船舶尾部舱室噪声预报及控制分析

冯 博，桂洪斌，杨 群

(哈尔滨工业大学（威海） 船舶与海洋工程学院，山东 威海 264209)

船舶尾部舱室噪声预报及控制分析

冯 博，桂洪斌，杨 群

(哈尔滨工业大学（威海） 船舶与海洋工程学院，山东 威海 264209)

基于VA one软件平台对某散货船尾部试验模型进行噪声预报及控制效果分析。分析中采用的是统计能量分析法（SEA），在验证计算方法正确的基础上，首先采用新规范标准对10个主要舱室的噪声水平进行预报研究和比对，分析其中舱室噪声超标的可能原因。然后对该分析模型进行不同控制技术的研究分析——吸声技术、隔声技术和阻尼减振技术，并比较在不同位置敷设阻尼材料的降噪程度。研究表明：采用吸声、隔声和阻尼减振技术对降低船舶舱室噪声有显著效果，在激励源舱室敷设阻尼材料，仅对非激励源舱室降噪效果明显，且约束阻尼要比自由阻尼结构对噪声控制效果更有优势。研究结论可以作为船舶舱室噪声实际控制的参考。

船舶舱室噪声；统计能量分析；高频噪声；噪声控制

0 引 言

国际海事组织International Marine Organization（IMO）海上安全委员会（MSC）通过几次会议的讨论，在第91次会议上正式通过了《船上噪声等级规则》修订草案[1]，对之前的船舶噪声规定决议要求强制执行；并且规定在现有的IMO标准[2]基础上再降低5 dB。该修订草案已于2014年7月1日正式生效。IMO发布的这些相关强制性规定对我国的造船企业产生了严重的影响。

目前船舶舱室噪声数值预报方法比较常用的是有限元法、边界元法和统计能量分析法[3]。赵德有[4]等人基于统计能量分析方法对船舶结构进行三维声学建模，并研究讨论阻尼结构对船舶舱室噪声的影响。吴卫国等[5]人运用SEA法对某高速船舶噪声问题进行计算分析，讨论舷外水对舱室噪声传播的影响，发现舷外水对高速船舶舱室降噪有10%以内的贡献。胡忠平等[6]为了证明有限元法的准确性及其实用性，利用有限元法对某船舶的结构噪声进行了分析预报，将得到的分析结果与实际测量数据进行了比较。杨德庆等[7]人在海洋工程的噪声预报设计工作中运用边界元法，对FPSO上层建筑的舱室噪声进行了数值模拟和分析预报。杨群[8]利用统计能量分析法对某舱室模型高频噪声进行了预报和控制研究。

船舶是一种大型复杂结构物，通常处于高频激励作用下，因此本文采用统计能量分析法（SEA）进行研究。首先VA one软件和702所船舶声学设计评估软件建立相同验证模型，分别在702所软件的经验公式平台、2个软件的SEA平台预报计算，将结果对比验证，验证VA one可以预报船舶舱室，然后以工信部高技术船舶科研项目设计的尾部模型（该模型以某散货船为母型船）为研究对象进行预报研究，建立相应模型并选取统计能量分析法计算所需的参数，如模态数/模态密度、内损耗因子、耦合损耗因子以及输入功率等，添加激励进行预报分析。最后通过对尾部舱室噪声采用吸声、隔声和阻尼减振技术研究控制方法的降噪效果，以及不同位置采用控制方法的降噪效果。

1 SEA法的基本理论及数值模型验证

1.1 理论基础

统计能量分析法（Statistical Energy Analysis），也称为SEA法，适用于解决复杂结构处于宽频带高频动力下的相应响应难题。在研究振动问题的过程中，当某个振动系统处于稳态情况时其输入功率Pin必然会与损耗功率Pd相平衡。当分析的系统由3个及以上的子系统构建而成，如果用Pi,in来表示第i个子系统的输入功率，那么可以得到对应系统的能量平衡基本关系式[9]，即

根据互易原理可以得到：

将得到的式（2）代入式（1），通过整理分析可以得到需要的统计能量分析法基本分析方程：

式中：

1.2 数值模型及验证

结合文献[10]对船舶SEA模型设计，本文通过在VA one软件和702所船舶声学设计评估软件建立相同验证模型，分别在702所软件的经验公式平台、2个软件的SEA平台对比验证。计算其主机舱及集控室的噪声级。该SEA模型的主要结构尺寸以及激励源设备参数如下：

1）主机舱（噪声源舱室）

长宽高分别为10 m，10 m和10 m，舱壁为10 mm钢板。

2）集控室（接受舱室）

长宽高分别为10 m，5 m和10 m，舱壁为10 mm钢板。

模型包括舱壁模型和声腔模型。选取板壁材料为钢材，赋予相应数值，并查询数据库，配置钢的自损耗因子。计算频率范围选为倍频程63 ～ 8 000 Hz。2个软件模型分别如图1和图2所示。

