基于統計能量分析的船舶艙室噪聲研究

何 秦，王 禹，王博涵，王志斌，朱 理

(1. 中國船舶集團公司第七〇八研究所，上海 200011；2. 哈爾濱工程大學，黑龍江 哈爾濱 150001；3. 中國船舶集團公司第七一四研究所，北京 100101；4. 海軍裝備部，北京 100071)

0 引 言

艙室噪聲是評價船舶舒適性的重要指標，國際海事組織（IMO）在第MSC.337（91）號決議[1]中對船舶各類艙室的噪聲等級提出了更為嚴格的要求，未滿足噪聲指標要求的船舶將無法按期交付，造成巨額的經濟損失，因此在船舶設計階段中，如何準確地進行噪聲預報并提出有效的防護措施是目前亟待解決的問題。

目前，已有大量學者對艙室噪聲預報方法及噪聲防護措施做出了相關研究[2-5]。付佳[6]重點討論艙室噪聲預報過程中聲學模型的建立與噪聲源的設置，并將所得預報結果與實測值進行對比，研究成果具有一定的工程應用價值。任毅[7]在計算船舶艙室噪聲過程中，考慮主機排氣口所產生的噪聲，并建立船體外包絡聲腔作為排氣口噪聲的傳遞路徑。研究表明，考慮主機排氣孔噪聲時，所得仿真值與實測值更加為接近。歐禮堅[8]對游艇的艙室噪聲進行預報分析，重點談論艙室噪聲預報過程中的激勵源特性，給出了螺旋槳、主機等主要設備對艙室噪聲的影響規律。許浩、閆森森等[9-11]針對不同類型船舶，利用統計能量法預報并找出噪聲超標艙室，給出相應的控制措施。研究表明，通過附加阻尼等措施可有效的降低艙室內的噪聲水平。

眾多學者雖開展了船舶艙室噪聲預報方法及噪聲控制措施的相關研究工作，并且對艙室噪聲預報過程中基礎參數進行了相應的研究，但有關實船測試損耗因子對船舶艙室噪聲的研究相對較少。為此，本文以多艙段船舶典型結構為例，探究損耗因子對艙室噪聲的影響，并開展某船的艙室噪聲預報。通過與實測值對比，驗證基于實船損耗因子獲取的船舶艙室噪聲預報方法的準確性。在此基礎上，給出全船艙室噪聲分布及設備對附近艙室的影響規律，旨在為船舶艙室噪聲控制防護提供參考。

1 船舶艙室噪聲統計能量分析預報方法

1.1 統計能量分析原理

統計能量法將系統整體劃分為多個離散的子系統，并通過能量的空間時間平均值、簡正方式的數目和損耗因數等參數來描述每個子系統的狀態，子系統間通過邊界進行能量交互。由此可建立整體的能量平衡方程，通過求解便可以得到各個子系統的最終狀態，再通過換算就可以得出所需的物理量。在進行船舶艙室噪聲計算時，相鄰的子間系統的功率流方程如下：

將所有子系統的功率流方程聯立，則可得到如下方程組：

式中， ω為分析頻帶中心頻率； ηi為 第i個子系統的內損耗因子； ηij為第i個子系統對第j個子系統的耦合損耗因子；ni為 子系統i的 模態密度；Ei表示第i個子系統的能量；Pˉini為 第i個子系統的輸入功率。

對于板子系統而言：

式中：mi為第i個板子系統的質量；vi為第i個板子系統的振動速度。

對于聲腔子系統而言：

式中：pi為第i個聲腔子系統的聲壓；ρ為空氣密度，c為聲速，Vi為第i個聲腔子系統的振動速度。

通過解上述方程便可以得到各個子系統在平衡狀態下的聲場響應或振動響應。

1.2 船舶艙室噪聲統計能量分析方法

船舶艙室噪聲統計能量分析方法主要步驟如下：

1）建立整船的統計能量模型

整船結構較為復雜，首先需要對其進行合理的子系統劃分，用板子系統來模擬船體結構，用聲腔子系統模擬艙室，同時需保證子系統在計算中心頻率下的模態數大于5[13]。

2）施加載荷

船體激勵載荷共包含2種：一種是空氣激勵載荷，設備工作時的直發聲，直接向外輻射；另一種是振動激勵載荷，通過結構的振動發聲向艙室內輻射。種載荷的能量傳遞路徑如圖1所示。

