王　充，刘月琴，陈超核

(华南理工大学 土木与交通学院，广州 510641)



100 ft豪华游艇典型舱室噪声预报与控制

王充，刘月琴，陈超核

(华南理工大学 土木与交通学院，广州 510641)

针对海上豪华游艇进行典型舱室的噪声预报，由预报结果对目标舱室客厅提出具体降噪措施并进行优化。以统计能量分析方法为基础，使用声振分析软件VA One进行典型舱室噪声水平的预报，大部分舱室能够满足相应要求，对不满足要求的客厅从能量传递途径进行分析提出具体降噪措施。

豪华游艇；统计能量分析法；噪声预报；降噪措施

舱室噪声作为评判游艇舒适度的一个重要方面越来越受到各方的重视。在已建游艇的基础上进行噪声控制，往往只能解决局部噪声问题，同时还要花费大量的时间和财力。故在设计阶段进行舱室噪声预报，可及早发现不符合舱室噪声规范要求的舱室，并提出合理的噪声控制措施，及早进行改正，以提升游艇的设计质量。船舶结构复杂且处于动态的运动系统中，想通过建立微分方程的方法解决振动噪声问题是很困难的[1]。目前解决这一问题常用的方法有经验公式法、有限元法[2]、统计能量分析(SEA)方法，以及其他方法[3]等。SEA方法[4-5]适用于分析含有高频、高模态密度的复杂系统的耦合动力学问题，使用SEA方法可以很好地预示复杂系统的内外声振环境等问题。考虑采用统计能量分析方法对游艇典型舱室的噪声水平进行预报，然后根据客厅的能量输入图提出具体的降噪措施，并对所提出降噪措施中的双层降噪材料的钢板和岩棉厚度参数进行优化，得到比较合理的参考值。

1　基本原理

统计能量法采用统计能量的思想将一个复杂结构系统或声系统划分成若干耦合的子系统，根据系统的各种参数建立起各个子系统间能量流动的关系，得到功率流平衡方程，通过求解功率流平衡方程得到每个子系统上的能量，从而得到所需子系统的平均动力响应。

功率流平衡方程在保守耦合、弱耦合和激励源不相关等条件下的基本形式为

(1)

式中：ω——分析带宽的中心频率；

η——保守弱耦合系统损耗因子矩阵，

ηk、nk分别为子系统k的内损耗因子和模态密度。ηik为振动能量从子系统i传至子系统k的耦合损耗因子；ET={E1/n1,E2/n2,…,Ek/nk}，Ek为子系统k的能量；Pin}T={P1,in,P2,in,…,Pk,in}，Pk,in为外界对子系统k的输入功率。

上述方程代表了利用SEA法对复杂系统进行分析的最基本表达式。如果已知模态密度、内损耗因子，耦合损耗因子以及输人功率，则可以求解上述功率流平衡方程，得到每个子系统上的能量Ek，然后把这些能量根据下式换算成速度、压力等所需的响应。

(2)

(3)

E——子系统的能量；

M——结构子系统的质量；

ρ——声腔的质量密度；

c——声速；

V——声腔的容积。

2　游艇舱室噪声预报模型

2.1游艇噪声预报模型的建立

研究对象为玻璃钢豪华游艇，总长31.01 m，垂线间长30.48 m，型宽7.06 m，型深3.466 m，设计吃水1.30 m，航速24 kn，航区为沿海航区，其最小设计有义波高为2 m。

本艇的甲板、舷侧板、船底板、舱壁板等结构采用简化为图1所示的玻璃钢夹层结构。夹层结构一般由内积层、芯材、外积层构成，其中，内积层和外积层由面板和胶合板构成，中间夹心层由重量轻、较厚的芯材组成，常用的夹层结构芯材主要分为三类：硬质泡沫、蜂窝芯材、轻木。通常，夹心层一般为硬质泡沫，根据泡沫的特性，可将硬质泡沫视为各向同性体[6]。

