船舶振動噪聲源傳遞路徑分析及試驗驗證

胡鵬濤+張博

摘 要：本文嘗試分析船舶振動噪聲源傳遞路徑分析，將機(jī)械動力裝置作為主要噪音源，以居住室一位端1.2m標(biāo)準(zhǔn)噪聲點為響應(yīng)點，采用OTPA方法測量激勵以及響應(yīng)信號，進(jìn)行TPS計算，用工況下測試數(shù)據(jù)和傳遞率求解各部分的貢獻(xiàn)量。對目標(biāo)測試點進(jìn)行實測，和OPTA分析中的合成結(jié)果總值對比分析，兩者非常相近，隨著速度的增加，來自居住艙地板表面貢獻(xiàn)占主導(dǎo)地位，來自于軸箱、齒輪箱等動力機(jī)械設(shè)備的貢獻(xiàn)量最大，電機(jī)的噪聲貢獻(xiàn)量次之。

關(guān)鍵詞：船舶；振動；噪聲源；傳遞

中圖分類號：D631.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）19-0082-02

船舶噪聲可分為空氣聲以及結(jié)構(gòu)聲兩類，結(jié)構(gòu)聲即傳統(tǒng)意義上的震動波，是導(dǎo)致船舶老化、損壞的重要原因之一。船舶設(shè)備上控制機(jī)械振動噪聲不僅可改善人機(jī)工作環(huán)境，還可提高潛艇的隱蔽性，越來越受到造船企業(yè)的重視[1]。當(dāng)前船舶對電力、動力需求明顯提高，導(dǎo)致輪機(jī)的規(guī)模以及數(shù)量明顯增加，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)聲源強(qiáng)度增大，成為主要振動以及噪聲源。船舶大多部分是鋼板建成的，鋼材料是振動波傳遞的良導(dǎo)體，故研究船舶振動噪聲源傳遞路徑應(yīng)放在船舶輪機(jī)振動鋼結(jié)構(gòu)的船舶路徑上。本次研究嘗試采用試驗研究，驗證分析船舶振動噪聲源傳遞路徑。

1 船舶振動噪聲源傳遞路徑分析

本文采用OTPA路徑分析方法，需要知曉激勵點、目標(biāo)點相應(yīng)，進(jìn)行分析，目標(biāo)點相應(yīng)和激勵點處響應(yīng)的關(guān)系如下：P（ω）=，其中P（ω）為目標(biāo)相應(yīng)點的響應(yīng)，Tj（ω）為第j個聲源到目標(biāo)點的傳遞率，Pj（ω）為第j個聲源點的聲壓，Ti（ω）為第i個振動源到目標(biāo)點的傳遞率，Xpi（ω）為第i個振動源的加速度。OTPA方法采用激勵點響應(yīng)到目標(biāo)點的傳遞率表示路徑，無需建立相應(yīng)的傳遞函數(shù)，可有效的縮短工作量以及測試時間。需注意的是，目前對于船舶而言，普遍采用浮筏隔振系統(tǒng)等防震系統(tǒng)、雙層隔振系統(tǒng)。隔振能夠有效的減少振動的傳遞，被保護(hù)對象振動量級獲得較大程度的衰減與控制。本文采用德國Mueller-BBM開發(fā)的PAK測試軟件進(jìn)行系統(tǒng)分析，工況下的噪聲震動傳遞路徑。先進(jìn)行工況下的激勵點、目標(biāo)點響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行測試。采用OTPA方法測量激勵以及響應(yīng)信號，輸入以及相應(yīng)的樣本矩陣中存在相互耦合，避免矩陣求逆過程中，遇到數(shù)值以及無法精確求解的工況傳播關(guān)系矩陣。最后進(jìn)行TPS計算，用工況下測試數(shù)據(jù)和傳遞率求解各部分的貢獻(xiàn)量。

假設(shè)船舶系統(tǒng)是一個線性的不變的系統(tǒng)，則船舶內(nèi)目標(biāo)點的聲壓或振動加速度等于各個激勵源沿著不同的傳遞路徑傳播到車內(nèi)所有貢獻(xiàn)量的疊加，即“激勵源→傳遞路徑→目標(biāo)點”模型表示。通過這個模型，得出噪聲傳遞率、路徑的貢獻(xiàn)量。對于一艘船舶而言，其激勵源主要為輪機(jī)噪聲、設(shè)備間噪聲、集電系統(tǒng)等，了解這些噪聲源，可實現(xiàn)傳遞路徑分析。對于船舶而言，噪聲源主要考慮主機(jī)、輔機(jī)，噪聲與輪機(jī)的功率有關(guān)。除結(jié)構(gòu)噪聲外，還存在空氣噪聲，船舶內(nèi)的噪聲點P總=P結(jié)構(gòu)+P空氣。對于n個激勵源的串?dāng)_消除，方程如下圖1。

2 試驗驗證

為驗證傳遞路徑分析與綜合技術(shù)船舶振動噪聲預(yù)測中的可行性，本文在行駛狀態(tài)下的船舶內(nèi)進(jìn)行傳遞路徑測試。需注意的是，噪聲關(guān)注主要為居住艙，根據(jù)經(jīng)驗，居住艙的地板往往是噪聲最大的位置，故以居住室一位端1.2m標(biāo)準(zhǔn)噪聲點為響應(yīng)點，計算各激勵源以及各條傳遞路徑對車內(nèi)噪聲參考點的貢獻(xiàn)量，找出噪聲主導(dǎo)性因素。具體的路徑，居住倉的噪聲主要路徑：①設(shè)備間噪聲-船舶的地板以及側(cè)墻-船舶內(nèi)居住艙；②設(shè)備間噪聲-門窗以及通過臺縫隙-船舶內(nèi)居住艙；③軸箱、電機(jī)、齒輪箱振動-船體結(jié)構(gòu)連接點-地板與整船振動-向車內(nèi)輻射噪聲。我們在居住艙內(nèi)安置了2個噪聲傳感器，位于1.2m標(biāo)準(zhǔn)點、出風(fēng)口0.05m，同時在居住間外、結(jié)構(gòu)連接點處、輪機(jī)室等激勵源和路徑出布置測試點。

