船舶振动噪声源传递路径分析及试验验证

胡鹏涛+张博

摘 要：本文尝试分析船舶振动噪声源传递路径分析，将机械动力装置作为主要噪音源，以居住室一位端1.2m标准噪声点为响应点，采用OTPA方法测量激励以及响应信号，进行TPS计算，用工况下测试数据和传递率求解各部分的贡献量。对目标测试点进行实测，和OPTA分析中的合成结果总值对比分析，两者非常相近，随着速度的增加，来自居住舱地板表面贡献占主导地位，来自于轴箱、齿轮箱等动力机械设备的贡献量最大，电机的噪声贡献量次之。

关键词：船舶；振动；噪声源；传递

中图分类号：D631.6 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）19-0082-02

船舶噪声可分为空气声以及结构声两类，结构声即传统意义上的震动波，是导致船舶老化、损坏的重要原因之一。船舶设备上控制机械振动噪声不仅可改善人机工作环境，还可提高潜艇的隐蔽性，越来越受到造船企业的重视[1]。当前船舶对电力、动力需求明显提高，导致轮机的规模以及数量明显增加，从而导致结构声源强度增大，成为主要振动以及噪声源。船舶大多部分是钢板建成的，钢材料是振动波传递的良导体，故研究船舶振动噪声源传递路径应放在船舶轮机振动钢结构的船舶路径上。本次研究尝试采用试验研究，验证分析船舶振动噪声源传递路径。

1 船舶振动噪声源传递路径分析

本文采用OTPA路径分析方法，需要知晓激励点、目标点相应，进行分析，目标点相应和激励点处响应的关系如下：P（ω）=，其中P（ω）为目标相应点的响应，Tj（ω）为第j个声源到目标点的传递率，Pj（ω）为第j个声源点的声压，Ti（ω）为第i个振动源到目标点的传递率，Xpi（ω）为第i个振动源的加速度。OTPA方法采用激励点响应到目标点的传递率表示路径，无需建立相应的传递函数，可有效的缩短工作量以及测试时间。需注意的是，目前对于船舶而言，普遍采用浮筏隔振系统等防震系统、双层隔振系统。隔振能够有效的减少振动的传递，被保护对象振动量级获得较大程度的衰减与控制。本文采用德国Mueller-BBM开发的PAK测试软件进行系统分析，工况下的噪声震动传递路径。先进行工况下的激励点、目标点响应数据进行测试。采用OTPA方法测量激励以及响应信号，输入以及相应的样本矩阵中存在相互耦合，避免矩阵求逆过程中，遇到数值以及无法精确求解的工况传播关系矩阵。最后进行TPS计算，用工况下测试数据和传递率求解各部分的贡献量。

假设船舶系统是一个线性的不变的系统，则船舶内目标点的声压或振动加速度等于各个激励源沿着不同的传递路径传播到车内所有贡献量的叠加，即“激励源→传递路径→目标点”模型表示。通过这个模型，得出噪声传递率、路径的贡献量。对于一艘船舶而言，其激励源主要为轮机噪声、设备间噪声、集电系统等，了解这些噪声源，可实现传递路径分析。对于船舶而言，噪声源主要考虑主机、辅机，噪声与轮机的功率有关。除结构噪声外，还存在空气噪声，船舶内的噪声点P总=P结构+P空气。对于n个激励源的串扰消除，方程如下图1。

2 试验验证

为验证传递路径分析与综合技术船舶振动噪声预测中的可行性，本文在行驶状态下的船舶内进行传递路径测试。需注意的是，噪声关注主要为居住舱，根据经验，居住舱的地板往往是噪声最大的位置，故以居住室一位端1.2m标准噪声点为响应点，计算各激励源以及各条传递路径对车内噪声参考点的贡献量，找出噪声主导性因素。具体的路径，居住仓的噪声主要路径：①设备间噪声-船舶的地板以及侧墙-船舶内居住舱；②设备间噪声-门窗以及通过台缝隙-船舶内居住舱；③轴箱、电机、齿轮箱振动-船体结构连接点-地板与整船振动-向车内辐射噪声。我们在居住舱内安置了2个噪声传感器，位于1.2m标准点、出风口0.05m，同时在居住间外、结构连接点处、轮机室等激励源和路径出布置测试点。

