基于數值模擬的船舶吸聲材料特性

顧賽文，寧長青，周宇雯，張兆德

（1. 舟山萬達船舶設計有限公司，浙江 舟山 316021；2. 浙江海洋大學 船舶與機電工程學院，浙江 舟山 316022；3. 浙江省近海海洋工程技術重點實驗室，浙江 舟山 316022）

0 引 言

船舶降噪技術有多種，如吸聲處理、隔聲技術、隔振和阻尼等。目前對船用吸聲降噪材料的研究主要以多孔吸聲材料為主。祝日新等[1]和楊明等[2]介紹了目前吸聲材料的研究進展情況；劉凱等[3-4]利用VAone軟件研究了泡沫塑料和多孔吸聲材料的吸聲性能；AKASAKA等[5]研究了二氧化硅細纖維的吸聲特性；胡凡等[6]通過軟件模擬，研究了阻尼復合板的隔聲性能；張鑫文[7]在探究吸聲技術和阻尼材料之后，發現新型復合隔聲結構具有良好的減噪效果；楊德慶等[8]研究了基體材料、阻尼材料、吸聲材料和隔聲材料組合的聲學包，證明了其可行性和有效性；申言鵬[9]和李坤[10]對船用吸聲材料進行了研究。目前，有關材料的研究主要集中在聲學包[11-12]的研究優化方面，聲學包在船舶和汽車等領域的應用較為廣泛。本文采用數值模擬方法研究材料參數變化對減噪效果的影響及其特性。

1 模型設計

在數值模擬軟件中采用統計能量分析（Statistical Energy Analysis, SEA）時必須建立腔室，故建立2個艙室，一個為聲源艙，另一個作為數值分析的模型對比。由于巖棉類防火吸聲材料一般敷設在底板或天花板上，因此在模擬時仍將其布置在艙室下層甲板上。

圖1為材料數值分析模型，建立2個艙室，左邊為聲源艙，右側相鄰艙室敷設有試驗材料，所有板材都為加筋板設置，聲腔的吸聲系數選擇規則默認值[13]，根據材料變化得到的整體聲腔的噪聲值變化研究材料的影響因素。由于有減噪需求的艙室一般為上層人員活動艙室，故只對空氣噪聲作激勵聲源的情況進行研究。在聲源艙室的艙壁和甲板上布置一定的吸聲材料，模擬中不做改變，測試的鄰艙敷設模擬的復合吸聲材料。空氣噪聲激勵數據見表1，為貼合船舶噪聲的特點，選用的激勵主要集中在高頻區。

圖1 材料數值分析模型

表1 空氣噪聲激勵數據

2 材料特性

該復合材料的主要作用為防火絕緣，將其敷設在甲板和艙壁上有一定的吸聲效果。該復合材料示意見圖2，其中：巖棉的厚度為50mm；纖維材料1的厚度為25mm；纖維材料2的厚度為1mm，是最外層；整個復合材料中嵌有0.7mm的鋼材（FENG[14]通過將薄板放置在多孔材料的表面或兩層之間，增強對低頻聲音的吸收）。

圖2 復合材料示意

改變復合材料中巖棉層的材料參數，對比改動前后的噪聲差異和變化趨勢，對該材料進行分析。采用的吸聲材料的基本屬性見表2。

表2 采用的吸聲材料的基本屬性

2.1 孔隙率

材料的孔隙率對吸聲性能的影響很大，對材料吸聲性能的研究一般從材料的孔隙率入手。戴銀所等[15]研究了泡沫鋁在不同孔隙率下的吸聲性能，得出了與本文比較相似的結論。

在研究材料中巖棉的孔隙率之前，對單一巖棉材料的孔隙率和降噪效果進行數值分析比較。在試驗所在艙室的地板上單一敷設50mm厚的巖棉，當其孔隙率（取0.99、0.90、0.80、0.70、0.60、0.50、0.40、0.30、0.20、0.10）不同時，比較該艙室的噪聲值，結果見圖3。單純敷設巖棉吸聲時，其孔隙率在一定程度上對減噪效果有影響，孔隙率越低，減噪效果越差。但是，在該厚度下，艙室的噪聲值隨孔隙率的變化保持在1dB以內。從結果上看，纖維材料的孔隙率越大，其吸聲性能越好。

同理，研究復合材料的孔隙率減噪情況。改變復合材料中巖棉的孔隙率（取0.10、0.20、0.30、0.40、0.50、0.60、0.70、0.80、0.90和0.99），將得到的結果繪成曲線（見圖4）。由圖4可知，與單一布置情況不同，復合材料的吸聲減噪效果并不是完全隨巖棉的孔隙率的下降而下降，而是在下降一定程度之后有明顯的回升，可估計當巖棉的孔隙率為0.7左右時，該復合材料的吸聲效果最好，且材料整體隨孔隙率變化的降噪維持在0.5dB以內，差異不大。

圖3 不同孔隙率下巖棉的吸聲效果

圖4 不同孔隙率下復合材料的吸聲效果

由圖3和圖4可知：若單純敷設多孔吸聲材料，其吸聲效果在一定程度上依賴于工藝，即提高孔隙率，實際的工藝只能使孔隙率盡量接近99.9%，以達到更好的降噪效果；若使用復合材料，則可選擇孔隙率合適的材料，而不是僅要求提高工藝技術。

