船用帶隔聲罩空壓機組浮筏隔振系統設計與隔聲性能分析

鄒祥依，毛洪偉，李寶鋼

(1.國家深海基地管理中心 船舶部，山東 青島 260000；2.上海海事大學 商船學院，上海 200135)

0 引言

船舶設備的振動與噪聲一直是一個難以解決的問題。隨著科技水平的提高，對船舶設備的隔振性能和隔聲性能提出了更高的要求。船舶設備的振動與噪聲控制技術已經成為了船舶工程領域的研究熱點[1]。在現代聲學研究中，運用計算機技術和數值計算相結合的方法來優化隔聲技術是實現輻射噪聲控制的重要研究方向。通常運用有限元軟件來描述運動結構的動力學振動響應，然后提取設備表面振動響應作為邊界條件建立邊界元輻射聲場模型，從而求解動力設備低中頻域的一些聲學參數[2]。時勝國等[3]比較了水下噪聲聲輻射方面的各種研究方法。曹貽鵬[4]利用有限元法和邊界元法相結合建立聲振耦合方程同時計算結構表面振動和聲輻射，這種方法的優點在于能夠同時解決表面振動和聲輻射問題，能夠適應于復雜結構。崔淑梅[5]也利用Ansys 和Sysnoise 相結合的方法模擬計算永磁直流電機的聲壓頻響特性，并通過實驗進行對比研究，最大相對誤差為85%，滿足工程設計精度要求。有限元和邊界元相結合的方法既利用了有限元較容易建立模型，得到振動特性的優點，又發揮了邊界元可以快速得到聲響特性的優勢，加快了計算速度，更好進行系統隔聲特性的優化。

浮筏隔振系統起源于20 世紀50 年代，是由多個動力設備通過上層隔振器安裝在中間浮筏上再通過下層隔振器整體安裝在基礎上而構成的一個多機組、多激勵的復雜隔振系統。張樹楨等[6–8]詳細介紹了浮筏隔振系統各部分的組成與建模處理，并運用有限元法和功率流法對整個系統進行隔振性能分析。方媛媛等[9]對船舶輔機浮筏隔振裝置簡化進行理論分析，結果與軟件仿真對比后為浮筏隔振系統設計提供理論依據。帶隔聲罩空壓機組浮筏隔振系統是將空壓機組和管系整體放置于隔聲罩中，浮筏隔振裝置降低振動和固體傳聲，隔聲罩降低空氣傳聲，能夠同時實現振動與噪聲控制。畢風榮等[10]采用實驗手段研究了小型柴油發電機組的噪聲源和噪聲特性，對不同頻率范圍的噪聲提出了具體可行的隔聲罩結構優化措施，降低發電機組噪聲。孫洪軍等[11]設計了空壓機組隔聲罩并滿足使用要求。本文采用有限元邊界元相結合的方法，分析帶隔聲罩空壓機組浮筏隔振系統的聲輻射和隔聲量，輔以實驗測量，以驗證仿真方法的準確性，達到噪聲控制的目的。

1 帶隔聲罩空壓機組浮筏隔振系統聲場模型的建立

1.1 邊界元模型的建立

通過Ansys 對系統的有限元模型進行振動諧響應分析，然后提取帶隔聲罩空壓機組浮筏隔振系統有限元模型的表面網格作為聲學邊界元模型。

1.1.1 有限元模型建立

空壓機型號WP135，功率26 kW，轉速970 r/min；壓縮機凈重400 kg，外形尺寸640 mm×763 mm×1 187 mm（長×寬×高）；電機為Y200L-6-H 型，凈重300kg，整體機組外形尺寸為1 465 mm×840 mm×1 370 mm（長×寬×高）；整體機組凈重1 000 kg。空氣壓縮機整體體積0.265 m3。中間筏體是由1 cm 鋼板焊接而成對稱的平板架式，尺寸為2.6 m×1.8 m×0.2 m，質量964 kg。彈性基礎也是由1 cm 鋼板焊接而成對稱的平板架式，尺寸為2.6 m×1.8 m×0.1 m。隔聲罩是3 mm 鋼板和47 mm阻尼材料組成的尺寸為2.6 m×1.8 m×1.6 m 的雙層結構，整體質量為440 kg[12]。整個系統采用Solid45 單元進行，隔聲罩上的內部加筋、維修門和孔洞忽略，內部管系選用X，Y，Z等3 個方向Combin14 單元進行建模，剛度為338 000 N/m。空壓機組通過6 個ZTG-400 型橡膠隔振器與中間筏體相連，浮筏通過6 個JSD-1 250型橡膠隔振器與彈性基礎相連，選擇Combin14 單元進行隔振器建模[13]，隔振器仿真參數如表1 所示。圖1和圖2 為帶隔聲罩空壓機組浮筏隔振系統基本結構圖和模型圖。