主机舱内的噪声源主要由柴油机组产生的空气噪声以及机舱壁辐射噪声所构成。根据文献[11]，柴油机噪声总声功率计算方法及文献中高速柴油机噪声频谱特性，计算出主机舱内噪声激励源在倍频程的噪声强度如表1所示，之后将其施加到验证模型上。

表 1 主机舱噪声源强度Tab. 1 Noise source strength of machinery space

利用702所软件和VA one软件运用SEA法分别进行预报计算，最后在经验公式平台分析，计算结果如图3和图4所示。将得到的3个预报结果进行对比验证，结果如表2所示。

由图表可知，本文所用统计能量分析法和VA one软件可以较准确地对所研究结构进行计算预报。

表 2 不同方式得到的预报平均值比较Tab. 2 Comparison of predicted mean values obtained by different methods

2 某散货船舱室噪声预报分析

2.1 目标船舶SEA模型的建立

根据目标船舶的主要参数（见表3），按照SEA法的基本原理进行声学建模，按照相应的要求和规范建立相应的目标船舶的结构模型和声腔模型，在运用SEA法建模时，对目标船舶的模型中加强筋、支柱、纵骨、桁架等结构进行适当的简化，外板、甲板平台和舱壁采用加筋板子系统，并把与声场流体介质耦合的结构子系统与声场相连。

本文主要对该散货船的船尾部分进行预报研究，该分段的长度为19.6 m。分别对模型船体与声场介质（空气）赋予属性，建立完成的目标船舶SEA模型的缩放模型和耦合模型分别如图5和图6所示。

表 3 目标船舶的主要参数Tab. 3 Main parameters of target ship

2.2 预报结果及分析

确定了SEA参数以后，选取31.5～8 000 Hz之间的倍频程作为分析频带，通过VA one软件计算可得各声腔子系统在各个频率下的声压级水平，平均声压级水平云图如图7所示，预报结果如图8所示。

通过比较，发现机舱、机舱工作区以及厨房等与机舱相近的舱室超过IMO发布的规范，分析原因有以下几点：

1）机舱区域噪声值超标由于在用统计能量法建模时，没有考虑船底龙骨、纵骨、外板加强筋等结构，使得模型在质量和刚度上较有限元模型小了很多，从而造成船体结构振动剧烈，以至增大了声辐射；

2）数值模拟模型并没有考虑船舶的舾装结构，即舱室壁吸声等材料；

3）子系统的内损耗因子以及系统之间的耦合损耗因子这2个参数难以确定，造成了预报结果的误差。

3 舱室噪声控制技术研究

目前比较有效及常见的船舶舱室噪声控制技术有吸声技术、隔声技术、隔振技术以及阻尼减振技术四类。本文选取吸声技术、隔声技术以及阻尼减振技术进行研究。

3.1 吸声技术的应用

吸声技术的原理是使声波透射到材料内部中去，利用材料与空气的相互摩擦作用，从而使声能以热能的形式耗散掉[12]。前文利用VA one软件建立的船舶模型其10个主要舱室，分别在每个舱室的舱壁上附加一层密度50 kg/m3、弹性模量7.86×106 Pa、泊松比是0.450 2、厚度为0.002 m的氯丁阻燃橡胶CR322[9]，将船舶各主要舱室的平均噪声水平在附加吸声材料前后的预报结果进行对比，如表4所示。可以发现在船舶舱室的内部舱壁附加一定厚度的吸声材料，对降低船舶舱室噪声声压级有显著效果。

表 4 各主要舱室平均预报结果 dB（A）Tab. 4 Average prediction results of main cabins before and after the addition of sound absorption materials dB(A)

3.2 隔声技术的应用

隔声是在声波的扩散途径中，利用结构把激励源与接受源隔离起来的措施。通常的做法是把声源、或者接受源封闭在一个有限的空间内，从而产生一个封闭的空间，以达到降低噪声的目的。本文主要分析讨论的是对空气噪声的隔绝。所以对于集控室（机舱工作区）舱壁板选取双层隔声结构，分别把双层隔声材料粘贴在集控室舱壁外侧和内侧，比较2种不同粘贴位置对集控室的噪声水平的作用效果进行分析，可以得到结果如图9所示。

可以发现，在集控室外侧粘贴隔声材料比在集控室内侧粘贴隔声材料会产生更好的隔声效果，因为噪声源主要是机舱内的空气噪声，所以在集控室舱壁外侧粘贴隔声材料更有利于减少空气噪声的影响，从而使集控室噪声水平得以降低。

