螺旋桨桨叶涡激振动引起机舱噪声的预报与分析

欧礼坚　张自帆

摘    要：螺旋桨高速转动时，随边产生周期性脱落旋涡，其频率接近叶片某一阶固有频率时会诱导叶片产生涡激共振。对于电池推进新型船舶，螺旋桨涡激振动引起的舱室噪声属于主要噪声源。为了提高新型船舶的绿色度和噪声舒适度，采用统计能量法对螺旋桨涡激振动产生的舱室噪声进行预报，并研究分析噪声治理措施，提出噪声治理优化设计方案。螺旋桨桨叶涡激振动引起的舱室噪声预报方法和降噪治理措施，可供新型船舶减振降噪设计参考。

关键词：螺旋桨;涡激振动;舱室噪声

中图分类号：U661.31                              文献标识码：A

Abstract： When the propeller rotates at high speed， periodic shedding vortices are generated at the trailing edge， and when the frequency is close to a certain natural frequency of the blade， the blade will be induced to generate vortex-induced resonance. The cabin noise caused by propeller vortex-induced vibration is the main noise source for the new ships using electric propulsion. In order to improve the greenness and noise comfort of the new ships， the cabin noise caused by propeller vortex-induced vibration is predicted by the statistical energy analysis method， the noise control measures are studied and analyzed， and the optimal design scheme of noise control is proposed. The prediction method of cabin noise caused by propeller blade vortex-induced vibration and the control measures of noise reduction can be used as a reference for the design of vibration and noise reduction of the new ships.

Key words： Propeller; Vortex-induced vibration; Cabin noise

1      前言

由于造船技術及社会总体经济水平的提高，人们对船舶的舒适性提出了更高的要求，船舶噪声成为其中重要的评判标准。某太阳能锂电池游艇，新船试航时机舱噪声约为95 dbA，最大声压值出现在频率约320 Hz处。该游艇在海上航行几个月后，船体外表面、舵叶及螺旋桨表面长满了较厚的海生物，机舱噪声降到了约75 dbA，最大声压值出现在频率290 Hz处。经过将螺旋桨桨叶表面的海生物清除后，机舱噪声又基本上恢复到了新船试航时的水平，即机舱噪声约为95 dbA，最大声压值也出现在频率约320 Hz处。

螺旋桨桨叶表面的海生物，使机舱舱室噪声明显下降，其可能有以下几方面的原因：（1）海生物增大阻尼，使桨叶涡激振动幅度大大减小，可降低机舱舱室噪声;（2）海生物可能改变了螺旋桨叶型及增大了螺旋桨表面粗糙度，减少螺旋桨桨叶诱发的涡的数量及强度，使桨叶涡激振动大大降低，机舱舱室噪声也随之降低;（3）海生物使桨叶质量（含附连水质量）增大，使桨叶固有频率降低避开了共振区，涡激振动强度减小，从而降低了机舱舱室噪声。

船舶在航行过程中，螺旋桨随边产生周期性脱落旋涡，旋涡脱落产生了作用于桨叶表面的脉动压力，即涡激力。桨叶沿径向不同位置处的弦长和随边厚度是不同的，叶片会存在多个旋涡脱落频率，只要其中一个接近叶片某一阶固有频率，都会诱导叶片产生涡激共振并辐射噪声。当振动和声辐射达到高水平时，螺旋桨会发出一些强单频声，即螺旋桨唱音。对于采用电推方式的新型船舶，螺旋桨桨叶涡激力引起的噪声属于机舱的主要声源之一。

目前我国对螺旋桨桨叶涡激力对舱室噪声影响的研究尚比较少见，主要采用统计能量法预报舱室噪声，并取得了一定的科研成果。国内外专家普遍认为，统计能量法对船舶与海洋工程舱室噪声预报的精度可满足工程精度要求。因此，本文应用统计能量法预报螺旋桨桨叶涡激力引起的机舱噪声，通过研究分析，找出噪声产生的机理及降低机舱空气噪声的方法。

2    噪声预报的基本原理及方法

统计能量分析方法（SEA）作为一种针对中、高频宽带振动与噪声预测的有效方法，可用于船舶设计的噪声预报与声学优化，是一种基于统计学理论的科学方法。

统计能量法采用统计学及能量守恒的理论，将整个系统分为若干子系统，对各个子系统的平均响应进行预报。其主要理论方程为：

式中： Ei—i子系统的能量; pi—外部对i子系统做的功;ω—中心频率;ηij—耦合损耗因子; ni—i子系统模态密度; ηi—内部损耗因子。

3    计算模型的建立

VA One软件是法国ESI集团于2005年推出的一款可用于全频段振动和噪声分析的模拟软件。VA One软件集成了有限元分析、边界元分析、统计能量分析及其混合分析技术，且集成了这几种分析技术耦合分析的功能，能够进行求解更为可靠的全频域预报结果。

3.1   VA One建模步骤

（1）依据图纸在VA One软件中直接输入坐标点的数值信息，建立需要用到的点的信息;并根据基本结构图的相关信息，通过已建立的坐标点创建板子系统;使用VA One软件的auto connect功能，连接成为整体的振动噪声模型;