表1 隔振器仿真參數Tab.1 Parameters of vibration isolator simulation

圖1 系統基本結構圖Fig.1 System basic structure

圖2 系統有限元模型圖Fig.2 System finite element model

1.1.2 空壓機組擾動力計算

1）電機擾動力

空壓機電機額定轉速為970 r/min，《動力機器基礎設計規范》[14]規定，750 r/min <動力機械運轉速度<1 000 r/min 時的擾動力計算公式為：

式中：Px為橫向機械擾動力；Wg為 機械轉子自重，一般機械轉子重量是整個機械重量的40%；Py為縱向機械擾動力。

2）空壓機擾動力計算

一階不平衡離心力通常是1%的不平衡回轉質量，即

式中：mj為缸內不平衡回轉質量；w2為角速度；R為曲柄半徑。

一階氣缸爆發壓力可引起空壓機做垂向振動[15]，即

式中：Pa為缸內最大爆發壓力；A為氣缸的截面積；f為擾動頻率。

1.1.3 邊界元模型建立

通過Ansys 對系統的有限元模型進行振動諧響應分析，計算出系統結構各節點振動響應，這些數據以能夠導入LMS Virtual.Lab Acoustics 的*.rst 的結果文件保存，導入的時候要注意單位的統一[16]。圖3 為邊界元模型。

圖3 帶隔聲罩空壓機組浮筏隔振系統聲學邊界元模型Fig.3 System acoustic boundary element model

該方法的優點是能夠直接利用已有有限元模型單元和節點的數據信息，只需要提取結構網格中的面網格就行，不需要重新劃分網格，并且有限元諧響應計算得到的節點位移、速度、加速度等可直接映射到聲學邊界元模型網格上。缺點就是網格比較細，對計算機性能要求比較高。

1.2 聲場模型的建立

在流體材料和流體屬性設置中，設定系統結構外部流場為空氣，相應的聲速為340 m/s，密度1 kg/m3。在聲學邊界元網格表面施加有限元分析得到的位移載荷，分析頻率為0～1 000 Hz，步長為20 Hz，形成一個符合ISO 聲功率測試標準的聲場模型，這個模型能在LMS Virtual.Lab Acoustics 中自動生成，近似球面半徑為4 m，如圖4 所示。

圖4 帶隔聲罩空壓機組浮筏隔振系統聲場模型Fig.4 System sound field model

2 帶隔聲罩空壓機組浮筏隔振系統輻射聲場結果分析

根據有限元軟件Ansys 求出的帶隔聲罩空壓機組浮筏隔振系統諧響應分析結果，將節點的振動位移量與聲場邊界元對應節點進行映射。使用的映射算法為Maximum Distance 算法，它以目標網格節點為圓心的一個圓半徑值，半徑為20 mm，圓內的原始網格節點能夠影響目標節點。運用邊界元的方法計算出帶隔聲罩空壓機組浮筏隔振系統的外場聲輻射，進而能夠獲得各項聲學參數[17–19]。

2.1 聲場聲功率級

聲功率級采用對數來度量聲功率，公式如下：

式中，W0為基準聲功率，數值為10?12W。

圖5 為帶隔聲罩壓機組浮筏隔振系統輻射聲場聲功率級頻譜圖。整個帶隔聲罩壓機組浮筏隔振系統輻射聲場聲功率級平均為66.2 dB，聲功率級隨著頻率的增加而增加。在0～100 Hz 時，聲功率級比較低，在65 dB 以下；在100～600 Hz 時，整體聲功率級基本呈均勻分布，變化不大；在600～1 000 Hz 時，聲功率級顯著變大，最高可以達到92.75 dB。

