船舶機艙模型振聲環(huán)境預報與控制

梁炳南，于洪亮,2，蔡延年

（1.大連海事大學 輪機工程學院，遼寧 大連116026；2.集美大學 輪機工程學院，福建 廈門361021）

船舶機艙模型振聲環(huán)境預報與控制

梁炳南1，于洪亮1,2，蔡延年1

（1.大連海事大學 輪機工程學院，遼寧 大連116026；2.集美大學 輪機工程學院，福建 廈門361021）

以某航海教學實習船機艙為原型，將此振動—聲輻射耦合系統(tǒng)簡化為箱形多腔結構，建立多腔結構及其單元腔室有限元模型，考慮液艙布置與充液、激勵源處設置隔振器等情況，對結構進行頻率響應分析，運用聲學邊界元法對艙室噪聲進行預報，通過對艙室中心場點聲學貢獻較大的板件進行約束阻尼處理，有效降低艙室噪聲。并進行船舶機艙模型振動—聲輻射實驗。分析表明：研究三艙段船舶機艙模型振聲性能時，充液及增加充液艙數(shù)，對模型固有頻率影響明顯，通過設置隔振器能有效降低艙室振聲等級，在非激勵源艙室敷設約束阻尼材料，也可起到較好降噪作用。

振動與波；船舶機艙模型；邊界元法；聲輻射；聲學貢獻度

為了實現(xiàn)船舶艙室振聲環(huán)境的預報與控制，針對船舶動力艙室,可以采取安裝隔振器的方法減小動力設備的振動傳遞;阻尼減振是將機械振動的能量轉變成熱能或其他能量，從而達到減振的目的，采用阻尼減振理論措施,在艙壁表面敷設阻尼材料以減小結構振動響應；此外船舶機艙為滿足動力裝置需要廣泛布置液艙，動力設備所引起的振動會導致液艙結構和其中的液體產(chǎn)生耦合振動;船舶機艙是船員工作區(qū)域乃至居住區(qū)域的振動源和噪聲源，尋找有效實用的預測分析和控制方法來解決船舶艙室噪聲問題成為重要課題[1－5]。一般認為有限元+邊界元方法在研究聲輻射問題有較好的精度,并有較多應用[6－10]。以某航海教學實習船機艙為原型，將此振聲耦合系統(tǒng)簡化為箱形多腔結構，以發(fā)電柴油機振動為激勵源，考慮液艙布置與充液、動力裝置隔振、艙室敷設約束阻尼材料，運用有限元和聲學邊界元法對機艙簡化模型的結構振動和聲輻射特性進行了研究。并使用LMS test lab振動噪聲分析系統(tǒng)對數(shù)值計算結果進行對比驗證。

1 簡化模型及其數(shù)值計算模型的建立

模型試驗的原型為某航海教學實習船機艙。機艙分為主機艙和輔機艙，主機及相關的系統(tǒng)設備，機艙集控室、輪機儲藏間布置在主機艙，3臺主柴油發(fā)電機組布置在輔機艙內(nèi)，機組采用隔振器安裝。在主柴油發(fā)電機組和集控室的中間和兩側布置各類液艙和艙室。選取主機艙段和輔機艙段，并將其向艏部和尾部延伸了半個艙段，建立三個艙段模型，從形狀上，實際船舶的機艙不規(guī)則，為了定性說明問題，同時考慮船舶結構對稱性，將目標船機艙成比例簡化為箱形多腔結構，建立簡化模型如下：考慮船舶液艙一般靠近兩舷并由船底結構和舷側結構（或液艙壁板）組成，模型設置6個液艙（1—6號），液艙不充液時，可看作局部加強結構，模型設置了5個聲學艙室，1號艙室和2號艙室對稱設置，對1號艙室（類比機艙集控室）頂板和底板敷設約束阻尼材料。該模型試驗的振動源僅是用激振器模擬發(fā)電機組設備，沒有考慮主機、螺旋槳、波浪的干擾力，模型激勵位置(1.0 m，0.25 m)處對稱安裝隔振器。機艙模型剖面圖，如圖1、圖2所示。

