基于统计能量法的船舶舱室噪声预报方法研究

肖 蕾，李小灵，陈 浩

（江南造船（集团）有限责任公司，上海 201913）

规范与标准

基于统计能量法的船舶舱室噪声预报方法研究

肖 蕾，李小灵，陈 浩

（江南造船（集团）有限责任公司，上海 201913）

自2014年7月1日起，欧盟及国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）提出的新噪声标准正式生效，新噪声标准对船舶设计、建造带来了许多限制。针对新标准，江南造船（集团）有限责任公司对基于统计能量分析（Statistical Energy Analysis，SEA）方法预报噪声的基本理论及预报流程进行研究。噪声预报基本原理部分，主要介绍子系统间纯功率流平衡方程及系统的动力响应；预报流程部分，以某型在建船舶为研究对象，建立舱室声学模型，收集整理噪声源数据，计算分析各舱室的噪声水平，结合新标准对结果进行评价，确定需要采取防噪措施的舱室，分析噪声超标原因并提出解决方案，以确保船舶满足舱室噪声新标准的要求，提高船舶未来的竞争力。

统计能量法；船舶舱室噪声；噪声预报；噪声控制

0 引 言

基于对海上劳工的工作环境及人权的重视，国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）对船舶舱室噪声的关注程度日益增加。原有的IMO噪声标准已不能满足人们对船舶舒适性的要求，欧盟及IMO对此提出了新的噪声标准，该标准已被通过并于2014年7月1日起正式生效。《国际海上人命安全公约》（SOLAS）修正案强制执行的舱室标准中对居住舱室部分作了较大的改动，万吨级船舶的居住舱室、医疗室的噪声标准由60dB调至55dB，餐厅、娱乐室及办公室（含没有床位的医疗室）的噪声标准由65dB调至60dB［1］。

新噪声标准对船舶设计、建造带来了巨大挑战，造船界对此展开了大量的应对策略研究，江南造船的开发研究部门针对这一技术问题开展了转型攻关。基于对统计能量分析（Statistical Energy Analysis，SEA）方法预报噪声的基本理论的研究，采用相关专业声学预报软件对所选定目标船（miniCAPE型散货船）的舱室噪声水平进行预报分析。

该项工作的主要分析流程包括：① 建立居住区舱室声学分析模型；② 收集整理船舶内部噪声源数据；③ 计算、分析各舱室的噪声水平；④ 依据新标准对结果进行评估；⑤ 确定需要采取附加防噪措施的舱室；⑥ 针对上述舱室提出解决方案。

通过噪声分析得出预报值，并根据对计算结果的评估提出改善方案，从而确保该型船满足舱室噪声新标准，提高该型船的竞争力。

1 噪声预报基本原理

使用模态分析法对船舶结构声振系统进行研究已延续很长时间，这种研究方法局限于对有限数量的低阶模态进行分析，频率范围扩展，分析误差随之增大。采用模态分析法分析声振系统的困难在于高阶模态参数的不确定性。对于模态密度较高或含有高频的声振系统，通常采用统计能量分析法解决固体结构和流体声场间的耦合动力学问题。

