基于AutoSEA的高速船靜噪聲預(yù)報(bào)與控制

1 引 言

高速船是自20世紀(jì)50年代以來，在船舶航速上出現(xiàn)突破、概念新穎的新一代船型，它的出現(xiàn)在很大程度上改變了傳統(tǒng)交通運(yùn)輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)局面，給水運(yùn)業(yè)注入新的活力[1]。但是，高速化的同時(shí)卻帶來了嚴(yán)重的振動(dòng)與噪聲問題。對(duì)于高速客船而言,由于其高航速而要求安裝大功率高轉(zhuǎn)速的推進(jìn)主機(jī),從而為自身設(shè)置了一個(gè)巨大的振動(dòng)和噪聲源，使得高速客船往往具有較高的噪聲水平，加上高速客船的服務(wù)對(duì)象層次較高，對(duì)居住環(huán)境的要求苛刻。因此,在高速船開發(fā)設(shè)計(jì)初期預(yù)報(bào)艙室噪聲，進(jìn)而采取減振降噪措施以滿足規(guī)范要求顯得至關(guān)重要。

使用傳統(tǒng)的模態(tài)分析方法研究工程結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問題已有很長的歷史，這種研究動(dòng)力學(xué)問題的方法局限于對(duì)能夠清楚辨認(rèn)的有限數(shù)量的低階模態(tài)進(jìn)行分析，分析誤差隨著頻率范圍向更高擴(kuò)展而增大，分析難度隨著結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度而增加。研究工程結(jié)構(gòu)系統(tǒng)振動(dòng)問題的困難是高階模態(tài)參數(shù)的不確定性。因此，使用統(tǒng)計(jì)模態(tài)的概念，把振動(dòng)能量作為描述振動(dòng)的基本參數(shù)，并根據(jù)振動(dòng)波和模態(tài)間存在著的內(nèi)在聯(lián)系，建立分析聲、結(jié)構(gòu)振動(dòng)和其它不同子系統(tǒng)耦合動(dòng)力學(xué)的統(tǒng)計(jì)能量分析方法(Statistical Energy Analysis縮寫為SEA)[2]。統(tǒng)計(jì)能量分析方法適用于分析含有高頻、高模態(tài)密度的復(fù)雜系統(tǒng)(含聲子系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)，或只含結(jié)構(gòu)子系統(tǒng))的耦合動(dòng)力學(xué)問題，例如使用統(tǒng)計(jì)能量分析可預(yù)示復(fù)雜系統(tǒng)的內(nèi)外聲振環(huán)境等問題。

2 統(tǒng)計(jì)能量分析基本原理

統(tǒng)計(jì)能量分析法是將能量守恒方程應(yīng)用于每一個(gè)子系統(tǒng)，即子系統(tǒng)消耗的能量加上傳遞給其它子系統(tǒng)的能量，應(yīng)等于輸入給該子系統(tǒng)的能量。圖1所示為兩個(gè)相互耦合的線性單自由度振子系統(tǒng)，其能量平衡方程可以用下式表示：

(1)

(2)

式中，ω是分析帶寬內(nèi)的中心頻率；Pi是時(shí)間平均上的輸入能量；E1，ni，ηi分別是i系統(tǒng)的能量、模態(tài)密度和內(nèi)損耗因子，ηij是振動(dòng)能量從i系統(tǒng)傳至j系統(tǒng)的耦合損耗因子。

圖1 簡單的SEA系統(tǒng)

對(duì)于由N個(gè)子系統(tǒng)組成的系統(tǒng)，其能量平衡方程可以寫成如下矩陣形式[3]：

(3)

只要獲得輸入功率、模態(tài)密度、損耗因子，就能求解方程獲得子系統(tǒng)能量E，由子系統(tǒng)能量E求解工程量。

對(duì)于每個(gè)結(jié)構(gòu)或者聲學(xué)的子系統(tǒng)，具有一個(gè)與其時(shí)間平均或空間平均振動(dòng)速度vi或者聲壓p2成比例的穩(wěn)態(tài)能量關(guān)系。對(duì)于質(zhì)量為M的結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)，有

v2

(4)

對(duì)于體積為V的閉空間聲場(chǎng)子系統(tǒng)，有

p2

(5)

式中,ρ為聲場(chǎng)介質(zhì)密度;c為聲速。

3 AutoSEA軟件簡介

Autosea統(tǒng)計(jì)能量分析軟件是Vibro-Acoustic Sciences有限公司開發(fā)的基于統(tǒng)計(jì)能量分析方法的噪聲及振動(dòng)控制設(shè)計(jì)軟件,目前已應(yīng)用于航空、造船、汽車以及普通消費(fèi)品等各個(gè)行業(yè)。其應(yīng)用范圍包括噪聲預(yù)估、主要聲源及噪聲控制、外噪聲輻射分析等。

在AutoSEA的幫助下，產(chǎn)品設(shè)計(jì)師在產(chǎn)品初始設(shè)計(jì)階段就可以方便而準(zhǔn)確地預(yù)估和控制產(chǎn)品的振動(dòng)和聲學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)潛在問題；可以模擬采取降噪措施后的效果。