帶隔聲罩壓機組浮筏隔振系統輻射聲場A 計權聲功率級頻譜如圖6 所示。對比圖5 和圖6 可以發現，不計權聲功率級和A 計權聲功率級的變化趨勢基本一致，這說明帶隔聲罩壓機組浮筏隔振系統產生的噪聲是一種對人耳比較敏感的噪聲。

圖5 聲功率級頻譜圖Fig.5 Sound power level spectrum

圖6 A 計權聲功率級頻譜圖Fig.6 A weighted sound power level spectrum

2.2 輻射聲場聲壓分布

可以根據輻射聲場中的聲壓級云圖找出不同頻率下的聲壓分布情況。0～1 000 Hz 頻率范圍內有6 個聲功率級較大的典型頻率，分別為100 Hz，480 Hz，740 Hz，840 Hz，920 Hz，960 Hz，可以得到相應的的聲壓級分布。

圖7 為帶隔聲罩壓機組浮筏隔振系統典型輻射聲場聲壓級分布云圖。可以看出，在一定區域內聲壓級相差很大，能夠比較明顯看出系統結構噪聲源，并且隨著頻率的增加，在小范圍內的聲壓也變得相差很大。在低頻區域時，系統結構的噪聲主要是局部噪聲，并且聲壓級對稱分布。隨著頻率的增加，系統結構的噪聲呈現疊加混合趨勢，小范圍內聲壓差別較大。

圖7 輻射聲場聲壓級分布云圖Fig.7 Cloud diagram of sound pressure level distribution

2.3 場典型測點聲壓級

為了準確描述帶隔聲罩空壓機組浮筏隔振系統輻射聲場聲壓級情況，在整個輻射聲場中設定典型位置觀測點，對這些典型位置觀測點的聲壓級進行分析，可以得到整個頻率范圍內帶隔聲罩空壓機組浮筏隔振系統輻射聲場的變化規律。總共選取6 個觀測點，分別為位于輻射聲場的前（靠近空壓機電機一側）、后（靠近空壓機壓縮機一側）、左、右、上、下。

2.3.1 輻射聲場前觀測點的聲壓級頻率響應

圖8 為輻射聲場前觀測點的聲壓級頻譜。隨著頻率的升高，前觀測點的聲壓級響應成升高趨勢，700～1 000 Hz 的頻率范圍內觀測點的聲壓級顯著增高，前觀測點聲壓級響應最大值為75.31 dB，平均聲壓級為41.1 dB。

圖8 輻射聲場前觀測點的聲壓級頻譜圖Fig.8 Sound pressure level of front point

2.3.2 輻射聲場后觀測點的聲壓級頻率響應

圖9 為輻射聲場后觀測點的聲壓級頻譜圖。隨著頻率的升高，后觀測點的聲壓級響應也成升高趨勢，后觀測點聲壓級響應最大值為73.93 dB，平均聲壓級為40.7 dB，并且帶隔聲罩空壓機組浮筏隔振系統前面的噪聲要大于后面的噪聲。

圖9 輻射聲場后觀測點的聲壓級頻率響應Fig.9 Sound pressure level of back point

2.3.3 輻射聲場左觀測點的聲壓級頻率響應

“我們有一個同學是熊……熊老的孫子，就我這些天老上他們家……學習的那個。”此時，我已經意識到熊老肯定不簡單。要知道，在科學院混上“老”字可不容易，那是只有華羅庚之類的人才能享用的。

圖10 為輻射聲場左觀測點的聲壓級頻譜圖。隨著頻率的升高，左觀測點的聲壓級響應成升高趨勢，左觀測點聲壓級響應最大值為71.37 dB，平均聲壓級為42.3 dB。

圖10 輻射聲場左觀測點的聲壓級頻譜圖Fig.10 Sound pressure level of left point

2.3.4 輻射聲場右觀測點的聲壓級頻率響應

圖11 為輻射聲場右觀測點的聲壓級頻譜圖。隨著頻率的升高，右觀測點的聲壓級響應成升高趨勢，左觀測點聲壓級響應最大值為70.34 dB，平均聲壓級為43.2 dB，并且帶隔聲罩空壓機組浮筏隔振系統右面的噪聲要大于左面的噪聲。