比較孔隙率為0.95和0.80的聲壓級數據，結果見表3。由表3可知：孔隙率為0.80的材料對低頻噪聲的吸收比不上孔隙率為0.95的材料；在中高頻部分，二者相差較小，但孔隙率為0.80時吸聲效果仍占優。因此，若作用在船舶等以中高頻噪聲為主的場所，應選擇孔隙率恰當的材料。

表3 不同孔隙率下的艙室聲壓級數值比較

2.2 材料厚度

在相同情況下，單巖棉層吸聲材料的吸聲效果隨其厚度的增加而加強，具體數值分析結果見圖5。對復合材料進行研究，在其余材料厚度不變的情況下，分別設巖棉厚度為10mm、20mm、30mm、40mm和50mm，所得結果見圖6。在第2.1節的基礎上選擇孔隙率為0.7的巖棉材料，在其他條件不變的情況下，該材料隨巖棉厚度的變化趨勢與圖5類似，即隨厚度的增加，艙室噪聲降低。

圖5 不同巖棉厚度下巖棉的吸聲效果

圖6 不同巖棉厚度下復合材料的吸聲效果

由上述分析可知，在敷設此種復合材料時，當巖棉厚度達到40mm左右時，可達到最佳的減噪效果，并不是吸聲層越厚越好，適當調整復合材料中各種材料的厚度比例可提高減噪效果。纖維材料2的材料屬性與巖棉接近，改變其厚度可得到相似的變化趨勢，也在40mm厚度處出現峰值。

此外，綜合考慮孔隙率和材料厚度有助于有效降低艙室噪聲。表4為不同材料厚度下的艙室聲壓級數值比較。

表4 不同材料厚度下的艙室聲壓級數值比較

由此可見，在敷設吸聲材料時，除了考慮材料本身的吸聲特性以外（例如各種材料的配合厚度），還要結合船舶的特性，考慮整體敷設的厚度，使其在有限材料的基礎上達到最佳的吸聲效果。

3 材料敷設

復合材料在敷設時會按順序層層疊加，材料敷設順序、材料分層等同樣影響材料的吸聲效果。下面對材料的敷設順序和分層數量進行研究。

表5為材料屬性，選取3種纖維材料進行數值模擬，研究材料敷設順序在減噪上的差別，計算模型仍采用圖1所示結構。

表5 材料屬性

將這3種纖維材料組合，2種材料間布置有減振的鋼材（其屬性采用系統默認數值），根據排列組合得到6種布置情況（見表6）。另設定3種材料的厚度相同，都為0.05m，將根據SEA法得到的結果作為對照組。

表6 不同布置順序下的艙室噪聲值對比 單位：dB

由于對照組的材料厚度相同，比較對照組的數據發現，在材料厚度相同的情況下，材料敷設順序在其中所起的作用不大；對照組的復合材料厚度和質量等都比設定的試驗組大，體現在試驗組的噪聲值應該比對照組大，然而在②①③和③②①的敷設順序下，試驗組的噪聲值更低；單比較試驗組，選擇合適的材料敷設順序能使整個艙室的噪聲降低近1.5dB。

圖7為材料的艙室吸聲率對比，比較了復合材料中敷設順序為②③①和②①③時整個艙室的吸聲率。從圖7中可明顯看出，②③①的敷設順序下艙室的吸聲率更大。將僅敷設材料①和材料③的數據作對比數據，可發現復合材料對整個艙室的吸聲率的影響主要取決于最外層材料的吸聲特性，復合材料②③①的吸聲率與①接近，②①③的吸聲率與③基本重合，二者的差異主要體現在低頻區域。當然，復合材料艙室的噪聲值仍小于單層材料艙室。

圖7 材料的艙室吸聲率對比

綜合以上對比結果可推測復合材料的最外層材料在減噪中起主要作用，在敷設材料時，應盡可能地保證最外層材料的吸聲效果，可整體提高該材料的減噪、降噪性能。

此外，在不改變復合吸聲材料的總厚度和質量等參數的情況下改變材料分層的數量，研究吸聲變化。根據上述研究，保持最外層材料的一致性，以圖5中的復合材料作為參照進行模擬，研究3種復合材料的降噪效果，結果見表7。

表7 材料多分層情況下的噪聲值對比

由表7可知，多分層情況下艙室噪聲差異較小，復合材料在敷設時對某材料的分段多次敷設在減噪、降噪方面的影響較小，可不考慮該因素帶來的噪聲差異。

4 結 語

本文對某特定的復合材料進行了數值模擬研究，比較了材料孔隙率、厚度和敷設順序等因素對該材料吸聲效果的影響，主要得到以下結論：

1) 針對特定的復合材料，在確定激勵的情況下改變材料的厚度和孔隙率，可達到較佳的降噪效果；

2) 材料的敷設順序對艙室降噪的影響較大，主要取決于最外層材料的吸聲效果；

3) 同一材料分段敷設對艙室減噪基本無影響。