30 m 全回轉(zhuǎn)拖輪艙室噪聲預(yù)報

劉甄真，溫華兵，陸金銘，昝浩

(江蘇科技大學(xué)振動噪聲研究所，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

全回轉(zhuǎn)拖輪是指在原地可以360度自由轉(zhuǎn)向的拖輪。由于動力設(shè)備眾多以及機艙內(nèi)布置的復(fù)雜性，長期以來拖輪艙室振動及空氣噪聲控制的問題沒有得到很好的解決，嚴重影響船員的健康與舒適度。根據(jù)GB 5980-2000規(guī)定，船長30～75 m的內(nèi)河船舶，機艙的噪聲限制值為90 dB(A)，會議室的噪聲限制值為70 dB(A)，臥室的噪聲限制值為65 dB(A)。為了有效控制拖輪的結(jié)構(gòu)振動和艙室噪聲，需要在設(shè)計階段對其進行嚴格的噪聲仿真預(yù)報。

張娟[1]基于Auto-SEA2研究了船舶的典型動力源輻射噪聲；酈茜[2]基于統(tǒng)計能量法研究了高速船的靜噪聲預(yù)報與控制；劉凱[3]基于Auto-SEA對魚雷結(jié)構(gòu)輻射噪聲進行了研究。目前國內(nèi)對全回轉(zhuǎn)拖輪艙室噪聲的研究較少，本文基于統(tǒng)計能量法，研究了30 m全回轉(zhuǎn)拖輪的艙室噪聲。

基于VA One軟件，探討了全回轉(zhuǎn)拖輪的建模方法，建立了全回轉(zhuǎn)拖輪的艙室噪聲預(yù)報模型，將拖輪劃分為七個主要的物理子系統(tǒng)，建立了七個物理子系統(tǒng)的能量分析模型，確定了拖輪激勵位置及大小和噪聲源的排序。將仿真結(jié)果與相同船型的測量結(jié)果進行對比，驗證了基于統(tǒng)計能量法建立預(yù)測全回轉(zhuǎn)拖輪艙室噪聲預(yù)報模型的可行性，從而為拖輪的噪聲控制提供了依據(jù)。

1 全回轉(zhuǎn)拖輪艙室噪聲預(yù)報模型

1.1 拖輪噪聲預(yù)報模型的建立

研究對象為某船廠的30 m全回轉(zhuǎn)拖輪，船長36.8 m，船高10.9 m，水線長35.5 m，型寬10 m，型深4.4 m，設(shè)計吃水3.4 m，肋距離0.5/0.55 m，梁拱B/50，定員13 P；船體基本結(jié)構(gòu)采用Q 235鋼材制造。VAOne的全船建模步驟如下：

(1)確定并設(shè)置建模所需的模塊

對拖輪中的一些結(jié)構(gòu)進行等效簡化，確定這些結(jié)構(gòu)需要由哪些模塊來創(chuàng)建。根據(jù)拖輪每個部分的尺寸和材料的物理屬性，在軟件中完成設(shè)置。建模時所用的材料均選用鋼材，窗、門及其他各種開口均用鋼板代替，主機采用一塊施加主機激勵的厚板代替。

(2)根據(jù)模型的特點，設(shè)計合理的建模流程

該拖輪的模型底部肋板結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，并且跟艙室子結(jié)構(gòu)的連接較多；而艙室和上層建筑結(jié)構(gòu)相對簡單，因此先創(chuàng)建復(fù)雜船底，再創(chuàng)建中間艙室，最后創(chuàng)建上層建筑。

(3)根據(jù)船的結(jié)構(gòu)劃分物理子系統(tǒng)

合理劃分物理子系統(tǒng)是成功應(yīng)用統(tǒng)計能量分析法的關(guān)鍵。劃分子系統(tǒng)需要滿足相似性條件和顯著性條件。相似性條件指期待這組子系統(tǒng)幾乎具有相等的激勵和阻尼，如果滿足這一條件，那么這些子系統(tǒng)幾乎具有相等的振動能量；顯著性條件指這些子系統(tǒng)在能量的傳輸、消耗和能量存貯中起著重要作用[4]。根據(jù)兩個條件分析子系統(tǒng)間的連接關(guān)系，并建立統(tǒng)計能量分析模型。

(4)根據(jù)前幾步的準(zhǔn)備，創(chuàng)立幾何子系統(tǒng)

(5)連接各個幾何子系統(tǒng)