圖1 機艙模型水平剖面圖

圖2 機艙模型橫剖面圖

有限元模型坐標系采用笛卡爾坐標系，其X軸沿船體縱向指向船艏，Y軸沿船寬方向指向左舷，Z軸沿型深向上，參數(shù)如圖所示。APDL語言編寫材料參數(shù)及實常數(shù)，板材：ET,1,SHELL181&MP, EX,1,

2e11&MP,PRXY,1,0.3&MP,DENS,1,7 800 &SECTYPE,1,

SHELL&SECDATA,0.004,1,約束阻尼結構：ET,1,

SHELL 181&MP,EX,1,2e11&MP,PRXY,1, 0.3&MP,DENS,

1,7800&MP,EX,2,3.4E 6&MP,PRXY,2,0.49 &MP,DENS,

2,980&SECTYPE,2,SHELL&SECDATA, 0.004,1&SECDATA,0.002,2&SECDATA,0.002, 1,隔振器：ET,3,COMBIN

14&R,3,1.2e5,25&R,4,2.45e5,50&R,5, 5e5,42。模型兩端（H端和S端）和中縱剖面（CL）均需約束，模型的邊界條件詳見表1。液艙設置方案詳見表2。

表1 有限元模型邊界條件

表2 液艙設置方案 單位/m

2 結構振動聲輻射數(shù)值計算與實驗驗證

液艙設置采用方案六，激勵源位置對稱設置隔振器，1號艙室底板和頂板敷設約束阻尼材料，對結構振動和聲輻射進行數(shù)值計算與實驗驗證，實物模型及測試系統(tǒng)如圖3所示，有限元模型及邊界條件如圖4所示。考慮局部約束阻尼減振設計對整體結構振動阻尼特性的影響，應用模態(tài)應變能法，進行阻尼結構模態(tài)計算，求得頻變材料的材料損耗因子及復合材料損耗因子，用于定義數(shù)值計算文件中的結構阻尼參數(shù)，采用完全法進行諧響應分析，頻率計算區(qū)間設定為50 Hz～1 000 Hz。激勵力幅值5 N。計算結果作為聲學邊界元模型邊界條件輸入，利用Virtual.Lab進行聲場計算。實驗室條件下利用激振器進行正弦掃描激勵，聲音信號采用壓電式聲傳感器采集，LMS SCADAS硬件與LMS Test.Lab軟件無縫集成，保證最佳數(shù)據(jù)質量和精度。

圖3 實物模型及測試系統(tǒng)

圖4 有限元模型及邊界條件

通過數(shù)值計算與實驗結果對比，如圖5所示，場點1(0.05 m，0.075 m，0.10 m)處兩者聲壓級隨頻率的變化規(guī)律具有一定的相似性，在230 Hz、410 Hz、560 Hz頻率處誤差較大，分別為7.7 dB、7.58 dB、 7.08 dB，其余對應各頻率處誤差集中在3 dB～4 dB之間，可以表明本方法預測該模型振聲環(huán)境有較好的準確度。從圖5還可以看出，聲壓級頻率響應函數(shù)曲線在84 Hz、128 Hz左右出現(xiàn)峰值，模態(tài)分析表明艙室出現(xiàn)結構局部振動（對應第6階和第15階），圖6給出了第6階和第15階的場點聲壓級云圖，可以看出由于對1號艙室進行局部減振設計，1號艙室的聲壓級明顯小于2號艙室。

圖5 場點1聲壓級仿真與實驗結果對比

圖6 場點聲壓級云圖

3 結構聲學特性分析結果

3.1 液艙設置對艙室聲學特性影響

利用已建立艙段有限元模型，通過調(diào)整充液艙室位置及數(shù)目，考察上述結構改變的聲學效果。圖7給出了1號艙室中心場點1七種方案的聲壓級頻率響應函數(shù)曲線。

