11.4萬(wàn)噸油船全頻段艙室噪聲預(yù)報(bào)分析

吳晨飛，瞿小凌，付 佳

（上海外高橋造船有限公司，上海200137）

船舶一直以來(lái)都是最主要的水上交通運(yùn)輸工具，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，造船水平不斷提高，人們?cè)絹?lái)越重視船上的低噪聲舒適性。國(guó)際海事組織（IMO）第91屆海安會(huì)（MSC91）通過了第338號(hào)關(guān)于SOLAS 修正案的決議，要求船舶構(gòu)造應(yīng)符合MSC.337（91）決議所要求的《船上噪聲等級(jí)規(guī)則》，以保護(hù)人員免受噪聲的傷害[1]。新的噪聲等級(jí)規(guī)則的生效對(duì)船廠提出了更高的要求，為了使船舶能夠滿足MSC.337（91）規(guī)范的要求，設(shè)計(jì)人員需要在初期即對(duì)船舶開展艙室噪聲預(yù)報(bào)分析工作，對(duì)于不能滿足規(guī)范的艙室，協(xié)同其他人員在建造前提出相應(yīng)的解決方案。

經(jīng)典的有限元模態(tài)分析法局限于低頻段噪聲的分析，隨著頻率增高，誤差迅速增大[2]。在運(yùn)用統(tǒng)計(jì)能量法分析時(shí)，需要保證聲學(xué)模型的子系統(tǒng)模態(tài)密度足夠高（≥5），才能保證其計(jì)算分析的精確度，因此，統(tǒng)計(jì)能量法適用于高頻段的噪聲分析[3]。VA One是法國(guó)ESI集團(tuán)推出的全頻域噪聲分析軟件，它能夠用有限元分析法（FEM）、統(tǒng)計(jì)能量法（SEA）和混合有限元-統(tǒng)計(jì)能量法（Hybrid FE-SEA）進(jìn)行全頻段的噪聲預(yù)報(bào)分析[4]。

本文基于SEA 方法和Hybrid FE-SEA 方法，以我公司11.4 萬(wàn)噸阿芙拉油船為研究對(duì)象，進(jìn)行艙室噪聲的預(yù)報(bào)分析研究。主要考慮的噪聲源有：主機(jī)噪聲、發(fā)電機(jī)噪聲、主要風(fēng)機(jī)（包括排氣機(jī)、送氣機(jī)、空調(diào)）噪聲等。對(duì)于超標(biāo)的艙室，選擇隔音效果更好的甲板敷料和絕緣材料。最后將計(jì)算結(jié)果與MSC.337（91）規(guī)范限值進(jìn)行比對(duì)和討論。

1 聲學(xué)分析模型建立

1.1 模型概況

船舶艙室噪聲分析頻率范圍為63 Hz 至8 000 Hz，主要包含了船舶噪聲的中頻域和高頻域，本文采用混合法（Hybrid FE-SEA）和統(tǒng)計(jì)能量法（SEA）分別對(duì)中頻域和高頻域進(jìn)行艙室噪聲的預(yù)報(bào)分析。具體區(qū)分的頻率范圍將通過判斷“單位帶寬模態(tài)數(shù)”的具體數(shù)值來(lái)決定，參考的標(biāo)準(zhǔn)為[5]：

（1）N＞5，該頻段屬于高頻段，運(yùn)用SEA法進(jìn)行分析計(jì)算；

（2）1≤N≤5，該頻段屬于中頻段，運(yùn)用Hybrid FE-SEA法進(jìn)行分析計(jì)算；

（3）N＜1，該頻段屬于低頻段，運(yùn)用FEM 法進(jìn)行分析計(jì)算。

最后，對(duì)不同頻段模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)整合處理，得出全頻段的計(jì)算結(jié)果。

在已有11.4萬(wàn)噸阿芙拉油船有限元模型的基礎(chǔ)上，對(duì)模型進(jìn)行修改。油船艏部和貨艙區(qū)域沒有噪聲源，不作為主要的研究對(duì)象，因此對(duì)于艏部和貨艙只保留最基本的框架；機(jī)艙、艉部、上建和煙囪存在大量的噪聲源，結(jié)構(gòu)和艙室布置較為復(fù)雜，僅刪除其一些無(wú)用的板架結(jié)構(gòu)，基本保留了所有主要艙室的框架。利用中國(guó)船級(jí)社有限元模型快速轉(zhuǎn)換系統(tǒng)PreSEA，對(duì)修改后的有限元模型進(jìn)行快速子系統(tǒng)劃分，針對(duì)曲率較大的機(jī)艙及艉部的外板區(qū)域子系統(tǒng)進(jìn)行手動(dòng)分割和合并。

