船舶典型舱段全频段空气噪声预报

范明伟，祝玉梅，陈 雯，闫晓丰

(中国船舶研究设计中心，武汉430064)

船舶典型舱段全频段空气噪声预报

范明伟，祝玉梅，陈 雯，闫晓丰

(中国船舶研究设计中心，武汉430064)

针对受声舱和声源舱相邻的典型舱室分布,基于声振分析软件VA One,确定频率范围,考虑吸隔声材料和门缝等因素的影响,综合运用统计能量分析法(SEA)、有限元法(FEM)和FE-SEA混合方法对受声舱的空气噪声进行全频段仿真预报。模型试验验证仿真计算,比较受声舱空气噪声的仿真预报值和测试值,两者随频率变化的趋势比较一致,说明预报方法可行。

统计能量分析法;有限元法;混合法;噪声预报

船舶上舱室空气噪声直接影响到舱室的居住性,相关标准对船舶的空气噪声舱室分类和限值作了详细的规定。因此,在船舶设计阶段需要预报舱室的噪声水平,一旦发现舱室噪声不能满足标准要求,可在设计初期对声学设计进行调整,或者改变舱室布局,从而避免在船舶建成之后再行整改。运用有限元方法(FEM)进行声学问题分析,是一种常用的方法。该方法要求单元的尺寸要远远小于弹性波的波长,对于结构复杂且振动频率较高的情况,由于单元数量巨大,以至于硬件上无法实现。因此,该方法一般用于计算有限区域内的结构与声场的耦合问题。统计能量分析法(SEA)的出现有效解决了高频范围内复杂结构或声学系统的动力学问题。对于中频问题,有学者将计算低频的FEM与计算高频的SEA结合起来,提出了一种有效解决中频声振问题的新方法FE-SEA混合方法［1-2］。VA One是一款基于上述三种方法计算全频段振动噪声的分析软件,以该软件为计算平台,已有的研究工作或未考虑吸隔声材料的影响,或在处理中频段时将中频段与高频段合并采用SEA法进行分析。

文中运用统计能量分析法、有限元法、混合法对船舶典型舱室空气噪声在高、低、中频段内进行数值预报,并且在预报模型中考虑了吸隔声材料和门缝的影响,而后通过模型试验对仿真结果进行了验证。结果表明,计算值与实测值吻合地较好。利用该方法通过输入船舶舱段结构特征、噪声控制处理措施以及声源特性,能够较准确地预报舱室空气噪声,从而为船舶的减振降噪设计提供数据依据。

1 方法概述

1.1 统计能量分析法

应用统计能量分析法分析系统时,要将其划分为若干个互相耦合的子系统,每个子系统一般为同一结构里相同类型模态的集合。子系统间的功率流平衡方程可描述为［6］

ηi——子系统i在带宽Δω内所有振型的内损耗因子;

ηij——把能量从子系统i传递到子系统j时的耦合损耗因子;

ni——模态密度;

若已知各子系统的输入功率、内损耗因子及其间的耦合损耗因子,则由式(1)可得Ei。由于每个结构或声学的子系统,都具有一个与时间平均和空间平均的振速或与声压成比率的稳态能量水平,因而可进一步求得舱内的各种物理参数,如舱内声压级,甲板、舱壁的振动速度级等。

1.2 声学有限元分析法

用有限单元将传播介质空气离散,根据声学波动方程求解空气域中的声学特性。在界面处将流体声压载荷加入结构有限元方程中可得到完整的流固耦合问题的有限单元法离散方程。

VA One有限元模型中分为FE结构子系统和FE声腔子系统。FE结构子系统用来表达刚性的或者模态数相对较少的结构,其振型通过计算获得后,被用作基函数来描述有限元结构子系统的响应。通过一系列基函数使得VA One模型比较高效。

有限元声腔子系统用来表达关心的频率范围内,刚性或者模态数相对较少的封闭声流体。

1.3 混合法

混合法建立在波动理论上,具体为将系统分为确定性子系统和统计性子系统,两者之间采用混合连接。将统计性子系统根据结构中传播的波经过反射与否分成直接场和混响场,其中激励产生的波,即入射波,称为“直接场”;经一次反射和多次反射的波的叠加,称为“混响场”。系统总体响应可以看做是确定性子系统与统计性子系统直接场受外部激励引起响应和统计性子系统混响场受混响荷载引起响应的叠加。利用FE法求出直接场的响应,混响场对直接场影响产生的附加力由SEA法求得。根据有限元计算方法得到的中间临时结果,采用混合连接的方法将统计能量子系统,有限元子系统等连接起来,实现中频段振动噪声问题的求解。

