船舶振動及艙室噪聲評價集成軟件開發

楊德慶　郁揚

摘要：

基于國際標準化組織（International Standard Organization， ISO）和國際海事組織（International Maritime Organization， IMO）關于船舶振動和噪聲的評價標準，開發船舶振動及噪聲一體化評估集成軟件，給出船舶振動和噪聲的評價方法和流程.實船振動和聲學設計算例驗證該軟件評估結果的可靠性及評估過程的高效性.

關鍵詞：

船舶； 艙室； 振動； 噪聲； 舒適度； 評估； 軟件開發

中圖分類號： U662

文獻標志碼： B

Abstract：

According to the specific assessment standards about ship vibration and noise of the International Standardization Organization（ISO） and the International Maritime Organization（IMO）， an integrated assessment software of ship vibration and noise is developed， and the assessment method and flow are given. The example of an actual ship vibration and acoustic design verifies that the reliability of assessment results and the high efficiency of assessment process.

Key words：

ship； cabin； vibration； noise； comfort； evaluation； software development

0引言

中國船舶工業發展迅速，已成為全球重要的船舶設計與制造中心.減振降噪作為綠色船舶設計的重要技術，是船舶設計領域研究熱點.對于船舶振動水平的評價，國際標準化組織（International Standard Organization， ISO）于1984年制定ISO 6954—1984振動評價標準，并于2000年更新補充ISO 6954—2000（E）舒適度等級評價標準.世界各主要船級社也都制定各自的船體振動評價標準，以適應所關注的海域及海況.對于船舶噪聲水平的評價，國際海事組織（International Maritime Organization， IMO）和多國船級社制定共同標準，在此基礎上各國根據自身對噪聲環境的更高要求，對于船體不同位置噪聲的聲壓級和舒適度等各有不同規定.[13]

船舶振動評價覆蓋的頻率范圍較窄，一般局限于0～80 Hz.目前，對于船舶振動的數值評價，在低頻域主要通過結構動力學有限元法進行計算，在中高頻域主要通過混合法及統計能量法計算.計算或測量后，將所得各個評價部位的數據（船體振動的位移、速度或加速度）與所入船級社的相應振動評價標準比較，人工進行評價.這個過程計算量大，涉及船體評價位置多，對各位置振動衡準的理解易出現偏差.目前沒有統一的自動化評估軟件.[46]

對于船舶噪聲的評價，分為艙室噪聲評價和船體水下輻射噪聲評價2類.對于船舶艙室噪聲的數值模擬評價，目前多采用統計能量法；對于船體水下輻射噪聲的數值評價，在低頻域多采用聲固耦合方法計算，在高頻域采用統計能量法計算.噪聲評估涉及頻率范圍較寬，覆蓋16～20 000 Hz，評價過程復雜，要使用多個聲學模型，加上艙室眾多，具體評價過程繁瑣且耗時.[78]

目前國內外沒有對船舶振動與噪聲統一測量或計算的結果，沒有通過統一流程進行自動化船舶振動及噪聲合格與否評價的軟件，沒有自動化報告生成軟件.這已成為船舶減振降噪設計中的低效環節，因此開發船舶振動噪聲集成化評估軟件具有重要應用價值.本文基于IMO及世界各主要船級社對船舶振動和噪聲的評價標準，開發船舶振動噪聲評估集成軟件.通過實船聲學設計算例，驗證該軟件評估的可靠性和高效性，同時介紹船舶振動和噪聲的評價流程和方法.[910]

1船舶振動與噪聲評價標準

1.1主要國際組織和船級社船舶振動評價標準

世界主要船級社及IMO對于振動評價的標準大體上可以分為2類：第一類是通過分別評價每個頻率、每個方向上的振動速度（或加速度）峰值，判斷振動是否滿足要求；第二類是將不同頻率下的振動速度（或加速度）進行合成，判斷合成的速度（或加速度）值是否滿足要求.下面介紹主要的船舶振動評價標準.