（2）所需材料属性的定义和赋予。通过查阅资料和使用VA One软件中预设的信息，对所需材料的物理属性如内损耗因子、耦合损耗因子等进行输入;

（3）定义图纸中所使用的梁和加筋板等参数，并赋予到模型中;

（4）建立封闭的声腔子系统，并使用VA One软件的auto connect功能，进行整个系统的自动连接，以完成整体模型的建立;

（5）定义激励源。通过实际激励源属性以及《船舶及产品噪声控制与检测指南》的要求确定激励的具体信息，将激励源加载在模型相对于实船相应的位置;

（6）求解模型。利用VA One软件的solve功能对模型进行求解，得到图标形式的计算结果，如子系统的模态密度、振动加速度级、声压级以及子系统直接的能量输入关系等。

3.2   计算模型的建立

研究对象为某太阳能锂电池游艇：

游艇总长26.03 m、水线长22.30 m、型深2.90 m、船宽5.83 m、设计排水量67.71 t、设计吃水1.00 m、设计航速22 kn、乘员12人;

舱室主要有：驾驶室、茶水间、餐厅、沙龙、主人房、客房、KTV多功能室、机舱、水手房等。

使用统计能量分析方法，在VA One软件中根据游艇CAD图纸进行适当简化，通过插值计算出各个所需的坐标点，并使用这些坐标點来建立SEA模型中的各个子系统，重点研究螺旋桨桨叶涡激力作用下的机舱空气噪声特性。

用VA One软件建立的三维模型如图1所示。

全船一共分为28个声腔子系统，如图2所示。

舷外水采用一个半无限流体子系统模拟，并与船体外板进行连接，如图3所示。

为了研究螺旋桨桨叶涡激振动噪声对机舱舱室噪声的影响，把螺旋桨及轴系简化后建立的模型，如图4所示。

螺旋桨桨叶涡激力采用在螺旋桨桨叶上加载集中力来模拟，涡激力的合力为螺旋桨轴向交变集中力，每片桨叶施加一个涡激力，如图5所示。

4    计算与结果

4.1   涡激力的频率对机舱舱室噪声的影响

为了分析涡激力频率对机舱噪声的影响，假定机舱噪声为95 dBA，分别计算出不同频率时对应的的螺旋桨桨叶涡激力的大小。计算结果如图6所示。从图6可以看出：

涡激力的频率对机舱噪声的影响很大。当机舱舱室噪声达到95 dBA时，所需涡激力的最小值位于频率300～900 Hz之间;低频或高频时，所需的涡激力较大。

4.2   桨叶表面增设阻尼层对机舱噪声的影响

为了更精确预报螺旋桨激振力引起机舱噪声的大小与频率的关系，计算频率取为200～800 Hz，相邻计算频率之差5 Hz。

计算分析螺旋桨表面阻尼层对涡激力引起机舱噪声的影响：计算所取阻尼材料为：密度为1 100 kg/m3、弹性模量为2.3 e9 Pa、剪切模量为7.72 e8 Pa、泊松比为0.49。在相同的涡激力作用下，分别计算螺旋桨桨叶表面无阻尼层、敷设5 mm厚阻尼层、敷设10 mm厚阻尼层、敷设20 mm厚阻尼层共4个方案的机舱舱室噪声，如图7所示。

5    分析与讨论

5.1   分析

在相同大小的涡激力下，涡激频率对机舱噪声影响很大。在中高频涡激力作用下，桨叶涡激振动产生的噪声经轴系传入机舱，即使涡激力很小，机舱空气噪声也很大。对于电池推进的游艇机舱，螺旋桨桨叶涡激力导致的空气噪声属于主要声源。

螺旋桨表面的阻尼材料，可抑制中高频涡激力导致桨叶涡激振动产生的噪声，使机舱噪（下转第页）（上接第页）

声显著下降：5 mm厚阻尼层可使机舱噪声下降约10 dBA，10 mm厚可下降低约15 dBA，20 mm厚可下降低约20 dBA。

5.2  讨论

某太阳能锂电池游艇螺旋桨桨叶产生的涡激振动强度，虽然没有达到产生唱音的水平，但其振动引起的噪声属于太阳能锂电池游艇机舱的主要声源之一。

通常，螺旋桨桨叶表面的海生物可使机舱噪声明显下降，其可能有以下几方面的原因：（1）海生物增大阻尼，使桨叶涡激振动幅度大大减小，可降低机舱舱室噪声;（2）海生物可能改变了螺旋桨叶型及增大了螺旋桨表面粗糙度，减少螺旋桨桨叶诱发的涡的数量及强度，使机舱舱室噪声降低;（3）海生物使桨叶质量（含附连水质量）增大，桨叶固有频率降低，避开了共振区，涡激振动强度减小，从而降低了机舱舱室噪声。螺旋桨桨叶生长海生物后，舱室噪声下降可能是其中某一种原因，也可能是多重原因共同作用的结果。

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