船舶振动与噪声“源-路径-接受点”

张桂臣, 车驰东, 杨 勇, 孙增华

(1. 哈尔滨工程大学 船舶工程学院, 哈尔滨 150001； 2. 上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院, 上海 200240； 3. 中国船舶及海洋工程设计研究院, 上海 200011； 4. 大连海事大学 轮机工程学院, 辽宁 大连 116026)

船舶振动与噪声“源-路径-接受点”

张桂臣1, 车驰东2, 杨 勇3, 孙增华4

(1. 哈尔滨工程大学 船舶工程学院, 哈尔滨 150001； 2. 上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院, 上海 200240； 3. 中国船舶及海洋工程设计研究院, 上海 200011； 4. 大连海事大学 轮机工程学院, 辽宁 大连 116026)

针对国际海事组织MSC《船上噪声等级规则》修订案对我国造船业带来的挑战及船舶结构振动工程预报难点，研究船舶结构声传递规律，提出“源-路径-接受点”的系统分析法。按“振动源强度估算-传递路径计算-接受点能量分析”过程对船室空气噪声级进行计算，利用现场数据观测和数值模拟相结合的方法进行船舶结构振动的快速工程预报，开发“源-路径-接受点”法分析软件。对某船舱段进行噪声预报和半实物模拟分析，结果表明：“源-路径-接受点”法减少了船舶振动预报时间及设计风险，船舶舱室噪声预报误差lt;3 dB。

船舶工程； 振动与噪声； 噪声(振动)规范； 结构噪声； 噪声(振动)评价

船舶动力装置引起的振动不仅会引起周边结构疲劳破坏，其结构声传递后引起的二次声辐射还影响上层建筑舱室的适居环境。[1-2]高强度振动严重影响设备的寿命与可靠性，影响船员的工作、休息和健康。为提高船舶适居性，国际海事组织MSC.337(91)决议通过了《船上噪声等级规则》[3]，提出更高的船舶降噪标准，对1 600总吨以上新建船舶的噪声限值、隔声指数和测量方法等进行了修订，下调了噪声限值。海上人命安全公约(International Convertion for Safety of Life at Sea，SOLAS)将全部引用该规则,使之成为强制性标准和规范。该规则于2014年7月1日起正式生效，不满足噪声等级规则的船舶不能获得《船舶构造安全证书》，这将影响其入级。

此处利用解析法和数值法对船舶结构振动源及传递路径特性进行分析[1]，按“振动源强度估算-传递路径计算-接受点能量分析”过程“源-路径-接受点”(Source-Path-Receiver, S-P-R)法对舱室空气噪声级进行计算，研制船舶结构振动快速工程预报方法和基于数据库的结构振动预报软件[4]，为船舶设计单位提供整体声学和结构设计、振动预报和校核，以节约预报时间和成本、降低设计风险，提高我国船舶设计水平。

1 船舶减振降噪措施

船舶减振降噪涉及船舶设计、舱室结构、设备布置、隔音材料、工艺及建造等诸多因素，专业性强，因此使船舶满足噪声防护规范是一项系统工程。[1,5]船舶建成后，如果因不符合噪声等级标准而采取补救措施代价会较高，且未必能达到预期效果。针对船舶减振降噪问题，可预先进行船舶优化设计和设备合理布置，如共振问题可在设计阶段用有限元计算发现，并通过改进结构或对主激振设备进行重新选型来解决。通过现场测试及分析结果研究振动噪声传递规律的实验法，对船舶振动问题的反映最直观且可信度很高，因此各船级社及船厂把实测数据作为衡量船舶噪声与振动状况的依据，但这样操作太复杂且代价较大。

船舶结构振动及噪声传递机理的研究从简单的典型船舶连接结构到整船结构振动，从单一的平面波到多种相互耦合的非平面波，范围很广，研究方法主要有解析法、数值法和实验法。

1. 解析法多用于简化模型的机理研究，不适于对复杂的船舶结构工程进行分析。

2. 数值法为简化分析和计算的“近似”法，主要包括有限元法、迁移矩阵法和统计能量分析法。有限元法比较适合于低频振动问题的分析，因高频条件下的计算精度对参数及边界条件的变化较为敏感，有限元法高频分析具有一定局限性；迁移矩阵法把船舶作为一根梁分段处理，但通常只能得到前几阶自振情况，结果较粗略[6]；统计能量分析法在工程上通常用于计算整个结构振动能量的大致分布，但不能用于求解局部区域的振动能量的详细分布或对系统参数变化引起的振动速度场变化进行分析。

