基于VAOne的船舶噪声预报及分析

欧礼坚，李德玉， 欧家铭，徐海汐

（1.华南理工大学土木与交通学院；2.自动化学院，广州510640; 3.广州理坚船舶工程有限公司，广州 510640）

1 前言

国际海事组织（IMO）海上安全委员会（MSC）第90次会议批准了《船上噪声等级规则》修订草案，对1 600 总吨适用的船型、船舶不同区域的噪声限值、舱壁和甲板隔声指数、噪声的测量仪器和测量方法等进行了修订，修订案已经生效执行，对船舶的降噪性能提出了更高要求，对造船业产生重大影响。据统计，在已建造好的船上安装声学器材的代价约为设计中预先采取措施所需费用的3 倍左右。在船舶设计阶段对船舶舱室噪声给出合理的预报，使其噪声水平满足任务书和相应标准的要求是很有必要的。在设计阶段对船舶舱室噪声进行预报并提出声学设计的改进措施对缩短造船周期、降低造船成本、提高船舶安全性能有着非常重要的作用。

与先进国家的造船企业相比，我国船企目前在船舶降噪理论和对新技术的研究，尤其在应用技术研究方面有很大差距，因此船舶舱室噪声的预报方法已经成为我国现阶段学术界及工程界的研究热点之一。

2 统计能量分析理论及VA One软件概况

2.1 统计能量分析理论

统计能量分析（SEA）是20世纪60 年代初期为模拟大型结构物的振动噪声而提出的用于研究结构高频动态特性的一种计算方法，在航空、舰船、汽车、高速列车等领域得到越来越广泛的应用。

统计能量分析方法运用统计的观点，从能量角度分析复杂结构在外载荷作用下的响应，可以成功预测耦合结构元件和声学容积的振级和噪声，也能很好地解决声场与结构间的耦合问题。对于受高频、宽带随机激励的复杂结构动力响应及其噪声辐射问题，用统计能量法尤为有效。该方法以统计物理学原理为基础，将复杂结构分解成一系列子系统，以每一子系统内的能量作为其基本变量。方程表示的是子系统间的能量传递，可以较好地描述每个子系统的平均振动声学特征。

统计能量分析法的基本关系方程是在一些假设（弱耦合、保守耦合、激励源不相关等）限制条件下建立的。在各子系统的激励相互独立（不相关）且保守弱耦合情况下稳态响应时的功率流平衡方程为：

其中，

式中：ni、hj为子系统i的模态密度和内部损耗因子；hij为振动能量从子系统i传递至子系统j的耦合损耗因子；ω为倍频程的中心频率；pi为外界对子系统i的输入功率；Ei为子系统i的能量。

2.2 VA One软件

2005 年法国 ESI 集团推出全频段振动噪声分析软件 VA One，该软件集成了Nastran 求解器用于低频段的有限元分析、Rayon 求解器用于边界元分析，并且继承了高频分析软件 Auto SEA2 的功能用于高频分析及基于FE-SEA 的混合方法的中频求解器用于中频分析，因此VA One 软件能够进行全频段范围内的振动噪声问题求解，被认为是近二十年来振动噪声问题分析历程上的一个重大突破。

目前 VA One 软件在各行各业已得到广泛的应用。在航天航空领域的应用主要为：商业、军用飞机内部的噪声优化设计；分析卫星、火箭等飞行设备的关键结构在恶劣环境下受到随机振动和环境作用引起的冲击；优化噪声处理措施来减轻并提高燃烧效率；研究并优化新材料新结构用于结构的振动-声学性能分析。在汽车行业的应用主要为：根据设计图纸对各种车型进行建模分析，通过内部声学安装、吸声阻尼材料处理等措施实现整车噪声预报，达到驾驶室内部噪声和内饰材料的最优化设计。在船舶行业主要应用为：创建船舶、潜艇和豪华游艇等的模型，预测整体噪声及振动，设计降低船用声纳系统的自噪声及研究潜艇水下辐射噪声的控制措施。

