油船居住艙室噪聲預報分析

劉　錕，潘溜溜，徐智言

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

油船居住艙室噪聲預報分析

劉錕，潘溜溜，徐智言

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

以某型油船為研究對象，開展油船居住艙室噪聲預報研究。首先介紹統計能量法，然后采用VA One軟件建立聲學分析模型，根據設計要求設置模型的平板子系統和聲腔子系統的屬性，并正確設置隔音絕緣和甲板敷料。在加載時考慮了主機、發電機及居住艙室通風口等主要噪聲源。計算結果顯示，居住艙室各頻段下的模態數均大于5，說明采用統計能量法進行分析求解是可行的；在結果分析時，對受結構噪聲影響較大的居住艙室鋪設了浮動地板以后，艙室噪聲聲值顯著下降，且符合MSC 337（91）的限值要求。

聲學；船舶；艙室噪聲預報；統計能量分析；降噪

2012年國際海事組織第91屆海安會（MSC91）通過了第338號關于SOLAS修正案的決議，該決議在參考權衡DE53提案和IMO A468（XII）噪聲規范后，制定了新的《船上噪聲等級規則》，即MSC 337（91）［1］。新的噪聲規范MSC 337（91）提高了艙室區域的噪聲等級標準，并從2014年7月1日起開始生效實施。與舊的噪聲規范相比，MSC 337（91）提高了艙室噪聲限值的要求，對于萬噸以上的船舶，居住艙噪聲限值從60 dB下調到55 dB，餐廳、娛樂等區域的噪聲限值從65 dB下調到60 dB，其它工作區域的噪聲限值從90 dB下調到85 dB。MSC 337（91）決議的生效對船廠提出了更高的標準和要求，設計人員需要在設計初期即對船舶開展噪聲預報分析工作，找出可能超標的區域，并協同相關部門盡早地提出解決方案，避免試航階段測試結果超標及由此導致的新船二次試航。

本文以首次自主開展油船艙室噪聲預報分析為對象開展研究。首先介紹了船舶艙室噪聲預報的統計能量方法，然后以我廠某型油船為研究對象，通過聲學分析軟件VA One建立船舶聲學模型，對易超標艙室設置浮動地板和隔音絕緣材料，分析中考慮主機、發電機及艙室通風口等噪聲源，最后將計算結果與MSC 337（91）規范限值要求進行比較和討論。

1　統計能量分析（SEA）方法

統計能量分析適合分析復雜結構的密集模態和聲振耦合問題，是將整個聲振系統劃分為若干個子系統，以每個子系統的能量為基本參數，用統計的觀點建立每個子系統之間的能量平衡關系，以此來預測系統的聲振環境。

對統計能量分析模型中的某個子系統i，其內損耗功率Pid的表達式為［2-3］

式中ω為分析帶寬δω內的中心頻率。內損耗功率由結構阻尼、結構聲輻射損耗和邊界連接阻尼損耗三部分組成。

式中ηij為從子系統i到子系統 j的耦合損耗因子。

式中Pi，in為外界對子系統i的輸入功率；Pij為子系統i流向子系統j的功率。

式中ηij=ηi（i=1，2，…，N）。

式（4）表明，當系統進行穩態強迫振動時，第i個子系統輸入功率除消耗在該子系統阻尼上外，應全部傳輸到相鄰子系統上去。即

寫成矩陣形式為

求解此方程可得到每個子系統的能量，然后根據各子系統的能量即可求出相應的響應值。對結構子系統，它的振動均方速度為

對聲場子系統，它的聲壓均方根值為

聲壓級為

2　聲學分析模型

2.1模型概況

目前常用的聲學計算軟件主要有LMS/Sysnoise振動聲學軟件、MSC/Actran、Ansys軟件聲學有限元分析模塊和Abaqus軟件聲學分析模塊等。此外，法國ESI公司以統計能量法為理論基礎，推出了VA One聲學分析軟件。此軟件能夠實現全頻域聲學分析，能夠滿足大型船舶艙室噪聲分析中對分析頻段的要求，且在建模過程中可以方便地設置與實際相符的甲板敷料和艙室隔音絕緣材料，故本節采用VA One軟件進行建模與分析。

