30 m 全回转拖轮舱室噪声预报

刘甄真，温华兵，陆金铭，昝浩

(江苏科技大学振动噪声研究所，江苏 镇江 212003)

全回转拖轮是指在原地可以360度自由转向的拖轮。由于动力设备众多以及机舱内布置的复杂性，长期以来拖轮舱室振动及空气噪声控制的问题没有得到很好的解决，严重影响船员的健康与舒适度。根据GB 5980-2000规定，船长30～75 m的内河船舶，机舱的噪声限制值为90 dB(A)，会议室的噪声限制值为70 dB(A)，卧室的噪声限制值为65 dB(A)。为了有效控制拖轮的结构振动和舱室噪声，需要在设计阶段对其进行严格的噪声仿真预报。

张娟[1]基于Auto-SEA2研究了船舶的典型动力源辐射噪声；郦茜[2]基于统计能量法研究了高速船的静噪声预报与控制；刘凯[3]基于Auto-SEA对鱼雷结构辐射噪声进行了研究。目前国内对全回转拖轮舱室噪声的研究较少，本文基于统计能量法，研究了30 m全回转拖轮的舱室噪声。

基于VA One软件，探讨了全回转拖轮的建模方法，建立了全回转拖轮的舱室噪声预报模型，将拖轮划分为七个主要的物理子系统，建立了七个物理子系统的能量分析模型，确定了拖轮激励位置及大小和噪声源的排序。将仿真结果与相同船型的测量结果进行对比，验证了基于统计能量法建立预测全回转拖轮舱室噪声预报模型的可行性，从而为拖轮的噪声控制提供了依据。

1 全回转拖轮舱室噪声预报模型

1.1 拖轮噪声预报模型的建立

研究对象为某船厂的30 m全回转拖轮，船长36.8 m，船高10.9 m，水线长35.5 m，型宽10 m，型深4.4 m，设计吃水3.4 m，肋距离0.5/0.55 m，梁拱B/50，定员13 P；船体基本结构采用Q 235钢材制造。VAOne的全船建模步骤如下：

(1)确定并设置建模所需的模块

对拖轮中的一些结构进行等效简化，确定这些结构需要由哪些模块来创建。根据拖轮每个部分的尺寸和材料的物理属性，在软件中完成设置。建模时所用的材料均选用钢材，窗、门及其他各种开口均用钢板代替，主机采用一块施加主机激励的厚板代替。

(2)根据模型的特点，设计合理的建模流程

该拖轮的模型底部肋板结构较为复杂，并且跟舱室子结构的连接较多；而舱室和上层建筑结构相对简单，因此先创建复杂船底，再创建中间舱室，最后创建上层建筑。

(3)根据船的结构划分物理子系统

合理划分物理子系统是成功应用统计能量分析法的关键。划分子系统需要满足相似性条件和显著性条件。相似性条件指期待这组子系统几乎具有相等的激励和阻尼，如果满足这一条件，那么这些子系统几乎具有相等的振动能量；显著性条件指这些子系统在能量的传输、消耗和能量存贮中起着重要作用[4]。根据两个条件分析子系统间的连接关系，并建立统计能量分析模型。

(4)根据前几步的准备，创立几何子系统

(5)连接各个几何子系统

几何子系统连接为软件自动连接,对于没有公共边界的几何子系统，则需要用户手动创建连接。模型创建完成之后,用户可以通过“连接”对话框中“相连的子系统”来对创建完成的几何子系统进行检查[5]。

(6)确定舱室噪声来源，并分析各个物理子系统间的功率流传递。

(7)计算激励大小并确定噪声源的排序。

(8)计算输出结果。

1.2 30m全回转拖轮的SEA模型

全船SEA模型如图1所示。拖轮的窗、门及其他各种开口均用钢板代替。整船SEA模型共有131个声腔和438个板结构。在模型中，将外界流场简化为4个半无限流子系统，并与船体两边的舷侧及船底相连接。

1.3 拖轮的功率流分析

整个拖轮可以划分为7个存储能量的振动模态群（即物理子结构），图2为这7个物理子系统的主要能量分析模型。

由功率流分析建立拖轮的能量平衡方程为

图2 子系统的能量分析模型

式中ω是分析带宽内的中心频率Ei，ηi分别是i子系统的能量和内损耗因子，ηij是振动能量从i子系统传至j子系统的耦合损耗因子，耦合损耗因子之间满足互易原理[6]，即

其中ni表示子系统的模态密度。

在已知输入功率P1in、P2in和内损耗因子ηi的情况下，就能求解方程获得子系统能量Ei,由Ei求解所需要的振动级、声压级、应力和压力等动力学参数。

对于每个结构或者声学的子系统,具有一个与其时间平均或空间平均振动速度Vi或者声压pi成比例的稳态能量关系。对于质量为Mi的结构子系统有

对于体积为Vi的闭空间声场子系统,有：

式中ρ为声场介质密度，c为声速。

1.4 激励的确定和声源排序

船舶噪声主要为主机噪声和螺旋桨噪声。主机噪声是船舶噪声源中最主要的噪声源,可分为空气噪声和机械噪声两部分。螺旋桨是船舶的又一个主要噪声源,主要分为引起船体振动所产生的噪声和直接产生的噪声[7]。

该全回转拖轮为双主机双螺旋桨配置，主机的型号为YAMA-6 EY 26 W，额定功率为1 800 kW，额定转速750 r/min，齿轮箱转速比为3.201 9，螺旋桨采用四叶桨。在本模型中系统的外部激励简化为三个：主机的声功率激励、主机作用在机舱基座上的结构激励，螺旋桨产生的脉动压力对螺旋桨机舱底板上的激励作用。根据经验公式[8,9]可以分别计算出主机和螺旋桨的激励频谱，如图3—图5为这三个声源的激励频谱图。