將生成的子系統(tǒng)直接導(dǎo)入到聲學(xué)軟件VA One中，生成結(jié)構(gòu)平板子系統(tǒng)，考慮到海水對(duì)船舶噪聲的影響，設(shè)置半無(wú)限流體模擬噪聲在海水中的傳播（全船平板子系統(tǒng)和設(shè)置的半無(wú)限流體如圖1所示，局部平板子系統(tǒng)見圖2）。根據(jù)艙室的布置情況建立聲腔子系統(tǒng)，為了模擬煙囪與上層建筑之間的噪聲傳遞，在煙囪和上建中間建立了聲腔，如圖3所示。上層建筑各層主要艙室分布如表1所示。

圖1 全船平板子系統(tǒng)

模型的大部分平板與艙室聲腔子系統(tǒng)的模態(tài)數(shù)在全頻段均大于5，圖4和圖5分別給出了低頻段內(nèi)模態(tài)數(shù)不足5的平板子系統(tǒng)和聲腔子系統(tǒng)在不同頻率下的模態(tài)數(shù)。

圖2 局部結(jié)構(gòu)平板子系統(tǒng)

圖3 聲腔子系統(tǒng)

表1 上層建筑各層主要艙室分布

圖4 部分平板子系統(tǒng)模態(tài)數(shù)

圖5 部分聲腔子系統(tǒng)模態(tài)數(shù)

由此可知：

（1）主要的平板子系統(tǒng)和聲腔子系統(tǒng)模態(tài)數(shù)均大于1，僅對(duì)中頻段和高頻段進(jìn)行艙室噪聲預(yù)報(bào)分析，滿足分析精度要求；

（2）在63 Hz 至250 Hz，部分平板和聲腔子系統(tǒng)模態(tài)數(shù)在1至5之間，部分模態(tài)數(shù)大于5，滿足混合法分析要求；

（3）在500 Hz至8 000 Hz，平板和聲腔子系統(tǒng)模態(tài)數(shù)均大于5，符合統(tǒng)計(jì)能量法分析要求。

在確定了混合法和統(tǒng)計(jì)能量法的計(jì)算分析頻段后，針對(duì)混合法模型，在原有SEA模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，將63 Hz至250 Hz內(nèi)模態(tài)數(shù)不足5的艙室模型修改成有限元模型，即將圍成這些艙室的平板子系統(tǒng)和艙室本身的聲腔子系統(tǒng)劃分成有限元單元，模型如圖6和圖7所示。

圖6 混合模型平板子系統(tǒng)

圖7 混合模型聲腔子系統(tǒng)

1.2 聲學(xué)參數(shù)

聲音在鋼板和艙室中傳播都會(huì)有一定的內(nèi)損耗。平板子系統(tǒng)的內(nèi)損耗因子采用船級(jí)社推薦的經(jīng)驗(yàn)值，鋼板內(nèi)損耗因子如表2所示[6]。

聲腔子系統(tǒng)的內(nèi)損耗因子可以通過計(jì)算平均吸聲系數(shù)得到，其計(jì)算公式為[6]

式中：η為內(nèi)損耗因子，A為艙室總面積，c0為聲音在艙室中的傳播速度，V為艙室體積，ω為倍頻程的中心頻率，α為吸聲系數(shù)。若艙室無(wú)內(nèi)飾板，則平均吸聲系數(shù)為艙室內(nèi)流體介質(zhì)的吸聲系數(shù)，比如空氣的吸聲系數(shù)為1%。

表2 鋼板內(nèi)損耗因子

根據(jù)我公司以往船型的建造經(jīng)驗(yàn)以及試航測(cè)試的結(jié)果，為了滿足MSC.337(91)對(duì)于艙室噪聲規(guī)范限值的要求，在進(jìn)行船舶建造的時(shí)候，主要的生活工作艙室都會(huì)在甲板上鋪設(shè)敷料，在艙壁和天花板布置木作和相應(yīng)的絕緣材料。在VA One分析軟件中，需要根據(jù)甲板敷料和艙室絕緣布置圖，逐層進(jìn)行材料參數(shù)設(shè)置并施加到對(duì)應(yīng)艙室的平板子系統(tǒng)中。對(duì)于布置了甲板敷料、木作和絕緣的艙室，聲腔子系統(tǒng)采用船級(jí)社推薦的折合吸聲系數(shù)，如表3所示[6]；對(duì)于沒有布置任何聲學(xué)材料的艙室，聲腔子系統(tǒng)的吸聲系數(shù)設(shè)置為艙室內(nèi)流體介質(zhì)的吸聲系數(shù)，比如空氣的吸聲系數(shù)為1%。

