路1 m 取了監(jiān)測(cè)點(diǎn)，計(jì)算得到的艙室內(nèi)平均聲壓級(jí)結(jié)果如圖11 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，進(jìn)氣管道相鄰的艙室噪聲主要集中在500 Hz 以上，這一方面跟燃?xì)廨啓C(jī)的噪聲源特性有關(guān)（500 Hz 以上噪聲源較高），另一方面也受到了腔室和管道之間的聲固耦合固有特性的影響。另外，由于艙室壁面這是為剛性壁，聲波在艙室內(nèi)形成混響。

圖11 不同頻率下艙室聲壓級(jí)大小Fig. 11 Cabin sound pressure level at different frequencies

在2 000 Hz 以上管壁的隔聲效果明顯下降。該現(xiàn)象的出現(xiàn)可用平板隔聲理論進(jìn)行解釋。在質(zhì)量控制區(qū)，當(dāng)入射聲波的頻率繼續(xù)增加時(shí)，材料內(nèi)部傳播的與頻率相關(guān)的彎曲波波長(zhǎng)會(huì)逐步接近空氣中的聲波波長(zhǎng)。吻合（波長(zhǎng)相等）首先發(fā)生在掠入射，即入射角為90°。吻合發(fā)生時(shí)，入射波與平板中的彎曲波互相加強(qiáng)。平板振動(dòng)的結(jié)果是導(dǎo)致板傳遞損失的大幅降低[11]。根據(jù)吻合頻率的計(jì)算公式可知，6 mm鋼板的吻合頻率為2 039 Hz，這與數(shù)值計(jì)算的結(jié)果較為接近。其中cL為縱波在板中傳播的速度。在管道表面未加包覆的情況下，艙室內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的總噪聲平均聲壓級(jí)可達(dá)到89 dBA。

3 燃機(jī)進(jìn)氣管道聲輻射控制措施

按照IMO《船上噪聲等級(jí)規(guī)則》中的要求，機(jī)器控制室的工作面聲壓級(jí)應(yīng)低于75 dB。因此，有必要對(duì)燃機(jī)進(jìn)氣管路進(jìn)行包覆，以減小其向周?chē)撌覂?nèi)的噪聲輻射。一般使用多孔吸聲材料進(jìn)行包覆。阻性吸聲材料一般用來(lái)達(dá)到寬頻降噪效果。吸聲材料是多孔介質(zhì)，由于排氣中的氣體分子與吸聲材料空隙之間有摩擦、黏滯力和熱傳導(dǎo)作用，導(dǎo)致聲波的能量轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，進(jìn)而達(dá)到降噪的作用。吸聲材料的聲學(xué)模型包括局部反應(yīng)模型和體積反應(yīng)模型，其中局部反應(yīng)模型僅考慮表面聲阻抗，不考慮聲波在吸聲材料內(nèi)的駐波效應(yīng)，適用于流阻率高或厚度比較小的吸聲材料。進(jìn)氣管道的尺寸比較大，因此內(nèi)部敷設(shè)的吸聲材料比較厚。顯然，考慮聲波在吸聲材料內(nèi)傳播的體積反應(yīng)模型更適用于其性能預(yù)測(cè)。在這種聲學(xué)模型內(nèi)，可將吸聲材料看作是一種等效流體，該流體具有特定的復(fù)聲速和復(fù)密度。準(zhǔn)確描述復(fù)聲速和復(fù)密度是預(yù)測(cè)阻性消聲器聲學(xué)性能的關(guān)鍵。本文采用Delany-Bazley 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠?lái)描述上述復(fù)特性。

所用的吸聲材料為90g/L 的硅酸鋁吸聲棉，按照上述理論計(jì)算，得到不同厚度吸聲面包覆后的傳遞損失如圖12 所示。由于吸聲棉的吸聲系數(shù)會(huì)隨著吸聲棉厚度的增加而增加，而且吸聲系數(shù)會(huì)隨著頻率的升高而增大。另外，由于艙室內(nèi)2 000 Hz 以上噪聲占主導(dǎo)，因此選擇吸聲棉厚度時(shí)應(yīng)當(dāng)至少要求其在2 000 Hz以上有不小于15 dB 的降噪量。

圖12 不同厚度吸聲材料的傳遞損失Fig. 12 Transmission loss of sound absorbing materials with different thicknesses

包覆不同厚度的吸聲材料后，艙室內(nèi)預(yù)估平均聲壓級(jí)如表2 所示。

表2 包覆不同吸聲材料后艙室內(nèi)平均聲壓級(jí)（dBA）Tab. 2 Average sound pressure level in the cabin after covering with different sound absorbing materials （dBA）

可以發(fā)現(xiàn)，包覆吸聲材料可以有效降低艙室內(nèi)的噪聲，為滿足《船上噪聲等級(jí)規(guī)則》中，并機(jī)器控制室的工作面聲壓級(jí)低于75 dB。因此，必須保證包覆的吸聲材料厚度在40 mm 以上，由于實(shí)際情況復(fù)雜，可考慮包覆厚度在50 mm 左右。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）對(duì)于船用燃機(jī)進(jìn)氣管道而言，由于其噪聲源激勵(lì)幅值高、管道尺寸大，這導(dǎo)致管壁聲激振動(dòng)引起的二次輻射噪聲不容忽視。

2）解析估算表明：隨著板厚的增加，管外輻射聲壓逐漸降低。隨著管道尺寸的減小，壁面外的輻射聲壓級(jí)會(huì)增大。對(duì)于本文研究的高度、寬帶均為2.56 m的大尺寸進(jìn)氣管段，管道壁面取6 mm 以上才可使進(jìn)氣消聲器和燃?xì)廨啓C(jī)之間的管道輻射噪聲降低到75 dBA以下。

3）數(shù)值計(jì)算表明，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣管道低頻聲衰減起主要作用的是進(jìn)氣集箱，其內(nèi)部較大的空腔結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)膨脹腔消聲器，阻止了進(jìn)氣噪聲向舷外傳播。當(dāng)頻率高于500 Hz 以后，隨著頻譜的增加，消聲器中吸聲材料的高頻吸聲特性逐漸體現(xiàn)。經(jīng)過(guò)進(jìn)氣集箱和消聲器的雙重降噪后，進(jìn)氣噪聲得到了衰減。距離燃機(jī)進(jìn)氣百葉窗1 m 處的總聲壓級(jí)降低至76.8 dBA。但在管道表面未采取控制措施的情況下，艙室內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的總噪聲平均聲壓級(jí)可達(dá)到89 dBA。

4）依據(jù)聲學(xué)包覆的隔聲特性以及艙室環(huán)境要求可知，進(jìn)氣管道的聲學(xué)包覆厚度為40mm 時(shí)，可使該船燃機(jī)進(jìn)氣管道相鄰艙室內(nèi)的管道輻射噪聲降低到75 dBA以下。