船舶机舱模型振声环境预报与控制

梁炳南，于洪亮,2，蔡延年

（1.大连海事大学 轮机工程学院，辽宁 大连116026；2.集美大学 轮机工程学院，福建 厦门361021）

船舶机舱模型振声环境预报与控制

梁炳南1，于洪亮1,2，蔡延年1

（1.大连海事大学 轮机工程学院，辽宁 大连116026；2.集美大学 轮机工程学院，福建 厦门361021）

以某航海教学实习船机舱为原型，将此振动—声辐射耦合系统简化为箱形多腔结构，建立多腔结构及其单元腔室有限元模型，考虑液舱布置与充液、激励源处设置隔振器等情况，对结构进行频率响应分析，运用声学边界元法对舱室噪声进行预报，通过对舱室中心场点声学贡献较大的板件进行约束阻尼处理，有效降低舱室噪声。并进行船舶机舱模型振动—声辐射实验。分析表明：研究三舱段船舶机舱模型振声性能时，充液及增加充液舱数，对模型固有频率影响明显，通过设置隔振器能有效降低舱室振声等级，在非激励源舱室敷设约束阻尼材料，也可起到较好降噪作用。

振动与波；船舶机舱模型；边界元法；声辐射；声学贡献度

为了实现船舶舱室振声环境的预报与控制，针对船舶动力舱室,可以采取安装隔振器的方法减小动力设备的振动传递;阻尼减振是将机械振动的能量转变成热能或其他能量，从而达到减振的目的，采用阻尼减振理论措施,在舱壁表面敷设阻尼材料以减小结构振动响应；此外船舶机舱为满足动力装置需要广泛布置液舱，动力设备所引起的振动会导致液舱结构和其中的液体产生耦合振动;船舶机舱是船员工作区域乃至居住区域的振动源和噪声源，寻找有效实用的预测分析和控制方法来解决船舶舱室噪声问题成为重要课题[1－5]。一般认为有限元+边界元方法在研究声辐射问题有较好的精度,并有较多应用[6－10]。以某航海教学实习船机舱为原型，将此振声耦合系统简化为箱形多腔结构，以发电柴油机振动为激励源，考虑液舱布置与充液、动力装置隔振、舱室敷设约束阻尼材料，运用有限元和声学边界元法对机舱简化模型的结构振动和声辐射特性进行了研究。并使用LMS test lab振动噪声分析系统对数值计算结果进行对比验证。

1 简化模型及其数值计算模型的建立

模型试验的原型为某航海教学实习船机舱。机舱分为主机舱和辅机舱，主机及相关的系统设备，机舱集控室、轮机储藏间布置在主机舱，3台主柴油发电机组布置在辅机舱内，机组采用隔振器安装。在主柴油发电机组和集控室的中间和两侧布置各类液舱和舱室。选取主机舱段和辅机舱段，并将其向艏部和尾部延伸了半个舱段，建立三个舱段模型，从形状上，实际船舶的机舱不规则，为了定性说明问题，同时考虑船舶结构对称性，将目标船机舱成比例简化为箱形多腔结构，建立简化模型如下：考虑船舶液舱一般靠近两舷并由船底结构和舷侧结构（或液舱壁板）组成，模型设置6个液舱（1—6号），液舱不充液时，可看作局部加强结构，模型设置了5个声学舱室，1号舱室和2号舱室对称设置，对1号舱室（类比机舱集控室）顶板和底板敷设约束阻尼材料。该模型试验的振动源仅是用激振器模拟发电机组设备，没有考虑主机、螺旋桨、波浪的干扰力，模型激励位置(1.0 m，0.25 m)处对称安装隔振器。机舱模型剖面图，如图1、图2所示。

图1 机舱模型水平剖面图

图2 机舱模型横剖面图

有限元模型坐标系采用笛卡尔坐标系，其X轴沿船体纵向指向船艏，Y轴沿船宽方向指向左舷，Z轴沿型深向上，参数如图所示。APDL语言编写材料参数及实常数，板材：ET,1,SHELL181&MP, EX,1,