3. 实验法是在船舶建成后进行的，所测得的数据适于评估舱室空气噪声，验证解析法或数值法的正确性。

结构声最简便且研究最多是阻振质量[7]，即用“阻波”法研究阻振质量对平面弯曲波传递的抑制作用、阻振质量及转动惯量等参数变化对传递损失的影响。阻振质量和加强筋在理论分析中被简化为一根梁[8]，其中：加强筋通常是焊接在平板上的型钢，用于增加板的抗弯强度；而阻振质量通常是附加在平板或转角处的矩形截面或圆截面钢条，其作用是抑制结构声传递。

船舶振动噪声与船舶的设计、建造及使用等各个环节紧密相关，任一环节失误都可能产生严重的振动噪声问题。有些问题看上去是建造或设备工作异常引起的，其实是详细设计时没有考虑船舶声学特性导致的。这些失误可通过正确的声学性能优化而避免，因此不能把减振降噪放在补救措施上，应重视前期设计阶段的声学计算及优化。

2 噪声源-路径-接受点(S-P-R)法

目前，研究振动噪声问题多采用系统分析法，噪声预报、控制及优化均可遵循”S-P-R”过程进行(见图1)。

图1 S-P-R法船舶振动与噪声预报分析原理

1. 控制噪声源设备，尽量选择低噪声设备并保证其最佳安装状态。

2. 严格控制噪声传递路径，尽量增加各传递路径上的传递损失，使噪声影响范围受到很好的控制。

3. 优化接受点声学参数，如增大其房间常数等，使噪声能量被及时耗散或输入声波与目标声场时能量不会富集。

就传递路径而言，噪声可分为沿空气路径传递的空气声和沿弹性结构传递的结构声两大类。空气声的特点是沿空气途径仅以压缩波的形式传递，抑制手段主要是在其传递途径中提高分隔墙板的隔声量；弹性结构中，结构声的传播形式不仅限于压缩波(纵波)，同时还存在弯曲波及剪切波，情况较为复杂，通常所说的结构声是不同模式的结构振动在弹性结构中的传递。

S-P-R法的计算流程如下。

2.1振动源强度估算

首先确定引起接受点结构振动的主要因素，对振源进行识别与分类，以确定主要激励源。通常有以下几类：舱室机电设备(如柴油机、电机、泵、压缩机等)引起的振动；螺旋浆及轴系引起的结构振动(主要通过轴承传递给船体)；高声压级的空气噪声(如风机出口或柴油机排气口等)引起的结构振动；风浪流对船体造成的激励(该激励频率较低，主要引起船舶晃动)。

振源估算就是利用实测数据、经验公式，借助理论分析来确定各类振源的源强度，主要包括：引起接受点舱室维护结构振动的各类机电设备的结构振动源强度(振动加速度级)(基准值10-6m/s2)；室外或舱室噪声在接受点舱室维护结构外表面引起的声压级(基准值2×10-5Pa)。振源强度应尽量使用实测数据，只有在无法得到实测数据时才按照理论分析或经验公式进行求取。对于相距3 m以内的2个振声源，可将两者的源强度级能量叠加为一个振源处理，以两者中点作为声源中心。一台机械设备包含不同类型激励源时，各类声源的贡献需分开考虑。船舶振动源有很多，若某些设备的振动源强度明显低于其他设备(通常振动加速度级低约10 dB)，为简化计算，这些设备对舱室振动的贡献可忽略不计。

2.2传递路径计算

该环节的主要任务是确定结构振动能量从振源传递到接受点的主要路径，并计算出相应的传递损失。

能引起结构声传递衰减的环节包括：结构的转角及立柱、减振器及机座、有阻尼层的甲板及舱壁、任何可能引起结构振动反射的不连续结构。由噪声源至接受点的传递路径可能不止一条，因此在确定结构声传递路径时必须将全部可能的路径都考虑在内，只有当某条传递路径上的传递损失明显大于其他路径时，该传递路径才可忽略。

