統(tǒng)計(jì)能量法在船舶艙室噪聲預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

邵 亮

(江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

統(tǒng)計(jì)能量法在船舶艙室噪聲預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

邵 亮

(江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

詳細(xì)介紹了統(tǒng)計(jì)能量法并結(jié)合某船模型以統(tǒng)計(jì)能量法進(jìn)行艙室噪聲預(yù)報(bào)及改進(jìn)設(shè)計(jì)研究。在某段艙室內(nèi)分別以加減震器與不加減震器2種工況下噪聲的計(jì)算結(jié)果與統(tǒng)計(jì)能量法得出的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析對比，充分驗(yàn)證了統(tǒng)計(jì)能量法的預(yù)報(bào)可行性，得出結(jié)論：統(tǒng)計(jì)能量分析法可以有效地預(yù)報(bào)船舶艙室的高頻噪聲，可以對局部設(shè)計(jì)的更改和局部減震裝置的施加進(jìn)行有效的仿真，適用設(shè)計(jì)階段船舶艙室噪聲的預(yù)報(bào)和結(jié)構(gòu)聲學(xué)優(yōu)化計(jì)算。本文所得數(shù)據(jù)也可為今后船舶設(shè)計(jì)開發(fā)提供相關(guān)參考依據(jù)。

船舶;噪聲預(yù)報(bào);統(tǒng)計(jì)能量法

0 引言

在現(xiàn)代造船中船舶艙室噪聲的預(yù)報(bào)方法倍受關(guān)注。許多國內(nèi)和國際組織已經(jīng)提出了有關(guān)噪聲的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)并要求嚴(yán)格執(zhí)行。許多國家的船東，尤其是歐美部分國家的船東，在設(shè)計(jì)任務(wù)書中對船舶艙室噪聲水平提出了十分嚴(yán)格的要求。因此，在船舶設(shè)計(jì)階段對船舶艙室噪聲給出合理的預(yù)報(bào)，使其噪聲水平滿足任務(wù)書和相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的要求是很有必要的。據(jù)近些年的統(tǒng)計(jì)，在已建造好的船上安裝聲學(xué)器材的代價(jià)約為設(shè)計(jì)中預(yù)先采取措施所需費(fèi)用的3倍左右。因此在設(shè)計(jì)階段對船舶艙室噪聲進(jìn)行預(yù)報(bào)并提出聲學(xué)設(shè)計(jì)的改進(jìn)措施對縮短造船周期，降低造船成本，提高船舶安全性能有著非常重要的作用［1］。

1 統(tǒng)計(jì)能量分析理論及概況

統(tǒng)計(jì)能量分析(Statistical Energy Analysis，SEA)是20世紀(jì)60年代初期為模擬大型結(jié)構(gòu)物的振動(dòng)噪聲而提出的用于研究結(jié)構(gòu)高頻動(dòng)態(tài)特性的一種計(jì)算方法。該方法起源于航空宇航工業(yè)，它是預(yù)示復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)高頻動(dòng)力學(xué)環(huán)境的一種有效方法，近年來該方法不僅在宇航領(lǐng)域，而且在諸如艦船、汽車、高速列車等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用［2］。該方法運(yùn)用統(tǒng)計(jì)的觀點(diǎn)，從能量角度分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)在外載荷作用下的響應(yīng)，可以成功預(yù)測耦合結(jié)構(gòu)元件和聲學(xué)容積的振級和噪聲，也能很好地解決聲場與結(jié)構(gòu)間的耦合問題。對于受高頻、寬帶隨機(jī)激勵(lì)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)及其噪聲輻射問題，用統(tǒng)計(jì)能量法尤為有效。該方法以統(tǒng)計(jì)物理學(xué)原理為基礎(chǔ)，將復(fù)雜結(jié)構(gòu)分解成一系列子系統(tǒng)，以每一子系統(tǒng)內(nèi)的能量作為其基本變量。方程表示的是子系統(tǒng)間的能量傳遞，可以較好地描述每個(gè)子系統(tǒng)的平均振動(dòng)聲學(xué)特征。該方法所用參數(shù)較少，方程簡單易解，直觀明了。