圖 1 子系統能量傳遞圖Fig. 1 Subsystem energy transfer diagram

3）邊界條件

利用半無限域模塊，建立船體外板的無反射邊界條件，即當能量傳遞至船體結構邊緣時，會繼續向外擴散，用以模擬流場對船體的影響。

4）舾裝材料

舾裝材料對艙室噪聲影響較大，需根據舾裝布置圖，在對應艙壁、甲板和天花板位置設置相應的舾裝材料，輸入舾裝材料的吸隔聲系數。

5）求解及結果分析

1.3 損耗因子對艙室噪聲計算結果的影響

1.3.1 船體結構損耗因子的取值

結構損耗因子是衡量系統對振動能量耗散能力的物理量，是艙室噪聲預報的關鍵參數之一，結構損耗因子包含耦合損耗因子及內損耗因子，其中耦合損耗因子表征子系統間功率傳遞的大小，在進行艙室噪聲計算時，其值直接由軟件計算給出；內損耗因子是指在單位時間內，子系統每振動一次損耗的能量與平均儲存能量的比值，一般通過經驗公式、船級社規范以及實驗測試獲取，其中各方法中的取值大小存在一定差異。圖2給出了63 Hz～8 kHz頻域范圍不同的內損耗因子取值，包括經驗公式值[14]、CCS（中國船級社）建議值[15]和實船測試值，其中實船測試采用瞬態衰減法測得。

圖 2 內損耗因子取值Fig. 2 Internal loss factor

1.3.2 多艙段典型船舶結構模型

為探究結構內損耗因子對艙室噪聲計算的影響，建立多艙段典型船舶結構模型如圖3和圖4所示。由于在船舶艙室噪聲預報過程中涉及的載荷類型包含振動加速度載荷和空氣噪聲載荷，所以設置2種載荷施加工況：1）在Ⅴ艙下底板位置施加單位振動加速度載荷；2）在Ⅴ艙內部施加單位聲功率載荷。在每種工況下依次改變整個模型板子系統的損耗因子設置，計算不同損耗因子工況下各艙的噪聲水平。

圖 3 多艙段典型船舶結構示意圖Fig. 3 Schematic diagram of typical ship structure with multiple compartments

圖 4 多艙段典型船舶結構Fig. 4 Multi-class section typical ship structure

1.3.3 計算結果分析

各艙室噪聲總級計算結果如表1所示，Ⅱ艙和Ⅴ艙的艙室頻帶噪聲曲線如圖5所示。

1）振動激勵載荷下的結果分析

從振動激勵載荷作用下各艙室噪聲預報總級結果可以看出，不同的損耗因子對艙室噪聲總級影響較大，艙室噪聲計算結果對多相差7.2 dB（Ⅱ艙CCS規范值和經驗公式值），最少相差2.2 dB（Ⅴ艙實測值和經驗公式值）。除此之外，3種工況下，均呈現Ⅴ艙噪聲仿真計算值相差最少，Ⅱ艙噪聲仿真計算值相差最多的趨勢，說明損耗因子對距離激勵源越遠的區域，影響越大。從Ⅱ艙和Ⅴ艙的艙室頻帶噪聲曲線可以看出，不同損耗因子對艙室中低頻噪聲影響較大，對高頻影響較小，同時中低頻噪聲占艙室噪聲的主導地位，對艙室噪聲總級影響較大。

表 1 不同損耗因子工況下各艙室噪聲計算結果Tab. 1 Calculation results of cabin noise under different loss factors

