經驗法和統計能量法預報游艇艙室噪聲的對比分析

歐禮堅+紀傳鵬+李帆+徐海汐

摘 要：經驗法是基于“聲源-傳遞路徑-接受點”系統分析法結合房間聲學提出的一套經驗型的船舶艙室噪聲快速預報方法。它將噪聲的傳遞和衰減分別按空氣噪聲和結構噪聲兩條路徑計算；接受點的噪聲聲壓級結合房間聲學計算。經驗法可在總布置方案基本確定階段對全船各艙室噪聲水平進行初步預報。

統計能量法是以統計物理學原理為基礎，將復雜結構分解成一系列子系統，以每一子系統內的能量作為其基本變量。預測耦合結構元件和聲學容積的振級和噪聲，解決聲場與結構間的耦合問題。高頻、寬帶隨機激勵的復雜結構動力響應及其噪聲輻射問題，采用統計能量法更精確。

為了對比分析兩種方法的工程實用性，采用兩種方法分別計算某型快艇的主要艙室噪聲水平并與實測數據進行比較：經驗法預報艙室噪聲非常高效，但精度差；統計能量法預報艙室噪聲精度較高，但需要詳細設計圖紙和資料，且建立模型時間較長。

關鍵詞：經驗法；能量統計法；噪聲

中圖分類號：X593 文獻標識碼：A

Comparison of Empirical Method and Statistical Energy Method for Noise Prediction of Yacht Cabins

OU Lijian1， JI Chuangpeng1， LI Fan1， XU Haixi2

（ 1.South China University of Technology， Guangzhou 510640； 2. Guangzhou Lijian Ship Engineering Co.， Ltd. Guangzhou 510640 ）

Abstract： Based on the systematic analytic method of acoustic source – transmit path – receiver point， combined with room acoustics， the empirical method is proposed as an experiential and rapid approach to predict noise of the cabins aboard. The transmission and attenuation of acoustics are computed in airborne and structureborne paths separately. The sound pressure level （SPL） of the noise in receive point is computed combined with room acoustics. The empirical method can be utilized to preliminarily predict noise levels of cabins the stage that the general arrangement is determined basically. Statistical energy method is based on the principle of statistical physics. The complex structure is decomposed into a series of subsystems， and the energy in every subsystem is served as basic variable to predict the vibration level and noise of coupling structural components and acoustic volumes， and solve the coupling problem of acoustics field and the structure. For high-frequency and broadband random excitation， the complex dynamic response of the structure and its noise radiation， statistical energy method is more accurate. To compare the engineering practicability of the two methods， the noise level of a certain type of yachts main cabin is computed by empirical method and statistic energy method separately， and they are compared with the measured data. For predicting cabin noise， empirical method is very efficient but bad in precision， while statistical energy method is quite accurate but requires detailed design drawings and data and much time for modeling.

Key words： Empirical method； Statistical energy method； Noise

1 前言

國際海事組織（IMO）海上安全委員會（MSC）第90次會議批準了《船上噪聲等級規則》修訂草案，對1 600 GT適用的船型、船舶不同區域的噪聲限值、艙壁和甲板隔聲指數、噪聲的測量儀器和測量方法等進行了修訂，對船舶的降噪性能提出了更高要求。endprint

豪華游艇是一種高級奢侈品，為了達到享受和娛樂的目的，對艇內裝修和設備的要求很高。同時，游艇也具有較高的時尚性和舒適性，對游艇的降噪性能提出了更高要求。據統計，在已建造好的游艇上安裝聲學器材的代價，約為在設計中預先采取措施所需費用的3倍左右。因此，在設計階段對艙室噪聲進行預報并提出聲學設計的改進措施，對縮短生產周期、降低成本、提高游艇安全性、舒適性有著非常重要的作用。

我國針對船舶聲學的研究、設計、制造和檢驗等技術儲備不足，船舶艙室噪聲的預報方法已成為我國現階段的研究熱點之一。船舶與海洋工程噪聲預報較常用的方法主要有統計能量法和經驗法兩種。統計能量分析法是20世紀60 年代初期為模擬大型結構物的振動噪聲而提出的用于研究結構高頻動態特性的一種計算方法，在航空、艦船、汽車、高速列車等領域得到廣泛的應用。統計能量分析法是對相互連接的共振結構之間消耗的振動能量進行系統評估，其基本假設是兩個子系統之間的聲能量與其能級差值成正比，互連系統應是共振的，而且每個系統的振型密度足夠高。在低頻段因系統模態密度低于其基本要求誤差較大，而高頻段所得的結果精度較高。

