螺旋槳槳葉渦激振動(dòng)引起機(jī)艙噪聲的預(yù)報(bào)與分析

歐禮堅(jiān)　張自帆

摘? ? 要：螺旋槳高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，隨邊產(chǎn)生周期性脫落旋渦，其頻率接近葉片某一階固有頻率時(shí)會(huì)誘導(dǎo)葉片產(chǎn)生渦激共振。對(duì)于電池推進(jìn)新型船舶，螺旋槳渦激振動(dòng)引起的艙室噪聲屬于主要噪聲源。為了提高新型船舶的綠色度和噪聲舒適度，采用統(tǒng)計(jì)能量法對(duì)螺旋槳渦激振動(dòng)產(chǎn)生的艙室噪聲進(jìn)行預(yù)報(bào)，并研究分析噪聲治理措施，提出噪聲治理優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。螺旋槳槳葉渦激振動(dòng)引起的艙室噪聲預(yù)報(bào)方法和降噪治理措施，可供新型船舶減振降噪設(shè)計(jì)參考。

關(guān)鍵詞：螺旋槳;渦激振動(dòng);艙室噪聲

中圖分類號(hào)：U661.31 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：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(shù)及社會(huì)總體經(jīng)濟(jì)水平的提高，人們對(duì)船舶的舒適性提出了更高的要求，船舶噪聲成為其中重要的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。某太陽(yáng)能鋰電池游艇，新船試航時(shí)機(jī)艙噪聲約為95 dbA，最大聲壓值出現(xiàn)在頻率約320 Hz處。該游艇在海上航行幾個(gè)月后，船體外表面、舵葉及螺旋槳表面長(zhǎng)滿了較厚的海生物，機(jī)艙噪聲降到了約75 dbA，最大聲壓值出現(xiàn)在頻率290 Hz處。經(jīng)過(guò)將螺旋槳槳葉表面的海生物清除后，機(jī)艙噪聲又基本上恢復(fù)到了新船試航時(shí)的水平，即機(jī)艙噪聲約為95 dbA，最大聲壓值也出現(xiàn)在頻率約320 Hz處。

螺旋槳槳葉表面的海生物，使機(jī)艙艙室噪聲明顯下降，其可能有以下幾方面的原因：（1）海生物增大阻尼，使槳葉渦激振動(dòng)幅度大大減小，可降低機(jī)艙艙室噪聲;（2）海生物可能改變了螺旋槳葉型及增大了螺旋槳表面粗糙度，減少螺旋槳槳葉誘發(fā)的渦的數(shù)量及強(qiáng)度，使槳葉渦激振動(dòng)大大降低，機(jī)艙艙室噪聲也隨之降低;（3）海生物使槳葉質(zhì)量（含附連水質(zhì)量）增大，使槳葉固有頻率降低避開(kāi)了共振區(qū)，渦激振動(dòng)強(qiáng)度減小，從而降低了機(jī)艙艙室噪聲。

船舶在航行過(guò)程中，螺旋槳隨邊產(chǎn)生周期性脫落旋渦，旋渦脫落產(chǎn)生了作用于槳葉表面的脈動(dòng)壓力，即渦激力。槳葉沿徑向不同位置處的弦長(zhǎng)和隨邊厚度是不同的，葉片會(huì)存在多個(gè)旋渦脫落頻率，只要其中一個(gè)接近葉片某一階固有頻率，都會(huì)誘導(dǎo)葉片產(chǎn)生渦激共振并輻射噪聲。當(dāng)振動(dòng)和聲輻射達(dá)到高水平時(shí)，螺旋槳會(huì)發(fā)出一些強(qiáng)單頻聲，即螺旋槳唱音。對(duì)于采用電推方式的新型船舶，螺旋槳槳葉渦激力引起的噪聲屬于機(jī)艙的主要聲源之一。

目前我國(guó)對(duì)螺旋槳槳葉渦激力對(duì)艙室噪聲影響的研究尚比較少見(jiàn)，主要采用統(tǒng)計(jì)能量法預(yù)報(bào)艙室噪聲，并取得了一定的科研成果。國(guó)內(nèi)外專家普遍認(rèn)為，統(tǒng)計(jì)能量法對(duì)船舶與海洋工程艙室噪聲預(yù)報(bào)的精度可滿足工程精度要求。因此，本文應(yīng)用統(tǒng)計(jì)能量法預(yù)報(bào)螺旋槳槳葉渦激力引起的機(jī)艙噪聲，通過(guò)研究分析，找出噪聲產(chǎn)生的機(jī)理及降低機(jī)艙空氣噪聲的方法。