2e11&MP,PRXY,1,0.3&MP,DENS,1,7 800 &SECTYPE,1,

SHELL&SECDATA,0.004,1,约束阻尼结构：ET,1,

SHELL 181&MP,EX,1,2e11&MP,PRXY,1, 0.3&MP,DENS,

1,7800&MP,EX,2,3.4E 6&MP,PRXY,2,0.49 &MP,DENS,

2,980&SECTYPE,2,SHELL&SECDATA, 0.004,1&SECDATA,0.002,2&SECDATA,0.002, 1,隔振器：ET,3,COMBIN

14&R,3,1.2e5,25&R,4,2.45e5,50&R,5, 5e5,42。模型两端（H端和S端）和中纵剖面（CL）均需约束，模型的边界条件详见表1。液舱设置方案详见表2。

表1 有限元模型边界条件

表2 液舱设置方案 单位/m

2 结构振动声辐射数值计算与实验验证

液舱设置采用方案六，激励源位置对称设置隔振器，1号舱室底板和顶板敷设约束阻尼材料，对结构振动和声辐射进行数值计算与实验验证，实物模型及测试系统如图3所示，有限元模型及边界条件如图4所示。考虑局部约束阻尼减振设计对整体结构振动阻尼特性的影响，应用模态应变能法，进行阻尼结构模态计算，求得频变材料的材料损耗因子及复合材料损耗因子，用于定义数值计算文件中的结构阻尼参数，采用完全法进行谐响应分析，频率计算区间设定为50 Hz～1 000 Hz。激励力幅值5 N。计算结果作为声学边界元模型边界条件输入，利用Virtual.Lab进行声场计算。实验室条件下利用激振器进行正弦扫描激励，声音信号采用压电式声传感器采集，LMS SCADAS硬件与LMS Test.Lab软件无缝集成，保证最佳数据质量和精度。

图3 实物模型及测试系统

图4 有限元模型及边界条件

通过数值计算与实验结果对比，如图5所示，场点1(0.05 m，0.075 m，0.10 m)处两者声压级随频率的变化规律具有一定的相似性，在230 Hz、410 Hz、560 Hz频率处误差较大，分别为7.7 dB、7.58 dB、 7.08 dB，其余对应各频率处误差集中在3 dB～4 dB之间，可以表明本方法预测该模型振声环境有较好的准确度。从图5还可以看出，声压级频率响应函数曲线在84 Hz、128 Hz左右出现峰值，模态分析表明舱室出现结构局部振动（对应第6阶和第15阶），图6给出了第6阶和第15阶的场点声压级云图，可以看出由于对1号舱室进行局部减振设计，1号舱室的声压级明显小于2号舱室。

图5 场点1声压级仿真与实验结果对比

图6 场点声压级云图

3 结构声学特性分析结果

3.1 液舱设置对舱室声学特性影响

利用已建立舱段有限元模型，通过调整充液舱室位置及数目，考察上述结构改变的声学效果。图7给出了1号舱室中心场点1七种方案的声压级频率响应函数曲线。

七种方案中场点1在低频振动频段内，因为结构的响应主要反映总体振动，舱室都产生了较高声压级。液舱充液及设置对模型固有频率影响明显，舱室辐射声频曲线向左移，结构固有频率下降，频率在50 Hz～1 000 Hz内相同阶数内充液导致声压级下降，七种方案舱室振声性能随频率的变化趋势均具有一定的相似性，如图7（b）所示改变充液舱室数目对声辐射性能峰值影响较大，从总体上看，增加液舱数量对于改善舱段振声性能有利。

图7 场点1声压级频率响应函数曲线图

3.2 设置隔振器对舱室声学特性影响

针对目标船辅机舱发电柴油机采用隔振器与基座相连的连接方式，利用已建立舱段有限元模型，通过设置隔振器，考察上述结构改变的声学效果。图8、图9给出了1号舱室中心场点1（0.5 m，0.075 m，0.1 m）、5号舱室中心场点2（1.25 m，0.25 m，0.125 m）处声压级频率响应函数曲线。

图8 场点1声压级频率响应函数曲线图

由模态理论及波动理论可知，当激扰力频率远低于机舱模型结构的固有频率或激扰力激发的模型弯曲波波长远大于模型长度时，模型的振动将主要表现为整体运动，布置隔振器对各舱室噪声的影响则相对较小。但由于模型结构是由面板、横板、局部加强结构等组成的复杂结构，弯曲波在各结构中的波长差异较大，且随着激励频率不同，不同舱室的振动响应也不相同。从场点1和场点2声压级频率响应函数曲线，可以看出激励频率较低时，安装隔振器对不同场点的噪声影响规律大致相同；而当频率较高时，规律差异则相对较大。从舱室噪声预报结果来看，对激励源位置设置隔振器可有效降低舱室噪声水平。

