声学建模和阻尼损失系数对舱室噪声影响的研究

郑律，朱锐

（南通市地方海事局船检科，江苏南通 226000）

声学建模和阻尼损失系数对舱室噪声影响的研究

郑律，朱锐

（南通市地方海事局船检科，江苏南通 226000）

文章基于统计能量法（SEA）开展了声学覆盖层敷设位置对舱室噪声的影响研究，探讨了不同损耗因子对舱室噪声的影响，计算对比表明阻尼损失系数发生改变时，声学覆盖层的抑振降噪效果亦将发生改变。

统计能量法；声学覆盖层；舱室噪声；阻尼损失系数；抑振降噪

0 引言

根据船舶声学设计基本原则，为了降低船体的舱室噪声，在船体设计之初就要考虑船体的舱室布置形式，同时也要考虑阻尼层的敷设方式。[1，2]船舶声学预报的仿真方法主要有有限元分析法和统计能量法等两种，其中有限元法更适用于低频工况下的振动噪声的分析，而统计能量法多用于高频激励情况下的船体振动与噪声的计算分析。[3]

统计能量法（SEA）方法是一种适用于较宽频率范围的随机噪声的统计方法，从统计观点抽取被研究对象，以“能量”作为独立的动力学变量，使用能量—功率流平衡方程研究各个子结构之间的传递关系。SEA法在结构中高频声振环境预报方面具有独特的优势，特别是进入20世纪80年代以后，SEA法开始在理论和工程应用上有了新的进展，如非保守耦合、强耦合、激励相关性、试验SEA以及有限元和SEA相结合等，大幅提高了SEA计算精度。统计能量分析的基本原理是将复杂结构划分成若干子系统，当某个或者某些子系统受到激励载荷振动时，子系统间将通过边界进行能量交换；这样对每个子系统都能列出一个能量平衡方程，并最终得到一个高阶线性方程组，求解此方程组可得到各子系统的能量，进而由子系统能量得到各个子系统的振动参数，如位移、速度、加速度、声压等。由于声学覆盖层的有效作用频带多集中于中高频段，为此，本文借助统计能量法开展了声学覆盖层对复杂锥柱结构水下声学特性的影响研究。

1 舱室结构的简化计算模型

1.1 计算模型简介

本文对典型舱室敷设0.006m厚的纤维阻尼材料进行分析，将敷设阻尼材料的钢板分别置于激励源舱室和非激励源舱室，分别测量激励源舱室和非激励源舱室声压级响应。计算模型由声学覆盖层材料及舱室舱壁两部分组成。声学覆盖层多为粘弹性材料，并由吸声层、隔声层及阻尼层三部分结构组成，如图1所示。

图1 声学覆盖层结构示意图

利用基于统计能量法分析原理软件进行三维声学建模，采用粘弹性阻尼材料以及板、壳和空气声腔等统计能量分析子系统来模拟船舶结构，本文给定结构噪声激励，数值模拟模型如图2所示。

图2 数值模拟模型

1.2 工况及载荷设置

考虑到声学覆盖层敷设方式的不同及实际结构的阻尼差异，本文通过改变声学覆盖层部位（分激励源舱室敷设、非激励源舱室敷设）及阻尼损失系数（分阻尼系数η=0.1%、η=0.5%、η=1%）等方式，开展了声学覆盖层和阻尼损耗因子对舱室噪声声压级的影响研究，其工况设置如表1所示。

表1 计算工况表

由于只有子系统的模态密度或带宽△f内振型数N=n（f）△f足够大时（如N＞2），统计能量分析才具有足够的精度。对本计算模型进行模态数分析可知，复杂锥柱结构的有效计算频率为f＞200Hz。由此确定模型的分析频带为200Hz-8 000Hz。

2 声学覆盖层对舱室噪声的影响研究

船体结构在激扰力作用下将产生振动，并向舱室辐射噪声。当舱室结构表面敷设声学覆盖层材料时，由于声学覆盖层材料的阻尼及吸隔声性能，船体结构的振动及舱室声辐射性能也将发生改变。为便于讨论，下面依次讨论声学覆盖层敷设位置的变化及阻尼系数改变对舱室噪声声压级的影响。

2.1 不同敷设方式下舱室结构的振动特性分析

声学覆盖层敷设位置改变时，舱室结构的振动特性也会发生改变。图3给出了舱室结构阻尼损失系数η=1%，频率分别为200 Hz、800 Hz、3 150 Hz、8 000 Hz时，裸板船舶工况下的舱室结构振动速度级的分布。其它工况下舱室结构的振动响应分布情况与之相似。