整个测试都严格质控，进行传感器的安装、接线、确保传感器合理有效的安装安置，通过数据采集系统确认系统信号稳定。震动传感器采用AD01-50/100，声传感器SKV，表面声传感器GRAS等。需注意的是，因为测试数据十分庞大，本文仅取重要的声源点、相应点噪声特性进行初步分析。在50km/h的匀速情况下，客室一位断1.2m标准噪声点频率在2000Hz以下，故选择50Hz～2000Hz作为噪声传递路径分析[2]。随着主机以及辅机功率的提高，居住舱内的噪声峰值频率也随之上升，最高达到67.4db，与此同时随着功率的提高，噪声源的声压值也不断增大，居住舱端部目标点噪声点频谱在低频段与高频段都出现噪声峰值，这可能与居住舱广泛采用的隔声设计，对低频处隔声性能相对较弱有关。

根据前文提到的路径设计TPS计算网络，建立OTPA传递模型，求解在各个功率下的传递关系剧组，以每个功率级下的测试片段作为测试样本，构件工况下的输出矩阵，进一步求解。结果显示，计算合成的结果与实际测试居住舱内的声目标点的频谱曲线对比，两条曲线整体趋势相似，峰值频率合成信号、实际测试信号能够较好的吻合。同时每个功率下，结构声对舱内目标点的贡献量都较空气声的贡献量更大，但随着功率的增加，结构声、空气声贡献量差值明显减少。各个功率级别下不同传递路径在整个分析频段中的贡献量db（A）见下表1。在不同功率级别下，各个路径的贡献点都明显不同，随着功率的上升。随着功率的上升，居住舱地板表面路徑的贡献量明显更多，随着功率增大，所有路径对居住舱内的目标点噪声贡献量都明显增大[3]。管道2对端部目标点噪声贡献量最低。不同路径上噪声峰值出现时所在的功率存在较大的的差异。对目标测试点进行实测，和OPTA分析中的合成结果总值对比分析，两者非常相近，但是在合成值上出现许多实测未出现的峰值，OPTA分析结果并不是精确的。总而言之，随着速度的增加，来自居住舱地板表面贡献占主导地位，来自于轴箱、齿轮箱等动力机械设备的贡献量最大，电机的噪声贡献量次之。

3 结语

本文分析了显示随着速度的增加，所有的路线对噪声贡献都明显增加，来自居住舱地板表面贡献占主导地位，来自于轴箱、齿轮箱等动力机械设备的贡献量最大，电机的噪声贡献量次之。应尝试针对轴箱、齿轮箱等动力机械设备进行结构优化设计，改善连接出的振动噪声，采用更先进的隔音技术。居住舱地板是结构振动传递的主要途径，可通过进行地板改造，增加缓振材料，减少噪声的传递。窗门、出风口、拉门等结构，明显存在不够紧凑情况，容易出现振动，传递振动噪声，或因为波浪影响出现自我振动引起噪声[4]。管道1、管道2存在老化情况，引起振动产生噪声，有必要进行加固，或进行隔音改造。

参考文献

[1]孙丽萍，聂武.船舶结构振动噪声分析及其进展[J].船舶力学，2013，07（01）：116-121.

[2]王献忠，姚熊亮，王强勇.阻振质量对结构振动与声辐射的影响分析[N].船舶与海洋工程学报，2011，10（04）：490-494.

[3]郑律，庞福振，姚熊亮.双层圆柱壳典型基座振动波传递特性优化分析[J].中国舰船研究，2012，7（04）：63-68.

[4]张恩惠，殷金英，邢书仁. 噪声与振动控制[M].北京：冶金工业出版社，2012：51-56.endprint