經驗法是在“聲源-傳遞路徑-接受點”的系統分析法的基礎上，結合房間聲學提出的一套半經驗型的船舶艙室噪聲的實用預報方法。經驗法可用于總布置方案設計階段對全船各艙室噪聲分布的水平作出初步預報，可不依賴于具體結構和舾裝細節。

為了對比分析兩種方法的工程實用性，本文采用經驗法和統計能量法分別計算某型快艇的主要艙室噪聲水平并與實測數據進行比較。

2 噪聲預報方法及原理

2.1 統計能量分析法

統計能量分析法運用統計的觀點，從能量角度分析復雜結構在外載荷作用下的響應，預測耦合結構元件和聲學容積的振級和噪聲，解決聲場與結構間的耦合問題。統計能量分析法更適用于解決高頻、寬帶隨機激勵的復雜結構動力響應及其噪聲輻射問題。統計能量分析法以統計物理學原理為基礎，將復雜結構分解成一系列子系統，以每一子系統內的能量作為其基本變量。

統計能量分析法的基本關系方程是在一些假設（弱耦合、保守耦合、激勵源不相關等）限制條件下建立的。在各子系統的激勵相互獨立且保守弱耦合情況下穩態響應時的功率流平衡方程為：

（1）

其中，

（2）

式中：ni，ηj為子系統i的模態密度和內部損耗因子；ηij為振動能量從子系統i傳遞至子系統j的耦合損耗因子；ω為倍頻程的中心頻率；pi為外界對子系統i的輸入功率；Ei為子系統i的能量。

2.2 經驗法

經驗法是在“聲源-傳遞路徑-接受點”的系統分析法的基礎上結合房間聲學提出的一套半經驗型的船舶艙室噪聲的實用預報方法，其計算流程如圖1所示。噪聲預報計算主要分為到噪聲源計算、傳遞損失計算和接收點聲壓級計算。

由于船舶上的噪聲傳遞路徑多種多樣，為避免計算過于復雜采用3點假設：

（1）由于空氣噪聲在傳播過程中穿過圍壁時的透過損失很大，因此非相鄰艙室的空氣噪聲源的傳遞可忽略不計；

（2）相鄰2個艙室，以遠的結構噪聲源的傳遞可忽略不計；

（3）當幾個噪聲源具有相同的傳遞路徑時，它們的源強度級可以能量相加。

2.2.1 噪聲源

聲源的噪聲級頻譜或總聲級最好采用實測數據，在實測數據缺乏的情況下，可以采用文獻[1]中的方法進行估算。聲源輻射聲功率級和振動加速度級分別用Lw 和La 表示。對于主機艙來說，機電設備輻射的聲功率是主要的噪聲來源，因此主機艙又稱為聲源艙。其他艙室的噪聲來源是由主機艙的噪聲經過空氣傳遞和振動傳遞得到的。

（1）柴油機的輻射聲功率級Lw：

（3）

式中：Pe是柴油機的額定功率，kW；Cw是倍頻程修正值，dB。

柴油機的振動加速度級La：

（4）

式中：m是柴油機的質量，kg；Pe是柴油機的額定功率，kW；n是工作轉速，r/min；ne是額定轉速，r/min；Ca是倍頻修正值，dB。

2.2.2 傳遞路徑

在傳遞過程中，無論是通過空氣傳遞還是結構振動傳遞，都會有一定的傳遞損失TL，其大致可分為三類：圍護結構隔聲引起的空氣聲傳遞損失；設備基座與減振器引起的結構聲傳遞損失；沿甲板或船殼傳遞引起的傳遞損失。

從噪聲源到接受點通常有多條路徑，當某條路徑上的傳遞損失明顯大于其他路徑時，該路徑可以忽略不計。

（1）圍護結構隔聲引起的空氣聲傳遞損失：

（5）

式中：ρs是隔板面密度，kg/m2 ；f是1/1倍頻帶中心頻率，Hz。

（2）設備基座與減振器引起的結構聲傳遞損失：

（6）

式中：ω- =ω/ωn是激勵振動頻率與系統固有頻率的比。

（3）沿甲板或船殼傳遞引起的傳遞損失：

（7）

式中：η是等效損耗因子；λ是沿甲板傳遞的結構波波長。

（4）艙壁結構聲-空氣聲的傳遞轉換函數TF：

（8）

式中：S是艙壁總表面積，m2；σrad是艙壁的輻射效率；f是1/1倍頻帶中心頻率。

2.2.3 接受點

接受點聲壓級按照源空間和接受空間兩種類型進行計算：源空間是指存在室內噪聲源的艙室，接受空間是指主要由室外傳入噪聲的艙室。在實船上某些艙室可能既是源空間又是接受空間，這類艙室按兩類空間計算出的聲壓級疊加而得。