1.1.1ISO的振動標準

ISO 6954—2000（E）是國際上通用的船舶振動評價標準，見表1.該標準是2000年12月發布的《機械振動——客船、商船振動適居性的測量、報告和評價準則》第二版的修訂版，整個評價體系與原ISO 6954—1984版的評價方法相比發生較大變化.ISO 6954—2000（E）的評價參數是用1～80 Hz頻率范圍內1/3倍頻程的速度或加速度的加權均方根總值來計算的.加速度（或速度）頻率加權均方根 （Root Mean Square，RMS）的總值

2船舶振動噪聲集成評價軟件開發

2.1船舶振動評估軟件開發思路

采用數值模擬方法進行船舶振動評估的流程主要為：（1）根據圖紙建立整船結構振動有限元模型，結合以往型船測試數據對所建立的船體振動數值模型進行修正；（2）根據船舶主尺度、螺旋槳及主機參數，計算船舶主要振源大小，并施加于有限元模型相應位置；（3）根據技術規格書及評價標準要求，確定振動評價點位置，通過計算得到不同頻率下評價點處的振動速度或加速度；（4）根據本船入級的船級社的振動規范進行評價，自動生成評價報告.

2.1.1軟件結構設計

本軟件主要有3部分組成：數據引擎部分、VTK三維視圖部分以及后處理GUI部分.數據引擎部分為后處理提供數據管理的支撐，統一數據對象封裝，并提供一致的數據類型封裝，最后組合為一棵樹，可涵蓋絕大多數數據模型的管理.VTK三維視圖部分是對GUI框架中視圖框架的具體實現，為后處理提供數據可視化的基礎，結合VTK的算法，可以很方便地實現各種可視化功能.后處理GUI部分負責具體實現后處理界面，并將各種功能有機組合成整體，并實現與GUI框架對接，從而成為整個軟件平臺的一部分.

2.1.2外部接口

本軟件主要通過派生GUI框架的NCSGUI_Module和NCSGUI_DataModel等2個類與GUI框架對接，使得GUI框架可以將本軟件加載到框架中并運作起來.此外，后處理中實現的VTK3DView視圖通過對GUI框架中的視圖框架接口的實現，從而與GUI框架對接，實現其在框架內的運作，并按照視圖框架的規范被后處理使用.

2.1.3開發環境及開發語言

本模塊使用Visual Studio 2008開發，開發采用的操作系統為Windows 7 Professional，采用C++高級語言進行編碼.

2.1.4軟件功能介紹

根據上述振動評價的步驟和有關標準，開發振動噪聲集成評估軟件振動評估模塊，其功能有：（1）Patran有限元模型導入；（2）對模型整體統計，包括模型的節點數、單元數等；（3）讀取Patran模態分析結果，并將結果繪制成云圖反映到屏幕中；（4）讀取Patran頻響分析結果，將結果繪制成云圖反映到屏幕中，且不同的大小用不同的顏色標出；（5）設置評價點并編號，為不同評價點設置相應的船級社振動評價；（6）根據不同船級社的規范進行船體振動評價；（7）軟件自動生成評價報告.

2.1.5系統界面

運行船舶振動噪聲集成評估系統，系統界面見圖2.圖2中：①為菜單欄，包括文件、編輯、視圖、振動評估、聲學評估、窗口、幫助；②為工具欄，包括文件操作工具欄（新建、打開、保存、關閉、后退、前進）、視圖操作工具欄（自適應、正視圖、側視圖、俯視圖、屏幕截圖）和VTK3D工具欄（顯示標尺、編輯顏色、調整顏色漸變、數據圖層、分量、繪圖選項）；③為視圖選項卡，包括數據瀏覽器、流程視圖；④為VTK3D繪圖窗口；⑤為任務設置窗口.

2.2振動評估模塊功能介紹

2.2.1模態分析

點擊菜單欄“振動評估”，在下拉菜單中選擇“模態分析”，可啟動模態分析計算流程，或使用快捷鍵“Crtl+m”.啟動模態分析模塊后，系統界面左邊流程視圖將啟動流程向導，用戶按照向導提示操作，完成模型導入、數據查看等任務，見圖3.

流程功能如下.

（1）輸入基本參數，見圖4.在窗口右側任務設置窗口中，輸入計算參數或完成相關設定.在輸入基本參數窗口中，用戶需設定：船舶概況、船舶主尺寸、螺旋槳參數、大主機參數、主機參數、艏推進器參數.這些參數將用于計算和生成報告.