1.1 子系统间纯功率流平衡方程

假设在保守耦合情况下，子系统i的输入功率等于子系统i自身的耗损功率与子系统i向其他各子系统输入功率的总和［2］，即

式（1）中： Pid= ωηiEi；Pij=ωηijEi- ωηjiEj。式（1）可变为

式（2）中：ηij= ηi。又记系统损耗因子为［L］，其元素为

将式（3）代入式（2），则有

式（4）中： ｛E｝T=｛E1， E2，...，EN｝。若知输入功率Pin及损耗因子Lij，则可计算出各子系统的能量。

与式（4）类似，在非保守耦合情况下子系统功率流平衡方程为

1.2 系统的动力响应

根据上述得到的各子系统能量，可得到各子系统的动力学响应。在声学中，声压、声功率及加速度等响应量一般采用声压级、声功率级及加速度级等来表示，单位为dB［3］。

2 舱室统计能量模型

采用通用声学预报软件建立船舶上层建筑、机舱及艉部的SEA模型。

2.1 建模原则

声学模型的子系统划分一般遵循以下2个原则［4］：

1） 保证子系统内的振型有相同的动力学特性（相同的阻尼、耦合损耗因子等）；

2） 确保子系统的模态密度足够高（ 5≥）。

在考虑上述普遍原则的基础上，对建模的具体细节作如下处理：① 对需要提取噪声结果的舱室及机器设备工作室进行声腔建模；② 门、窗及其他小开口采用与之相连的板材模拟；③ 设备和舾装单元等不包含在模型中；④ 板厚不同，模态密度也不同，对此应根据子系统划分原则进行处理；⑤ 对于船体结构，在横舱壁、内底板、底边舱斜板及纵桁等结构的相交处必须打断，建成不同的独立子系统并连接，这样相交处的能量才能通过连接顺利在不同的结构子系统中传递。

2.2 船型参数与主机型号

1） 船舶的主尺度见表1。

表1 船舶的主尺度 m

2） 主机型号为MAN B&W 6S60ME-C，功率为11700kW，转速为99r/min。

2.3 计算模型

SEA模型的建模流程为：

1） 采用MSC. Patran对上层建筑、机舱及艉部建立有限元模型（见图1）；

2） 将*.bdf文件成功导入声学软件后，根据几何模型及子系统划分原则建立统计能量模型的板单元子系统（见图2），并根据所需要提取结果的位置及激励源的位置建立声腔子系统（见图3）；

图1 舱室有限元模型

图2 板单元子系统模型

3） 根据结构的材料和实际尺寸对其进行赋属性；

4） 建立各个子系统之间的“联系”，完成SEA模型的建立（见图4）。

图3 声腔模型

图4 SEA模型

2.4 SEA参数

板单元内损耗因子可采用经验公式计算（见式（10））［5］。经计算，板单元内损耗因子见图5。

对于声腔子系统（空气），内损耗因子按经验公式（式（11））计算［6］。

式（11）中：c为空气中声速；s为声腔表面积；α为声腔壁面的平均吸声系数；V为声腔体积；ω为频率。

3 舱室噪声源

3.1 激励源噪声谱

设备对船体结构的输入功率主要有2条传递途径：① 设备的振动通过机脚传递到基座及船体结构中；② 设备直接向空气辐射噪声。2种噪声分别施加。

设备噪声谱一般可采用厂商提供的数据或根据经验公式估算。主机、发电机的噪声谱由厂家提供（见表1～表3），风机、空压机的噪声谱由经验公式估算（见表4～表6），参考加速度级为La=1×10-5m/s2，参考声功率级为LW=1×10-12W。