文中的聲學分析模型按照設計要求建立，分析的油船為艉機型船，即上層建筑和主甲板下的機艙等生活及工作區集中布置于船體艉部，船體前部、中部及艉部部分區域為貨艙區域。在噪聲預報分析中，需要求得艉部上層建筑區域和機艙內的噪聲值，并考察其是否滿足規范MSC 337（91）的要求，而對于貨艙區域則可以暫不進行聲學分析。基于以上原因，在建模時可先將船體前部、中部及后部部分區域在聲學模型中忽略，只建立上層建筑和包含主甲板下的機艙及艉部的局部結構聲學模型［4］。

其次，前期開展了此船結構動力學特性計算分析，分析結果顯示，該船船體梁振動基頻為0.6 Hz左右，船體整體結構固有頻率與噪聲計算要求的起始頻率相比相差較大。同時，根據以往計算經驗，船體局部結構（梁系、板格、板架結構）的基頻大致在20 Hz～40 Hz范圍內，故局部結構的振動也不會在噪聲評估區域產生較大的結構噪聲。所以將船體前部、中部及后部部分區域在聲學模型中進行忽略、只建立上建和包含主甲板下的機艙及艉部的局部聲學模型是可行的。

建模采用右手直角坐標系，即X軸沿船長方向，艏為正；Y軸沿船寬方向，左舷為正；Z軸沿高度方向，向上為正。坐標原點在零號肋位縱中剖面基線處。

2.2子系統屬性及分析參數定義

聲學模型中選用的材料參數中，楊氏模量取206 000 MPa；泊松比取0.3。

在平板子系統的結構類型選取中未考慮板上的筋對聲學分析的影響。這是因為，通過與船級社的溝通和以往的聲學分析測試經驗，板上的筋對結構噪聲的傳播和內損耗影響均較小。

圖1　平板子系統

圖2　聲腔子系統

表1　上層建筑各層艙室分布

平板子系統的內損耗因子采用船級社推薦的經驗值，對于鋼板，內損耗因子如表2所示［5］。

表2　鋼板內損耗因子

若平板子系統為液艙艙壁或者船體外板水線以下的部分，則需要在平板子系統屬性設置對話框設置平板與液體接觸的面和接觸的液體類型。

在聲腔子系統的屬性設置中，首先需要設置聲腔內的聲音傳播介質，若聲腔為淡水艙、液艙等艙室，其艙內介質非空氣，需要在下拉菜單中選擇相應的液體介質。

聲腔子系統的內損耗因子可以通過平均吸聲系數計算得到，艙室內損耗因子與吸聲系數的關系式為

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式中η為內損耗因子，A為艙室總表面積，c0為聲音在艙室中的傳播速度，V為艙室體積，ω為倍頻程的中心頻率，α為吸聲系數。

若艙室無內飾板，則平均吸聲系數為艙室內流體介質的吸聲系數，比如空氣為1%；若艙室有內飾板，則根據推薦值輸入艙室的倍頻程折合吸聲系數，如表3所示［5］。

表3　艙室折合吸聲系數，頻率/Hz

根據我廠以往船型的建造經驗及試航測試結果，機艙集控室、上甲板蘇伊士房間和醫院等艙室噪聲聲值較高，容易超出MSC 337（91）規范限值的要求。所以在開發設計的時候即要考慮到船舶艙室的降噪要求，分別在駕駛室和上甲板空調機室的頂部以及上甲板機艙棚部分艙室的頂部鋪設隔音絕緣（50 mm巖棉外包玻璃絲布）；同時為降低結構噪聲向艙室的傳遞，在上甲板的蘇伊士房間、健身房和醫院鋪設了浮動地板。

