李 政 车驰东

（上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院 上海200230）



基于半经验法的船舶舱室噪声实用预报方法

李 政 车驰东

（上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院 上海200230）

［摘 要］基于“声源-传递路径-接受点”系统分析法结合房间声学提出一套半经验型的船舶舱室噪声快速预报方法。噪声的传递和衰减分别按空气噪声和结构噪声两条路径计算，接受点的噪声声压级结合房间声学计算。该方法在总布置方案基本确定阶段即可对全船各舱室噪声分布的水平作出初步预报，并不依赖于具体的结构和舾装细节。通过计算某型快艇的主要舱室噪声水平并与实测数据进行比较，证明了该方法的工程实用性。

［关键词］舱室噪声；房间声学；半经验法；系统分析

车驰东（1980-），男，博士，研究方向：船舶减振降噪技术。

引 言

高指标的噪声环境严重影响船舶的适居性，在船上生活、工作的人员（以及乘客）如长期受到各种噪声的干扰，则其身心健康将会受到极大伤害。为改善船舶的适居性，国际海事组织（IMO）海上安全委员会（MSC）通过《船上噪声等级规则》修订案对船舶噪声水平提出更高要求，并已于2014年7月1日正式生效。

在船舶详细结构确定后再采取降噪措施，往往仅是局部有效且代价巨大；如果待船舶建造结束后实测噪声水平超标再采取补救措施，其代价则非常昂贵。据统计，在船舶建造结束后再采用声学方案补救的代价比在设计阶段高2.5倍。因此，在总布置方案基本确定而没有详细的结构和舾装图纸的阶段就能快速估算出全船各舱室噪声分布的大致水平，是一项十分关键而迫切的工作，进而可根据估算结果采取相应的降噪措施，如调整布置、增设声学结构等，既缩短设计周期又产生很好的经济效益。因此寻求一个系统的、完整的、快速而可靠的船舶舱室噪声预报方法是船舶设计者的当务之急。

船舶舱室噪声预报工作十分繁杂，各种预报方法均以其特有的理论和假设为依据。有限元法（FEM）［1-2］的应用较为广泛，其基础是将复杂的结构系统按照一定的规则离散，再利用单元之间节点处的力和位移分量的关系以及边界条件对离散所得的每一单元提出近似的插值函数、建立矩阵，可以编制程序，使用计算机辅助求解。该方法在低频段的计算精度较高，但在高频段计算结果对边界条件较为敏感［3］；而且随着频率增大，波长减小，需要减小单元尺度（导致单元数量猛增）或者提高插值函数的阶数以保证计算结果的精度，从而使计算量激增。这两方面的原因导致有限元法不适用于高频段的计算。另一种方法是统计能量分析法（SEA）［2， 4］，此方法是对相互连接的共振结构之间消耗的振动能量进行系统评估，其基本假设是两个子系统之间的声能量与其能级差值成正比，互连系统应是共振的，而且每个系统的振型密度足够高。在低频段因系统模态密度低于其基本要求误差较大，而高频段所得的结果精度较高［3］。从理论上讲，可以结合FEM和SEA方法进行计算，从而克服两者分别在高频段和低频段的缺陷，但因其基本假设和研究对象不一致，建模、计算和数据交换相当复杂，因此目前市场上已有的商业软件多数是采用SEA方法解决噪声预报问题的。然而这类商业软件对输入条件的详细程度要求较高，操作过程耗时较多，对工程性快速预报的实用性有待提高。

本文在“声源-传递路径-接受点”的系统分析法［5］的基础上结合房间声学提出一套半经验型的船舶舱室噪声的实用预报方法。该方法适用于总布置方案基本确定阶段对全船各舱室噪声分布的水平作出初步预报，并不依赖于具体结构和舾装细节。

1　计算方法

本方法计算流程如图1所示。

图1　舱室噪声预报流程图

由于船舶上的噪声传递路径多种多样，为避免计算过于复杂采用以下3点假设：

（1）由于空气噪声在传播过程中穿过围壁时的透过损失很大（一般钢质围壁不采取任何降噪措施，其平均透过损失可达33 dB），因此非相邻舱室的空气噪声源的传递可忽略不计；