3 计算模型建立及仿真计算

3.1 船舶的特点及参数

船舶是一个漂浮于水上的大型复杂结构，不但受到船体周围水流的不规则随机激励作用，还受到船内各种机器设备发出的激励作用，主要包括主机、辅机发电机、空调通风系统、螺旋桨等。为了研究方便，本文只分析主机和发电机组柴油机的结构声和空气声对舱室噪声产生的影响。基于统计能量分析软件 VA One 建立计算模型，以梁、杆、板及空气等基本子系统为基本单元来模拟船舶结构和舱室，预报舱室噪声。

引起接受点舱室噪声的主要因素有：室内噪声源引起的空气声辐射；室外或临近舱室噪声通过围护结构传入舱室的空气声；围护结构振动所引起的声辐射。

噪声源估算就是利用实测数据、经验公式或借助理论分析来确定各类噪声源的源强度，包括：室内机电设备辐射的声功率级LW（基准值：10-12W）；室外或相邻舱室噪声在接受点舱室围护结构外表面引起的声压级Lp（基准值：20×10-6Pa）；引起接受点舱室围护结构振动的各类机电设备的结构振动加速度级La（基准值：10-6m/s2）。

本文 研究对象为内河自卸砂船，其主尺度为：船长 82 m、型宽 17 m、型深 5.1 m、设计吃水 4.4 m。船尾区域主要有机舱、舵机舱、船员室和驾驶室。

根据文献[6]柴油机噪声总声功率计算方法及文献[7]高速柴油机噪声频谱特性，估算得出主机舱1/1 倍频带噪声源强度如表1 和表2所示。

表1 空气声源强度

表2 结构声源强度

3.2 船舶噪声预报模型的建立

首先，采用 ANSYS 建立几何模型，将几何模型划分为有限元网格；其次，在 VA One 里导入网格，生成SEA 模型，定义各种材料的属性及各种加筋板，将它们赋予给对应的子系统；最后，定义各类设备的空气噪声和结构噪声，输入或约束到对应子系统。

因本文主要研究机舱、船员室及驾驶室的噪声，计算模型不包括船首及货舱区域，计算模型如图1所示。

图1 计算模型几何模型

图2 统计能量法计算模型

3.3 计算结果及分析

（1）对机舱噪声仿真计算中，分别对空气噪声、结构噪声、空气噪声及结构噪声共同作用3种状态进行了计算，计算结果如表3和图3所示。

表3 机舱噪声仿真计算结果

图3 机舱噪声分布曲线

（2）在针对驾驶室（门和窗关闭）的噪声预报中，也分别对空气噪声、结构噪声、空气噪声及结构噪声共同作用3种状态进行了计算，计算结果如表4和图4所示。

表4 驾驶室噪声仿真计算结果

图4 驾驶室噪声分布曲线

（3）根据对该船进行实船噪声测量，测试结果与预报值对比如表5所示。

表5 预报值与实测值比较

由表5看出，预报值与实测值误差不大于3 dB，达到了工程精度要求。因此基于VA One的船舶舱室噪声预报是可行的。

4 结论

基于VA One的统计能量法对船舶舱室噪声预报是可行的。此外，预报分析结果表明，机舱属于噪声源，其噪声组成中占主导的为空气噪声；驾驶室（门和窗关闭状态）因远离噪声源，起主要作用的为结构噪声。

[1]A.N.Bercin.An Assessment of the Effects of In-planeVibrations on the Energy Flow between Coupled Plates[J].Journal of Sound and Vibration, 1996, 191(5).

[2]Fahy F.J.and Mohammed, A.D., A Study of Uncertainty in Application of SEA to Coupled Beam and Plate Systems[J].Journal of Sound and Vibration, 1992, 158(1).

[3]黎胜, 赵德有.用有限元/边界元方法进行结构声辐射的模态分析[J].声学学报, 2001, 26(2).

[4]周振威，李德玉，欧礼坚.双层板结构水下振动声辐射的特性[C].第十四届船舶水下噪声学术讨论会,重庆，2013.

[5]李德玉，欧礼坚，赵成璧.长T型声共振器在船舶噪声控制中的应用[J].广东造船，2012（6）.

[6]Edward.B.Magrab.Environmental Noise control[M].Canada: John Wiley &Sons, Inc, 1975.

[7]J.W.E.彼得森, J.Fr.斯托姆.船舶噪声控制[M].北京:国防工业出版社, 1983.