圖 5 艙室頻帶噪聲曲線Fig. 5 Cabin band noise curve

2）空氣噪聲激勵下的結果分析

從空氣激勵載荷作用下各艙室噪聲預報總級結果可以看出，不同的損耗因子對艙室噪聲總級影響較大，艙室噪聲計算結果對多相差4.5 dB（Ⅱ艙CCS規范值和經驗公式值），而Ⅴ艙內艙室噪聲值基本不受結構內損耗因子影響，其原因是空氣激勵載荷位于艙室內部，直接影響艙室內的噪聲水平。與振動激勵影響相似，在空氣激勵載荷作用下，不同損耗因子對距離激勵源越遠的艙室影響越大，對艙室噪聲中低頻噪聲影響較大。

綜上，可以看出，無論在那種激勵載荷作用下，損耗因子對艙室噪聲預報結果影響較大，其中CCS規范建議值偏于安全，所得艙室噪聲計算值較高。在進行船舶艙室噪聲預報時，應針對具體船舶，開展結構損耗因子試驗測試，以期得到準確的艙室噪聲預報結果。

2 船舶艙室噪聲預報

2.1 船舶艙室噪聲模型2.1.1 統計能量模型

統計能量模型建立涉及模型的簡化以及考核艙室的細化。其中模型簡化是指在建模過程中不考慮對預報結果影響較小的因素，例如骨材、桅桿等結構；考核艙室細化是指在某個考核艙室內由于艙室功能不同，人耳所處高度不同，并且艙室內不同高度位置的聲壓大小也不同，因此在進行艙室噪聲預報之前，按照0.5 m高度對艙室內聲腔分層（見圖6），從而得到艙室內不同高度的聲壓大小。

圖 6 Deck 1考核艙室細化后離散圖Fig. 6 Discrete map after refinement of Deck 1 assessment cabin

本文建立的統計能量中共包含板子系統共1 248個，聲腔子系統306個，其中水線以下的船體外板建立半無限域，用以模擬水線以下部分的無反射邊界條件。艙室分布示意圖如圖7所示，最終建立的統計能量模型如圖8所示。

2.1.2 激勵載荷

圖 7 艙室分布示意圖Fig. 7 Schematic diagram of cabin distribution

圖 8 某船舶統計能量模型Fig. 8 Statistical energy model of ship

引起船舶艙室噪聲的激勵源類型可分為2種：一種是空氣激勵載荷，設備工作時的直發聲，以空氣為傳播介質，加載時以聲功率的形式加載在對應設備的聲腔子系統上；另一種是振動激勵載荷，以船體結構為船舶介質，通過結構的振動發聲向艙室內輻射，仿真計算時以振動加速度級的形式加載在設備基座位置。對于船舶主機、柴發機組等大功率、高噪聲設備，既要考慮其振動激勵載荷，又要考慮空氣激勵載荷；對于風機等小型設備，則只考慮其空氣激勵載荷即可。

圖 9 設備激勵載荷類型Fig. 9 Equipment excitation load types

本次艙室噪聲預報分析中，絕大部分設備載荷大小為實船測試結果，部分未能測試設備，其載荷大小則根據相關規范依進行指標分解。圖10和圖11分別給出了部分設備在額定工況下聲功率級頻譜及振動加速度級頻譜。

考慮到實船測試工況，本次仿真預報工況共設有2種，分別為全速航行工況和錨泊工況，其中相對于全速航行工況，錨泊工況關閉了主機、柴發機組、供油泵等設備。

圖 10 設備聲功率級曲線Fig. 10 Equipment's sound power level curve

圖 11 設備振動加速度級曲線Fig. 11 Equipment's vibration acceleration level curve

2.2 船舶艙室噪聲分析

2.2.1 預報值與實測值對比分析

在全速及錨泊2種工況下，對比全船各考核艙室的噪聲預報值和實測值，部分艙室噪聲值對比如表2所示。從對比結果可以看出，全船絕大部分艙室預報值與實測值小于3 dB，說明基于實船損耗因子獲取的艙室噪聲預報方法準確可靠，其預報結果具有較高的工程應用價值。

表 2 典型艙室噪聲預報及測試結果對比Tab. 2 Comparison of typical cabin noise prediction and test results