（2）相邻2个舱室以远的结构噪声源的传递可忽略不计；

（3）当几个噪声源具有相同的传递路径时，它们的源强度级可以能量相加。

1.1噪声源强度计算

声源的噪声级频谱或总声级最好采用实测数据，在实测数据缺乏的情况下，可以采用文献［6］中的方法进行估算。声源辐射声功率级和振动加速度级分别用Lw和La表示。

1.2传递路径上的传递损失计算

从噪声源到接受点通常有多条路径，当某条路径上的传递损失明显大于其他路径时，该路径可以忽略不计。

1.2.1空气噪声传递损失

噪声源向空气中辐射出噪声，并通过空气传递到各接受舱室，在传递过程中遇到舱壁、甲板等围护结构时，会有显著衰减，这一过程称为隔声。各种围护结构的隔声量称为传递损失，用TLA表示，单位：dB。单层壁的隔声量按式（1）计算［7］：

式中：ρS为单层壁的面密度，kg/m2；f为1/1倍频带中心频率，Hz。

由此可知，隔声量与入射声的频率和单层壁的材料面密度有关，且频率越高、材料面密度越大则隔声效果越好。

1.2.2结构噪声传递损失

1.2.2.1噪声源机座及隔振装置（接受点辐射表面的弹性浮动结构）引起的传递损失TLI

结构噪声通过隔振有较大衰减，其传递损失在不考虑阻尼影响的情况下按式（2）计算［5，7］，单位：dB。

式中：f和fn分别为激励力频率和系统固有频率，Hz。

由此可见，TLI的理论值会随扰动频率的增大而趋向于无穷大，但实际情况是隔振系统在高频段存在驻波，降低了高频段的传递损失，因此建议尽量采用实测值。

1.2.2.2沿船体结构路径形成的传递损失 TLD

根据文献［8］，同种介质中结构声能量的传递只与转角、几何尺寸及传递方向有关，传递损失TLD可分别按式（3）～式（7）计算，单位：dB。

（1）直角转角

（2）T形转角

① 直通路径

② 转角路径

（3）十字转角

① 直通路径

② 转角路径

式中：σ为构成转角的两板材厚度比。

当结构板材厚度未知时，传递损失一般按照如下原则估算：沿着纵向传播时的隔断构件为横向实肋板、横舱壁，一般横梁和肋骨不计传递损失量；沿垂向传播时的隔断构件为甲板、平台板。噪声源到接受点的传递损失TLD由纵向传递损失TLDL和垂向传递损失TLDV叠加而成：

式中：C为衰减常数；当主机为噪声源时，每一肋距位0.6 dB；螺旋桨为噪声源时，每一肋距为1 dB。m为从噪声源到接受点的横向实肋板数；n为从噪声源到接受点的横向舱壁数；n′从振源到接受点的甲板层数；K为围壁或甲板的衰减常数，dB。根据实船统计结果，通常在甲板层数（横向舱壁）数目少于4时，K值为5 dB；后续各层甲板（横向舱壁）K值为2 dB。

以上公式在低频情况下精确度较高，工程应用中将低频段的计算值作为高频段的保守估算值。

1.3接受点声压级计算

接受点声压级按照源空间和接受空间两种类型进行计算，源空间是指存在室内噪声源的舱室，接受空间是指主要由室外传入噪声的舱室。在实船上某些舱室可能既是源空间又是接受空间，这类舱室按两类空间计算出的声压级叠加而得。

噪声源强度减去各种传递损失即为接收点的空气噪声声功率级和结构噪声的振动加速度级，将结构噪声转化为声功率级，再结合房间常数即可计算出接受点舱室的噪声声压级。

1.3.1源空间声压级

式中：Si为内表面各部分表面积，m2；αi为与 S对应的吸声系数；为平均吸声系数；S=∑Si。

式中：LW为室内噪声源总声功率级，dB；r为测点至噪声源声学中心距离，m；Q为噪声源指向性系数。当噪声源位于舱室中央，Q=2；当噪声源靠近舱壁，Q=4；当噪声源靠近舱室一角，Q=8。