（2）振源激振頻率和頻率禁區設定.根據輸入的船舶基本信息，評估系統會自動計算主螺旋槳葉頻頻率、螺旋槳倍葉頻頻率、主機1階慣性頻率的激振頻率，推薦出頻率禁區下限和上限頻率.用戶也可以點擊這些頻率數據，手動修改.點擊下一步繼續設定.

（3）導入模型，見圖5.根據實際工況，選擇導入模型的類型（壓載、滿載或設計吃水工況），并導入有限元模型文件.

2.3船舶噪聲評估軟件開發思路

在船舶噪聲的評價過程中，由于不同艙室的聲壓級限值不同，評價時需要將不同艙室的聲壓輸出后分別評價.對于豪華游輪等需評價艙室較多的船型，工作量大，數據處理費時費力.將噪聲評價過程在軟件中流程化實現，既可避免人工計算評價中由于人為原因導致的錯誤，又可以提升工作效率.

對于船舶艙室噪聲的數值評估流程主要為：（1）根據圖紙在VAOne軟件中建立整船統計能量模型；（2）根據給定的振動噪聲源激勵，計算艙室噪聲；（3）確定所需評價的艙室位置；（4）根據適當的噪聲規范進行評價.基于這個思路開發艙室噪聲評價軟件.

2.3.1軟件功能介紹

振動噪聲集成評估軟件中噪聲評估模塊具有如下功能：（1）VAOne統計能量模型導入；（2）讀取各個聲腔的聲學計算結果；（3）將各艙室在不同頻率下的聲學計算結果繪制成頻譜圖；（4）根據不同船級社規范進行艙室噪聲評價；（5）自動生成評價報告.

2.3.2聲學評估模塊功能

點擊菜單欄“聲學評估”下的“聲學分析”菜單（見圖12）或使用快捷鍵“Ctrl+a”，可啟動艙室噪聲分析，評估流程被啟動.

（1）導入模型設定.導入需要的船舶艙室聲腔模型文件，包括壓載、滿載、碼頭或設計吃水等工況.

（2）設置顯示聲腔.查看聲腔及其對應的序號.在VTK3D窗口中，可以查看對應聲腔的位置及對應的網格.

（3）導入結果.導入統計能量法艙室噪聲計算結果文件.

（4）選取聲腔.選取聲腔繪制聲壓響應計算曲線（見圖13），可以添加多個聲腔.

2.4超大型油輪振動與噪聲一體化評估示例

為驗證軟件可靠性與高效性，本文以某原油輪振動及噪聲一體化評估為例進行驗證，該油輪入級CSS，全船及艙室振動噪聲應滿足IMO《船上噪聲等級規則》標準和中國船級社振動評價標準.具體評價結果見圖16.

3結束語

目前，船舶振動與噪聲評估是根據相關規范人工進行計算及評估，缺少相關評估軟件，更無振動與噪聲一體化自動集成評估軟件.船舶振動噪聲集成評估軟件的成功開發，可解決船舶振動和噪聲評估過程中繁瑣、規范理解差異等諸多問題，為振動和噪聲評估提供高效手段，避免人為因素導致噪聲的評估不精確等弊端，是將振動與噪聲評估由人工計算轉向數字化、一體化自動評估的開端.本軟件的優點如下.

（1）可以將結構振動全頻段模型和聲學數值模型無縫導入，不丟失模型的特性.

（2）可以根據不同船級社的規范進行評估，覆蓋面廣.

（3）評估計算與圖像一體化實現，直觀清晰.

（4）可以自動生成評估報告，簡便快捷.

當然，本軟件也存在一些缺點，如振動有限元計算結果數據量大，讀取速度相對較慢，這些有待后續完善.軟件開發是一個逐步創新，不斷實踐的過程；創新精神的實踐也是一個不斷完善，漸臻佳境的過程.船舶振動噪聲集成評估軟件的開發是一個將創新精神不斷實踐的結果.該軟件的出現可彌補國內振動與噪聲評估流程軟件缺乏的不足，是振動與噪聲評估由人工計算轉為數字化、一體化評估的開端.本軟件的出現會使得振動與噪聲的評估更加方便、快捷、高效.

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（編輯武曉英）