幾何子系統(tǒng)連接為軟件自動連接,對于沒有公共邊界的幾何子系統(tǒng)，則需要用戶手動創(chuàng)建連接。模型創(chuàng)建完成之后,用戶可以通過“連接”對話框中“相連的子系統(tǒng)”來對創(chuàng)建完成的幾何子系統(tǒng)進行檢查[5]。

(6)確定艙室噪聲來源，并分析各個物理子系統(tǒng)間的功率流傳遞。

(7)計算激勵大小并確定噪聲源的排序。

(8)計算輸出結(jié)果。

1.2 30m全回轉(zhuǎn)拖輪的SEA模型

全船SEA模型如圖1所示。拖輪的窗、門及其他各種開口均用鋼板代替。整船SEA模型共有131個聲腔和438個板結(jié)構(gòu)。在模型中，將外界流場簡化為4個半無限流子系統(tǒng)，并與船體兩邊的舷側(cè)及船底相連接。

1.3 拖輪的功率流分析

整個拖輪可以劃分為7個存儲能量的振動模態(tài)群（即物理子結(jié)構(gòu)），圖2為這7個物理子系統(tǒng)的主要能量分析模型。

由功率流分析建立拖輪的能量平衡方程為

圖2 子系統(tǒng)的能量分析模型

式中ω是分析帶寬內(nèi)的中心頻率Ei，ηi分別是i子系統(tǒng)的能量和內(nèi)損耗因子，ηij是振動能量從i子系統(tǒng)傳至j子系統(tǒng)的耦合損耗因子，耦合損耗因子之間滿足互易原理[6]，即

其中ni表示子系統(tǒng)的模態(tài)密度。

在已知輸入功率P1in、P2in和內(nèi)損耗因子ηi的情況下，就能求解方程獲得子系統(tǒng)能量Ei,由Ei求解所需要的振動級、聲壓級、應(yīng)力和壓力等動力學(xué)參數(shù)。

對于每個結(jié)構(gòu)或者聲學(xué)的子系統(tǒng),具有一個與其時間平均或空間平均振動速度Vi或者聲壓pi成比例的穩(wěn)態(tài)能量關(guān)系。對于質(zhì)量為Mi的結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)有

對于體積為Vi的閉空間聲場子系統(tǒng),有：

式中ρ為聲場介質(zhì)密度，c為聲速。

1.4 激勵的確定和聲源排序

船舶噪聲主要為主機噪聲和螺旋槳噪聲。主機噪聲是船舶噪聲源中最主要的噪聲源,可分為空氣噪聲和機械噪聲兩部分。螺旋槳是船舶的又一個主要噪聲源,主要分為引起船體振動所產(chǎn)生的噪聲和直接產(chǎn)生的噪聲[7]。

該全回轉(zhuǎn)拖輪為雙主機雙螺旋槳配置，主機的型號為YAMA-6 EY 26 W，額定功率為1 800 kW，額定轉(zhuǎn)速750 r/min，齒輪箱轉(zhuǎn)速比為3.201 9，螺旋槳采用四葉槳。在本模型中系統(tǒng)的外部激勵簡化為三個：主機的聲功率激勵、主機作用在機艙基座上的結(jié)構(gòu)激勵，螺旋槳產(chǎn)生的脈動壓力對螺旋槳機艙底板上的激勵作用。根據(jù)經(jīng)驗公式[8,9]可以分別計算出主機和螺旋槳的激勵頻譜，如圖3—圖5為這三個聲源的激勵頻譜圖。

圖3 主機聲功率頻譜

圖4 主機激振力頻譜

為了確定三種激勵對艙室噪聲的貢獻，將主機空氣噪聲聲功率在機艙空間里對于艙壁的作用，主機激振力在主機基座上的作用，以及螺旋槳激振速度對螺旋槳艙室底板的作用分別單獨考慮，計算它們各自引起的船長室、船員室和會議室的聲壓級，如圖6—8所示。

圖5 螺旋槳激振速度頻譜

圖6 加載不同激勵源時船長室聲壓級

圖7 加載不同激勵源時船員室聲壓級

圖8 加載不同激勵源時會議室聲壓級

從圖6—圖8可知，每個頻率段，噪聲源的排序是不一樣的。16～63 Hz頻率段，螺旋槳激振速度引起的噪聲對艙室噪聲的貢獻最大，其次是主機激振力引起的噪聲；63～200 Hz頻率段，主機激振力引起的噪聲對艙室噪聲的貢獻最大，其次是螺旋槳激振速度引起的噪聲；200～20 kHz頻率段，主機激振力引起的噪聲對艙室噪聲的貢獻最大，其次是空氣噪聲聲功率輻射引起的噪聲。通過仿真預(yù)報，可以計算出全頻段每個聲源對艙室噪聲的貢獻率，由于聲壓不能疊加，而聲能量可以疊加計算，根據(jù)聲能量疊加原理，可以知道單個噪聲源對總的噪聲的貢獻率為