整個測試都嚴(yán)格質(zhì)控，進(jìn)行傳感器的安裝、接線、確保傳感器合理有效的安裝安置，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)確認(rèn)系統(tǒng)信號穩(wěn)定。震動傳感器采用AD01-50/100，聲傳感器SKV，表面聲傳感器GRAS等。需注意的是，因為測試數(shù)據(jù)十分龐大，本文僅取重要的聲源點、相應(yīng)點噪聲特性進(jìn)行初步分析。在50km/h的勻速情況下，客室一位斷1.2m標(biāo)準(zhǔn)噪聲點頻率在2000Hz以下，故選擇50Hz～2000Hz作為噪聲傳遞路徑分析[2]。隨著主機(jī)以及輔機(jī)功率的提高，居住艙內(nèi)的噪聲峰值頻率也隨之上升，最高達(dá)到67.4db，與此同時隨著功率的提高，噪聲源的聲壓值也不斷增大，居住艙端部目標(biāo)點噪聲點頻譜在低頻段與高頻段都出現(xiàn)噪聲峰值，這可能與居住艙廣泛采用的隔聲設(shè)計，對低頻處隔聲性能相對較弱有關(guān)。

根據(jù)前文提到的路徑設(shè)計TPS計算網(wǎng)絡(luò)，建立OTPA傳遞模型，求解在各個功率下的傳遞關(guān)系劇組，以每個功率級下的測試片段作為測試樣本，構(gòu)件工況下的輸出矩陣，進(jìn)一步求解。結(jié)果顯示，計算合成的結(jié)果與實際測試居住艙內(nèi)的聲目標(biāo)點的頻譜曲線對比，兩條曲線整體趨勢相似，峰值頻率合成信號、實際測試信號能夠較好的吻合。同時每個功率下，結(jié)構(gòu)聲對艙內(nèi)目標(biāo)點的貢獻(xiàn)量都較空氣聲的貢獻(xiàn)量更大，但隨著功率的增加，結(jié)構(gòu)聲、空氣聲貢獻(xiàn)量差值明顯減少。各個功率級別下不同傳遞路徑在整個分析頻段中的貢獻(xiàn)量db（A）見下表1。在不同功率級別下，各個路徑的貢獻(xiàn)點都明顯不同，隨著功率的上升。隨著功率的上升，居住艙地板表面路徑的貢獻(xiàn)量明顯更多，隨著功率增大，所有路徑對居住艙內(nèi)的目標(biāo)點噪聲貢獻(xiàn)量都明顯增大[3]。管道2對端部目標(biāo)點噪聲貢獻(xiàn)量最低。不同路徑上噪聲峰值出現(xiàn)時所在的功率存在較大的的差異。對目標(biāo)測試點進(jìn)行實測，和OPTA分析中的合成結(jié)果總值對比分析，兩者非常相近，但是在合成值上出現(xiàn)許多實測未出現(xiàn)的峰值，OPTA分析結(jié)果并不是精確的。總而言之，隨著速度的增加，來自居住艙地板表面貢獻(xiàn)占主導(dǎo)地位，來自于軸箱、齒輪箱等動力機(jī)械設(shè)備的貢獻(xiàn)量最大，電機(jī)的噪聲貢獻(xiàn)量次之。

3 結(jié)語

本文分析了顯示隨著速度的增加，所有的路線對噪聲貢獻(xiàn)都明顯增加，來自居住艙地板表面貢獻(xiàn)占主導(dǎo)地位，來自于軸箱、齒輪箱等動力機(jī)械設(shè)備的貢獻(xiàn)量最大，電機(jī)的噪聲貢獻(xiàn)量次之。應(yīng)嘗試針對軸箱、齒輪箱等動力機(jī)械設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，改善連接出的振動噪聲，采用更先進(jìn)的隔音技術(shù)。居住艙地板是結(jié)構(gòu)振動傳遞的主要途徑，可通過進(jìn)行地板改造，增加緩振材料，減少噪聲的傳遞。窗門、出風(fēng)口、拉門等結(jié)構(gòu)，明顯存在不夠緊湊情況，容易出現(xiàn)振動，傳遞振動噪聲，或因為波浪影響出現(xiàn)自我振動引起噪聲[4]。管道1、管道2存在老化情況，引起振動產(chǎn)生噪聲，有必要進(jìn)行加固，或進(jìn)行隔音改造。

參考文獻(xiàn)

[1]孫麗萍，聶武.船舶結(jié)構(gòu)振動噪聲分析及其進(jìn)展[J].船舶力學(xué)，2013，07（01）：116-121.

[2]王獻(xiàn)忠，姚熊亮，王強(qiáng)勇.阻振質(zhì)量對結(jié)構(gòu)振動與聲輻射的影響分析[N].船舶與海洋工程學(xué)報，2011，10（04）：490-494.

[3]鄭律，龐福振，姚熊亮.雙層圓柱殼典型基座振動波傳遞特性優(yōu)化分析[J].中國艦船研究，2012，7（04）：63-68.

[4]張恩惠，殷金英，邢書仁. 噪聲與振動控制[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2012：51-56.endprint