表3 艙室折合吸聲系數(shù)

1.3 噪聲源

船上噪聲激勵(lì)主要分為結(jié)構(gòu)噪聲和空氣噪聲。分析中主要考慮的噪聲源包括：主機(jī)噪聲、發(fā)電機(jī)噪聲、風(fēng)機(jī)（包括排氣機(jī)、送風(fēng)機(jī)、空調(diào)）噪聲等，設(shè)備的噪聲譜均采用廠商提供的數(shù)據(jù)資料，主機(jī)、發(fā)電機(jī)、主要風(fēng)機(jī)噪聲譜見表4至表6，參考聲壓級(jí)Lp=2×10-5Pa，參考聲功率級(jí)為L(zhǎng)W=1×10-12W，參考速度級(jí)為L(zhǎng)v=5×10-8m/s。不同的噪聲源類型在軟件中需要使用不同的模塊進(jìn)行加載，表4和表5中的排氣管和空氣噪聲及表6 中的風(fēng)機(jī)噪聲均需要轉(zhuǎn)換成聲功率級(jí)，選取輻射噪聲模塊進(jìn)行加載；表4中結(jié)構(gòu)噪聲需要在軟件中以對(duì)結(jié)構(gòu)施加約束的形式加載。

表4 主機(jī)噪聲譜

表5 發(fā)電機(jī)噪聲譜

表6 主要風(fēng)機(jī)噪聲譜（A計(jì)權(quán)）

2 艙室噪聲預(yù)報(bào)分析結(jié)果

根據(jù)混合分析方法，在63 Hz 至250 Hz 對(duì)混合模型進(jìn)行艙室噪聲預(yù)報(bào)分析，首先需對(duì)有限元平板子系統(tǒng)和有限元聲腔子系統(tǒng)進(jìn)行振型模態(tài)和質(zhì)量的計(jì)算，然后再進(jìn)行艙室的噪聲預(yù)報(bào)分析；根據(jù)統(tǒng)計(jì)能量分析方法，在500 Hz 至8 000 Hz 對(duì)統(tǒng)計(jì)能量模型直接進(jìn)行艙室預(yù)報(bào)分析。由于規(guī)范MSC.337(91)評(píng)價(jià)艙室噪聲等級(jí)采用A計(jì)權(quán)聲級(jí)，因此，在軟件中直接提取A計(jì)權(quán)下各個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的聲級(jí)。采用混合法和統(tǒng)計(jì)能量法分析，分別得到兩個(gè)頻段的噪聲預(yù)報(bào)結(jié)果，需要自行計(jì)算63 Hz至8 000 Hz整個(gè)頻段的總聲級(jí)，具體公式如下[7]：

式中：LAi為每個(gè)頻帶的A聲級(jí)。

統(tǒng)計(jì)能量法和混合法對(duì)應(yīng)的聲腔子系統(tǒng)的能量云圖分別如圖8、圖9所示。

圖8 統(tǒng)計(jì)能量模型聲腔子系統(tǒng)能量云圖

圖9 混合模型聲腔子系統(tǒng)能量云圖

計(jì)算結(jié)果顯示，大部分上層建筑艙室，包括駕駛室、各級(jí)船員臥室、辦公室、餐廳、廚房等均滿足規(guī)范MSC.337(91)規(guī)定的限值要求，機(jī)艙的各類艙室全部滿足規(guī)范要求。僅有醫(yī)務(wù)室、健身房、蘇伊士船員3個(gè)房間的噪聲預(yù)報(bào)值超過了規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)。典型艙室的噪聲預(yù)報(bào)結(jié)果見表7，圖10為典型艙室在倍頻程各頻率下的A計(jì)權(quán)聲壓值，參考聲壓為2×10-5Pa。

表7 典型艙室噪聲預(yù)報(bào)結(jié)果

圖10 典型艙室A計(jì)權(quán)聲壓值

3 艙室降噪措施

3.1 艙室噪聲超標(biāo)原因

為了能夠提出有效的艙室降噪方案，需要對(duì)噪聲值超標(biāo)艙室進(jìn)行噪聲輸入途徑分析，從而提出相應(yīng)的針對(duì)性的降噪措施。以醫(yī)務(wù)室為例，其噪聲主要輸入途徑見圖11。