在全速工況下，距離機艙較近的艙室，如一甲板餐廳、會議室等，其預報誤差較小，小于1 dB，而遠離機艙的艙室，如駕駛室、船長室，其誤差相對較大，約在2 dB左右；在錨泊工況下，各艙室噪聲誤差約在1 dB左右。上述現象原因是，全速航行工況下，全船噪聲主要集中在機艙附近（見圖12），且遠離機艙區域的駕駛室和船長室，其噪聲主導分量均為機艙內主機（見圖13），說明統計能量法對靠近主要激勵源艙室的噪聲水平預報更為準確。對于距離主要激勵源較遠艙室，預報誤差相對較大。

2.2.2 船舶噪聲分布規律研究

全速航行工況下，全船艙室噪聲聲壓分布云圖如圖14所示。可以看出在全速航行工況下，全船艙室噪聲主要集中在機艙位置附近，并且在低頻范圍內，主機影響范圍更大。從機艙附近艙室的噪聲主導分量分析中可以看出，在該工況下，此類艙室噪聲主導分量均已機艙內設備（包括主機、柴油機、泵類等）為主，而遠離機艙的艙室，其噪聲主導分量，雖然以主機為主，但艙室內風機對其噪聲水平有一定影響。

圖 12 艙室噪聲分布云圖Fig. 12 Cloud diagram of cabin noise distribution

圖 13 駕駛室噪聲主導致分量Fig. 13 Main caused components of cab noise

圖 14 艙室噪聲分布云圖Fig. 14 Cloud diagram of cabin noise distribution

圖 15 艙室噪聲主導致分量（全速）Fig. 15 Main component of cabin noise（full speed）

圖 16 艙室噪聲分布云圖Fig. 16 Cloud diagram of cabin noise distribution

圖 17 艙室噪聲主導致分量Fig. 17 Main component of cabin noise

單獨開啟風機、空調類設備時，所得部分頻點下全船艙室噪聲聲壓的分布云圖如圖16所示。可以看出，風機、空調類設備所在艙室較相鄰艙室的噪聲水平差異較大，說明此類設備產生的噪聲僅對所在艙室影響較大，對附近艙室影響較小。同時，從艙室噪聲主導分量分析圖也可以看出，除艙內通風口以外，其余風機類設備對該艙室的貢獻量可忽略不計。

基于上述艙室噪聲分布規律，在進行船舶艙室噪聲防護工作時，對于機艙附近艙室，應主要針對艙室內主機噪聲分量進行防護，可采用在靠近主機一側艙壁附加隔聲、吸聲材料等方法；對于遠離主機區域的艙室而言，除考慮主機噪聲對其影響之外，還應從降低艙室內激勵源噪聲水平著手，比如更換低噪聲通風口、低噪聲空調機等。

3 結 語

本文建立了多艙段船舶典型結構，探究了損耗因子對艙室噪聲計算結果的影響，然后基于損耗因子實測值，開展某船舶艙室噪聲預報，并與實船測試值進行比對，最后根據全船艙室噪聲分布云圖以及部分艙室噪聲主導分量計算結果，探究了艙室噪聲分布規律，并根據艙室位置不同給出了初步的噪聲防護建議。主要結論如下：

1）單位振動激勵載荷作用下，對于距離激勵源超過15 m的艙室，不同損耗因子取值對其艙室噪聲聲壓產生的3～7 dB的影響，且距離激勵源越遠，影響越大。

2）單位空氣噪聲激勵載荷作用下，對于距離激勵源超過15 m的艙室，不同損耗因子取值對其艙室噪聲聲壓產生的2～5 dB的影響，對激勵源所在艙室影響較小。因此開展實船艙室噪聲預報時，建議使用實船損耗因子測試值作為參數輸入。

3）基于實測損耗因子的艙室噪聲預報方法準確可靠，與主機艙間隔封閉艙數量小于或等于2的艙室，噪聲預報值與實測值誤差小于1 dB，距離主要噪聲源較遠艙室，預報誤差稍大，但全船艙室噪聲誤差小于3 dB。

4）主機柴油機等大功率設備，作為全船主要噪聲源，影響艙室多、范圍廣；風機、空調機等小型設備，僅對所處艙室內的噪聲水平影響較大，影響范圍小。