小型船舶低频辐射噪声分析方法研究

邵 亮

(镇江市交通运输综合行政执法支队，江苏 镇江 212000)

0 引言

船舶舱室噪声特别是低频辐射噪声不仅会导致船体结构和材料的损坏与疲劳，危害船员及船上乘客的身体健康，还会严重影响船舶的安全性、实用性和可靠性。因此，在船舶设计时需要对船舶舱室噪声进行有效的声学分析方法和控制技术研究。

盛美萍[1]利用统计能量分析法研究了两型水下航行器壳体的振动和声辐射响应，并对两型水下航行器结构减振降噪进行了评估和分析。彭临慧等[2]用统计能量法对湍流边界层脉动压力激励下水下结构物自噪声进行了分析，得到相应的自噪声工程估算关系，为自噪声的治理提供了理论依据。张娟娟等[3]基于高频分析软件AutoSEA2针对船舶典型动力源进行了辐射噪声的分析。

本文以某小型船为研究对象，应用有限元法和边界元法并结合试验对其辐射噪声进行低频预报，利用低频噪声计算软件进行船舶全三维整体模型振动声学计算，通过对该小型船的试验测试得出了有效的噪声控制方法。

1 实验建模

1.1 有限元建模

本文利用MSC.PATRAN软件构建某小型船的有限元模型(包括内部结构)。该小型船模型长约4 402 mm，型宽652 mm，型深323 mm。船体外板材料为钢质，厚度为2.32 mm。船体内部布置加强筋以增加模型外板的强度，内部加强筋的厚度为2.22 mm。材料参数为：弹性模量2.060×1011Pa，泊松比0.26，密度7 800 kg/m3。全船共设置7个舱室，整个结构共有1 762个有限元单元，1 279个节点。构建划分后的有限元模型见图1和图2。

图1 有限元模型

图2 船体环肋、纵向肋板的有限元模型

1.2 船舶振动模态分析

在船舶设计时，对整个船舶模型的模态进行分析，并计算整个船舶模型的固有频率，这不仅有利于保证机械设备的安全性、共振性、可靠性及居住舒适性等，同时还是解决其动力特性问题及其噪声预报分析的基础。在忽略阻尼影响的情况下，引入超单元进行模态计算，并将超单元合理划分，得到船体总振动在前18阶的典型模态特性频率及振型，见图3。由图3可见，振动模态主要体现为水平面(X-Y)和垂直面(X-Z)的弯曲振动情况和扭转变形。

图3 前18阶有限元计算典型模态振型图

声学振动结构表面振动快慢的分布和量级在特定的激励力条件下，主要取决于结构本身的振动属性，其辐射噪声的结构分布规律及量级与物质结构表面的振动速度有着非常密切的关系，利用对其特有模态的计算来分析结构的特有属性，再加一振动效果并对声信号进行分析，从而能够找出优势模态，精准定位并能及时调整内部结构形式，最终达到降噪减振的目的。

1.3 声学计算模型建立

声学计算模型建立时，首先利用有限元软件提取三维船舶整船有限元模型的边界元网格，通过数据接口传递到边界元软件中；其次使用声学软件SYSNOISE进行建模分析。本文利用有限元软件MSC.PATRAN及噪声分析软件SYSNOISE采用直接边界元法BEM DIRECT进行声学计算。

在建立船舶的声学边界元模型时需要把前面建立的有限元模型作为声学边界元模型网格,在声学计算中作为声学边界元模型的输入激励条件,因此要将有限元模型中的所有梁单元和质量点单元全部删除,但所有节点不作处理以保持边界元模型与有限元模型节点的一致性,从而确保数据输入的准确性[4]。但由于声学边界元软件的分析模块不支持质量点单元和三维梁单元，也不支持不同属性的材料板单元,因此必须对上述有限元模型进行适当处理后才可转化为相应的边界元模型。在SYSNOISE软件读入该文件并加入流体材料数据,取节点振动时的加速度作为声学输入条件，就可得到该船三维声学边界元网格模型(见图4)。

图4 边界元模型

建立声学边界元模型后,利用SYSNOISE声学软件分析了该船的近场声学性能。为了能更好地显示出不同舱室对于同一噪声源噪声计算结果的差异，计算所选场点网格平面应位于船体中心的水平截面上，见图5、图6。

图5 场点平面位置

图6 场点网格平面位置

噪声源的位置选取在舱室3中心处(见图7)，其大小和坐标位置见表1。噪声源放置在模拟机舱位置采用Omnipower 4296设备作为空气声源。

1～7—舱室编号。

表1 噪声源的大小及坐标位置

2 船舶辐射噪声低频预报及试验验证

计算时定义该船的阻抗边界条件：实部大小为5 000，虚部大小为0。流体的材料属性为声波在空气中传播的速度和空气的密度：传播波速340 m/s，空气密度1.204 kg/m3，比热容比1.40，其粘度为1.480×10-5m2/s。定义边界元自由边跳动量为0的声压边界条件，声学频响分析中采用1/3倍频程频率，选取低频典型计算频率范围为20～400 Hz。

试验设备采用PULSE 声学测量系统，包括Input/Output Module Type 3032A 型数据采集前端、Charge Amplifier Type 2635 型电荷放大器、笔记本、Omnipower 4296空气声源和Microphone Type 4190传感器。试验时，在舱室3内加一噪声源，噪声大小控制在130 dB，并在每个舱室收集测试数据。声辐射声场分布见图8。图9～图12给出了部分频率下不同舱室实验值与预报值的对比曲线。

图8 100、350 Hz时各场点的声压分布

图9 舱室1预报值与实测值对比曲线

图10 舱室2预报值与实测值对比曲线

图11 舱室5预报值与实测值对比曲线

图12 舱室7预报值与实测值对比曲线

由以上4幅图可知，预报值与实验值均随着频率的增加而减小，预测值曲线比较平缓而实测值曲线波动幅度较大。与实测数据相比较,计算预报值与实测值的数据是基本接近的，当然也存有一定的误差, 相对比较误差值约为8 dB。分析误差的产生原因：可能来源于利用软件构建船舶模型及振动计算误差和简化模型结构所产生的误差等。

3 结论

本文运用有限元和边界元与试验相结合的方法对某船建模并对其辐射噪声进行低频预报，利用低频噪声计算软件SYSNOISE进行船舶全三维整体模型振动声学计算，实现了有限元软件与边界元软件连接分析。将某小型船的试验测试结果与计算数值进行比较，结论如下：

(1)数值计算结果在总声压级上与实测结果仅相差1～8 dB，这进一步说明本文的船舶噪声的低频预报方法切实可行。

(2)由每个舱室不同频率下的声场分布图可知，声场声压值大小是以声源为中心，向四周逐渐衰减规律分布。

(3)船舶结构的声辐射特性与其振动方式、模态频率大小和振型都有很大关系，因此，降噪需要充分考虑船体结构和板材规格的固有特性。