基于統(tǒng)計能量分析法的船舶噪聲預報與控制

盧 偉，殷小偉

（南通中遠川崎船舶工程有限公司，南通 226001）

0 引 言

噪聲污染被視為一種無形的環(huán)境污染，它是一種感覺公害，不僅僅影響聽力，還對人的心血管、神經(jīng)、消化等系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響，被稱為“致人死命的慢性毒藥”[1]。

船舶是海上漂浮的建筑物，環(huán)境密閉。船舶運行時，各種機電設備處于開啟狀態(tài)，噪音量大。超過安全等級的噪聲會妨礙船員正常的工作與休息，影響船員的身心健康。

《船上噪聲等級規(guī)則》（簡稱《規(guī)則》）已于2014年7月1日實施，在《規(guī)則》附錄3中，建議在新船設計階段，設計方/船廠可以通過計算、評估或類似方法，對船舶進行噪聲預報，并對超過《規(guī)則》要求的噪聲等級區(qū)域特別予以采取降噪措施。根據(jù)以往經(jīng)驗，在船舶建造完成后，通過試航測試才能發(fā)現(xiàn)艙室噪聲是否超標，對噪聲超標的房間進行局部減振降噪的處理。然而，在這一階段進行降噪處理，不管是經(jīng)濟代價，或是施工方面都面臨難題，且降噪效果也很難保證。所以，在船舶設計階段對噪聲等級作出預估，并采取合適的降噪措施，不僅降低經(jīng)濟代價，減少花費的工時，而且可以獲得最好的降噪效果。

1 散貨船艙室噪聲預報及降噪對策

1.1 建立聲學模型

以南通中遠川崎船舶有限公司6萬噸級散貨船為研究實例，運用基于統(tǒng)計能量分析法（Statistical Energy Analysis，SEA）[2]所開發(fā)VA One軟件對居住區(qū)以及機艙的噪聲等級進行預報。首先根據(jù)船舶的結構圖和詳細舾裝材料圖，在VA One中建立船舶居住區(qū)和機艙的聲振模型（見圖1、2），其模型主要由板及聲腔模型構成，其中船體板單元子系統(tǒng)模型1427個，聲腔子系統(tǒng)模型310個。

圖1 船體板單元子系統(tǒng)模型

圖2 聲腔子系統(tǒng)模型

VA One軟件帶有邊界連接功能，子系統(tǒng)建立后，通過VA One軟件中的“自動連接”按鈕，系統(tǒng)自動將所有的子系統(tǒng)按默認設定連接。

由于船舶內(nèi)舾裝材料以及布局會影響結構的阻尼特性，從而影響聲學的傳遞特性，影響預報精度，所以在進行預報時，需要在模型中輸入內(nèi)舾裝材料損耗因子和吸聲系數(shù)[2]。其中艙室內(nèi)塑料地板的內(nèi)損耗因子取為10%，乳膠水泥及流平敷料的內(nèi)損耗因子取為2%，復合巖棉板的內(nèi)損耗因子取為1.5%，鋼板的內(nèi)損耗因子為0.04%，而其他的材料屬于纖維狀材料如玻璃棉，其內(nèi)損耗因子由統(tǒng)計能量分析軟件自行計算?？諝馕曄禂?shù)定義為0.1%。

1.2 輸入激勵源

該船的噪聲主要由以下幾部分組成：1) 主機系統(tǒng)透過機艙壁，直接輻射的空氣噪聲，以及主機運轉引起船體振動產(chǎn)生的結構噪聲；2) 柴油發(fā)電機引起船體振動而產(chǎn)生的結構噪聲，以及空氣噪聲；3) 螺旋槳轉動引起船體振動而產(chǎn)生的結構噪聲；4) 空調(diào)運行而產(chǎn)生的結構噪聲、空氣噪聲；5) 居住區(qū)兩側風機產(chǎn)生的空氣噪聲[3]。

采用倍頻程，研究頻率限定在31.5～8000Hz。參考聲壓級2×10-5Pa，參考聲功率Lw=1×10-12W，參考加速度級La=1×10-6m/s2。主機，柴油發(fā)電機以及螺旋槳加速度由經(jīng)驗公式估算所得主機、發(fā)電機、空調(diào)、風機空氣噪聲均由設備廠商提供，將以上結構噪聲，空氣噪聲數(shù)據(jù)分別輸入模型（見圖3、4）。