七種方案中場點1在低頻振動頻段內(nèi)，因為結構的響應主要反映總體振動，艙室都產(chǎn)生了較高聲壓級。液艙充液及設置對模型固有頻率影響明顯，艙室輻射聲頻曲線向左移，結構固有頻率下降，頻率在50 Hz～1 000 Hz內(nèi)相同階數(shù)內(nèi)充液導致聲壓級下降，七種方案艙室振聲性能隨頻率的變化趨勢均具有一定的相似性，如圖7（b）所示改變充液艙室數(shù)目對聲輻射性能峰值影響較大，從總體上看，增加液艙數(shù)量對于改善艙段振聲性能有利。

圖7 場點1聲壓級頻率響應函數(shù)曲線圖

3.2 設置隔振器對艙室聲學特性影響

針對目標船輔機艙發(fā)電柴油機采用隔振器與基座相連的連接方式，利用已建立艙段有限元模型，通過設置隔振器，考察上述結構改變的聲學效果。圖8、圖9給出了1號艙室中心場點1（0.5 m，0.075 m，0.1 m）、5號艙室中心場點2（1.25 m，0.25 m，0.125 m）處聲壓級頻率響應函數(shù)曲線。

圖8 場點1聲壓級頻率響應函數(shù)曲線圖

由模態(tài)理論及波動理論可知，當激擾力頻率遠低于機艙模型結構的固有頻率或激擾力激發(fā)的模型彎曲波波長遠大于模型長度時，模型的振動將主要表現(xiàn)為整體運動，布置隔振器對各艙室噪聲的影響則相對較小。但由于模型結構是由面板、橫板、局部加強結構等組成的復雜結構，彎曲波在各結構中的波長差異較大，且隨著激勵頻率不同，不同艙室的振動響應也不相同。從場點1和場點2聲壓級頻率響應函數(shù)曲線，可以看出激勵頻率較低時，安裝隔振器對不同場點的噪聲影響規(guī)律大致相同；而當頻率較高時，規(guī)律差異則相對較大。從艙室噪聲預報結果來看，對激勵源位置設置隔振器可有效降低艙室噪聲水平。

圖9 場點2聲壓級頻率響應函數(shù)曲線圖

3.3 敷設約束阻尼材料對艙室聲學特性影響

如圖10所示，1號艙室聲學貢獻圖能夠清晰地表明不同面板在不同頻率下的聲學貢獻，底板、頂板、左板和右板對設定的場點的聲壓貢獻較為突出，使用約束阻尼的方法對面板振動進行約束控制，阻尼材料為橡膠，約束層為鋼板。選取貢獻較大的艙室頂板和底板，對其施加約束阻尼處理。

圖10 艙室板塊聲學貢獻量

1號艙室中心場點1（0.5 m，0.075 m，0.1 m）和2號艙室中心場點2（0.5 m，0.425 m，0.1 m）聲壓變化情況如圖11所示，1號艙室敷設阻尼材料后，聲壓級變小，尤其在200 Hz～600 Hz頻率范圍之內(nèi),對艙室噪聲改善明顯。只在70 Hz～90 Hz頻段和30 Hz、390 Hz～410 Hz頻段附近有幾個點聲壓級要高于場點2，這是因為結構在該頻段產(chǎn)生共振輻射，形成共振峰值，此外由于阻尼結構在250 Hz這個頻率范圍對振動有較強的抑制作用，場點1聲壓級曲線有一個明顯谷點。通過對艙室板件聲學貢獻進行分析，確定了各板件對于艙室的聲學貢獻性質。找出對應場點聲學貢獻較大的板件，通過對其進行約束阻尼處理，噪聲水平的問題得以初步改善。

圖11 場點1與場點2聲壓級頻率響應函數(shù)曲線對比圖

4 結語

本文研究了三艙段機艙模型振動聲輻射特性。采用FEM/BEM法對結構模型的振動響應及艙室振動輻射噪聲進行計算，并進行實驗驗證，針對本文設置邊界條件下三艙段簡化模型，得到如下結論：

(1)通過數(shù)值計算結果與試驗結果的比較，證明數(shù)值仿真計算具有較好的準確度，在此基礎上將振動模型利用間接邊界元法進行進一步延伸分析；

(2)液艙對低頻段首階振動基本狀態(tài)變化影響很小，隨著頻率的增高，共振頻率向低頻移動，對艙室聲學環(huán)境的影響逐漸表現(xiàn)出來，從總體上看，增加液艙數(shù)量對于改善艙段振聲性能有利；