图3 主机声功率频谱

图4 主机激振力频谱

为了确定三种激励对舱室噪声的贡献，将主机空气噪声声功率在机舱空间里对于舱壁的作用，主机激振力在主机基座上的作用，以及螺旋桨激振速度对螺旋桨舱室底板的作用分别单独考虑，计算它们各自引起的船长室、船员室和会议室的声压级，如图6—8所示。

图5 螺旋桨激振速度频谱

图6 加载不同激励源时船长室声压级

图7 加载不同激励源时船员室声压级

图8 加载不同激励源时会议室声压级

从图6—图8可知，每个频率段，噪声源的排序是不一样的。16～63 Hz频率段，螺旋桨激振速度引起的噪声对舱室噪声的贡献最大，其次是主机激振力引起的噪声；63～200 Hz频率段，主机激振力引起的噪声对舱室噪声的贡献最大，其次是螺旋桨激振速度引起的噪声；200～20 kHz频率段，主机激振力引起的噪声对舱室噪声的贡献最大，其次是空气噪声声功率辐射引起的噪声。通过仿真预报，可以计算出全频段每个声源对舱室噪声的贡献率，由于声压不能叠加，而声能量可以叠加计算，根据声能量叠加原理，可以知道单个噪声源对总的噪声的贡献率为

式中ηn为声源n对舱室噪声的贡献率，En为声源n在舱室中产生的声能量，Lpn为噪声源n在舱室中产生的声压级。

2 舱室噪声结果分析

为了验证仿真预报的正确性，对实船进行相应的噪声测试。测量仪器为丹麦B&K 2250噪声测量仪，在主机处于100%工况（即转速为750 r/min）时，对船员室、船长室、会议室等舱室进行声压级测量。图9—图11为船员室、船长室、会议室这三个舱室的实验测量值与仿真值对比图。

图10 船员室声压级对比图

图11 船长室声压级对比图

由图9—图11可知，三个房间的仿真结果与实验结果曲线变化趋势一致，而在80 Hz之后，仿真值要明显大于实测值。这是由于实验测量时拖轮的舱壁上粘贴了大量的多孔吸声材料，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吸收中高频段噪声，所以中高频部分的实验结果会比仿真结果偏小。

从仿真结果可以看出，会议室、船员室、船长室的总声压级为 74.9 dB(A)、75.4 dB(A)、79.3 dB(A)，表明船长室是受噪声源影响最大的房间，会议室是受噪声源影响最小的房间，这是由于随着相对振动源的距离的增大，其振幅不断减小。出现这种现象的原因有以下几点：

(1)振动能量在沿船体传递时，不断的被结构吸收；

(2)散波波前的扩大[7]。

根据公式(5)可以进一步计算出各个噪声源产生的噪声对舱室噪声的贡献率，噪声源贡献率情况如表1所示。从整个分析频率段来看，主机激励力引起的噪声对舱室噪声的贡献率远大于主机空气噪声和螺旋桨激励噪声对舱室噪声的贡献率。

表1 噪声源的贡献率

从整个分析频率段来看，三个舱室的仿真结果与预测结果的整体绝对误差小于6 dB(A)，如表2所示。误差满足工程精度要求，证实了本文所建统计能量分析模型对全回转拖轮舱室噪声预报的可信性。

表2 仿真结果与实验结果的误差

3 结语

(1)三个房间仿真结果与实验结果整体误差满足工程精度要求，表明在满足相似性条件和显著性条件的前提下，使用VA One将全回转拖轮划分为7个物理子系统的步骤和方法是合理有效的；

(2)通过对拖轮单独施加激励源，说明每个频率段对舱室噪声贡献最大的噪声源是不一样的。在进行拖轮减振降噪处理时，16～63 Hz频率段，螺旋桨减振控制是首要考虑对象；63～20 kHz频率段，主机减振控制是首要考虑对象。而通过对声源整体贡献率的计算，可以得出全频段内主机激励力引起的噪声对舱室噪声的贡献率达到90%以上，进一步说明主机减振控制的重要性；

(3)从仿真结果可以看出，会议室、船员室、船长室的总声压级为 74.9 dB(A)、75.4 dB(A)、79.3 dB(A)，表明船长室是受噪声源影响最大的房间，在进行拖轮舱室吸声处理时，船长室应该重点考虑。

[1]张娟，李天匀.基于Auto SEA 2的船舶典型动力源辐射噪声分析[J].船舶力学，2008，12(5)：819-823.

[2]郦茜，吴卫国.基于Auto SEA的高速船静噪声预报与控制[J].中国舰船研究，2008，3(1)：28-30.

[3]刘凯，朱石坚.基于Auto SEA的鱼雷结构辐射噪声预报方法[J].鱼雷技术，2010，18(2)：91-94.

[4]孙进才，王冲.机械噪声控制原理[M].西安：西北工业大学出版社，1993.

[5]ESI Group.VA One 2010.5 Tutorials guide[M].France,2011.

[6]姚德源，王其政.统计能量分析原理及其应用[M].北京：北京工业大学出版社，1995.

[7]朱英富，张国良.船舰隐身技术[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2003.

[8]尼基福罗夫.船体结构声学设计[M].北京：国防T.业出版社，1998.

[9]Nilsson A C.Noise prediction and prevention in ships[C].Arlington,1978.