2 船舶典型舱段全频段噪声预报

2.1 子系统及分析频段划分

以受声舱和声源舱相邻的典型布置情况为研究对象,舱室尺寸分别为3.6 m×3.5 m×2.3 m (受声舱)和3.0 m×3.5 m×2.3 m(声源舱),声源舱的四壁、天花板及地板均为未经声学处理的“裸壳”状态。受声舱四壁及天花板敷设隔声材料。建立统计能量分析模型见图1。

图1 舱段SEA模型

对声源舱、受声舱及其邻近通道进行建模。舱壁和甲板采用加筋板子系统模拟,舱室空腔采用声腔子系统模拟,声源舱和受声舱的门采用平板子系统模拟,门缝可在面连接中予以考虑。吸、隔声措施通过在加筋板子系统表面敷设噪声控制处理措施来模拟,共计有3个声腔子系统,19个板子系统,1个半无限流域子系统)。

VA One软件计算出SEA模型中各子系统的模态数N,见图2。

图2 各子系统模态数

根据经验,N≥5为高频区;2＜N＜5为中频区;N≤2为低频区。从1 000 Hz起,所有子系统在带宽内的模态数大于5,属于高频范围;125～800 Hz内,除了2个表示门的子系统外,各分子系统在带宽内的模态数均大于5,20～100 Hz内,较多的子系统在带宽内的模态数小于2。因此在1 000～8 000 Hz选择SEA法计算;125～800 Hz选择FE-SEA混合法计算;20～100 Hz选择有限元法计算。

2.2 高频段噪声预报

在确定SEA参数时,首先确定子系统的输入功率。在该典型舱段模型中,声源位于声源舱的角隅,测得其声源特性见图3。

图3 声源特性

加筋板和三维声腔的模态密度、各子系统间的耦合损耗因子由VA One根据几何属性计算。

加筋板的内损耗因子ηj为［7］

声腔的内损耗因子ηs为［8］

式中:f——计算频率,Hz;

其中:V——房间容积,m3;

S——房间内总表面积,m2;

α′——平均吸声系数,对于舱室内的平均吸声系数,一般取0.01［9］。

VA One中通过定义噪声控制处理方案来模拟吸隔声措施。一种NCT可以用几个层来建模。板子系统上的NCT措施可以影响:①产生在板子系统与声腔之间的能量流;②板子系统的质量和刚度(或相应的阻抗)。建立SEA模型时,板子系统用到的材料及其参数见表1,通过设置NCT来模拟舱壁上的隔声材料,隔声材料的参数见表2。隔声材料建模时采用表3所列的层来建立。

表1 主要材料参数表

计算得到高频段受声舱的1/3倍频程声压级见表4。

表2 隔声材料参数表

表3 隔声材料建模

表4 受声舱声压级仿真计算值与试验测试值

2.3 低频段噪声预报

分5步建立声学FE模型:①由MSC.Patran软件建立板梁结构的有限元模型(网格尺寸根据求解频率的最高值计算得到,这里取为0.1 m),并生成bdf文件;②将bdf文件导入到VA One并根据导入的临时有限元模型建立板梁FE子系统;③根据板梁子系统的有限元面(FE Face)建立声腔SEA子系统;④对SEA声腔子系统划分网格(网格尺寸根据求解频率的最高值计算得到,这里取0.343 m);⑤建立连接。FE模型见图4、5。

在FE模型中,需要对FE子系统定义不同的曲面区域,这些曲面可用来施加噪声控制处理措施,也可以表示FE子系统与邻近SEA流体或BEM流体(例如SEA声腔、半无限流域或者散射声场)耦合的区域。在VA one中,这些曲面区域可以由FE面来表示。FE面由一组单元(单连通)来定义。

图4 声腔有限元子系统

图5 结构有限元子系统

低频段采用FE法进行预报,得到受声舱噪声预报值见表4。

2.4 中频段噪声预报

在125～800 Hz中频段内,由于表示两扇门的SEA子系统模态数较低,因此将两扇门子系统划分网格,建立两扇门的FE子系统,而后与剩余部分的SEA子系统建立混合连接,FE-SEA模型见图6。