图5 板单元内损耗因子

表1 主机噪声谱

表2 柴油发电机噪声谱

选择倍频程作为分析类型，将计算频率范围设置为31.5～8000Hz。

表3 双燃料发电机噪声谱

表4 空气机噪声谱

表5 机舱风机噪声谱

表6 风机噪声谱

3.2 激励源施加

结构噪声以加速度谱的形式加载到SEA模型的设备基座上，空气辐射噪声以声功率谱（或声压谱）的形式加载到噪声源所在舱室的声腔中。以主机为例，其噪声曲线见图6。

图6 主机噪声曲线

4 舱室噪声评价

4.1 舱室噪声预报结果

以C甲板为例，各个舱室的噪声预报结果见表7。与预报值相比较的实测值来自于同系列前代船型的试航实测数据（其中C甲板布置有所不同）。

表7 C甲板舱室噪声预报统计

4.2 评估结果汇总

根据该型船全部舱室预报结果，大部分舱室均满足新标准，不满足新标准的舱室见表8。

表8 不满足舱室噪声新标准的舱室统计

4.3 声压云图

中心频率为2000Hz时，各舱室的噪声云图见图7。

图7 中心频率为2000Hz时各舱室噪声云图

5 舱室降噪措施

5.1 舱室噪声超标原因

要达到舱室降噪的目的，需要对噪声源的输入途径进行分析，采用隔离噪声源或增加吸声材料等措施可有效降低舱室噪声［7］。以三副居住舱室为例，能量输入水平见图8。

图8 三副居住舱室能量输入

结合舱室位置判断，舱室噪声水平较大的主要原因是距离机舱排风机较近。

5.2 舱室噪声控制

由图8可知，三副的输入能量中前15位均来自于No.9460，No.9455及No.9522等板（靠近主要噪声源），即结构噪声为主要能量输入途径。在目标舱室中，在传递较多结构噪声的舱壁处增加阻尼层（吸声材料）能够有效地降低舱室噪声。采用的隔音辅料为50mm厚岩棉外包玻璃丝布。根据能量输入数据，在能量输入较大的板单元（见图9）处增加隔音敷料。修改后的噪声水平见图10。

图9 三副居住舱室噪声控制修改

图10 三副居住舱室修改后噪声水平

修改后的三副居住舱室A计权声压级为53.59dB，低于新噪声标准的55dB。

按照三副居住舱室采取的降噪措施对不满足标准的舱室进行修改，计算后的舱室噪声评价见表9。

表9 修改后的舱室噪声评价

6 结 语

基于统计能量法，利用通用声学预报软件对miniCAPE型散货船开展舱室噪声预报工作。

由计算结果可知，该型船很多居住舱室不满足新标准的要求，说明新标准对我国船舶噪声控制设计有很大影响。从船舶设计初期到船舶建造完成，将降噪防噪理念贯穿于其中，可以通过最经济的设计和建造成本提高舱室的舒适性。

对于不满足标准的舱室，通过对噪声超标的原因进行分析，确定最优的措施进行降噪。采用对靠近噪声源的舱室围壁增加隔音材料的方式进行修改优化，最终使该型船满足噪声新标准的要求。

［1］ IMO. Protection against noise on board ships［S］. 2012.

［2］ 姚德元，王其正. 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.

［3］ 阿·斯·尼基福罗夫. 船体结构声学设计［M］. 谢信，王轲，译. 北京：国防工业出版社，1998.

［4］ 于大鹏. 应用统计能量分析方法预报船舶舱室噪声［D］. 大连：大连理工大学， 2007.

［5］ 金学之. 基于统计能量法的高速船舱室噪声预报与控制方法的研究［D］. 武汉：武汉理工大学，2009.

［6］ 孙立萍，聂武. 船舶结构振动噪声分析及其进展［J］. 船舶力学， 2003， 7 （1）： 116-121.

［7］ 郦茜. 高速船噪声预报与控制的方法研究［D］. 武汉：武汉理工大学，2007.

Study on Cabin Noise Prediction Based on Statistical Energy Analysis Method

XIAO Lei，LI Xiao-ling，CHEN Hao

（Jiangnan Shipyard （Group） Co.， Ltd.， Shanghai 201913， China）

The new noise standard put forward by European Union and International Maritime Organization （IMO）officially came into force on July 1st2014. This new noise standard has brought many restrictions to ship design and ship construction. Jiangnan Shipyard （Group） Co.， Ltd. carries out studies on the basic theory and prediction procedures of Statistical Energy Analysis （SEA） method according to the new standard. Both the power flow balance equation among subsystems and the system dynamic responses are introduced for the basic principles of noise prediction， and the cabin noise model of the sample ship is established for the prediction procedure， where the noise source data are collected and sorted， and the noise level of each cabin is calculated. Then the result is evaluated according to the new standard to find out the necessary measures to reduce noise. The reasons for the noise exceeding the standard are also analyzed to make sure that the cabins meet the new noise standard and thus to raise the competitive ability of the ship in the future.

SEA method； cabin noise； noise prediction； cabin noise control

管理现代化

U663.8

A

2095-4069 （2016） 04-0046-08

10.14056/j.cnki.naoe.2016.04.010

2015-09-24

工信部高技术船舶科研项目（工信部联装［2010］332号）

肖蕾，女，硕士，1987年生。2013年毕业于哈尔滨工程大学船舶与海洋结构物设计制造专业，现主要从事船舶结构设计及舱室噪声预报工作。