式中：LW为室内噪声源总声功率级，dB；R为房间常数。

（4）源空间内测点的总声压级LP

1.3.2接受空间声压级

（1）房间常数Rr

参照式（9）计算。

式中：LP为舱室外侧声压级，dB；S为围壁面积，m2；TLA为围壁的隔声量，dB。

根据文献［8］，围护结构的结构噪声转化为空气噪声的传递函数按式（14）计算，单位：dB。

式中：ρ为环境介质的密度，kg/m3；C为在介质中的声速，空气中取344 m/s，水中取1 450 m/s； δRad为声辐射系数； f为结构噪声的频率，Hz；ηt为敷料层的有效内耗系数；ρS为敷料层（阻尼层）的面密度，kg/m2。通常为负值。

舱室围护结构每个面的二次声辐射声功率级：

舱室6个围护结构面总的二次声辐射声功率级：

再按照混响声场声压级公式（11）结合房间常数Rr计算接受空间声压级。

在多数情况下，源空间的围护结构的二次声辐射声功率远小于舱室内部噪声源所辐射的空气噪声声功率，因此在计算源空间噪声级时将其忽略不计。

2　计算实例

2.1对象描述

以图2所示的某型快艇为例，计算其机舱、休息室、驾驶室的噪声级。几个主要舱室及噪声源的相对位置如图 2所示。

图2　快艇舱室布置示意图

主要噪声源的参数如下，均布置在机舱中：

（1）S1——主机（MTU 12V2000M84，2 450 kW，2 450 r/min，2台）；

（2）S2——发电机（33 kW，1 500 r/min，2台）；

（3）S3——齿轮箱（2台）。

各计算舱室尺寸（长×宽×高）如下：机舱（7 m×6.3 m×2.5 m）；休息室（6.5 m×6.3 m×2.9 m）；驾驶室（7 m×4 m×2.2 m）。舱壁和甲板为4 mm厚的钢板。

2.2机舱声压级计算

由于参与计算的噪声源都在机舱，因此机舱作为源空间计算。由前述可知，机舱只计算主要机械设备辐射空气噪声的噪声级，同时不需要考虑空气噪声的传递损失。

2.2.1噪声源强度计算

按照文献［6］估算各声源强度（1/1倍频带），由表 1可见，由于主机、齿轮箱、发电机组数量均是2台，故所列出数据为单台设备数据增加3 dB之后的结果。

表1　声源强度单位　dB

2.2.2接受点声压级

（1）机舱的房间常数RS。由于机舱内安装有大量机电设备、管路，其表面因不规则而具有吸声效果。房间总的吸声量为舱室边界与非边界吸声的总和。边界吸声与非边界吸声都与其各自的面积和吸声系数相关。非边界面积系数Cf= Sf/S，其中 Sf和S分别为非边界吸声面积和机舱内表面积。

由前述可知，S=154.7 m2。根据实际情况，取Cf=0.4，则机舱非边界面积Sf= 61.9 m2。

机舱1/1倍频带房间常数RS按式（9）计算，详见表 2。

（2）机舱声压级。按照源空间声压级计算方法计算，见表 3。计算测点至噪声源中心距离r = 2.5 m。

表3　机舱声压级计算　dB

2.3休息室声压级计算

2.3.1噪声源强度计算

（1）空气噪声。由于休息室与机舱有空舱相隔，机舱向休息室辐射的空气噪声可以忽略不计。

（2）结构噪声。由于3个噪声源相互距离较近且到休息室的传递路径一致，因此将3个声源引起的机舱地板振动加速度级的总和作为休息室结构噪声的源强度，机舱地板中心作为声源中心。3个噪声源的机座及隔振装置的传递损失采用经验数据。1/1倍频带估算值见表 4。

