船舶重要艙室噪聲預(yù)報及防護(hù)設(shè)計

谷家揚(yáng)， 韋 琪， 邵武豪， 鄧羨椿， 李 揚(yáng)

(1. 江蘇科技大學(xué) a. 海洋裝備研究院； b.船舶與海洋工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2. 中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院， 上海 200011)

0 引 言

在海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計初期，重要艙室噪聲預(yù)報的重要性日益凸顯，隨著現(xiàn)代船舶的高速發(fā)展，船舶艙室噪聲已經(jīng)成為船舶舒適性指標(biāo)的重點關(guān)注對象[1]。在眾多噪聲預(yù)報方法中，對于整船艙室噪聲的預(yù)報研究考慮經(jīng)濟(jì)性、快速性與準(zhǔn)確性相結(jié)合的要求，目前主要采用統(tǒng)計能量分析(Statistical Energy Analysis，SEA)法[2-3]。

在船舶領(lǐng)域：林嘉歡等[4]、張俊等[5]、黃進(jìn)安等[6]均基于SEA法預(yù)報船舶重要位置聲壓級，在此基礎(chǔ)上通過主要噪聲源篩選，對主要激勵源采用減振、隔聲等方式進(jìn)行艙室優(yōu)化，為同類型噪聲預(yù)報提供參考；吳曉佳等[7]和張啟鵬等[8]等采取同樣的方法對船舶艙室噪聲進(jìn)行預(yù)報，在聲學(xué)優(yōu)化過程中分析采用不同厚度礦棉后浮動地板的降噪能力。惠寧等[9]以海洋平臺為例，采用SEA法探索海洋平臺艙室的噪聲特性規(guī)律，研究噪聲在傳遞過程中的路徑，提出相應(yīng)的降噪優(yōu)化設(shè)計方案。

在其他領(lǐng)域：LIU[10]等和GONG等[11]在噪聲預(yù)報中采用有限元與SEA相結(jié)合的方法對復(fù)合橋梁和駕駛室內(nèi)部聲壓進(jìn)行預(yù)報，并與試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)實測數(shù)值與預(yù)報數(shù)值趨于吻合，確定采用SEA法進(jìn)行噪聲數(shù)值模擬的可靠性；LI等[12]采用SEA法研究高鐵隔聲屏障的降噪性能，建立2個子模型來估計2個子系統(tǒng)之間的傳輸損耗，從而對隔聲性能和吸聲性能進(jìn)行仿真，對高鐵隔聲屏障上的噪聲分布進(jìn)行現(xiàn)場測量，驗證所采用SEA法的準(zhǔn)確性；MIAO等[13]基于SEA法探索加筋圓柱殼結(jié)構(gòu)的噪聲特性，研究結(jié)果表明SEA法在中高頻范圍內(nèi)的計算結(jié)果與實測數(shù)值結(jié)果相吻合，驗證該方法具有高度可靠性。

由上述各研究可以發(fā)現(xiàn)，SEA法在各大領(lǐng)域的噪聲預(yù)報中均使用廣泛且精確性較高。

本文以某勘探船為例，采用SEA法對船舶艙室中高頻段(63～8 000 Hz)噪聲進(jìn)行預(yù)報。在噪聲預(yù)報中考慮噪聲激勵源、結(jié)構(gòu)損耗因子、聲腔吸聲因數(shù)和噪聲頻率范圍等重要影響參數(shù)。根據(jù)艙室噪聲傳播路徑和主導(dǎo)分量分別降低結(jié)構(gòu)噪聲與空氣噪聲，使本船重要艙室聲壓值滿足中國船級社(CCS)噪聲舒適性附加標(biāo)識COMF(NOISE 2)的規(guī)范要求。

1 聲學(xué)基本方程

在瞬態(tài)聲源激勵q(r,t)作用下產(chǎn)生的瞬態(tài)聲場中，聲壓p(r,t)滿足如下波動方程：

(1)

式中：c為流體介質(zhì)中的聲速；t為時間。

(2)

