高速船全频段舱室噪声仿真预报

邱 斌 吴卫国 刘 恺

1武汉理工大学 交通学院，湖北 武汉430063 2高速船舶工程教育部重点实验室，湖北武汉430063

高速船全频段舱室噪声仿真预报

邱 斌1，2吴卫国1，2刘 恺1

1武汉理工大学 交通学院，湖北 武汉430063 2高速船舶工程教育部重点实验室，湖北武汉430063

鉴于有限元法（FEM）和统计能量法（SEA）在求解中频段船舶结构振动噪声问题中的有限性，引入有限元—统计能量（FE－SEA）混合法。介绍其基本原理的基础上，运用VA One振动噪声分析软件，采用有限元法、FE－SEA混合法和统计能量法分别求解低频、中频和高频段高速船舱室噪声，以此实现高速船舱室噪声问题的全频段分析。通过对比仿真值与实验值，证明应用FE－SEA混合法预报高速船中频段舱室噪声问题是有效可行的。

FE－SEA混合法；噪声预报；高速船

1 引言

船舶结构与船上的各种设备及周围水介质构成了一个非常复杂的动态系统，要对这一系统中的每一个构件逐一建立运动微分方程并考虑它们之间及周围水介质的相互耦合是难以实现的［1］。因此，在实践中常用数值方法来对动态系统的振动与声辐射进行研究。数值法包括能量法、有限元法与边界元法等。能量法适用于高频激励下模态密集结构振动与声的计算，如统计能量法［2］和能量有限元法［3］。有限元法和边界元法适用于低频激励下复杂结构振动与声的计算，其中有限元法多用于室内噪声的分析计算［4］，边界元法则既可用于内声场，也可用于外声场的计算［5］。由于复杂结构在中频段的动力特性差异较大，现有的计算方法均不适用于解决中频段的结构噪声振动问题。

Shorter和Langley在波动理论的基础上，提出了一种可用于计算中频段复杂结构系统声振问题的 FE－SEA 混合法［6－8］。 本文基于该混合法及集成了有限元、边界元和统计能量分析法的VA One软件，以高速船为研究对象，探索解决了船舶舱室噪声的全频段预报问题，并介绍了FE-SEA混合法的基本原理以及建模方法，可为工程应用提供一定的参考。

2 FE－SEA混合法基本原理

FE-SEA混合法的基本思想是，将系统分为确定性子系统和统计性子系统，两者之间采用混合连接方式。根据在结构中传播的波是否经过反射，将统计性子系统分为直接场和混响场，其中由激励产生的波，即入射波，称为“直接场”；经一次反射和多次反射的波的叠加，称为“混响场”。整个系统的总体运动方程为：从而可得到系统总体平均互谱响应：

因此，系统总体响应可以看作是确定性子系统与统计性子系统直接场受外部激励引起响应和统计性子系统混响场受混响载荷引起响应的叠加。

确定性子系统与统计性子系统的直接场的刚度矩阵可以写为：

式中，Dd为确定性子系统的动力刚度矩阵；为统计性子系统的直接场动力刚度矩阵。统计性子系统的混响场载荷可由下式表示：

式中，Em为第m个统计性子系统的混响场能量；nm为第m个统计性子系统的模态密度。Em可通过下式的混响场功率平衡方程求得。

式中，hnm为直接场与混响场之间的功率传递系数；为确定性子系统与混响场之间的功率损耗；M为模态重叠因子；为外部激励的输入m功率。

3 预报实例

3.1 模型的建立

本文的研究对象为某30 m级内河巡逻船，船体上层建筑采用铝合金制造，主甲板以下的船体采用钢材制造。在VA One软件中进行全船建模时，窗、门及其他各种开口均用金属板材代替，并根据实船图纸定义了4种不同厚度的铝、钢板材以及10种类型的加筋板。全船SEA模型共有93个加筋板子系统和13个声腔子系统。在模型中，将外流场简化为3个半无限流体子系统，并分别与船体两边的舷侧及船底相连接，同时，将外流场看作是一个只接受能量的SEA子系统，这可大大简化模型计算时间。全船SEA模型如图1所示。

图1 全船SEA模型Fig.1 The SEA model of whole vessel

3.2 划分分析频段

按照现有的声学计算方法，难以用单一的方法实现对复杂船舶结构全频段（20 Hz～20 kHz）的振动声学计算，因此，就需要对模型进行分析频段范围的划分，在不同的频段内采用不同的数值方法。在统计能量法中，可以根据统计能量模型中每个子系统的带宽内模态数N的多少来将所研究对象的频率范围划分为低频段、高频段和中频段，即当N≤1时，定义为低频段；当N≥5时，定义为高频段；当 1＜N＜5 时，定义为中频段［9］。由此，便可通过分析高速船SEA模型中子系统的模态数分布来确定频率范围。

本文主要是通过分析加筋板子系统的模态数分布来确定模型的频段范围。可以将加筋板看作是正交各向异性板，其模态数数量与板的尺寸及板材所用金属材料的属性参数（质量密度、弹性模量、剪切模量和泊松比）有关［9］。

经统计，在200 Hz时，模型中加筋板子系统的模态数多大于 5（图2），故可以将 200 Hz～20 kHz划为高频段。

如图3所示，在20～50 Hz频率范围内，模型中各加筋板子系统的模态数多小于1，因此，可以将20～50 Hz划为低频段。

在63～160 Hz频率范围内，上层建筑各子系统的模态数明显多于主甲板以下船体各子系统的模态数（图4、图5），上层建筑各子系统的模态数均大于1，且大部分子系统的模态数都在5以上；而主甲板以下船体各子系统的模态数则多小于5，且大部分子系统的模态数都小于1，这种差异性是由二者所采用的金属材料不同所引起的。63～160 Hz频率范围的模态数分布与高频段、低频段有着显著的不同，故可将其定义为中频段。