(3)對激勵源位置設置隔振器顯著降低了激勵源沿基座向船體結構振動能量的傳遞，具有較好的隔振效果；

(4)通過對艙室板件聲學貢獻進行分析，對聲學貢獻較大的板件敷設約束阻尼材料，有效降低了艙段振動和聲輻射，改善了艙段的振聲性能。

通過本文研究可指導船舶的聲學設計和噪聲預報，同時為船舶的振動噪聲治理提供有效的依據(jù)。

[1]王宇，陳興林，李光民.隔振器對艦船基座振動特性的影響[J].艦船科學技術，2012，34(1)：30-35.

[2]于大鵬，趙德有，汪玉.船舶聲學建模和阻尼結構對艙室噪聲影響研究[J].船舶力學，2010，14(5)：539-547.

[3]Sun-Il Cha,Ho-Hwan Chun.Insertion loss prediction of floating floors used in ship cabins[J].Applied Acoustics, 2008,69(2)∶913-917.

[4]夏齊強，陳志堅，王珺.艙段的聲振特性分析和艙壁的振動控制[J].噪聲與振動控制，2014，34(1)：32-35.

[5]Jongsoo Lee,Chang Yong Song.Hydroelastic effects in vibration of plate and ship hull structures contacted with fluid[J].International Journal of Ocean System Engineering,2011,01(2)：76-88.

[6]曹貽鵬，張文平.軸系縱振對雙層圓柱殼體水下聲輻射的影響研究[J].船舶力學，2007，11(2)：293-299.

[7]夏齊強，陳志堅.艙壁振動對環(huán)肋圓柱殼艙段振聲性能的影響[J].海軍工程大學學報，2014，26(1)：23-28.

[8]彭旭，駱東平.船舶結構建模及水下振動和輻射噪聲預報[J].噪聲與振動控制，2003(06)：9-12.

[9]Sung-Hee Kim,Suk-Yoon Hong,Jee-Hun Song,et al.Interior noise analysis of a construction equipment cabin based on airborne and structure-borne noise predictions [J].Journal of Mechanical Science and Technology, 2012,26(4)∶1003-1009.

[10]徐張明，汪玉，華宏星，等.雙層殼體的船舶動力艙振動與聲輻射的有限元結合邊界元數(shù)值計算[J].中國造船，2002，43(4)：39-44.

Prediction and Control on Vibro-acoustic Environment of Marine Engine Room Model

LIANG Bing-nan1,YU Hong-liang1,2,CAI Yan-nian1

(1.School of Marine Engineering,Dalian Maritime University,Dalian 116026,Liaoning China; 2.School of Marine Engineering,Jimei University,Xiamen 361021,Fujian China)

∶The engine room of a training ship for navigation teaching was taken as a prototype,and the finite element model of multi-tanks structure and its unit chamber was built when the vibro-acoustic coupling system was simplified.Frequency response analysis was carried out in the consideration of filling liquid,arrangements of the liquid tanks,and locations of excitation source with vibration isolator.The noise of ship cabin was predicted by means of acoustic boundary element method and the noise level was reduced effectively by using constrainted damping treatment on plates of a large amount of acoustic contribution to the center field.And the vibro-acoustic radiation experiment of the marine engine room model was conducted.Analysis indicates that the natural frequency is influenced obviously with different conditions of filling liquid and increasing the number of tanks filled with liquid.Vibration isolator can reduce the vibro-acoustic level.Constraint damping materials laid in the cabin with non-excitation source can also reduce noise effectively.

∶vibration and wave;marine engine room model;boundary element method;sound radiation;acoustic contribution

U661.44；TB532< class="emphasis_bold">文獻標識碼：ADOI編碼：

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.06.024

1006-1355(2014)06-0107-05

2014-05-12

中央高校基本科研業(yè)務費專項資金資助項目(3132013337)

梁炳南(1983-)，男，吉林長春人，博士研究生，講師，主要研究方向：船舶減振降噪及艙室聲振環(huán)境預報。

E-mail∶lbn83@126.com