式中ηn為聲源n對艙室噪聲的貢獻率，En為聲源n在艙室中產(chǎn)生的聲能量，Lpn為噪聲源n在艙室中產(chǎn)生的聲壓級。

2 艙室噪聲結(jié)果分析

為了驗證仿真預(yù)報的正確性，對實船進行相應(yīng)的噪聲測試。測量儀器為丹麥B&K 2250噪聲測量儀，在主機處于100%工況（即轉(zhuǎn)速為750 r/min）時，對船員室、船長室、會議室等艙室進行聲壓級測量。圖9—圖11為船員室、船長室、會議室這三個艙室的實驗測量值與仿真值對比圖。

圖10 船員室聲壓級對比圖

圖11 船長室聲壓級對比圖

由圖9—圖11可知，三個房間的仿真結(jié)果與實驗結(jié)果曲線變化趨勢一致，而在80 Hz之后，仿真值要明顯大于實測值。這是由于實驗測量時拖輪的艙壁上粘貼了大量的多孔吸聲材料，而在模型預(yù)報時卻沒有進行噪聲控制處理，由于多孔吸聲材料主要吸收中高頻段噪聲，所以中高頻部分的實驗結(jié)果會比仿真結(jié)果偏小。

從仿真結(jié)果可以看出，會議室、船員室、船長室的總聲壓級為 74.9 dB(A)、75.4 dB(A)、79.3 dB(A)，表明船長室是受噪聲源影響最大的房間，會議室是受噪聲源影響最小的房間，這是由于隨著相對振動源的距離的增大，其振幅不斷減小。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因有以下幾點：

(1)振動能量在沿船體傳遞時，不斷的被結(jié)構(gòu)吸收；

(2)散波波前的擴大[7]。

根據(jù)公式(5)可以進一步計算出各個噪聲源產(chǎn)生的噪聲對艙室噪聲的貢獻率，噪聲源貢獻率情況如表1所示。從整個分析頻率段來看，主機激勵力引起的噪聲對艙室噪聲的貢獻率遠大于主機空氣噪聲和螺旋槳激勵噪聲對艙室噪聲的貢獻率。

表1 噪聲源的貢獻率

從整個分析頻率段來看，三個艙室的仿真結(jié)果與預(yù)測結(jié)果的整體絕對誤差小于6 dB(A)，如表2所示。誤差滿足工程精度要求，證實了本文所建統(tǒng)計能量分析模型對全回轉(zhuǎn)拖輪艙室噪聲預(yù)報的可信性。

表2 仿真結(jié)果與實驗結(jié)果的誤差

3 結(jié)語

(1)三個房間仿真結(jié)果與實驗結(jié)果整體誤差滿足工程精度要求，表明在滿足相似性條件和顯著性條件的前提下，使用VA One將全回轉(zhuǎn)拖輪劃分為7個物理子系統(tǒng)的步驟和方法是合理有效的；

(2)通過對拖輪單獨施加激勵源，說明每個頻率段對艙室噪聲貢獻最大的噪聲源是不一樣的。在進行拖輪減振降噪處理時，16～63 Hz頻率段，螺旋槳減振控制是首要考慮對象；63～20 kHz頻率段，主機減振控制是首要考慮對象。而通過對聲源整體貢獻率的計算，可以得出全頻段內(nèi)主機激勵力引起的噪聲對艙室噪聲的貢獻率達到90%以上，進一步說明主機減振控制的重要性；

(3)從仿真結(jié)果可以看出，會議室、船員室、船長室的總聲壓級為 74.9 dB(A)、75.4 dB(A)、79.3 dB(A)，表明船長室是受噪聲源影響最大的房間，在進行拖輪艙室吸聲處理時，船長室應(yīng)該重點考慮。

[1]張娟，李天勻.基于Auto SEA 2的船舶典型動力源輻射噪聲分析[J].船舶力學(xué)，2008，12(5)：819-823.

[2]酈茜，吳衛(wèi)國.基于Auto SEA的高速船靜噪聲預(yù)報與控制[J].中國艦船研究，2008，3(1)：28-30.

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