1.3 仿真計算

反復調(diào)試模型，并檢查和修正錯誤，待模型調(diào)試正常后，再進行多種工況的計算，并對計算結果進行相應的后處理。經(jīng)過計算，得到各艙室在倍頻程各頻率（31.5～8000Hz）下的聲壓級（A 計權）見表 1。為方便后文引用，將實船測量值也列入表中。

圖3 輸入結構噪聲

圖4 輸入空氣噪聲

表1 預測噪聲值與規(guī)則要求值

對比噪聲等級規(guī)則要求，發(fā)現(xiàn)主甲板醫(yī)務室噪聲將超標7.8dB。在VA One軟件中選取醫(yī)務室聲腔子系統(tǒng)，顯示POWER INPUT 圖譜，對醫(yī)務室的能量輸入源進行分析后，發(fā)現(xiàn)前3個子系統(tǒng)的能量輸入之和占能量輸入總和的50%以上（見圖5），通過VA One軟件的Energy flow 顯示能量傳播路徑，這3股能量分別來自：主甲板4168F，來自機艙結構噪聲；側壁鋼板1117F，來自空調(diào)的結構噪聲；側壁鋼板260F，來自空調(diào)房空氣噪聲。需對這3個子系統(tǒng)進行降噪處理。

圖5 醫(yī)務室能量輸入

1.4 艙室降噪處理

通過以上的分析，采用3種降噪對策：1) 對噪聲源空調(diào)房敷設吸音棉作吸聲處理；2) 噪聲源-空調(diào)機組增加彈性底座；3) 對醫(yī)務室甲板進行阻尼處理，敷設降噪浮動甲板（見圖6）。

利用VA One軟件的NCT（noise control treatments）模塊，模擬醫(yī)務室添加的吸聲，隔振，阻尼材料，添加參數(shù)后，重新對模型進行計算，再次取醫(yī)務室的噪聲值，并與處理前的結果進行比較（見表2），處理后得到醫(yī)務室的噪聲聲壓級為54dB，較未作處理前的62.8dB降低了8.8dB，達到《規(guī)則》要求的≤55dB（見圖7）。

圖6 HHF-3型降噪浮動地板結構

表2 降噪處理噪聲值前后對比

圖7 降噪結果對比

2 實船驗證

通過預測值與實測值對比發(fā)現(xiàn)（見表1），平均誤差在2dB左右,采用VA One軟件能較準確地預估整船的噪音分布，并顯示出噪聲超標艙室的能量主要來源。整體上來講，VA One軟件預測的噪聲值比實際偏高，主要原因為：

1) 實船中激勵源相互影響，結構振動會有抵消的情況發(fā)生，實際的結構噪聲會比理論輸入值低；

2) 實船艙室內(nèi)布有家具等設備，提高了房間的吸聲能力。

針對以上特點，以后的實操應用中，應適當調(diào)整艙室中吸聲系數(shù)和激勵參數(shù)的設置。

3 結 語

基于統(tǒng)計能量原理的分析法，對散貨船的居住艙室噪聲進行了模擬計算。根據(jù)計算的結果，找出噪聲超標的艙室，通過對輸入超標艙室的能量分析，找出對艙室輸入能量貢獻較大的子系統(tǒng)，對這些子系統(tǒng)采取有針對性的降噪措施，并計算出采取降噪處理后的艙室噪聲值。經(jīng)過后期預測值與實測值對比，找到預測的調(diào)整方法。使其能在船舶設計初期進行較為準確的船舶艙室噪聲值的預報，并采取相應的降噪設計，具有指導實際操作的應用價值。

[1] 孟曉紅. 噪聲是致人死命的慢性毒藥[EB/OL]. http: //www.people.com.cn/GB/huanbao/8220/30473/30474/30492/2182497.html

[2] 伍先俊，朱石堅. 統(tǒng)計能量法及其在船舶聲振預測中的應用綜述[J]. 武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2004, 28 (2):212-215.

[3] 葉紅源. 297000dwt 超大型油船噪聲源分析及控制[J]. 船舶與海洋工程，2013 (2): 28-32.