图 5 63～160 Hz主甲板以下船体各子系统模态数Fig.5 63～160 Hz modes number of subsystem of hull that below the main deck

3.3 建模及舱室噪声预报

图2 200 Hz～20 kHz加筋板子系统模态数Fig.2 200 Hz～20 kHz modes number of stiffened plate subsystem

图4 63～160 Hz上层建筑各子系统模态数Fig.4 63～160 Hz modes number of superstructure subsystem

图3 20～50 Hz加筋板子系统模态数Fig.3 20～50 Hz modes number of stiffened plate subsystem

对模态数大于5的高频段，适于采用统计能量法；对模态数小于1的低频段，采用有限元法较为准确［9］。本文是应用由VA One软件建立的结构有限元和声腔有限元模型进行低频段结构振动和声学响应分析，采用SEA模型进行高频段结构振动和声学总体平均响应分析。全船有限元模型如图6所示，有限元声腔模型如图7所示。

图6 全船有限元模型Fig.6 The FE model of whole vessel

图7 有限元声腔模型Fig.7 The FE model of cavity

在63～160 Hz的中频段内，因模态数分布差异较大，单独使用有限元法或统计能量法进行建模分析既不经济，也不准确，为此，本文采用FESEA混合法来对中频段舱室噪声问题进行预报分析。具体的建模方法为：对模态数较多的上层建筑建立SEA模型，对模态数较少的主甲板以下的船体建立FE模型，两者之间则采用混合连接，从而建立全船FE-SEA混合模型（图8）。

图8 FE-SEA混合模型

由于高速船的舱室密封性较好，舱室噪声的主要成分是结构噪声，空气噪声所占的比重较小，故本文主要模拟由主机与螺旋桨的激振力所引起的结构噪声。在本模型中，将系统的外部激励输入简化为两个：主机作用在机舱船底板上的结构激励和螺旋桨产生的脉动压力对舵机舱底板上的激励作用。根据经验公式估算，得到了如图9、图10所示的激励频谱。

图9 主机激励Fig.9 Main engine excitation

图10 螺旋桨激励Fig.10 Propeller excitation

对噪声水平要求较高的工作室、会议室以及驾驶室的全频段声压级如图11所示，图12～图14为100 Hz～20 kHz频段范围内工作室、会议室以及驾驶室声压级的实测值与仿真结果的比较［10］。从图中可看出，在中频段，工作室、会议室以及驾驶室的声压级仿真值与实测值极为接近，而在200 Hz以后的高频段，仿真值则明显大于实测值。造成这种差异的主要原因是，在进行实验测试时，实船上安装了大量多孔吸声材料，而在模型预报时却没有进行噪声控制处理。由于多孔吸声材料主要是吸收高频噪声成分，其对中、低频噪声的吸收效果较差，因此，中频段的仿真值与实测值较为接近，这说明中频段的仿真值是较为准确合理的。

图11 工作室、会议室以及驾驶室声压级Fig.11 Sound pressure level（SPL） of workroom，meeting room and bridge

图14 驾驶室声压级实测值与仿真值Fig.14 Test and simulation SPL of bridge

4 结束语

本文采用有限元法、统计能量法及FE－SEA混合法对某高速船全频段舱室噪声进行了仿真预报，为复杂船舶结构全频段声振问题的预报提供了实例参考，并且通过比较中频段舱室噪声仿真值与实验值，证明应用FE－SEA混合法预报高速船中频段舱室噪声问题是有效可行的。

FE－SEA混合法的出现进一步扩展了有限元法与统计能量法的应用频率范围，这种方法在解决船舶结构声振问题上有一定的工程实用价值，但其适用范围还有待进一步的研究。

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Full Spectrum Simulation Prediction of High-Speed Vessel Cabin Noise

Qiu Bin1，2Wu Wei－guo1，2Liu Kai1

1 School of Transportation， Wuhan University of Technology， Wuhan 430063， China 2 Ministerial Level Key Laboratory of High Speed Ship Engineering，Wuhan 430063，China

Based on the limitations of the Finite Element Method （FEM） and Statistical Energy Analysis（SEA） in solving the mid－frequency noise and vibration problems of ship structure， the paper introduced Hybrid FE－SEA method，which could perform in mid－frequency acoustic environment of complex structure.With the application of the noise vibration analysis software VA One， the paper respectively calculated the low frequency，mid－frequency and high frequency cabin noise by the finite element method， FE－SEA hybrid method and statistical energy method， thus to realize the full spectrum simulation prediction of high－speed vessel cabin noise.By comparing the simulation with experimental data，the results prove that the FE－SEA hybrid method is feasible and effective for the mid－frequency prediction of high－speed craft cabin noise.

hybrid FE－SEA method； noise prediction； high-speed vessel

U661.44

A

1673－3185（2011）06－49－05

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.06.010

2010-03-15

邱 斌（1984－），男，硕士研究生。研究方向：船舶结构振动与噪声控制。E-mail：qiubin32＠163.com

吴卫国（1962－），男，教授，博士生导师。研究方向：船舶结构强度设计与研究、结构振动噪声与控制等。E-mail：mailjt＠163.com