式中：ω為圓頻率；k=ω/c，為波數(shù)。

2 激勵源及計算模型

2.1 噪聲激勵源

2.1.1 螺旋槳噪聲

螺旋槳產(chǎn)生的噪聲主要分為2種：一種是激起水流拍打船體外板產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)噪聲；另一種是其自身工作產(chǎn)生的空氣噪聲。螺旋槳位于水下，不處于艙室中，產(chǎn)生的空氣噪聲對船舶艙室噪聲的影響微弱，因此僅考慮螺旋槳產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)噪聲。主推螺旋槳產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)噪聲La按CCS《船舶及產(chǎn)品噪聲控制與檢測指南(2013)》中相關(guān)公式估算：

La=10lg(MN)+40lgD+30lgne+10

(3)

式中：M為螺旋槳數(shù)量；N為螺旋槳葉片數(shù)；D為螺旋槳直徑，m；ne為螺旋槳額定轉(zhuǎn)速，r/min。

估算得艉部主推螺旋槳激勵艉板振動的結(jié)構(gòu)噪聲La=105 dB。除主推螺旋槳外，噪聲源還包含艏伸縮推、側(cè)推：伸縮推螺旋槳工作時產(chǎn)生的外板結(jié)構(gòu)噪聲La=80 dB(A)；側(cè)推螺旋槳激勵外板結(jié)構(gòu)振動產(chǎn)生的噪聲La=70 dB(A)。這部分噪聲數(shù)值均為設(shè)備廠商提供。

2.1.2 泥漿泵噪聲

泥漿泵共有3臺，在勘探及鉆井作業(yè)時使用，詳細(xì)激勵源數(shù)據(jù)如圖1所示。

2.1.3 空調(diào)器噪聲

空調(diào)器共有8臺，均位于主要生活區(qū)域附近。考慮到空調(diào)器結(jié)構(gòu)噪聲與空氣噪聲不在一個數(shù)量級上，空調(diào)器結(jié)構(gòu)噪聲不予考慮，相關(guān)空氣噪聲數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 艙室激勵源噪聲數(shù)據(jù)

2.1.4 主機(jī)噪聲

船舶航行工況下的噪聲主要為船舶動力裝置噪聲，船舶動力裝置噪聲主要為主機(jī)、螺旋槳產(chǎn)生的噪聲，其中主機(jī)的噪聲由結(jié)構(gòu)噪聲和空氣噪聲組成。本項目主機(jī)機(jī)腳加速度和輻射聲功率均由廠家提供。

2.2 SEA模型

SEA模型將主機(jī)、主推、伸縮推、側(cè)推等激勵源引起的結(jié)構(gòu)噪聲采用振動加速度級的方式施加在相應(yīng)位置的船體板上，主機(jī)、泥漿泵和各空調(diào)器引起的空氣噪聲采用聲功率譜添加在相應(yīng)位置的聲腔處，詳細(xì)位置如圖2所示。根據(jù)SEA模型的建模原則，將每個艙室作為一個聲腔，盡可能使聲腔的體積足夠大，以保證子模態(tài)密度大于5。為確保預(yù)測結(jié)果的精確性，考慮不同流體介質(zhì)對噪聲傳遞效率的影響，即模擬各艙室流體介質(zhì)屬性，將流體介質(zhì)施加在相應(yīng)艙室內(nèi)。主要艙室內(nèi)流體介質(zhì)如圖3和圖4所示。

圖2 激勵源施加區(qū)域示例

圖3 全船聲腔模型(側(cè)視圖)

圖4 全船聲腔模型(俯視圖)

在船舶航行與作業(yè)工況下，舷外水的存在會造成船體與舷外水之間能量的交換與傳遞，造成能量增加或損失。若不考慮這種耦合作用帶來的影響，會直接導(dǎo)致計算結(jié)果與實際情況偏差較大，造成計算結(jié)果失真。建立半無限流體，采用將水線以下的船體板與半無限流體子系統(tǒng)相連的方式以消除上述影響。具體模型如圖5和圖6所示。

圖5 全船板梁子系統(tǒng)模型

圖6 全船板梁子系統(tǒng)離散模型

2.3 船用材料聲學(xué)特性

SEA法計算模型主要材料參數(shù)為密度ρ=7 800 kg/m3、泊松比μ=0.3、彈性模量E=2.1×1011Pa。材料的阻尼是影響結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)報的重要因素，SEA子系統(tǒng)通常使用內(nèi)損耗因子表示材料的阻尼[14]。依據(jù)CCS《船舶及產(chǎn)品噪聲控制與檢測指南(2013)》，鋼材在63～8 000 Hz頻率下的內(nèi)損耗因子取值如表1所示。