图6 混合模型连接图

注意,表示两扇门的FE子系统与周边的SEA板子系统和声腔子系统建立的是FE-SEA混合连接,图6中指引线所示为FE-SEA混合连接,未注明的连接表示SEA连接

3 试验验证

在声源舱一角放置一通过测试系统控制的音箱模拟声源,声源舱和受声舱分别放置了传声器。

试验测得受声舱的1/3倍频程声压级见表4。对比计算结果与测试结果发现,受声舱的总声级预报值和测试值之间的误差为2.5 dB,见图7。分析认为误差原因为①隔声材料的处理方式与实际情况存在一定差异;②SEA参数的取值与实际情况存在一定差异,比如在计算板的内损耗因子时忽略了声辐射因素。更为精确的SEA参数应当来自于实验测量。经验表明:损耗因子10%的误差,将导致响应估计1 dB的误差;损耗因子100%的误差将导致响应产生约3 dB的误差［6］。

图7 受声舱噪声预报值与测试值比较

4 结论

1)对比数值仿真预报结果和试验测试结果,发现两种方法得到的规律是一致的,证明运用SEA法、FE法以及FE-SEA法进行全频段舱室空气噪声预报的可行性与准确性。

2)进行全频段噪声预报的首要步骤是划分频率范围,根据模态数N划分较为可靠。

3)在建立数值模型时,应该对吸隔声材料、阻尼等减振降噪措施进行模拟,并且吸隔声材料的物理及性能参数准确与否对预报精度有较大影响。同时在数值模型中还应考虑门缝等细节。

对典型舱段全频段空气噪声的预报方法可推广至整船舱室噪声预报。需要注意的是,在运用SEA法时,SEA参数的精度直接关系到计算结果的精度,文中采用经验公式或者仿真软件计算得到SEA参数,更为精确的SEA参数应当来自于实验测量。

［1］SHORTER P J,LANGLEY R S.On the reciprocity relationship between direct field radiation and diffuse reverberant loading［J］.Journal of the Acoustical Society of America,2005,117(1):85-95.

［2］SHORTER P J,LANGLEY R S.Modeling structureborne noise with the Hybrid FE-SEA method［C］∥International conference on structural dynamics,2005.

［3］邱 斌.高速船全频段舱室噪声预报与控制方法的研究［D］.武汉理工大学,2010.

［4］夏侯命胜,张玉奎,刘晓明.油船舱室噪声预报［J］.船舶,2011(2):31-37.

［5］张 成,郑超凡,张大海,等.舰船舱室噪声综合预报及声学优化设计［J］.船海工程,2014(3):17-20.

［6］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.

［7］HYNNA P,KLINGE P,VUOKSINEN J.Prediction of structure-borne sound transmission in large welded ship structures using statistical energy analysis［J］.Journal of Sound and Vibration,1995,180(4):583-607.

［8］LYON RICHARD H.Theory and Application of Statistical Energy Analysis［M］.Boston:Butterworth-Heineman,1995.

［9］张国良.舰船舱室声场及混响时间测量的研究［J］.舰船工程研究,1987(2):37-46.

Full Band Noise Prediction of the Typical Cabins of Ship

FAN M ing-wei,ZHU Yu-mei,CHEN wen,YAN Xiao-feng
(China Ship Development and Design Center,Wuhan 430064,China)

Taking the noise distribution in the typical cabin near the cabin with sound source as the research object,by using synthetically the statistical energy analysis(SEA),finite elementmethod(FEM)and the hybrid FE-SEA method,the full band noise prediction in a ship cabin is implemented in VA One software,considering the influence of sound-absorbingmaterials and the crack between the door and its frame.Amodel test is carried out to verify the numerical simulation.It's found that the error between the test result and the predictive value is small,and the varying tendency of them is similar.

statistical energy analysis;finite elementmethod;hybrid method;noise prediction

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.03.002

U664.1

A

1671-7953(2015)03-0006-05

2015-01-21

修回日期:2015-03-03

范明伟(1985-),男,硕士,助理工程师

研究方向:船舶振动与噪声控制

E-m ail:ceofan@whut.edu.cn

book=10,ebook=15