螺旋槳槳葉渦激振動引起機艙噪聲的預報與分析

歐禮堅　張自帆

摘? ? 要：螺旋槳高速轉動時，隨邊產生周期性脫落旋渦，其頻率接近葉片某一階固有頻率時會誘導葉片產生渦激共振。對于電池推進新型船舶，螺旋槳渦激振動引起的艙室噪聲屬于主要噪聲源。為了提高新型船舶的綠色度和噪聲舒適度，采用統計能量法對螺旋槳渦激振動產生的艙室噪聲進行預報，并研究分析噪聲治理措施，提出噪聲治理優化設計方案。螺旋槳槳葉渦激振動引起的艙室噪聲預報方法和降噪治理措施，可供新型船舶減振降噪設計參考。

關鍵詞：螺旋槳;渦激振動;艙室噪聲

中圖分類號：U661.31 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： When the propeller rotates at high speed， periodic shedding vortices are generated at the trailing edge， and when the frequency is close to a certain natural frequency of the blade， the blade will be induced to generate vortex-induced resonance. The cabin noise caused by propeller vortex-induced vibration is the main noise source for the new ships using electric propulsion. In order to improve the greenness and noise comfort of the new ships， the cabin noise caused by propeller vortex-induced vibration is predicted by the statistical energy analysis method， the noise control measures are studied and analyzed， and the optimal design scheme of noise control is proposed. The prediction method of cabin noise caused by propeller blade vortex-induced vibration and the control measures of noise reduction can be used as a reference for the design of vibration and noise reduction of the new ships.

Key words： Propeller; Vortex-induced vibration; Cabin noise

1? ? ? 前言

由于造船技術及社會總體經濟水平的提高，人們對船舶的舒適性提出了更高的要求，船舶噪聲成為其中重要的評判標準。某太陽能鋰電池游艇，新船試航時機艙噪聲約為95 dbA，最大聲壓值出現在頻率約320 Hz處。該游艇在海上航行幾個月后，船體外表面、舵葉及螺旋槳表面長滿了較厚的海生物，機艙噪聲降到了約75 dbA，最大聲壓值出現在頻率290 Hz處。經過將螺旋槳槳葉表面的海生物清除后，機艙噪聲又基本上恢復到了新船試航時的水平，即機艙噪聲約為95 dbA，最大聲壓值也出現在頻率約320 Hz處。

螺旋槳槳葉表面的海生物，使機艙艙室噪聲明顯下降，其可能有以下幾方面的原因：（1）海生物增大阻尼，使槳葉渦激振動幅度大大減小，可降低機艙艙室噪聲;（2）海生物可能改變了螺旋槳葉型及增大了螺旋槳表面粗糙度，減少螺旋槳槳葉誘發的渦的數量及強度，使槳葉渦激振動大大降低，機艙艙室噪聲也隨之降低;（3）海生物使槳葉質量（含附連水質量）增大，使槳葉固有頻率降低避開了共振區，渦激振動強度減小，從而降低了機艙艙室噪聲。

船舶在航行過程中，螺旋槳隨邊產生周期性脫落旋渦，旋渦脫落產生了作用于槳葉表面的脈動壓力，即渦激力。槳葉沿徑向不同位置處的弦長和隨邊厚度是不同的，葉片會存在多個旋渦脫落頻率，只要其中一個接近葉片某一階固有頻率，都會誘導葉片產生渦激共振并輻射噪聲。當振動和聲輻射達到高水平時，螺旋槳會發出一些強單頻聲，即螺旋槳唱音。對于采用電推方式的新型船舶，螺旋槳槳葉渦激力引起的噪聲屬于機艙的主要聲源之一。

目前我國對螺旋槳槳葉渦激力對艙室噪聲影響的研究尚比較少見，主要采用統計能量法預報艙室噪聲，并取得了一定的科研成果。國內外專家普遍認為，統計能量法對船舶與海洋工程艙室噪聲預報的精度可滿足工程精度要求。因此，本文應用統計能量法預報螺旋槳槳葉渦激力引起的機艙噪聲，通過研究分析，找出噪聲產生的機理及降低機艙空氣噪聲的方法。

2? ? 噪聲預報的基本原理及方法

統計能量分析方法（SEA）作為一種針對中、高頻寬帶振動與噪聲預測的有效方法，可用于船舶設計的噪聲預報與聲學優化，是一種基于統計學理論的科學方法。

統計能量法采用統計學及能量守恒的理論，將整個系統分為若干子系統，對各個子系統的平均響應進行預報。其主要理論方程為：

式中： Ei—i子系統的能量; pi—外部對i子系統做的功;ω—中心頻率;ηij—耦合損耗因子; ni—i子系統模態密度; ηi—內部損耗因子。

3? ? 計算模型的建立

VA One軟件是法國ESI集團于2005年推出的一款可用于全頻段振動和噪聲分析的模擬軟件。VA One軟件集成了有限元分析、邊界元分析、統計能量分析及其混合分析技術，且集成了這幾種分析技術耦合分析的功能，能夠進行求解更為可靠的全頻域預報結果。

3.1? ?VA One建模步驟

（1）依據圖紙在VA One軟件中直接輸入坐標點的數值信息，建立需要用到的點的信息;并根據基本結構圖的相關信息，通過已建立的坐標點創建板子系統;使用VA One軟件的auto connect功能，連接成為整體的振動噪聲模型;