表4　结构噪声源计算　dB

2.3.2传递路径

设计初期尚不确定结构板材厚度，因此传递损失TLD按式（8）计算。

表5　声辐射系数

根据该艇的布置情况，结合式（15）分别计算围护结构各表面辐射的声功率级，式中的La-TLI用表 4计算所得的代入。

（1）地板

式（8）中的参数取值如下：声源中心距离地板中心14个肋距，则m=14；经过空舱的前后壁，则n=2；与机舱处于同一高度，则n′=0。

表6　休息室地板辐射声功率级计算　dB

（2）尾部横舱壁

式（8）中的参数取值如下：声源中心距离舱壁中心8个肋距，m=8；经过空舱的前后壁，n=2；空舱中设有一水平横隔板，则n′=1。

表7　尾部横舱壁辐射声功率级计算　dB

（3）按前述方法计算其余几个结构面辐射的声功率级：

表8　其余各围壁辐射声功率级　dB

2.3.3接受点声压级

（1）接受空间房间常数

休息室总表面积S=156.1 m2；根据休息室实际布置情况，由于其中存在桌椅等家具，取Cf=0.1，则机舱非边界面积Sf=15.6 m2。1/1倍频带房间常数按式（9）计算，见表 9。

表9　休息室房间常数RS

（2）休息室A计权声压级

结合式（16）、（17）、（11）计算休息室总声压级（注：本舱室只有混响声）。

表10　休息室声压级计算　dB

2.4驾驶室声压级

按前述的方法计算驾驶室的A计权总声压级为75.5 dB（A）。

2.5误差分析

与实测结果对比见表11。

表11　误差计算

由表11可知：

（1）本方法所得结果达到工程实用的精度；

（2）由于各种估算值是按照保守值进行估计的，因此估算结果均偏高；而在计算传递路径中的损失时忽略了各种装配缝隙的漏声等因素，使传递损失计算值大于实际值。这两方面的误差抵消后结果落在可接受的误差范围内。

3　结 论

本文分析了船舶舱室噪声的特征，并提出一套基于半经验法的船舶舱室噪声预报方法，通过实例阐述了该方法的计算过程，与实测数据比较验证了该方法的工程实用性。

本方法对于有限元、统计能量法而言计算十分简便快捷，且所得结果的误差均在可接受范围内。本方法实现了在总布置方案基本确定阶段即可预报全船各舱室噪声水平的目标，而并不依赖于边界条件、详细的结构和舾装图纸。

在设计前期明确舱室的噪声水平，既能节省设计成本，缩短设计周期，又能避免建造完成后发现噪声超标的补救返工、减少设计风险，真可谓一举三得。

［参考文献］

［1］徐张明，汪玉，华宏星，等. 船舶结构的建模及水下振动和辐射噪声的FEM/BEM计算［J］. 船舶力学，2002（4）：89-95.

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［7］马大猷. 声学手册［M］. 北京. 科学出版社，1983.

［8］ Cremer L， Heckl M，Ungar E E. Structure-borne Sound［M］. Second edition. Berlin：Springer-Verlag. 1988.

［9］ 杜功焕，朱哲民，龚秀芬. 声学基础［M］. 第3版. 南京：南京大学出版社，2012.

Practical prediction of ship cabin noise based on semi-empirical method

LI Zheng CHE Chi-dong
(School of Naval Architecture, Ocean & Civil Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200230, China)

Abstract:A semi-empirical method for the ship cabin noise prediction is put forward based on the system analysis method of “noise source-path-receiving point” and room acoustics. Noise transmission and attenuation are calculated according to the air-borne and structure-borne paths, respectively. And the sound pressure levels in receiving points are calculated combined with room acoustics. Therefore, the noise distribution level of each cabin in the whole ship can be preliminarily predicted during the phase of initial ship general arrangement without dependency on the specific details of the structures and outfitting. The cabin noise level of a yacht is calculated and compared with the measured data to demonstrate the engineering practicability of this method.

Keywords:shipboard cabin noise; room acoustics; semi-empirical method; system analysis

［中图分类号］U661.44

［文献标志码］A

［文章编号］1001-9855（2016）02-0043-07

［收稿日期］2015-11-18；［修回日期］2016-03-10

［作者简介］李 政（1983-），男，硕士，工程师，研究方向：船舶减振减操技术。