統(tǒng)計(jì)能量法是1種能預(yù)測復(fù)雜系統(tǒng)對高頻寬帶隨機(jī)激勵(lì)響應(yīng)的實(shí)用分析方法，彌補(bǔ)某些低頻計(jì)算軟件的不足。所以它現(xiàn)在也成功地應(yīng)用于船舶艙室內(nèi)部的高頻噪聲預(yù)報(bào)［3］。因?yàn)榻y(tǒng)計(jì)能量法分析所有參數(shù)都是時(shí)空頻域的平均統(tǒng)計(jì)量，所以其分析結(jié)果不可能得到某一特定位置處的響應(yīng)結(jié)果(類似有限元法)。統(tǒng)計(jì)能量分析不能預(yù)測系統(tǒng)中某局部位置的精確響應(yīng)，但可從統(tǒng)計(jì)的意義上分析預(yù)測整個(gè)子結(jié)構(gòu)的平均響應(yīng)。該方法由以下公式推導(dǎo)其理論。

在受激振動(dòng)的桿結(jié)構(gòu)微元中根據(jù)能量平衡，有：

其中：p為單元中結(jié)構(gòu)阻尼消耗的能量;Q為外界輸入功率;q為微元上的功率流;e為微元上的能量密度。在穩(wěn)態(tài)時(shí)對于小阻尼情況，有［4］：

式中：〈〉代表時(shí)間空間平均;cg為群速。內(nèi)損耗因子消耗的能量為［5］

由上面的方程可得到：

上式具有和熱傳導(dǎo)公式非常相似的形式，通過變分并代入能量密度表達(dá)式可最終得到以下形式：

式中：K(e)為單元系數(shù)矩陣;F(e)為外加功率;Q(e)為單元節(jié)點(diǎn)處的功率;e(e)為節(jié)點(diǎn)能量密度。此式即可用有限元法進(jìn)行求解［6］。

統(tǒng)計(jì)能量分析法的基本關(guān)系方程是在一些假設(shè)(弱耦合、保守耦合、激勵(lì)源不相關(guān)等)限制條件下建立的。在各子系統(tǒng)的激勵(lì)相互獨(dú)立(不相關(guān))且保守弱耦合情況下穩(wěn)態(tài)響應(yīng)時(shí)的功率流平衡方程為

式中：ni，ηi為子系統(tǒng)i的模態(tài)密度和內(nèi)部損耗因子;ηij為振動(dòng)能量從子系統(tǒng)i傳遞至子系統(tǒng)j的耦合損耗因子;ω為三分之一倍頻程的中心頻率;pi為外界對子系統(tǒng)i的輸入功率;Ei為子系統(tǒng)i的能量［6］。

2 應(yīng)用

首先建立某船的有限元模型。該船體模型長4 400 mm，型寬650 mm，型深325 mm，船殼厚度為2.3 mm，加強(qiáng)肋板厚度為2.2 mm，殼體材料為鐵，內(nèi)壁布置加強(qiáng)筋以增加模型殼體的強(qiáng)度，取彈性模量為2.06×1011N/m2，泊松比為0.26，密度為7 800 kg/m3，在實(shí)際計(jì)算時(shí)考慮到附加質(zhì)量的影響而對密度作適當(dāng)?shù)募哟筇幚怼Ｈ卜?個(gè)艙室，整個(gè)艦船結(jié)構(gòu)共包括1 762個(gè)有限元單元，1 279個(gè)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格劃分后的艦船有限元模型如圖1和圖2所示。

將該船的有限元模型導(dǎo)入統(tǒng)計(jì)能量軟件AUTOSEA2中并附其屬性(厚度、材料、硬度等)，建立幾何子系統(tǒng)、附物理屬性并給予鏈接。除表皮外全船共建7個(gè)聲腔(聲腔是為了計(jì)算某段模型聲壓值大小而建立的封閉空間)，在其中部艙室位置安裝一簡易減震器并在減震器上施加5 000 N的垂直激勵(lì)，激勵(lì)可通過減震器傳遞振動(dòng)到船體各處并產(chǎn)生噪聲。減震器安裝位置、激勵(lì)施加位置如圖3所示。計(jì)算過程中外部介質(zhì)視為空氣(附空氣屬性)，計(jì)算頻率為1 000～8 000 Hz。設(shè)聲壓工程單位系數(shù)ref大小為2×10－5Pa，通過統(tǒng)計(jì)能量軟件AUTOSEA2計(jì)算得到以下數(shù)據(jù)。裝有減震器位置艙段聲壓值隨頻率變化曲線如圖4所示。全船各個(gè)聲腔聲壓值隨頻率變化曲線如圖5所示。分別例舉了4 000 Hz和6 300 Hz時(shí)各個(gè)聲腔聲壓值分布，如圖6和圖7所示。