噪聲源強度減去各種傳遞損失即為接收點的空氣噪聲聲功率級和結構噪聲的振動加速度級，結構噪聲轉化為聲功率級，再結合房間常數即可計算出接受點艙室的噪聲聲壓級。endprint

引起接受點艙室噪聲的主要因素有：室內噪聲源引起的空氣聲輻射；室外或臨近艙室噪聲通過圍護結構傳入艙室的空氣聲；圍護結構振動所引起的聲輻射。

源空間的圍護結構的二次聲輻射聲功率遠小于艙室內部噪聲源所輻射的空氣噪聲聲功率，因此在計算源空間噪聲級時將其忽略不計。

（1）房間常數Rs：

（9）

式中：S為房間總表面積，m2；α是吸聲系數。

房間常數RS是用來表征房間聲場的性質，它是由材料的吸聲系數α來定義的。吸聲系數α指聲波落到該表面上時由表面吸收的聲能和入射到表面總聲能之比。

（2）混響場聲壓級LRP：

（10）

式中：Lw為室內噪聲源總聲功率級，dB；R是房間常數， m2。

混響場是指聲源發出的聲波經過多次反射而無吸收。此時房間某一點的聲音是由聲源直接發射過來加上各個不同方向發射回來的各種分量的聲波的反復交混組合。一般是吸聲能力比較差的房間，如主機艙。

（3）直達場聲壓級 ：

（11）

式中：Lw為為室內噪聲源總聲功率級，dB；r為噪聲源到接收點的聲學中心距離，m；Q為噪聲源指向系數

直達場是指聲音直接從聲源處發出的未經反射的聲場。一般存在于吸聲能力比較好的房間。

當室內存在多個噪聲源時，接收點的噪聲級為多個噪聲源的聲壓級的和：

（1）總聲壓級LP：

（12）

（2）透射進相鄰艙室的空氣噪聲級LA（2）：

（13）

（14）

式中： 是源艙室的噪聲級，dB； Lw是聲源的聲功率級，dB；Q是聲源的指向性系數；r是艙室中心距聲源的距離，m；α是源艙室的吸聲系數；S是源艙室的總表面積，m2；R是艙壁的隔聲量，dB；F是艙壁的面積，m2；A是房間內的總吸聲量，dB；ΔR是考慮艙壁上有聲學覆蓋層時的修正。

3 計算實例

以圖2所示的鋁合金高速游艇為例，計算機艙、KTV室和居住艙的噪聲級。游艇總長 26.03 m、水線長 22.30 m、型寬 5.83 m、型深 2.90 m、設計吃水 1.00 m；設有機艙、 KTV室、居住艙和主甲板室等。采用雙槳雙機型，主機6缸4沖程，額定功率1 200 HP、額定轉速n=2 300 r/min、減速比1.971：1、采用雙層隔振。

游艇是一個漂浮于水上的大型復雜結構，不但受到艇體周圍水流的不規則隨機激勵作用，還受到艙內各種機器設備發出的激勵作用，主要包括主機、輔機發電機、空調通風系統、螺旋槳等。

3.1 經驗法預報

3.1.1 噪聲源強度計算

由于主機艙內機電設備直接發聲向外輻射，與此對比，由機電設備引起的船體振動導致的結構聲和聲波二次輻射的聲波是很小的，可以忽略。齒輪箱和發電機屬于次要聲源，亦可以忽略，故計算中主要考慮主機的作用。

噪聲源估算就是利用實測數據、經驗公式或借助理論分析來確定各類噪聲源的源強度，包括：室內機電設備輻射的聲功率級LW；室外或相鄰艙室噪聲在接受點艙室圍護結構外表面引起的聲壓級Lp；引起接受點艙室圍護結構振動的各類機電設備的結構振動加速度級La。

根據文獻[1][6]柴油機噪聲總聲功率計算方法及文獻[7]高速柴油機噪聲頻譜特性，估算得出主機艙頻帶噪聲源強度如表1所示。

3.1.2 主機艙聲壓級計算

主機艙可近似看作是一個寬5.7 m、長5 m、高2.2 m的長方體加上一個高0.7 m、底邊長5.7 m的等腰三角形的組合體。主機艙內存在多種設備，設備表面也會對聲波進行反射，所以計算中根據[1]取折合吸聲系數。