3.3 阻尼减振技术的应用

阻尼减振技术的原理即为敷设某些特定材料或结构来提高结构的损耗因数（或阻尼系数），通过敷设阻尼层的变形来损耗系统结构的能量，即使固体机械振动能量转换成热能耗散，进而实现降低噪声水平的目标。

目前基板敷设阻尼层的类型主要有自由阻尼和约束阻尼2种。自由阻尼是只在基板上敷设一层阻尼材料，如图10（a）所示；约束阻尼是在自由阻尼方法的基础上，在敷设的阻尼材料外再敷设一层新的约束材料，如图10（b）所示。

本文自由阻尼材料选用VA one材料库中的聚酯泡沫，其主要的物理参数是：ρ=30 kg/m3；泊松比v=0.35；弹性模量5.4×105 Pa；阻尼材料损耗因子为0.1；阻尼层厚度0.1 m。约束阻尼材料物理属性：阻尼层布置在结构的中间位置，约束层分布在阻尼层的上方，厚度一般选用基材船舶钢板厚度的一半；阻尼层选用聚酯泡沫材料，具体材料参数与自由阻尼层的相同。

在机舱位置同时施加相同的结构噪声激励和空气噪声激励，然后先后在机舱敷设自由阻尼材料和约束阻尼材料，比较敷设前后居住舱室内噪声水平的变化情况，其变化曲线如图11所示。

由图可以发现，在机舱位置粘贴相应的阻尼材料无论是自由阻尼材料还是约束阻尼材料，都可以在一定程度上降低居住舱室的噪声水平，而且约束阻尼结构比自由阻尼结构的控制效果更有优势。

选用VA one材料库中阻尼系数较高的粘弹性阻尼材料橡胶，其基本的物理属性为：ρ=1 100 kg/m3；泊松比v=0.48；剪切模量7.7×108 Pa；拉伸模量2.3×109 Pa；阻尼材料损耗因子0.1；阻尼层厚度0.1 m。将其以自由阻尼形式分别敷设在机舱位置，居住舱室的下甲板和后壁板，然后对这2个舱室的敷设阻尼材料前后的噪声水平进行比较研究。2个舱室位置的噪声变化情况分别如图12和图13所示。

分析比较，可以发现在机舱位置粘贴阻尼材料对机舱本身的噪声水平基本没有任何的作用效果；在居住舱室敷设阻尼材料能够明显降低接受声源舱室的声压级水平，可以明显降低居住舱室能量的输入，从而起到很好的减噪效果。

4 结 语

本文基于统计能量分析法对船舶舱室的噪声进行了预报和控制方法的分析研究，主要得出如下结论：

1）通过3种方式对比验证，发现预报结果三者之间的误差在3 dB以内，间接证明了本文所用VA one软件可以较准确地对所研究结构进行计算预报。

2）通过应用吸声技术，以及对比VA one软件测得的在附加吸声材料前后各主要舱室预报结果，可以发现在船舶舱室的内部舱壁附加一定厚度的吸声材料，对降低船舶舱室噪声声压级有显著效果。

3）在集控室舱壁外侧粘贴隔声材料更有利于减少空气噪声的影响，从而使集控室噪声水平得以降低。

4）在激励源所在舱室（机舱附近）敷设阻尼材料，机舱等舱室噪声降噪效果不明显，但是其对其他舱室有很明显的降噪效果，且约束阻尼结构比自由阻尼结构对非激励源舱室的噪声控制效果更有优势。

5）在非激励源舱室敷设一定厚度的阻尼材料，对非激励源舱室有很明显的降噪效果。

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Research on prediction method and control technology of shipboard aft cabin noise

FENG Bo, GUI Hong-bin, YANG Qun
(School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Harbin Institute of Technology, Weihai 264209, China)

In this paper, according to the VA one software platform and statistical energy analysis (SEA), a research was studied the noise prediction and control technology of a bulk carrier. By using the statistical energy analysis method in the research process (SEA), based on the verification of correct calculation method. Firstly, according to the new standard, the noise level of 10 main cabin were predicted, compared, and analyzed the reason of the cabin noise may exceed the standard. At the end of this model was studied in three different control methods: the sound absorption, sound insulation and vibration damping technology, and compared the degree of noise reduction in different positions for damping material. Research shows that: the three control methods have significant effect to reduce cabin noise. The conclusion of this paper can as the actual control of the ship cabin noise.

shipboard cabin noise；statistical energy analysis；high-frequency noise；noise control

U661.44

A

1672 – 7649(2017)08 – 0022 – 06

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.08.005

2016 – 09 – 28；

2016 – 11 – 04

冯博(1992 – )，男，硕士研究生，研究方向为船舶舱室噪声预报及控制技术。