船舶水下輻射噪聲計算評估方法應用

文武

摘 要：船體受到動力設備激勵時會產生相應的振動，而振動不僅會對居住艙室造成影響，還會引起周圍的流體振動，導致水下產生輻射噪聲。本文就通過有限元與邊界元結合法，借助Patran/Nastran和Virtual.lab有限元的軟件對船舶水下的輻射噪聲實施聯合仿真和計算，在實船測試與船模試驗的計算后獲取激勵源條件下船舶水下的輻射噪聲實際情況，進而對初步設計中水下輻射噪聲評估法實施修正，提升船舶的聲學設計與評估精確度。

關鍵詞：船舶;水下輻射噪聲;計算評估;方法應用

中圖分類號：U661.44文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）20-0034-03

Abstract： When the hull is excited by the power equipment， it will generate corresponding vibration， and the vibration will not only affect the living room， but also cause the surrounding fluid to vibrate， resulting in radiated noise underwater. In this paper， through the combination of finite element and boundary element method， with the help of Patran/Nastran and Virtual.lab finite element software， the joint simulation and calculation of the underwater radiated noise of the ship were carried out， the actual situation of the underwater radiation noise of the ship under the excitation source condition was obtained after the actual ship test and the ship model test calculation， and then the underwater radiation noise evaluation method in the preliminary design was revised to improve the accuracy of the ship's acoustic design and evaluation.

Keywords： ship;underwater radiated noise;calculation evaluation;method application

新時期，隨著現代船舶業的迅速發展，人們對現代船舶的性能要求不斷提高，不僅要求船舶的振動與噪聲滿足舒適性的要求，還要求水下輻射的噪聲也在規定的標準內。船舶水下的輻射噪聲太大，不僅會對水下設備正常運行造成影響，還會對海域內生物日常活動造成不利的影響，因此這就需要采用合理有效的計算評估法對船舶水下的輻射噪聲實施預測，為船舶設計提供相應的依據，從而有效控制船舶水下的輻射噪聲。

1 船舶水下輻射噪聲計算評估方法概述

對于船舶水下的輻射噪聲來說，其指標體現出船舶減振和降噪措施的效果優劣，是對船舶受到被動聲納所探測和發現的距離遠近衡量。此指標一般通過船舶于水中激發出遠場的聲壓實施評估與檢驗，而遠場主要是指距離船舶有—定的距離且將船舶當作一個點位置。現階段，國內外的相關文獻和資料中并沒有見到關于船舶水下輻射噪聲評估方法的研究。而對船舶振動的噪聲預報法中也存在一些成熟法，包括有限元、邊界元以及統計能量等方法，盡管這些方法為船舶振動的噪聲性能評估提供了依據，但它們普遍對船舶參數存在己知度的要求高等問題[1]。

2 有限元與邊界元結合法理論

2.1 有限元法

在有限元法中，把結構離散成有限的多個單元類型，把無線的自由度轉化為有限的自由度，通過計算機對有限參數代數的方程組實施計算。船舶是船體梁，其本身就是彈性結構，將其放置在聲學的介質內，則船體和流體的接觸面會發生相互耦合的作用。船體和流體耦合的作用一般存在4種類型耦合的模型，主要有水彈性、全耦合、氣動彈性和虛擬質量等方法模型。本文就通過虛擬質量方法對流固耦合實施模擬，此方法主要是把流體對船體結構的作用借助一附加性質量矩陣來表示，則船體于流體內振動的狀態就表示為：

[[M+MA][u..]+[K+KA]·[u]={0}] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中，[M]與[MA]分別為結構質量矩陣作用以及流體作用條件下其結構所產生附加質量的矩陣;[K]與[KA]分別為結構剛度矩陣以及流體作用條件下其結構所產生附加剛度的矩陣;[u..]和[u]分別為加速度和速度的向量。

根據式（1）分析，流體的狀態會改變附加質量的矩陣，并且結構的振動會以結構邊界面為載體對流體運動狀態產生影響。因此，通過虛擬質量方法對流固耦合實施模擬，要于Nastran的求解器內對船體的外殼部分水線以下的網格實施定義。

2.2 邊界元法

本文通過邊界元法對聲場輻射實施計算，將船舶水線以下結構發生的振動當作水下輻射的噪聲主要來源，并不考慮水線以上的結構振動以及空氣輻射的噪聲等，所以將水線以下部分船體外殼的速度響應當作邊界元約束條件，并在邊界元的計算模型內對水線面和聲場進行定義，其水平面位置壓力是0，具體情況如圖1所示[2]。