由于參與計算的噪聲源都在機艙，因此機艙作為源空間計算。由前所述，機艙只計算主要機械設備輻射空氣噪聲的噪聲級，同時不需考慮空氣噪聲的傳遞損失。機艙噪聲計算結果如表2。

3.1.3 KTV室聲壓級計算

KTV室近似為長4.5 m、寬5.7 m、高2.2 m的長方體，屬于相鄰艙，其主要聲源是來自于主機艙聲音通過空氣傳遞和結構振動傳遞。空氣傳遞過程中需要經過艙壁，這是空氣傳遞主要的傳遞損失，聲音在空氣中的損失則忽略不計；振動傳遞過程中會有能量損耗，主要是引起結構振動導致的。

相鄰艙的聲壓級計算分為兩個部分，一部分是空氣聲的計算；另一部分是結構聲的計算。然后再進行聲學疊加，得到總的聲壓級。計算結果如表3所示。

、

3.1.4居住艙聲壓級計算

居住艙屬于相隔艙，與相鄰艙類似，相隔艙的聲源也是來自于空氣傳遞和結構振動兩方面，所以計算方法和步驟與相鄰艙相似，先計算相鄰艙艙壁附近的噪聲級，再計算透射進相隔艙的空氣噪聲級。不過相鄰艙相較于主機艙而言，幾乎沒有非邊界面積，所以相鄰艙只是一個直達場。具體計算結果見表4。

3. 2 統計能量法計算

運用全頻振動噪聲仿真分析軟件VAOne進行建模計算分析。首先，采用 ANSYS 建立幾何模型，將幾何模型劃分為有限元網格；在 VAOne 里導入網格，生成 SEA 模型，定義各種材料的屬性及各種加筋板，將它們賦予給對應的子系統；最后，定義各類設備的空氣噪聲和結構噪聲，輸入或約束到對應子系統。

3.2.1 建模設置的參數

全船的SEA模型共包含82個板子系統、6個聲腔子系統。在耦合子系統后，建立兩個半無限流體子系統，其中一個流體為空氣，另一個流體為海水。將海水的半無限流子系統和船體水下部分的板連接，將空氣的半無限流子系統和船體與空氣接觸的外板連接，這樣就模擬了船在海水和空氣中運動時噪聲通過這些流體的輻射。SEA聲學模型見圖3。endprint

建立好SEA模型后，進行噪聲預報時需要設置一些參數，如內損耗因子、耦合損耗因子和噪聲源激勵等。內損耗因子是指單位頻率單位時間內損耗的能力與平均存儲的能力的比值，主要包括三部分：因摩擦形成的內損耗因子；因振動向環境進行聲輻射的阻尼形成的內損耗因子；因邊界連接阻尼形成的內損耗因子。這三部分是互相獨立的，可以線性疊加得到總內損耗因子。耦合損耗因子是指兩個系統振動時能量流的關系，表征被直接激勵的子系統的能量傳到被間接激勵的子系統的量。它代表了兩個系統耦合程度的強弱，只有在振動能量傳遞時才會體現出來，其參數根據[1]中的經驗公式進行估算。

3.2.2 噪聲預報結果

建立模型確定參數后，進行運算可得到聲腔子系統的噪聲級。分別對空氣噪聲、結構噪聲、空氣噪聲及結構噪聲共同作用3種狀態進行計算，計算結果如表5所示。

4 分析與結論

4.1 對比分析

（1）對比數據可以看出，采用經驗法預報艙室噪聲時，源艙的預報結果誤差最大，相隔艙的預報結果誤差最小；

（2）采用統計能量法預報艙室噪聲結果，其誤差比采用經驗法小，且與實測值吻合較好。見表6；故統計能量法預報結果的精度較高。

4. 2 結論

采用經驗法預報船舶艙室噪聲計算過程十分簡便快捷，在總布置方案基本確定階段即可預報全船各艙室的噪聲水平，而不必依賴邊界條件、詳細的結構和舾裝圖紙。但從經驗法計算結果與實測數據比較發現，在沒有同類型船或近似船型的噪聲數據的基礎上采用經驗法預報，其結果工程實用性較差。

統計能量法預報值與實測值誤差不大于3 dB，達到了工程精度要求。因此，基于統計能量法的船舶艙室噪聲預報是可行的。

參考文獻

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