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在該船中段艙室內(nèi)部加1個(gè)簡易減震器后，每個(gè)艙室噪聲輻射值均有不同程度的衰減。通過統(tǒng)計(jì)能量法進(jìn)行仿真，借助統(tǒng)計(jì)能量軟件AUTOSEA2得出計(jì)算結(jié)果大小與實(shí)測數(shù)值變化趨勢相同，且誤差值不超過6 dB，充分證明了統(tǒng)計(jì)能量法在船舶艙室噪聲預(yù)報(bào)的可行性，同時(shí)統(tǒng)計(jì)能量法和統(tǒng)計(jì)能量軟件為進(jìn)行聲振分析的工程師提供了一個(gè)強(qiáng)有力的工具。

3 結(jié)語

本文結(jié)合某船模型介紹了以統(tǒng)計(jì)能量法進(jìn)行艙室噪聲預(yù)報(bào)及改進(jìn)設(shè)計(jì)研究的方法，分別在4 000 Hz和6 300 Hz頻率下對某段艙室內(nèi)加減震器與不加減震器2種工況下噪聲的計(jì)算結(jié)果與統(tǒng)計(jì)能量法得出的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析對比，充分驗(yàn)證了統(tǒng)計(jì)能量法的預(yù)報(bào)可行性。其誤差不超過6 dB，可為今后船舶設(shè)計(jì)開發(fā)提供相關(guān)參考依據(jù)。

統(tǒng)計(jì)能量法是一種分析噪聲傳播規(guī)律的新方法，它在一定程度上彌補(bǔ)傳統(tǒng)的有限元法只適用于低頻的缺陷。與此同時(shí)，該方法可得到結(jié)構(gòu)上重要的局部位置能量概況，可以對局部結(jié)構(gòu)的阻尼特性進(jìn)行修改，方便地對局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化［7］。該方法可使用傳統(tǒng)有限元法導(dǎo)入模型，且可直接從能量的角度來分析問題。此外，能量有限元法得到的結(jié)果本身就是能量，可以直接得到能量傳輸途徑，避免了以往的方法中力、速度、力矩等變量之間的換算。可以得出結(jié)論：能量有限元法可以用相對較少的單元有效地預(yù)報(bào)船舶艙室的中高頻噪聲，并可以對局部設(shè)計(jì)的更改和局部激勵(lì)的施加進(jìn)行有效的仿真，適用設(shè)計(jì)階段船舶艙室噪聲的預(yù)報(bào)和結(jié)構(gòu)聲學(xué)優(yōu)化計(jì)算［6］。

［1］尼基福羅夫·阿·斯．船體結(jié)構(gòu)聲學(xué)設(shè)計(jì)［M］．北京：國防工業(yè)出版社，1998．

［2］LIM T C，SINGH R．Statistical energy analysis of S gearbox with emphasis on the bearing path［J］．Noise Control Engineering Journal，1991，37(2)：63 －69．

［3］李丹．船舶艙室噪聲預(yù)示的統(tǒng)計(jì)能量分析研究［D］．大連：大連理工大學(xué)，2003．

［4］MOENS I，VANDEPITTE D．A wavelength criterion for the validity of the energy finite element method for plates［A］．International Conference on Noise and Vibration Engineering，2000．

［5］CREMER L，HECKEL L，UNGAR E E．Structure-bourn sound(second edition)：structural vibrations and sound radiation ataudio frequencies［M］．Springer-Verlag，Berlin，1988．

［6］吳軼鋼，胡士猛，吳衛(wèi)國．船舶艙室噪聲預(yù)報(bào)方法研究［A］．2005年船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議，2005．

［7］朱錫，孫雪榮，石勇．船舶水下結(jié)構(gòu)噪聲數(shù)值計(jì)算方法研究概況［J］．船舶工程，2004，(1)：9－12．

Prediction and research of ship cabin noise with statistical energy analysis

SHAO Liang
(School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China)

This paper introduces the statistical energy analysis method，combining with a ship model with statistical energy method for cabin noise forecast and improvement design study，in a cabin respectively to add shock absorber and without shock absorber under two working conditions of noise in computed results with statistical energy analysis method the calculated results were analyzed and compared，fully validated．Statistical energy analysis method in the prediction of feasibility，drawing the conclusion：the statistical energy analysis method can effectively forecast the cabin noise of high frequency．It can be to the local design changes and local damping deviceing exerts effective simulation，applicable design stage on deckhouse noise prediction and structural acoustic optimization．The data are also available for future development to provide reference for ship design．

ship;noise prediction;statistical energy analysis method

U661.44;TB53

A

1672－7649(2012)05－0098－03

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.05.023

2011－09－19;

2011－11－04

邵亮(1984－)，男，碩士研究生，從事振動(dòng)噪聲方面研究。