VA One中允許用戶根據甲板敷料布置圖和艙室絕緣布置圖逐層地對隔音絕緣材料進行布置，這對于船廠來說是非常便利的。因為船廠獲得總的敷料層的隔音參數非常困難，無論是通過獨立開展實驗還是委托外單位測試所耗費的時間和經濟成本均較高，也不利于項目進度的推進。而船廠對每層敷料的材料參數可以通過供貨商很方便地取得。

在設置隔音絕緣材料的時候，便是逐層地將材料參數輸入到VA One軟件中，然后選取相應的平板子系統，在平板子系統屬性對話框中選取預定義好的隔音絕緣材料，完成艙室隔音絕緣材料的設置。

2.3噪聲激勵源

船上噪聲激勵主要分為結構噪聲和空氣噪聲，結構噪聲以速度（級）或加速度（級）的形式將噪聲通過機腳傳遞到設備機座及船體結構中；空氣噪聲以聲功率級（或聲壓級）的形式由設備通過空氣介質輻射到相應艙室。分析中主要考慮了主機噪聲和發電機噪聲，此外，居住艙室通風口的噪聲也在計算中予以考慮。

根據主機廠家提供的資料［6］，主機噪聲具體如表4所示。

表4　主機噪聲譜（NCR，80%SMCR）

表4中噪聲級的單位為dB，排氣管噪聲和空氣噪聲為聲壓級，參考聲壓為2×10-5Pa；結構噪聲為速度級，參考速度為5×10-8m/s。

不同的噪聲源類型在模型加載時需要選取不同的模塊分別進行加載。表4中所示的主機排氣管噪聲和空氣噪聲，在軟件中選取輻射噪聲模塊進行加載；結構噪聲在軟件中以對結構施加約束的形式進行加載。由于發電機在船上安裝時均采用彈性支座，故其噪聲激勵僅考慮空氣噪聲的影響，根據廠家提供的資料［7］，發電機噪聲如表5所示。

表5　發電機噪聲譜/（1 370 kW/900 min-1）

發電機噪聲級的單位為dB，空氣噪聲為聲壓級，參考聲壓為2×10-5Pa。船舶在正常航行時需要同時開啟兩臺發電機，所以在聲學分析中應在機艙相應位置施加兩個如表5所示的空氣噪聲源。

主機和發電機分別位于機艙內底板和機艙3甲板處，圖3為機艙3甲板以下的聲腔子系統圖，根據機艙內設備放置的位置施加了主機和發電機噪聲源，如圖3所示。

圖3　主機和發電機噪聲荷載

文中，上層建筑居住艙室的空調通風口噪聲也被考慮作為噪聲源，由于沒有實測的噪聲譜，根據船級社的分析報告［8］，將居住艙室的通風口噪聲的聲壓級設置為全頻段45 dB（A），非居住艙室的出風口噪聲的聲壓級設置為全頻段50 dB（A）。

3　噪聲預報分析結果

根據統計能量分析方法，采用VA One軟件對油船居住艙室噪聲值進行求解，求解時采用倍頻程，計算頻率區間選取63 Hz～8 000 Hz。根據規格書和MSC337（91）的要求，計算中考慮的工況為滿載工況，設計吃水為16 m。為更真實地模擬船體實際的吃水工況，將滿載工況時船體外殼水線以下的平板子系統設置為與海水接觸的面，并設置半無限流體模擬噪聲在海水中的傳播。施加半無限流體后的分析模型如圖4所示。

圖4　施加半無限流體的統計能量模型

計算結果顯示，上層建筑各艙室在各頻段下的模態數均大于5，符合統計能量法對于各頻段下模態數大于5的要求，因此本聲學模型采用統計能量法進行艙室噪聲計算是可行的。在每層甲板選取具有代表性的艙室，其各頻段下的模態數如圖5所示。