3 船體振動的響應計算和評估

3.1 建立有限元的模型

在仿真計算中，為了確保計算的精準性，要確保有限元模型具有良好的精度。按照實際情況，建立有限元模型，通過Shell的單元對船體內甲板、縱橫艙壁、舷側外板等進行表示;而縱桁、縱骨、橫梁和立柱等則通過Beam的單元實施建模;船舶的壓載水、潤滑油和燃油等通過Solid的單元進行表示;機械設備和甲板的貨物等通過Mass點實施模擬。網格設置成500 mm的大小，則整個船體有限元的模型共有31 200個數量的節點和72 554個數量的網格，如圖2所示。

3.2 激勵力

船舶水下的輻射噪聲主要可以分為結構類噪聲、流噪聲和螺旋槳的噪聲等。其中，結構類噪聲是船舶動力設備內部的動力元件發生往復或者旋轉運動而產生的，從船體外殼朝外進行噪聲輻射。當船舶在低速狀態航行時，其結構類噪聲所產生水下的輻射噪聲大致占70%，所以動力設備和傳動系統的振動對水下輻射噪聲的影響是研究的重點。

本文主要以實船測試方式獲取柴油類發電機、軸系中間的支撐基座和推進電機的機腳振動等振動的數值，并且通過船模試驗獲取螺旋槳產生脈動的壓力值[3]。

3.3 水下輻射的噪聲預報與實測對比分析

本文中，船舶采用電力推進方式，柴油機是8缸機，額定轉速是500 r/min。通過頻率響應方式計算獲取船體外板以下部分振動速度的響應，并采用邊界元法輸入，獲取不同頻率下聲場中水下輻射的噪聲聲壓具體分布。船舶初步設計中，由水下輻射的噪聲計算得知，柴油機的半缸頻位置存在較大的聲壓級，要重點對此頻率位置水下輻射的噪聲實施控制。將原來隔振器的頻率降低1 Hz，同時綜合考慮柴油機穩定性和聯軸器位移補償情況，提升此頻率位置的隔振效果，控制船體振動響應。

初步評估船舶水下噪聲后，優化柴油機隔振器剛度，然后計算水下輻射噪聲，獲取50 Hz和100 Hz頻率聲場內的聲壓級具體分布圖，如圖3與圖4所示。根據船舶水下輻射噪聲的實際測量要求，選用一定距離測點當作計算場點，通過歸一化處理獲取水下輻射噪聲的聲壓級狀態。

按照中國船級社發布的《船舶水下輻射噪聲檢測指南》，對水下的輻射噪聲進行測試。其間要確保海況與測試滿足要求，將被測的船舶以圖5方式實施機動，一共執行6個航次進行測量，被測船舶和水聽器間的最小會遇距離是200 m或1倍的船長，取兩者的較大值[4]。

將聲壓級折合到距離聲源為1 m位置1/3倍條件下的頻程頻帶，把計算結果和實船水下輻射噪聲的測試結果進行比較。在頻率10～200 Hz的大部分頻段內，仿真結果小于實測結果，可能是因為聲源考慮不全面，忽視流噪聲或輔機設備振動的噪聲等，而在10～200 Hz的頻率中，總體誤差小于3 dB，總級僅差1 dB，因此仿真結果較為準確。

4 結語

本文采用一種有限元和邊界元結合法，對船舶水下輻射的噪聲實施計算和評估，通過建立模型對水下輻射的噪聲進行預報與實測。對比分析可知，仿真結果具有很好的準確性，能夠為船舶設計提供良好的參考依據。

參考文獻：

[1]陳志勇，楊燕明，文洪濤，等.海面干涉對船舶水下輻射噪聲測量的影響及其消減方法[J].聲學學報，2019（5）：62-63.

[2]鄒明松.Pekeris水聲波導環境中水面和水下狀態船體輻射噪聲的差異分析[J].振動與沖擊，2019（22）：204-209.

[3]王家文，陳新傳，劉云生，等.水線以上機電設備對船舶水下輻射噪聲影響研究[J].艦船科學技術，2016（11）：95.

[4]孫軍平，楊軍，林建恒，等.船舶水下輻射噪聲信號理論模型及仿真[J].物理學報，2016（12）：121.