（2）所需材料屬性的定義和賦予。通過查閱資料和使用VA One軟件中預設的信息，對所需材料的物理屬性如內損耗因子、耦合損耗因子等進行輸入;

（3）定義圖紙中所使用的梁和加筋板等參數，并賦予到模型中;

（4）建立封閉的聲腔子系統，并使用VA One軟件的auto connect功能，進行整個系統的自動連接，以完成整體模型的建立;

（5）定義激勵源。通過實際激勵源屬性以及《船舶及產品噪聲控制與檢測指南》的要求確定激勵的具體信息，將激勵源加載在模型相對于實船相應的位置;

（6）求解模型。利用VA One軟件的solve功能對模型進行求解，得到圖標形式的計算結果，如子系統的模態密度、振動加速度級、聲壓級以及子系統直接的能量輸入關系等。

3.2? ?計算模型的建立

研究對象為某太陽能鋰電池游艇：

游艇總長26.03 m、水線長22.30 m、型深2.90 m、船寬5.83 m、設計排水量67.71 t、設計吃水1.00 m、設計航速22 kn、乘員12人;

艙室主要有：駕駛室、茶水間、餐廳、沙龍、主人房、客房、KTV多功能室、機艙、水手房等。

使用統計能量分析方法，在VA One軟件中根據游艇CAD圖紙進行適當簡化，通過插值計算出各個所需的坐標點，并使用這些坐標點來建立SEA模型中的各個子系統，重點研究螺旋槳槳葉渦激力作用下的機艙空氣噪聲特性。

用VA One軟件建立的三維模型如圖1所示。

全船一共分為28個聲腔子系統，如圖2所示。

舷外水采用一個半無限流體子系統模擬，并與船體外板進行連接，如圖3所示。

為了研究螺旋槳槳葉渦激振動噪聲對機艙艙室噪聲的影響，把螺旋槳及軸系簡化后建立的模型，如圖4所示。

螺旋槳槳葉渦激力采用在螺旋槳槳葉上加載集中力來模擬，渦激力的合力為螺旋槳軸向交變集中力，每片槳葉施加一個渦激力，如圖5所示。

4? ? 計算與結果

4.1? ?渦激力的頻率對機艙艙室噪聲的影響

為了分析渦激力頻率對機艙噪聲的影響，假定機艙噪聲為95 dBA，分別計算出不同頻率時對應的的螺旋槳槳葉渦激力的大小。計算結果如圖6所示。從圖6可以看出：

渦激力的頻率對機艙噪聲的影響很大。當機艙艙室噪聲達到95 dBA時，所需渦激力的最小值位于頻率300～900 Hz之間;低頻或高頻時，所需的渦激力較大。

4.2? ?槳葉表面增設阻尼層對機艙噪聲的影響

為了更精確預報螺旋槳激振力引起機艙噪聲的大小與頻率的關系，計算頻率取為200～800 Hz，相鄰計算頻率之差5 Hz。

計算分析螺旋槳表面阻尼層對渦激力引起機艙噪聲的影響：計算所取阻尼材料為：密度為1 100 kg/m3、彈性模量為2.3 e9 Pa、剪切模量為7.72 e8 Pa、泊松比為0.49。在相同的渦激力作用下，分別計算螺旋槳槳葉表面無阻尼層、敷設5 mm厚阻尼層、敷設10 mm厚阻尼層、敷設20 mm厚阻尼層共4個方案的機艙艙室噪聲，如圖7所示。

5? ? 分析與討論

5.1? ?分析

在相同大小的渦激力下，渦激頻率對機艙噪聲影響很大。在中高頻渦激力作用下，槳葉渦激振動產生的噪聲經軸系傳入機艙，即使渦激力很小，機艙空氣噪聲也很大。對于電池推進的游艇機艙，螺旋槳槳葉渦激力導致的空氣噪聲屬于主要聲源。

螺旋槳表面的阻尼材料，可抑制中高頻渦激力導致槳葉渦激振動產生的噪聲，使機艙噪（下轉第頁）（上接第頁）

聲顯著下降：5 mm厚阻尼層可使機艙噪聲下降約10 dBA，10 mm厚可下降低約15 dBA，20 mm厚可下降低約20 dBA。

5.2? 討論

某太陽能鋰電池游艇螺旋槳槳葉產生的渦激振動強度，雖然沒有達到產生唱音的水平，但其振動引起的噪聲屬于太陽能鋰電池游艇機艙的主要聲源之一。

通常，螺旋槳槳葉表面的海生物可使機艙噪聲明顯下降，其可能有以下幾方面的原因：（1）海生物增大阻尼，使槳葉渦激振動幅度大大減小，可降低機艙艙室噪聲;（2）海生物可能改變了螺旋槳葉型及增大了螺旋槳表面粗糙度，減少螺旋槳槳葉誘發的渦的數量及強度，使機艙艙室噪聲降低;（3）海生物使槳葉質量（含附連水質量）增大，槳葉固有頻率降低，避開了共振區，渦激振動強度減小，從而降低了機艙艙室噪聲。螺旋槳槳葉生長海生物后，艙室噪聲下降可能是其中某一種原因，也可能是多重原因共同作用的結果。

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