圖5　上層建筑主要艙室單位帶寬內的模態數

平板子系統和聲腔子系統的能量云圖分別如圖6、圖7所示。

圖6　平板子系統能量云圖

圖7　聲腔子系統能量云圖

為考察浮動地板的降噪效果，在計算分析中比較了受結構噪聲影響較大的上甲板蘇伊士房間和醫院兩個艙室鋪設浮動地板和未鋪設浮動地板時的噪聲聲值結果。圖8、圖9分別為兩艙室在倍頻程各頻率下的A計權聲壓級值，參考聲壓為2×10-5Pa。由圖可知，鋪設了浮動地板后，低頻段的噪聲聲壓值幾乎沒有變化，而中高頻段的噪聲聲壓值降噪效果顯著，說明本油船設計時采用的浮動地板對中高頻結構噪聲降噪效果顯著，而對低頻噪聲的降噪效果不明顯。表6為兩艙室全頻段總的A計權聲壓級值，由表可知，鋪設了浮動地板后，艙室總的聲壓級值顯著降低，達到了降噪的效果，且總的聲壓級值也滿足MSC 337（91）規范的限值要求。

圖8　蘇伊士房間A計權聲壓級值

圖9　醫院A計權聲壓級值

表6　艙室總的A計權聲壓級值/dB（A）

4　結語

本文以某型油船為研究對象，開展了居住艙室噪聲的預報分析研究。采用VA One對船舶進行聲學模型的建模，考慮了主機、發電機及艙室通風口等噪聲源，并用統計能量法對居住艙室噪聲值進行了分析計算。計算結果表明，受結構噪聲影響較大的艙室，在鋪設了浮動地板后，各頻率和總的A計權噪聲聲值有了顯著降低，且基本滿足MSC 337（91）的限值要求。

［1］International Marine Organization（IMO）.IMO Resolution MSC.337（91）:Code on noise levels on board ships［S］. 2012.

［2］姚熊亮，張阿漫.船體振動與噪聲［M］.北京：國防工業出版社，2010.

［3］姚德源，王其政.統計能量分析原理及其應用［M］.北京：北京理工大學出版社，1995.

［4］上海交通大學.31.8萬噸VLCC艙室噪聲數值預報［R］.上海交通大學，2013.

［5］中國船級社（CCS）.船舶及產品噪聲控制欲檢測指南［R］.中國船級社，2013.

［6］MAN.B&W G70ME-C9.5-TII Project guide［R］.MAN，2014.

［7］YANMAR Co.Ltd.Marine auxiliary diesel engine，Project guide［R］.YANMAR Co.Ltd.，2012.

［8］DNV-GL.Oil tank noise analysis report［R］.DNV-GL，2015.

Prediction andAnalysis of Cabin Noise of a Crude Oil Tanker

LIUKun，PAN Liu-liu，XU Zhi-yan
（Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Co.Ltd.，Shanghai 200137，China）

In this paper，prediction of cabin noise of a crude oil tanker is discussed.Firstly，Statistic Energy Analysis（SEA）method is introduced.Then，the acoustic model is built by using the VA One software.Properties of the SEA subsystem，such as plate and acoustic cavity are determined according to the design requirement.Especially，sound insulation and deck covering of the specific cavity are correctly applied to the SEA model.The main engine，main generator and ventilation outlet of each room on the deckhouse are considered to be the main noise sources for the cabin noise level calculation.The calculation result shows that number of the modal in each frequency band of the cabin on the deckhouse is all larger than 5，which proves the feasibility of choosing SEA method to carry out the analysis.Finally，noise reduction effectiveness of the floating floor of the cabins，which are seriously affected by the structure-borne noise，is discussed.It shows that，after applying the floating floor，the cabin noise level is significantly reduced and less than the limit value prescribed in the MSC 337（91）standard.

acoustics；ship；cabin noise prediction；statistic energy analysis（SEA）；noise reduction

TB533+.2

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.05.020

1006-1355（2016）05-0094-05

2016-02-26

劉錕（1983-），男，山東省青島市人，工學博士，工程師，主要研究方向為船舶結構設計、船舶振動噪聲分析。E-mail:rd@chinasws.com