2.3接受点振级计算

源强度分别减去每条传递路径对应的传递损失，即可得到结构振动通过该路径传递到目标点的振动能量;将这些振动能量叠加，便可得到接受点的振动总能量。此时结合该接受点的阻抗，可求出该点的振动速度响应。在船上实测引起振动的荷载参数，同时检测船舶的结构振动与激励源(主要包括螺旋桨、船舶主机、副机、空压机、机舱风机等)的振动数据。将这些实测数据作为经验数据，用于S-P-R法优化船舶结构振动与噪声预报分析，提取结构振动最不利部位的数据，改进结构型式，实现减振降噪结构的优化。利用S-P-R法对存在振动噪声问题的船舶进行分析与减振优化，通过设置阻波手段采取相应的“补救措施”，实现减振降噪。

3 S-P-R法的应用

在船舶设计阶段对噪声进行控制至关重要，船舶80%以上的噪声控制工作应该放在该阶段。只有在设计阶段及时发现可能存在的问题，并作出相应的修改，才能避免船舶建成后出现噪声控制方面的严重问题。因此，除了结构强度与水动力性能设计以外，必须重视船舶声学设计。

声学设计环节中，在船舶基本舱室布置确定以后就将“噪声额度”(各舱室为满足噪声防护要求所能容纳或承受的最大噪声源强度)分配到各个舱室，然后参照这些额度的限定值考虑机电设备。如果不考虑舱室所能承受的噪声源强度，有可能引起噪声超标的问题；而一味选择低噪声设备又可能使得船舶成本大增。因此，这个环节对噪声控制与节约成本而言非常重要。

在船舶机电设备和结构确定后，通过S-P-R法预报船舶振动与噪声，对可能存在问题的舱室和各类缺陷进行改进与优化。这些缺陷包括设备引起的结构的共振，舱室声学参数不匹配以及可能存在的测漏路径等。船舶建造必须按照声学设计的要求进行，各类设备必须正确安装及对中，基础刚度等必须达到设计要求。在声学设计中未曾考虑的但可能引起振动及噪声问题的设备及舱段，在建造过程中必须就地补救，如适当加强结构薄弱处、在振动速度可能较大的地方敷设阻尼、给管路安装弹性隔振及抗冲击装置等。此外，船舶建造时还必须保证不产生额外的测漏路径，如缝隙及焊接不当等。

上述措施可保证设计工况下的减振降噪效果，但船舶营运过程中机电设备超负荷运行或异常会造成额外的振动噪声，如果减振降噪措施失效(如吸声材料损坏或减振器失效等)，也会产生较大噪声。因此在船舶营运中，可对机电设备进行故障诊断和预报。

4 S-P-R法船舶振动与噪声分析预报

利用解析法及数值法对船舶结构声传递进行建模，分析船舶主要机电设备的振动源强度及参数对结构声传递的影响。可利用S-P-R法软件分析船舶典型结构振动的传递规律，结合理论分析与实测数据回归经验公式，简化分析和计算的过程，实现工程快速预报。其内容包括：各主要机电设备的振源强度及对船体激励的模式，船舶结构几何参数、材料属性等对结构声传递的影响；结构连接处的阻抗匹配程度对结构声透射及反射系数的影响；结构声能量沿典型船体结构的衰减规律；S-P-R法计算程序对实际船舶结构中结构声的传递进行计算。

通过实船测试获得各主要机电设备的振动源强度及各典型船舶结构中振动能量的衰减规律。在船舶详细设计阶段进行船舶结构参数的振动与噪声工程预报。基于经验公式和实船测试数据库的S-P-R法软件，重点考虑各振源强度及振动能量沿典型结构的传递损失随决定性参数的变化规律，简单有效地估算由机电设备等引起的振动最终传递至接受点的能量级，计算简便且受边界条件影响较小。

基于S-P-R法的船舶振动与噪声分析预报软件克服了只有在完工后才能根据振动与噪声测量结果采取相应补救措施的难题，节省了相应的技术改造费用，极大地降低了因船舶振动与噪声不达标而被罚款的技术风险。该软件可用于船舶建造和设计工程技术人员的船舶减振技术培训，针对多种船型、船舶不同区域的噪声限值、舱壁和甲板隔声指数、噪声测量方法等进行振动和噪声检测与评估，可节约硬件投入与测量费用，节省计算分析时间。