2? ? 噪聲預(yù)報(bào)的基本原理及方法

統(tǒng)計(jì)能量分析方法（SEA）作為一種針對(duì)中、高頻寬帶振動(dòng)與噪聲預(yù)測(cè)的有效方法，可用于船舶設(shè)計(jì)的噪聲預(yù)報(bào)與聲學(xué)優(yōu)化，是一種基于統(tǒng)計(jì)學(xué)理論的科學(xué)方法。

統(tǒng)計(jì)能量法采用統(tǒng)計(jì)學(xué)及能量守恒的理論，將整個(gè)系統(tǒng)分為若干子系統(tǒng)，對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)的平均響應(yīng)進(jìn)行預(yù)報(bào)。其主要理論方程為：

式中： Ei—i子系統(tǒng)的能量; pi—外部對(duì)i子系統(tǒng)做的功;ω—中心頻率;ηij—耦合損耗因子; ni—i子系統(tǒng)模態(tài)密度; ηi—內(nèi)部損耗因子。

3? ? 計(jì)算模型的建立

VA One軟件是法國(guó)ESI集團(tuán)于2005年推出的一款可用于全頻段振動(dòng)和噪聲分析的模擬軟件。VA One軟件集成了有限元分析、邊界元分析、統(tǒng)計(jì)能量分析及其混合分析技術(shù)，且集成了這幾種分析技術(shù)耦合分析的功能，能夠進(jìn)行求解更為可靠的全頻域預(yù)報(bào)結(jié)果。

3.1? ?VA One建模步驟

（1）依據(jù)圖紙?jiān)赩A One軟件中直接輸入坐標(biāo)點(diǎn)的數(shù)值信息，建立需要用到的點(diǎn)的信息;并根據(jù)基本結(jié)構(gòu)圖的相關(guān)信息，通過(guò)已建立的坐標(biāo)點(diǎn)創(chuàng)建板子系統(tǒng);使用VA One軟件的auto connect功能，連接成為整體的振動(dòng)噪聲模型;

（2）所需材料屬性的定義和賦予。通過(guò)查閱資料和使用VA One軟件中預(yù)設(shè)的信息，對(duì)所需材料的物理屬性如內(nèi)損耗因子、耦合損耗因子等進(jìn)行輸入;

（3）定義圖紙中所使用的梁和加筋板等參數(shù)，并賦予到模型中;

（4）建立封閉的聲腔子系統(tǒng)，并使用VA One軟件的auto connect功能，進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)連接，以完成整體模型的建立;

（5）定義激勵(lì)源。通過(guò)實(shí)際激勵(lì)源屬性以及《船舶及產(chǎn)品噪聲控制與檢測(cè)指南》的要求確定激勵(lì)的具體信息，將激勵(lì)源加載在模型相對(duì)于實(shí)船相應(yīng)的位置;

（6）求解模型。利用VA One軟件的solve功能對(duì)模型進(jìn)行求解，得到圖標(biāo)形式的計(jì)算結(jié)果，如子系統(tǒng)的模態(tài)密度、振動(dòng)加速度級(jí)、聲壓級(jí)以及子系統(tǒng)直接的能量輸入關(guān)系等。

3.2? ?計(jì)算模型的建立

研究對(duì)象為某太陽(yáng)能鋰電池游艇：

游艇總長(zhǎng)26.03 m、水線長(zhǎng)22.30 m、型深2.90 m、船寬5.83 m、設(shè)計(jì)排水量67.71 t、設(shè)計(jì)吃水1.00 m、設(shè)計(jì)航速22 kn、乘員12人;

艙室主要有：駕駛室、茶水間、餐廳、沙龍、主人房、客房、KTV多功能室、機(jī)艙、水手房等。

使用統(tǒng)計(jì)能量分析方法，在VA One軟件中根據(jù)游艇CAD圖紙進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，通過(guò)插值計(jì)算出各個(gè)所需的坐標(biāo)點(diǎn)，并使用這些坐標(biāo)點(diǎn)來(lái)建立SEA模型中的各個(gè)子系統(tǒng)，重點(diǎn)研究螺旋槳槳葉渦激力作用下的機(jī)艙空氣噪聲特性。