图9 场点2声压级频率响应函数曲线图

3.3 敷设约束阻尼材料对舱室声学特性影响

如图10所示，1号舱室声学贡献图能够清晰地表明不同面板在不同频率下的声学贡献，底板、顶板、左板和右板对设定的场点的声压贡献较为突出，使用约束阻尼的方法对面板振动进行约束控制，阻尼材料为橡胶，约束层为钢板。选取贡献较大的舱室顶板和底板，对其施加约束阻尼处理。

图10 舱室板块声学贡献量

1号舱室中心场点1（0.5 m，0.075 m，0.1 m）和2号舱室中心场点2（0.5 m，0.425 m，0.1 m）声压变化情况如图11所示，1号舱室敷设阻尼材料后，声压级变小，尤其在200 Hz～600 Hz频率范围之内,对舱室噪声改善明显。只在70 Hz～90 Hz频段和30 Hz、390 Hz～410 Hz频段附近有几个点声压级要高于场点2，这是因为结构在该频段产生共振辐射，形成共振峰值，此外由于阻尼结构在250 Hz这个频率范围对振动有较强的抑制作用，场点1声压级曲线有一个明显谷点。通过对舱室板件声学贡献进行分析，确定了各板件对于舱室的声学贡献性质。找出对应场点声学贡献较大的板件，通过对其进行约束阻尼处理，噪声水平的问题得以初步改善。

图11 场点1与场点2声压级频率响应函数曲线对比图

4 结语

本文研究了三舱段机舱模型振动声辐射特性。采用FEM/BEM法对结构模型的振动响应及舱室振动辐射噪声进行计算，并进行实验验证，针对本文设置边界条件下三舱段简化模型，得到如下结论：

(1)通过数值计算结果与试验结果的比较，证明数值仿真计算具有较好的准确度，在此基础上将振动模型利用间接边界元法进行进一步延伸分析；

(2)液舱对低频段首阶振动基本状态变化影响很小，随着频率的增高，共振频率向低频移动，对舱室声学环境的影响逐渐表现出来，从总体上看，增加液舱数量对于改善舱段振声性能有利；

(3)对激励源位置设置隔振器显著降低了激励源沿基座向船体结构振动能量的传递，具有较好的隔振效果；

(4)通过对舱室板件声学贡献进行分析，对声学贡献较大的板件敷设约束阻尼材料，有效降低了舱段振动和声辐射，改善了舱段的振声性能。

通过本文研究可指导船舶的声学设计和噪声预报，同时为船舶的振动噪声治理提供有效的依据。

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Prediction and Control on Vibro-acoustic Environment of Marine Engine Room Model

LIANG Bing-nan1,YU Hong-liang1,2,CAI Yan-nian1

(1.School of Marine Engineering,Dalian Maritime University,Dalian 116026,Liaoning China; 2.School of Marine Engineering,Jimei University,Xiamen 361021,Fujian China)

∶The engine room of a training ship for navigation teaching was taken as a prototype,and the finite element model of multi-tanks structure and its unit chamber was built when the vibro-acoustic coupling system was simplified.Frequency response analysis was carried out in the consideration of filling liquid,arrangements of the liquid tanks,and locations of excitation source with vibration isolator.The noise of ship cabin was predicted by means of acoustic boundary element method and the noise level was reduced effectively by using constrainted damping treatment on plates of a large amount of acoustic contribution to the center field.And the vibro-acoustic radiation experiment of the marine engine room model was conducted.Analysis indicates that the natural frequency is influenced obviously with different conditions of filling liquid and increasing the number of tanks filled with liquid.Vibration isolator can reduce the vibro-acoustic level.Constraint damping materials laid in the cabin with non-excitation source can also reduce noise effectively.

∶vibration and wave;marine engine room model;boundary element method;sound radiation;acoustic contribution

U661.44；TB532< class="emphasis_bold">文献标识码：ADOI编码：

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.06.024

1006-1355(2014)06-0107-05

2014-05-12

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(3132013337)

梁炳南(1983-)，男，吉林长春人，博士研究生，讲师，主要研究方向：船舶减振降噪及舱室声振环境预报。

E-mail∶lbn83@126.com