5 试验分析

利用S-P-R法分析软件对某船主机舱及其正上方舱室振级进行预报。结构声源强度为主机舱地面甲板振动总加速度级，噪声源设备以高速柴油机实测数据为参考，估算某型船柴油机振动加速度级。甲板未敷设阻尼层，结构声传递过程中以转角损失为主，计算结构声由主机舱地面传至正上层舱室的传递损失，然后求得舱室围护结构各表面的振动加速度级。转角处不采取阻波措施时，转角传递损失随频率变化不大，故将低频数据作为全频段的传递损失的保守估算值。

基于S-P-R法的船舶振动与噪声分析预报软件的预报值：接受空间地板102.8 dB，纵舱壁98.3 dB；采用有限元法的分析值：接受空间地板110.3 dB，纵舱壁105.1 dB；半实物模拟舱段的实测值：接受空间地板100 dB，纵舱壁100 dB。由此可知，基于S-P-R法的船舶舱室噪声预报能达到一定工程精度，误差不超过3 dB。

6 结 语

通过研究噪声与振动在典型船舶结构中的传递规律，分析船舶结构参数变化对噪声振动能量传递的影响，研究具有针对性的船舶减振降噪措施。根据实测数据及经验公式建立船舶结构声传递模型，研制一套基于S-P-R法的船舶振动与噪声分析的预报方法和软件，为船舶提供声学设计、振动情况预报和校核，以节约振动预报时间和成本，降低设计风险。

[1] CHE Chidong, CHEN Duanshi. Structure-Borne Sound Attenuation at Corner Interface with Dynamic Vibration Absorber Attached [J]. Shanghai Jiaotong University, 2011, 16(6):750-758.

[2] 姚熊亮,计方,钱德进,等.典型船舶结构中振动波传递特性研究[J].振动与冲击,2009,28(8):20-24.

[3] 中国船级社.GD17—2013,船舶噪声检测指南[S].北京：中国船级社,2013.

[4] 张桂臣,车驰东,杨勇,等.基于S-P-R法的船舶结构振动与噪声分析快速预报软件[P].中国: 2014SR012378, 2014.

[5] ZHANG Guichen, PANG Huandong, HE Jiqing. Selection and Optimization in Vibration Isolation Structure of Marine Podded SSP Propulsion [J]. Applied Mechanics and Materials, 2012, 128: 280-284.

[6] YANG Yong, MA Jie, TANG Wenyong,etal. Shafting Alignment Based on Hydrodynamics Simulation Under Larger Rudder Corner Conditions [J]. Shanghai Jiaotong University: Science Edition, 2012, 17 (2): 1-9.

[7] 姚熊亮,计方,钱德进,等.偏心阻振质量阻抑振动波传递特性研究[J].振动与冲击,2010,29(1): 48-52.

[8] 何琳,何世平.阻隔质量对杆类结构弯曲波隔离的工程应用研究[J]. 声学技术,2007,26(1):153-158.

ShipVibrationandNoiseControlBasedon“Source-Path-Receiver”Method

ZHANGGuichen1，CHEChidong2，YANGYong3,SUNZenghua4

(1. College of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China; 2. School of Naval Architecture, Ocean amp; Civil Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China; 3.Marine Design amp; Research Institute of China, Shanghai 200011, China; 4. Marine Engineering College, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

The amendments to the “Code on Noise Levels Onboard Ships” of MSC IMO challenge the shipbuilding industry and bring difficulties to the engineering forecasting of ship structure vibration. The noise and vibration sources in ship structure and the law of vibration transmission are analyzed and the “Source-Path-Receiver” (S-P-R) systematic analysis method is put forth. The cabin air noise is calculated in accordance with “intensifying estimation of the vibration sources, calculation of transmission, energy analysis of reception”, and the fast engineering forecasting of ship structure vibration is made in conjunction with online data observation and data simulation. The response characteristics of a ship to noise and vibration are determined through both the noise analysis calculation and the semi-physical simulation experiment in the ship stern. The results show that the “S-P-R” method reduces the time for forecasting ship vibration and the design risks with the noise forecasting error of less than 3 dB

ship engineering; vibration and noise; vibration (noise) standard; structure-borne sound; noise (vibration) evaluation

2014-05-02

国家自然科学基金(51179102)

张桂臣(1971—)，男，山东青岛人，轮机长，教授，博士后，从事船舶节能减排研究。E-mail:zhanggc2004@163.com

1000-4653(2014)03-0108-04

TB533+.2

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