圖11 輻射聲場右觀測點的聲壓級頻譜圖Fig.11 Sound pressure level of right point

2.3.5 輻射聲場上觀測點的聲壓級頻率響應

圖12 為輻射聲場上觀測點的聲壓級頻譜圖。隨著頻率的升高，上觀測點的聲壓級響應成升高趨勢，左觀測點聲壓級響應最大值為75.13 dB，平均聲壓級為47.73 dB。

圖12 輻射聲場上觀測點的聲壓級頻譜圖Fig.12 Sound pressure level of up point

2.3.6 輻射聲場下觀測點的聲壓級頻率響應

圖13 為輻射聲場下觀測點的聲壓級頻譜。右觀測點的聲壓級響應隨著頻率的增加而升高，左觀測點聲壓級響應最大值為74.03 dB，平均聲壓級為42.99 dB，并且帶隔聲罩空壓機組浮筏隔振系統上面的噪聲要大于下面的噪聲。

圖13 輻射聲場下觀測點的聲壓級頻譜Fig.13 Sound pressure level of down point

2.4 隔聲罩對空壓機組浮筏隔振系統輻射聲場的影響

圖14 空壓機組浮筏隔振系統聲學邊界元模型圖Fig.14 Acoustic boundary element model

定義系統結構外部流體是空氣。將有限元諧響應結果與邊界元模型進行映射，在聲學邊界元網格表面施加位移載荷，分析頻率為0～1 000 Hz，步長為20 Hz，形成一個符合ISO 聲功率測試標準的聲場模型，這個模型能在LMS Virtual.Lab Acoustics 中自動生成，近似球面半徑為4 m，如圖15 所示。

圖15 空壓機組浮筏隔振系統聲場模型圖Fig.15 System sound field model

運用邊界元的方法計算出空壓機組浮筏隔振系統的外場聲輻射，進而能夠獲得各項聲學參數。圖16 為隔聲罩影響下空壓機組浮筏隔振系統聲壓級頻譜圖。圖17 為隔聲罩結構的插入損失曲線圖。從圖中可以看出：安裝隔聲罩結構后，聲壓級在整個頻率范圍內都有不同程度的下降，0～100 Hz 范圍內隔聲罩隔聲效果較差，最低為1.19 dB，這可能是引起了結構的共振，振動噪聲變大；100～800 Hz 范圍內隔聲罩隔聲效果較好，最高可達40.77 dB。總體來講，隔聲罩結構能夠使空壓機組浮筏隔振系統隔聲效果變好，平均能有18.22 dB 的隔聲效果。所以在中間浮筏上面加裝隔聲罩能夠有效地隔離空壓機組的噪聲，極大降低機艙內的空氣噪聲。

圖16 空壓機組浮筏隔振系統聲壓級頻譜圖Fig.16 Sound pressure level spectrum

圖17 隔聲罩結構的插入損失曲線圖Fig.17 Insert loss curve

2.5 帶隔聲罩空壓機組浮筏隔振系統輻射噪聲測量

噪聲測量中，以GB/T 3767-1996 《聲壓法測定噪聲源反射面上方近似自由場的工程法》為測試標準[20]，以距帶隔聲罩空壓機組浮筏隔振系統中心上前后左右4 m 處布置5 個測點。機組在970 r/min 轉速下運行。測試儀器是4189 型傳聲計、3050-A-060 型信號采集分析系統等。測量設備外圍聲壓級，測試頻率范圍為1/3 倍頻程0 Hz～1 kHz[21]。

圖18 為帶隔聲罩空壓機組浮筏隔振系統輻射噪聲測量聲功率圖。整個系統輻射噪聲實測指標與仿真計算值基本相符，誤差約3.25 dB，與實測相比誤差約為4.62%，滿足技術指標要求，驗證了此方法計算動力裝置輻射噪聲的準確性。部分構件漏聲會產生上述誤差，還有仿真計算時，沒有充分考慮空壓機組進排氣管的氣動噪聲問題。