表1 鋼結(jié)構(gòu)材料的內(nèi)損耗因子

船舶噪聲除結(jié)構(gòu)噪聲外還包含空氣噪聲，考慮到不同艙室存在不同內(nèi)裝結(jié)構(gòu)，并且隨著內(nèi)裝形式的復(fù)雜化，通常無法用內(nèi)損耗因子來準(zhǔn)確表達(dá)內(nèi)裝材料相關(guān)屬性。為了更加準(zhǔn)確地模擬復(fù)雜內(nèi)裝艙室的噪聲傳遞，采用CCS相關(guān)規(guī)范中實測得出的吸聲因數(shù)來代替內(nèi)裝材料對艙室噪聲的影響[15]，詳細(xì)取值如表2所示。

表2 SEA法吸聲因數(shù)

在不考慮任何船舶內(nèi)裝情況下，吸聲因數(shù)均按0.1計算。

3 噪聲計算結(jié)果分析

3.1 噪聲計算結(jié)果

對2種典型工況的裸船體(船體只有鋼結(jié)構(gòu)，不包括任何裝修材料和減振降噪材料的影響)施加相關(guān)激勵后進(jìn)行噪聲預(yù)報。得到各艙室在1/3倍頻程各頻率下的聲壓級。裸船體情況下全船艙室鉆井作業(yè)工況下聲壓級云圖及曲線如圖7～圖10所示。

圖7 全船聲腔聲壓級云圖

圖8 全船結(jié)構(gòu)噪聲傳遞云圖

圖9 第一甲板艙室聲壓級曲線

圖10 第二甲板艙室聲壓級曲線

整個研究預(yù)報艙室眾多，無法全部列出，僅列出一些重要艙室預(yù)報數(shù)據(jù)，相關(guān)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 部分典型艙室不同工況聲壓表 dB(A)

經(jīng)過計算，裸船體的噪聲預(yù)報均超出COMF(NOISE 2)的標(biāo)準(zhǔn)要求(見表4)。分析噪聲傳遞路徑可知：

表4 COMF(NOISE 2)的標(biāo)準(zhǔn)各艙室所允許最大噪聲量級 dB(A)

(1) 由各甲板聲壓級曲線可知，高頻段艙室噪聲主要集中在空氣噪聲源的艙室及其附近艙室，并且高頻噪聲能量在傳播過程中不斷損耗且損耗迅速，當(dāng)傳遞至其余艙室時高頻聲壓已經(jīng)降至較低值。

(2) 本船配備6臺主機(jī)，機(jī)艙位于上層建筑正下方，距離生活區(qū)域較近，主機(jī)振動激勵對上層建筑的影響較大。

(3) 上層建筑空調(diào)器較多，分布廣泛，距離生活區(qū)域較近，噪聲源激勵較大，空調(diào)器噪聲是影響本船艙室噪聲的重要因素。

3.2 降噪設(shè)計

在確定艙室噪聲主要激勵源后，將各艙室內(nèi)裝材料折合為吸聲因數(shù)，進(jìn)行艙室噪聲預(yù)報，結(jié)果顯示仍有大部分艙室超出規(guī)范要求，需要對本船進(jìn)行降噪方案設(shè)計。

船舶上降低圍壁聲輻射的主要器材是隔聲襯板。

上建外圍壁采用隔聲內(nèi)壁木作襯板，將其固定在加固圍壁的骨材上，而不是壁板上，可見面貼不銹鋼；上建內(nèi)圍壁、衛(wèi)生間、試驗區(qū)等采用內(nèi)裝隔聲木作襯板，雙面貼PVC；儲備室、電氣設(shè)備間等采用鍍鋅木作襯板。

對于生活居住區(qū)：船員艙室間的隔板采用帶結(jié)構(gòu)鋼壁木作襯板，雙面貼PVC；船員艙室與通道之間的隔板采用帶結(jié)構(gòu)鋼壁木作襯板，雙面貼PVC；廚房、餐廳等配餐間隔板采用帶結(jié)構(gòu)鋼壁木作襯板，可見面貼不銹鋼，不可見面為鍍鋅鋼板。

船員艙室、醫(yī)務(wù)室、辦公室、休息室、健身房等艙室天花板采用復(fù)合巖棉天花板，可見面貼鍍鋅鋼板并烤漆；廚房、餐廳等配餐間艙室采用復(fù)合巖棉天花板，可見面貼不銹鋼板。