图1　夹层结构

以100 ft游艇CAD图纸为基础，对船体进行适当简化，在Patran中建立该游艇的结构有限元模型，并将此模型导入到VA One中，在有限元模型的基础上，建立板壳结构子系统和相应的舱室声腔子系统。其中上层建筑舱壁板、甲板、舷侧板等夹层结构按照材料属性，在VA One中采用复合夹层板结构单元进行模拟；其余的板子系统根据材料的属性用均匀板单元进行模拟。由于游艇干舷甲板以上的上层建筑或甲板室外窗的几何尺寸比较大，不能够采用附近相邻板子系统的材料性质进行替代，故而采用了原有的钢化玻璃属性的板子系统进行模拟；其余的干舷甲板以下风暴盖出的窗以及此游艇的门及主甲板上的开口，由于几何尺寸相对太小，则采用相近的板子系统进行替代。各板具体的几何尺寸由CAD图纸得到，最终生成相应的SEA模型，其相应游艇的SEA模型见图2。

图2　游艇SEA模型

游艇自上向下分别为阳光甲板、驾驶甲板、主甲板、双层底结构。全船的节点数和子系统数见表1。

表1　子系统数　个

2.2统计能量分析方法参数的确定

采用SEA方法进行分析计算最关键的环节，即对复杂结构系统的内损耗因子、耦合损耗因子、模态密度以及噪声激励源进行估算。

1)内损耗因子。指由阻尼特性所决定的那部分能量损耗因，反映子系统阻尼特性。内损耗因子本来应该是由实验测量得到，但由于游艇制作工艺的原因，在初期阶段这些复合材料是接触不到的，对于玻璃钢夹层结构的内损耗因子，目前尚没有经验公式可以参考。F.J.Fahy提出大部分结构的内损耗因子随着频率的增大而减小的理论(大致关系为f-0.50),以往实验也表明损耗因子10%的误差将导致响应估计的1 dB的误差，损耗因子的100%的误差将导致响应估计的3 dB误差。根据先前稳态实验的结论[8]，对玻璃钢夹层结构内损耗因子暂定为0.024 5。声腔的内损耗因子则由以下经验公式[9]进行计算。

(4)

式中：c——介质中的声速；

α——壁面平均吸声系数；

S——声腔的表面积；

f——频率；

V——声腔的体积。

2)耦合损耗因子。耦合损耗因子是描述两个子系统间的强弱耦合程度，是表示耦合子系统间能量交换的重要参数。两子系统间的耦合损耗因子的计算则由VA One软件自动进行计算。

3)模态密度和模态数。子系统的模态密度要足够的高，分析宽带内的模态数要大于5，这样才能够满足统计能量分析方法的要求。因此在建立游艇的SEA模型时简化一些不必要的构件，尽量使子系统的几何尺寸在所要分析频段也能满足模态数的要求。由软件自行计算的一部分子系统宽带内的模态数见图3。

图3　子系统单位宽带模态数

由图3可见，大部分子系统的分析带宽内模态数在31.5 Hz以上大于5，符合统计能量分析方法的要求，故本文选取了倍频程31.5～8 000 Hz作为分析频段。

4) 噪声激励源。游艇在正常航行时，噪声主要来自主机、发电机组、螺旋桨等主要机械设备产生的结构噪声和空气噪声。为了消除由子系统大小不同引起的计算误差，采用定义功率法和定义约束法进行工作载荷的加载。空气噪声声功率级和结构噪声加速度级的数值可根据经验公式进行估算[9]，其中计算所得的空气噪声声功率级用声功率法进行加载，结构噪声加速度级用约束法进行加载。

本游艇为双机、双桨、双舵，采用柴油机驱动螺旋桨推进的高速游艇。主机采用2台德国MTU 12V2000M93柴油机，额定功率为1 340 kW，额定转速为2 450 r/min；2台发电机组( KOHLER 40FOZD)；螺旋桨采用5叶大侧斜螺旋桨。其主要激励源的空气噪声声功率频谱见图4，振动加速度级频谱见图5。

图4　主要设备空气噪声声功率级

图5　主要设备振动加速度级

3　游艇舱室噪声预报结果与分析

3.1游艇舱室噪声预报结果

将噪声激励以各自相对应的形式施加在游艇相应的位置上，利用VA One进行计算，得到游艇典型舱室在31.5～8 000 Hz频率范围内倍频程下的噪声云图。限于篇幅，只给出游艇典型舱室声压级云图(见图6)。

游艇的典型舱室噪声声压级曲线见图7。

图6　游艇典型舱室噪声云图(2 000 Hz)