圖18 系統輻射噪聲測量聲功率圖Fig.18 Sound power diagram of system radiated noise measurement

3 帶隔聲罩空壓機組浮筏隔振系統隔聲性能優化

3.1 隔聲罩鋼板厚度對隔聲性能的影響

為了提高帶隔聲罩空壓機組浮筏隔振系統的隔聲性能，提出3 種隔聲罩設計方案。現將隔聲罩鋼板厚度分別改為2 mm，3 mm 和5 mm，內壁吸聲材料厚度不變，對帶隔聲罩空壓機組浮筏隔振系統隔聲性能進行優化，運用的方法是前面使用的有限元和邊界元相結合的方法。

圖19 為隔聲罩鋼板厚度對帶隔聲罩空壓機組浮筏隔振系統隔聲性能影響圖。從圖中可以看出增加隔聲罩鋼板厚度能夠減小帶隔聲罩空壓機組浮筏隔振系統聲場聲功率級，提高系統的隔聲性能。采用2 mm 厚隔聲罩鋼板的系統外聲場聲功率級平均為71.5 dB，采用3 mm 厚隔聲罩鋼板的系統聲場聲功率級平均為66.2 dB，采用5 mm 厚隔聲罩鋼板的系統聲場聲功率級平均為64.7 dB。

圖19 隔聲罩鋼板厚度對系統隔聲性能影響圖Fig.19 Steel plate thickness influence

3.2 隔聲罩材料對隔聲性能的影響

為了進一步提高帶隔聲罩空壓機組浮筏隔振系統的隔聲性能，提出3 種不同材料的隔聲罩設計方案。將隔聲罩材料分別換為鋼板、鋁板和膠合板，隔聲罩的尺寸和厚度均為3 mm，內壁吸聲材料材質、厚度也相同，對帶隔聲罩空壓機組浮筏隔振系統隔聲性能進行優化，運用的方法也是前面使用的有限元和邊界元相結合的方法。表2 為不同隔聲罩材料的特性表。

表2 不同隔聲罩材料的特性Tab.2 Characteristics of different sound insulation cover materials

圖20 為采用同樣方法計算的不同隔聲罩材料對系統隔聲效果的影響。鋼板材質的隔聲罩隔聲效果要優于鋁板和膠合板材質，采用鋼板材質的隔聲罩的系統外聲場聲功率級平均為66.2 dB，采用鋁板材質的隔聲罩的系統聲場聲功率級平均為69.0 dB，采用膠合板材質的隔聲罩的系統聲場聲功率級平均為71.9 dB。這是因為隔聲罩的隔聲特性一般總是質量控制型，無論是改變鋼板厚度還是選用密度較大的金屬材料都能增加隔聲罩重量，進而能夠提高隔聲效果。

圖20 隔聲罩材料對系統隔聲性能影響圖Fig.20 Material science influence

4 結語

本文采用有限元和邊界元相結合的方法，建立船用帶隔聲罩空壓機組浮筏隔振系統聲場模型。以結構振動、聲輻射理論為基礎，從聲輻射聲壓級、聲功率的角度出發，通過典型頻率和典型測點研究帶隔聲罩空壓機組浮筏隔振系統的聲輻射。主要結論如下：

1）設計的系統平均聲功率級為66.2 dB，隔聲效果較好；系統上面區域輻射噪聲最大，最大為75.13 dB，可以通過增加隔聲罩上表面吸聲材料厚度來控制上面區域噪聲。

2）隔聲罩結構能夠使空壓機組浮筏隔振系統隔聲效果變好，相對于不加隔聲罩的空壓機組浮筏隔振系統能提高18.22 dB 的隔聲效果，所以在中間浮筏上面加裝隔聲罩能夠有效地隔離空壓機組的噪聲，極大地降低機艙內的空氣噪聲。

3）通過改變隔聲罩鋼板厚度和隔聲罩材料對帶隔聲罩空壓機組浮筏隔振系統隔聲性能進行優化，隨著隔聲罩鋼板厚度的增加，帶隔聲罩空壓機組浮筏隔振系統隔聲性能變好，并且鋼板材料的隔聲罩隔聲效果要優于鋁板和膠合板材質的隔聲罩隔聲效果。