由主導(dǎo)傳遞路徑分析可知，雖然居住艙室與生活艙室距離機(jī)艙、泥漿泵等艙室較遠(yuǎn)，傳遞至該艙室的能量仍然較大，這主要是由于結(jié)構(gòu)振動產(chǎn)生結(jié)構(gòu)噪聲，此現(xiàn)象在遇到共振時尤為嚴(yán)重。在生活艙室甲板，機(jī)艙的主機(jī)座、副機(jī)座等結(jié)構(gòu)附近，采用耐火甲板敷料進(jìn)行減振降噪。

主要木作襯板及甲板敷料等降噪材料隔聲量如表5所示。

表5 降噪材料隔聲量 dB

對于主機(jī)的結(jié)構(gòu)振動產(chǎn)生的噪聲，在噪聲源頭處采取減振降噪措施，在主機(jī)基座增加彈簧減震器，使其由剛性基座轉(zhuǎn)化為彈性基座，從而降低航行及作業(yè)工況下結(jié)構(gòu)噪聲的傳遞。

模型求解降噪設(shè)計后聲壓曲線及云圖如圖11～圖14所示。

圖11 鉆井工況第一甲板艙室聲壓級曲線

圖13 鉆井作業(yè)工況第一甲板聲壓級云圖

圖14 鉆井作業(yè)工況第二甲板聲壓級云圖

在考慮艙室內(nèi)裝材料并結(jié)合降噪設(shè)計后，勘探船生活區(qū)艙室和工作區(qū)艙室噪聲都明顯降低，部分聲壓降低較多的艙室如表6所示，其中主甲板與下甲板在第一甲板與第二甲板之下，距離主船體較近。

表6 部分聲壓降低較多的艙室 dB(A)

在采用降噪材料與減振措施進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計后，勘探船選取的重要艙室預(yù)報值均達(dá)到CCS規(guī)范噪聲舒適性附加標(biāo)識COMF(NOISE 2)衡準(zhǔn)值，滿足人員適居性要求。

4 結(jié) 論

基于SEA法詳細(xì)介紹噪聲源、結(jié)構(gòu)損耗因子、艙室吸聲因數(shù)等影響噪聲預(yù)報的關(guān)鍵參數(shù)，采用VA One對某勘探船重要位置開展噪聲預(yù)報，分析典型工況噪聲傳播路徑及主導(dǎo)分量。從空氣噪聲和結(jié)構(gòu)噪聲兩方面對船舶進(jìn)行降噪設(shè)計，結(jié)論如下：

(1) 由各甲板聲壓曲線可知：高頻段艙室噪聲主要集中在空氣噪聲源的艙室及其附近艙室，高頻噪聲能量在傳播過程中損耗迅速，當(dāng)傳遞至較遠(yuǎn)艙室時高頻聲壓已降至較低值。

(2) 由結(jié)構(gòu)噪聲路徑傳遞云圖可知：主推、艏伸縮推和側(cè)推螺旋槳完全浸沒水中且與上層建筑艙室相距甚遠(yuǎn)，結(jié)構(gòu)噪聲一部分傳遞入水未進(jìn)入船體結(jié)構(gòu)中，剩下部分在龐大的船體結(jié)構(gòu)中長途跋涉后，受到結(jié)構(gòu)阻尼作用不斷衰減，能影響主要生活區(qū)域的噪聲微弱。

(3) 本船有6臺主機(jī)且每臺主機(jī)自身激勵較大，機(jī)艙位于上層建筑正下方，與艏伸縮推、側(cè)推等激勵所處位置相比，機(jī)艙距離生活區(qū)域較近，主機(jī)激勵遠(yuǎn)超艏伸縮推、側(cè)推等設(shè)備的激勵。本船上層建筑空調(diào)器較多，分布廣泛，距離生活區(qū)域較近，噪聲源激勵較大，空調(diào)器噪聲是影響本船艙室噪聲的重要因素之一。

(4) 在噪聲降低過程中不僅需要考慮空氣噪聲，而且需要兼顧由結(jié)構(gòu)振動產(chǎn)生的噪聲，這部分噪聲通過隔聲材料難以控制，對激勵源周邊艙室影響較大，需要從噪聲源入手，改變激勵源基座的剛度從而達(dá)到降低噪聲的效果。