图7　典型舱室声压级

游艇典型舱室的总声压级见表2。

表2表明，机舱的总声压级达到121.3 dB(A),相对标准限值较高，这是由于主要的噪声激励源都集中在此舱室所造成的。除了机舱之外，客厅(客厅)和主人房的总声压级也没有达到IMO标准的要求，分别超出了要求的10.1 dB(A和11 dB(A)，结合游艇的典型舱室噪声云图和舱室声压级曲线图，可以看出距离噪声源舱室的距离越近其受到的影响也越大，其中在同一层甲板的各个舱室的总声压级由机舱至船艏逐渐减小。

表2　典型舱室总声压级　dB(A)

3.2噪声传播途径对典型舱室的影响

噪声由声源向外传播有两种途径，一种是通过空气传播的噪声(空气噪声)，另外一种是通过固体构件(例如主机机座)受到激励引起的振动产生的噪声进行传递(结构噪声)。选取激励源舱室(主机舱)和位于主甲板上的客厅进行分析，分析频率为31.5～8 000 Hz，空气噪声和结构噪声单独作用于典型舱室的情况见图8。

图8　空气噪声激励和结构噪声激励单独作用对典型舱室声压级的影响

单独受主机和发电机的空气噪声激励时，主机舱和客厅的总声压级分别为121.1 dB(A)和69.9 dB(A)；单独受主机、发电机和螺旋桨的结构噪声激励时，主机舱和客厅的总声压级分别为87.7 dB(A)和54.5 dB(A)。由图8可以看出在31.5 Hz以后主机和发电机的空气噪声是噪声的主要成分；而客厅在85 Hz之前3个主要激励源所产生的结构噪声占主要成分，在85 Hz之后其空气噪声占主要成分。造成这一现象的主要原因是客厅与主机舱的距离太近，在低频阶段结构振动通过主甲板向客厅进行传播，影响客厅的总声压级比较明显，中高频阶段空气噪声较低频阶段更为明显。

比较图7、8可知，在主要激励源空气噪声和结构噪声共同作用下与主要激励源的空气噪声激励单独作用下其典型舱室的总声压级基本接近，这说明游艇在正常航行的状态下，中高频阶段的舱室噪声水平主要是由空气噪声激励所贡献的。

4　游艇典型舱室噪声控制与分析

4.1典型舱室输入能量分析

采用统计能量法预报出典型舱室的噪声水平之后，对于不符合噪声标准的舱室采取降噪措施。如何采取合理的降噪措施，这就需要对不符合标准的舱室进行噪声输入途径的研究。以客厅为典型舱室，在VA One中通过仿真计算得到典型舱室的能量输入图，然后根据此能量输入图进而确定各种激励源输入功率的途径。由于客厅舱室的子系统比较多，对于那些给客厅子系统输入能量很小的板子系统则隐藏起来,便于整体观看。客厅的能量输入图见图9。

图9　客厅能量输入

由图9可见，客厅与底部居住舱室共用的主甲板以及客厅同机舱共用的主甲板这些子系统是主要的能量贡献子系统；而其余的客厅围壁以及阳光甲板等板子系统由于距离激励源相对较远，贡献给客厅的能量则相对较少。根据对客厅输入能量贡献的大小进一步采取具体的降噪措施。

4.2典型舱室的降噪措施

根据图9得到影响客厅噪声水平最大的噪声成分为空气噪声，根据此结果进行降噪处理。与客厅共用的机舱顶部采用双层降噪材料(4 mm钢板+50 mm岩棉)，与机舱共用的客厅主甲板采用单层吸声材料(30 mm环氧树脂)。对采取的降噪方案重新进行计算，得到进行降噪措施前后的声压级,对比见图10。

图10　降噪前后客厅噪声水平对比

由图10可见，在采取相应的措施之后客厅总声压级下降了11.4 dB，满足相应要求。本船是一艘豪华游艇，从降噪的性能来说已经满足要求，但是结合豪华游艇的空间大小和经济性能还需要做进一步的优化分析。

1)双层降噪材料中岩棉厚度对客厅总声压级的影响。选用20、30、40、50及60 mm这5种不同厚度的岩棉分别进行客厅舱室的降噪效果比较分析，结果见图11。

图11　不同厚度的岩棉对客厅声压级的影响

由图11可见，岩棉对舱室声压级的影响主要集中在63～500 Hz之间，在125 Hz附近尤为明显，这为减小游艇舱室中频区域的噪声提供了合理的参考。

结合图11和表3可知，客厅的总声压级不随着岩棉厚度增加线性递减。从20～30 mm，30～40 mm之间总声压级分别下降了3.6和2.6 dB,降噪效果比较明显；但是之后岩棉的厚度每增加10 mm其声压级减小的幅度很小不到1 dB,降噪效果不明显；在40 mm之后以增加岩棉厚度降低噪声而缩小游艇空间的做法是不合理的。考虑到船上的实际情况以及施工、舱室布置、经济性等综合因素，40 mm的岩棉厚度是降噪效果合理的参考值。