圖11 醫(yī)務(wù)室能量輸入

圖11中，HVAC代表空調(diào)通風(fēng)，F(xiàn)CR代表防火控制室，CCR代表貨控室，RB_1F代表板架（數(shù)字代表編號(hào)）。從圖中可以看出，主要的噪聲由板架1（RB_1F）引起，為結(jié)構(gòu)噪聲，板架1是醫(yī)務(wù)室下方甲板，醫(yī)務(wù)室正下方為防火控制室，防火控制室下方即為機(jī)艙，因此可以認(rèn)為醫(yī)務(wù)室的主要噪聲來(lái)源于機(jī)艙的主機(jī)、發(fā)電機(jī)等引起的結(jié)構(gòu)噪聲。

同樣，針對(duì)噪聲值超標(biāo)的健身房和蘇伊士船員間，結(jié)合艙室位置可以判定：

（1）健身房超標(biāo)主要原因：位于主甲板，即處于機(jī)艙上方；

（2）蘇伊士船員間超標(biāo)主要原因：處于機(jī)艙上方，并且與通往機(jī)艙的梯道直接相鄰。

3.2 艙室降噪措施

控制噪聲一般有3種途徑：控制噪聲源，控制傳播途徑，進(jìn)行個(gè)人防護(hù)。在船舶上控制傳播途徑是最為有效、可靠和經(jīng)濟(jì)的措施。

根據(jù)分析所得的噪聲超標(biāo)原因，參考我公司以往針對(duì)噪聲超標(biāo)采用的措施，對(duì)噪聲預(yù)報(bào)值超標(biāo)的艙室設(shè)計(jì)提出如下修改：

（1）醫(yī)務(wù)室主要噪聲都來(lái)源于下方的防火控制室，在甲板上鋪設(shè)浮動(dòng)地板，提高甲板隔聲效果；

（2）健身房位于機(jī)艙上方，主要噪聲來(lái)源于機(jī)艙，同樣在甲板鋪設(shè)浮動(dòng)地板；

（3）蘇伊士船員間主要噪聲一部分來(lái)自下方機(jī)艙，一部分來(lái)自相鄰的機(jī)艙梯道，在房間內(nèi)鋪設(shè)浮動(dòng)地板，并且在與機(jī)艙梯道相鄰的艙壁上將25 mm的巖棉木作加厚到50 mm。

浮動(dòng)地板的作用是通過隔開振動(dòng)來(lái)減少傳遞至甲板面的噪聲，主要通過將陶瓷棉等材料均布在甲板敷料與甲板結(jié)構(gòu)之間，形成緩沖或中空層，以隔離或降低振動(dòng)能量的傳遞，從而達(dá)到降噪的效果（浮動(dòng)地板組成如圖12所示）。浮動(dòng)地板相較于原先布置的地板，具有更好的降噪作用。巖棉木作中，巖棉具有良好的絕緣、隔聲和吸聲性能，增大木作中巖棉的厚度，可以提高巖棉的降噪效果[8]。

圖12 浮動(dòng)地板組成示意圖

表8是噪聲超標(biāo)艙室設(shè)計(jì)修改前后艙室噪聲預(yù)報(bào)的對(duì)比。由表可知，提出的降噪措施降噪效果明顯，艙室的總聲壓級(jí)顯著降低，達(dá)到了預(yù)期的隔音降噪效果，并且總A 計(jì)權(quán)聲壓級(jí)噪聲也都滿足MSC.337(91)的規(guī)范限值。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以11.4萬(wàn)噸阿芙拉油船為研究對(duì)象，開展了艙室噪聲的預(yù)報(bào)分析研究。運(yùn)用VA One分別建立了全船的統(tǒng)計(jì)能量模型和混合模型，考慮了艙室內(nèi)損耗因子和吸聲系數(shù)的影響，對(duì)主機(jī)、發(fā)電機(jī)、風(fēng)機(jī)等噪聲源進(jìn)行加載，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)能量法和混合法對(duì)船舶艙室進(jìn)行了全頻段的艙室噪聲預(yù)報(bào)。計(jì)算得到大部分艙室的噪聲預(yù)報(bào)值都符合MSC.337(91)的限值要求，僅醫(yī)務(wù)室、健身房和蘇伊士船員間3個(gè)房間噪聲預(yù)報(bào)值不滿足規(guī)范要求，對(duì)3個(gè)艙室進(jìn)行噪聲能量輸入分析，分別找出噪聲超標(biāo)原因并提出相應(yīng)的降噪措施，最終使該船的艙室噪聲均滿足規(guī)范要求。

表8 艙室噪聲預(yù)報(bào)對(duì)比