从图3可以看出，振动响应主要集中在激励源舱室，而剩下两个非激励源舱室相对于激励源舱室来说位置相同，所以其振动响应相同。

图3 裸板船舶情况下舱室结构振动响应分布

2.2 声学覆盖层敷设位置对舱室噪声影响的分析

为研究声学覆盖层敷设位置对舱室噪声的影响，分别对激励源舱室和非激励源舱室敷设阻尼材料，分别对激励源所在舱室和非激励源所在舱室进行噪声预报，形成了5种工况，分别是裸板船舶、激励源舱室上下甲板和整个围壁敷设声学覆盖层、激励源舱室下甲板和整个围壁敷设声学覆盖层、非激励源舱室上下甲板和整个围壁敷设声学覆盖层、非激励源舱室下甲板和整个围壁敷设声学覆盖层。考虑在η=1%的阻尼损失系数的情况下，这5种工况下激励源舱室的舱室噪声情况如图4所示。可以发现，激励源舱室在计算频域内声压值不发生变化。尽管此舱室是一个混响空间，然而整个舱室声腔子系统作为一个统计能量分析子系统进行数值分析，噪声响应基本上是直达声，其对阻尼层边界条件并不敏感。

图4 激励源舱室声压

改变激励源舱室声学覆盖层（即裸板船舶、激励源舱室上下甲板和整个围壁敷设声学覆盖层、激励源舱室下甲板和整个围壁敷设声学覆盖层）的情况下，考察非激励源舱室1和非激励源舱室2的舱室噪声情况分别如图5和图6所示。可以看出，在激励源所在舱室区域敷设声学覆盖层，对于非激励源舱室有明显的降低，而且高频区域比低频区域更加明显，因而对船舶敷设声学覆盖层，耗散了结构振动能量，相当于增大了船舶结构的结构阻尼。

图5 非激励源舱室1的舱室噪声情况

图6 非激励源舱室2的舱室噪声情况

同时改变非激励源舱室声学覆盖层敷设情况的非激励源舱室的舱室噪声预报情况如图7所示。对于非激励源舱室敷设阻尼材料，明显能够达到很好的降噪效果，而且高频区域更加地明显，阻尼材料耗散了结构振动能量。由于在激励源舱室和非激励源舱室敷设声学覆盖层对激励源舱室的声压影响不大，而在非激励源舱室敷设声学覆盖层能够更好地降低非激励源舱室的舱室噪声，能够达到降噪的目的。

图7 非激励源舱室1的舱室噪声情况

2.3 声学覆盖层阻尼损失系数对舱室噪声的影响分析

由于阻尼损失系数对每个舱室的噪声影响趋势几乎一样，选择非激励源舱室1作为考察舱室，分别取覆盖层阻尼损失系数为η=0.1%、η=0.5%、η=1%等情况下进行分析，共分为四个工况进行研究，其中工况1为激励源舱室上下甲板和整个围壁敷设声学覆盖层；工况2为激励源舱室下甲板和整个围壁敷设声学覆盖层；工况3为非激励源舱室上下甲板和整个围壁敷设声学覆盖层；工况4为非激励源舱室下甲板和整个围壁敷设声学覆盖层。以工况1为例，声学覆盖层阻尼损失系数对舱室噪声影响如图8所示。

图8 工况1舱室噪声影响

由图8可以看出，随着阻尼损失系数的增大，舱室噪声是逐渐降低的。因为阻尼损失系数增加相当于耗散了结构振动能量，增加了舱室结构的结构阻尼。在频率为3 000Hz左右时，舱室噪声明显增大，这是因为在共振区域，阻尼影响起主要作用，因此3 000Hz声压显著增加是由于共振引起的。

3 结束语

利用统计能量分析方法，对舱室声学数值模拟模型进行计算分析，得到如下结论。第一，在激励源所在舱室敷设声学覆盖层，不会明显降低此舱室噪声，其对阻尼边界条件不敏感；对非激励源舱室噪声响应，有降噪作用。第二，在非激励源舱室敷设声学覆盖层，对非激励源舱室能起到降噪作用；并且非激励源舱室敷设声学覆盖层对非激励源舱室的降噪作用比在激励源所在舱室敷设声学覆盖层效果更好。第三，阻尼损失系数发生改变时，声学覆盖层的抑振降噪效果亦将发生改变：声学覆盖层的抑振降噪效果随阻尼损失系数的增大有所降低；同时，随着阻尼损失系数的增大，可以有效地降低船舶舱室声压响应。所以，对于非激励源舱室，敷设高阻尼的声学覆盖层能起到很好的降噪效果。

[1]于大鹏,赵德有.船舶上层建筑布置型式对噪声影响分析[J].造船技术，2004(5):14-18.

[2]朱英富,张国良.舰船隐身技术[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2005.

[3]姚德源,王其政.统计能量分析原理及其应用[M].北京:北京理工大学出版社,1995.

Study on the Influence of the Acoustic Modeling and Damping Coefficients on Cabin Noise

ZHENG LV,ZHU Rui
(Dept.of Ship Inspection,Nantong Local Maritime Bureau,Nantong 226000,China)

In combination with SEA,this article,based on an analysis of the influence of the laying position of the acoustic layer on cabin noise,studies the influence of different dissipation factors on cabin noise,the results of which indicate that the changes of the damping coefficients have a great effect on the vibration damping and noise reduction of the acoustic layer.

SEA;Acoustic layer;Cabin noise;Dissipation factor;Vibration damping and noise reduction

U663.8

A

1671-9891（2014）03-0047-05

10.3969/j.issn.1671—9891.2014.03.013

2014-04-15

郑律（1988—），男，湖北宜昌人，南通市地方海事局船检科助理工程师。