4 高速船噪聲預(yù)報(bào)實(shí)例仿真

4.1 船舶聲振模型的建立

本論文的研究對(duì)象是武漢南華高速船舶股份有限公司140客位高速客船，依據(jù)基本結(jié)構(gòu)圖和橫剖面圖，在AutoSEA中建立船舶聲振模型。圖2和圖3分別為船舶外部結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)的劃分與聲空間子系統(tǒng)的劃分。

圖3 船舶聲空間子系統(tǒng)

4.2 船舶艙室噪聲預(yù)報(bào)

從140客位高速船的總體布置圖可以看出，作為主振源和主聲源的主、輔機(jī)和螺旋槳均安裝在船尾，客艙區(qū)為噪聲級(jí)重點(diǎn)控制區(qū)?？团摰脑肼暭?jí)主要由以下幾部分組成：

1) 主、輔機(jī)空氣噪聲透過空隙直接向艙中輻射；

2) 由主、輔機(jī)振動(dòng)引起機(jī)艙壁、機(jī)艙上空甲板、舷側(cè)振動(dòng)，此振動(dòng)沿著結(jié)構(gòu)向客艙傳播并引起客艙圍壁的振動(dòng)，圍壁再向客艙輻射的噪聲；

3) 由螺旋槳縱向振動(dòng)作用在船體結(jié)構(gòu)上引發(fā)的結(jié)構(gòu)噪聲。

由于在此船中，主機(jī)功率大、轉(zhuǎn)速高，且靠近機(jī)艙前部與乘客艙室毗鄰，輔機(jī)、螺旋槳等引起的噪聲與主機(jī)相比處于次要地位，從而本文主要模擬由主機(jī)的激振力引起的船舶噪聲。

在3D模型中設(shè)置輸入激勵(lì)，即主機(jī)對(duì)主機(jī)梁的兩個(gè)點(diǎn)源激勵(lì)，最后將它們應(yīng)用于相應(yīng)的輸入子系統(tǒng)，模擬計(jì)算得到客艙1和客艙2的噪聲頻譜值如圖4所示。

圖4 客艙噪聲頻譜值

4.3 船舶艙室噪聲控制

在AutoSEA中，能直接得出其相鄰子系統(tǒng)對(duì)某一系統(tǒng)的能量貢獻(xiàn)，利用這一功能，可以找出相鄰子系統(tǒng)中對(duì)我們所感興趣的客艙輸入能量最多的子系統(tǒng)，從而找到減振降噪措施實(shí)施的主要對(duì)象。

由圖5可以看出對(duì)客艙輸入能量最多的兩個(gè)子系統(tǒng)是位于兩客艙上部的駕駛甲板，本論文主要對(duì)這兩個(gè)子系統(tǒng)添加吸聲結(jié)構(gòu)，在AutoSEA的NCT(noise control treatments)模塊中添加自定義的兩層復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)[4，5]，第一層為硬橡膠，第二層為玻璃纖維，并應(yīng)用于上述兩個(gè)子系統(tǒng)。

圖5 子系統(tǒng)對(duì)客艙的能量輸入

對(duì)客艙進(jìn)行隔聲降噪處理后，重新對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算，再次取兩個(gè)客艙的噪聲值，并與處理前的結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果如圖6所示。

圖6 結(jié)果比較

5 結(jié) 論

本文應(yīng)用基于統(tǒng)計(jì)能量原理的軟件對(duì)高速船舶的客艙噪聲進(jìn)行了模擬計(jì)算，計(jì)算得出船舶艙室噪聲的值與客艙各相鄰子系統(tǒng)對(duì)客艙能量的貢獻(xiàn)值，從而采取相應(yīng)的措施對(duì)船舶客艙噪聲進(jìn)行吸聲處理，最后模擬計(jì)算出采取吸聲處理后的艙室噪聲值。對(duì)在船舶設(shè)計(jì)初期進(jìn)行船舶艙室噪聲值的預(yù)報(bào)并采取相應(yīng)的措施提供了一定的幫助。

[1] 文功啟．高速船結(jié)構(gòu)噪聲傳播及其阻尼被動(dòng)控制的研究[D]．武漢理工大學(xué)，2002.

[2] 伍先俊，朱石堅(jiān)．統(tǒng)計(jì)能量法及其在船舶聲振預(yù)測(cè)中的應(yīng)用綜述[J]．交通科學(xué)與工程,，2004,28(2).

[3] 姚德源，王其政．統(tǒng)計(jì)能量分析原理及其應(yīng)用[M]．北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社,1995.

[4] 朱石堅(jiān)，何琳．船舶減振降噪技術(shù)與工程設(shè)計(jì)[M]．北京：科學(xué)出版社，2002.

[5] 陳越澎，譚林森．船舶艙室噪聲控制技術(shù)綜述[J]．武漢造船，1995(6):34-40.