用VA One軟件建立的三維模型如圖1所示。

全船一共分為28個(gè)聲腔子系統(tǒng)，如圖2所示。

舷外水采用一個(gè)半無(wú)限流體子系統(tǒng)模擬，并與船體外板進(jìn)行連接，如圖3所示。

為了研究螺旋槳槳葉渦激振動(dòng)噪聲對(duì)機(jī)艙艙室噪聲的影響，把螺旋槳及軸系簡(jiǎn)化后建立的模型，如圖4所示。

螺旋槳槳葉渦激力采用在螺旋槳槳葉上加載集中力來(lái)模擬，渦激力的合力為螺旋槳軸向交變集中力，每片槳葉施加一個(gè)渦激力，如圖5所示。

4? ? 計(jì)算與結(jié)果

4.1? ?渦激力的頻率對(duì)機(jī)艙艙室噪聲的影響

為了分析渦激力頻率對(duì)機(jī)艙噪聲的影響，假定機(jī)艙噪聲為95 dBA，分別計(jì)算出不同頻率時(shí)對(duì)應(yīng)的的螺旋槳槳葉渦激力的大小。計(jì)算結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出：

渦激力的頻率對(duì)機(jī)艙噪聲的影響很大。當(dāng)機(jī)艙艙室噪聲達(dá)到95 dBA時(shí)，所需渦激力的最小值位于頻率300～900 Hz之間;低頻或高頻時(shí)，所需的渦激力較大。

4.2? ?槳葉表面增設(shè)阻尼層對(duì)機(jī)艙噪聲的影響

為了更精確預(yù)報(bào)螺旋槳激振力引起機(jī)艙噪聲的大小與頻率的關(guān)系，計(jì)算頻率取為200～800 Hz，相鄰計(jì)算頻率之差5 Hz。

計(jì)算分析螺旋槳表面阻尼層對(duì)渦激力引起機(jī)艙噪聲的影響：計(jì)算所取阻尼材料為：密度為1 100 kg/m3、彈性模量為2.3 e9 Pa、剪切模量為7.72 e8 Pa、泊松比為0.49。在相同的渦激力作用下，分別計(jì)算螺旋槳槳葉表面無(wú)阻尼層、敷設(shè)5 mm厚阻尼層、敷設(shè)10 mm厚阻尼層、敷設(shè)20 mm厚阻尼層共4個(gè)方案的機(jī)艙艙室噪聲，如圖7所示。

5? ? 分析與討論

5.1? ?分析

在相同大小的渦激力下，渦激頻率對(duì)機(jī)艙噪聲影響很大。在中高頻渦激力作用下，槳葉渦激振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲經(jīng)軸系傳入機(jī)艙，即使渦激力很小，機(jī)艙空氣噪聲也很大。對(duì)于電池推進(jìn)的游艇機(jī)艙，螺旋槳槳葉渦激力導(dǎo)致的空氣噪聲屬于主要聲源。

螺旋槳表面的阻尼材料，可抑制中高頻渦激力導(dǎo)致槳葉渦激振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲，使機(jī)艙噪（下轉(zhuǎn)第頁(yè)）（上接第頁(yè)）

聲顯著下降：5 mm厚阻尼層可使機(jī)艙噪聲下降約10 dBA，10 mm厚可下降低約15 dBA，20 mm厚可下降低約20 dBA。

5.2? 討論

某太陽(yáng)能鋰電池游艇螺旋槳槳葉產(chǎn)生的渦激振動(dòng)強(qiáng)度，雖然沒(méi)有達(dá)到產(chǎn)生唱音的水平，但其振動(dòng)引起的噪聲屬于太陽(yáng)能鋰電池游艇機(jī)艙的主要聲源之一。

通常，螺旋槳槳葉表面的海生物可使機(jī)艙噪聲明顯下降，其可能有以下幾方面的原因：（1）海生物增大阻尼，使槳葉渦激振動(dòng)幅度大大減小，可降低機(jī)艙艙室噪聲;（2）海生物可能改變了螺旋槳葉型及增大了螺旋槳表面粗糙度，減少螺旋槳槳葉誘發(fā)的渦的數(shù)量及強(qiáng)度，使機(jī)艙艙室噪聲降低;（3）海生物使槳葉質(zhì)量（含附連水質(zhì)量）增大，槳葉固有頻率降低，避開(kāi)了共振區(qū)，渦激振動(dòng)強(qiáng)度減小，從而降低了機(jī)艙艙室噪聲。螺旋槳槳葉生長(zhǎng)海生物后，艙室噪聲下降可能是其中某一種原因，也可能是多重原因共同作用的結(jié)果。

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