2)双层降噪材料中钢板厚度对客厅总声压级的影响。选用1，2，3，4，5及6 mm这6种不同厚度的钢板进行客厅舱室的降噪效果比较分析，结果见图12和表4。

图12　不同厚度的钢板客厅龙声压级的影响

钢板厚度/mm123456总声压级/dB(A)59.3459.2858.7758.7158.6958.69

由图12可知,在岩棉厚度为50 mm的情况下，增加钢板的厚度并不能明显改变客厅的总声压级，钢板厚度影响舱室总声压级主要集中在中低频区域，尤其集中在63.5 Hz附近，针对中低频降噪是有帮助的。

结合表4可知，当钢板达到一定厚度时其总声压级趋于平稳，再增加钢板的厚度对与降低舱室的总声压级没有多大意义，但是合理的钢板厚度不仅能够将噪声影响水平降到最低，而且也会提高船舶的稳性，有利于豪华游艇的海上安全行驶，在岩棉厚度为50 mm的情况下钢板为2 mm是合理的参考厚度。

5　结论

1)目标舱室客厅采用单层吸声材料，机舱采用双层降噪材料，不会明显降低机舱噪声水平，但对机舱上部目标舱室客厅有明显的降噪效果。

2)对双层降噪材料(钢板+岩棉)厚度进一步优化，得出：钢板厚度不变，使用40 mm厚的岩棉，降噪效果和经济性较好；岩棉厚度不变，使用2 mm厚的钢板，降噪效果和经济性较好。

3)基于统计能量法对豪华游艇典型舱室噪声预报和分析是可行的，但是需要进一步的实验研究，精确测量某些参数，经过综合的分析才能得到更优的结果。

[1] FAHY F J. Sound and structural vibration radiation trans-mission and response [M] .Edition Academic Press,1985.

[2] 杨德庆,王德禹,刘洪林.舰艇振动声学特性数值计算分析.上海交通大学学报,2002,36(11):1537-1539.

[3] 姚熊亮，戴伟，唐永生.船舶上层建筑舱室噪声灰色预测[J].中国造船，2006，47(1):35-42.

[4] 姚德源，杨家富，王其政.统计能量分析原理及其应用[M].北京：北京工业大学出版社，1995.

[5] 张成，郑超凡，张大海，等.舰船舱室噪声综合预报及声学优化设计[J].船海工程，2104,43(3):17-20.

[6] 黄燕玲，郭强波，廖文，等.小型玻璃钢开敞艇结构强度分析[J].船海工程，2013,42(1):21-23.

[7] 张飞.铝蜂窝夹层结构损耗因子实验辨识[D]．哈尔滨：哈尔滨工业大学．2008.

[8] PLUENT J,Methods for predicting noise levels in ships:Ex-periences from empircal and SEA calculation methods[M]. Noise level prediction methods for ships,based on empi-cal data,1980.

[9] 中国船级社.船舶及产品噪声控制与检测指南[S]. 2013.

Typical Cabin Noise Prediction and Control for the 100 ft Luxury Yacht

WANG Chong, LIU Yue-qin, CHEN Chao-he

(School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

The noise prediction of typical cabins in the marine luxury yacht is carried out. By the prediction results, specific noise reduction measures are put forward and optimized for the target cabin salon. On the basis of the statistical energy analysis (SEA) method, the prediction of typical cabin noise level by using the software VA One, most of the cabin can meet the requirements. For the salon that is not satisfied with the requirements, by the energy transfer path analysis, the specific noise reduction measures are set forth.

luxury yacht; statistic energy analysis; noise prediction; noise reduction measures

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.01.006

2015-10-19

2015-11-16

国家自然科学基金项目(51049010)

王充(1989-)，男，硕士生

U661.44

A

1671-7953(2016)01-0026-06

研究方向:船舶振动与噪声控制

E-mail:337972356@qq.com