任 毅，王博涵，單衍賀，龐福振

(1. 中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司第七〇八研究所，上海 200011；

2. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一四研究所，北京 100012；

3. 哈爾濱工程大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

艙室噪聲是影響船員生活的重要因素，國(guó)際海事組織（IMO）MSC.337（91）[1]對(duì)船舶艙室噪聲等級(jí)提出了嚴(yán)格要求，在船舶設(shè)計(jì)階段準(zhǔn)確預(yù)報(bào)船舶艙室噪聲水平已成為關(guān)鍵一步。艙室噪聲組成中中高頻噪聲占主要部分，因此解決如何準(zhǔn)確預(yù)報(bào)中高頻艙室噪聲問(wèn)題刻不容緩。

大量學(xué)者在船舶艙室噪聲特性規(guī)律方面做了相關(guān)研究[2-4]。蘇楠[5]基于統(tǒng)計(jì)能量法分析了某船振動(dòng)激勵(lì)源和空氣激勵(lì)源對(duì)于機(jī)艙平臺(tái)附近居住艙室噪聲特性的影響，研究結(jié)果表明離考核艙室越近的振動(dòng)激勵(lì)源對(duì)艙室噪聲的貢獻(xiàn)量越大。溫華兵，馮博等[6-8]應(yīng)用統(tǒng)計(jì)能量分析方法對(duì)不同類(lèi)型船舶或海洋平臺(tái)進(jìn)行了艙室噪聲預(yù)報(bào)，并針對(duì)不滿(mǎn)足艙室噪聲限值的艙室采取降噪措施，使其能夠在設(shè)計(jì)階段滿(mǎn)足艙室噪聲限值要求，對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用具有指導(dǎo)作用。張文春[9]對(duì)中高頻振聲問(wèn)題采用統(tǒng)計(jì)能量分析（SEA）求解，引入SEA 系統(tǒng)傳遞路徑的概念，并結(jié)合圖論提出了艙室噪聲傳遞的SEA 賦權(quán)圖法，揭示了能量在結(jié)構(gòu)和聲腔中的傳播機(jī)理。趙楠[10]結(jié)合在船舶建造中遇到的低頻主機(jī)排氣噪聲問(wèn)題，從排氣噪聲控制角度對(duì)船舶柴油機(jī)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了建議。

上述研究表明，大量學(xué)者采用統(tǒng)計(jì)能量方法進(jìn)行了船舶艙室噪聲預(yù)報(bào)分析，但鮮有學(xué)者探究主機(jī)排放噪聲對(duì)艙室噪聲的影響；而主機(jī)排放噪聲水平往往高于艙室內(nèi)部空調(diào)設(shè)備、風(fēng)機(jī)盤(pán)管設(shè)備等，且可通過(guò)空氣介質(zhì)輻射至附近艙室及上層建筑，從而對(duì)船舶噪聲產(chǎn)生影響。為此，本文以某船為例，分析主機(jī)排放噪聲對(duì)船舶艙室噪聲的影響，給出了主機(jī)排放噪聲對(duì)船舶典型艙室噪聲的影響規(guī)律，旨在為船舶艙室噪聲控制提供參考。

1 統(tǒng)計(jì)能量方法

統(tǒng)計(jì)能量法是將一個(gè)完整的系統(tǒng)離散成多個(gè)子系統(tǒng)，在外界激勵(lì)作用下，子系統(tǒng)通過(guò)邊界進(jìn)行能量交換，建立整個(gè)系統(tǒng)能量平衡方程，求解得到各子系統(tǒng)響應(yīng)。將船舶復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)離散后，可得各子系統(tǒng)與其相鄰子系統(tǒng)的功率流方程：

由一系列的子系統(tǒng)功率流方程式聯(lián)立，則可得到方程組：

對(duì)于結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)而言：

式中：mi為第i個(gè)結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)的質(zhì)量；vi為第i個(gè)結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)的振動(dòng)速度。

對(duì)于聲腔子系統(tǒng)而言：

求解上述方程即得到子系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)或聲場(chǎng)響應(yīng)。

2 船舶艙室噪聲分析模型

2.1 統(tǒng)計(jì)能量模型

本文以某船為研究對(duì)象，該船總長(zhǎng)88.2 m，型深5.8 m，型寬11.4 m。未考慮主機(jī)排放噪聲及考慮主機(jī)排放噪聲時(shí)船艙噪聲能量傳遞示意圖如圖1所示。依據(jù)船舶結(jié)構(gòu)圖、總布置圖、舾裝圖等資料，建立船舶艙室噪聲預(yù)報(bào)模型，如圖2 所示。其中考慮主機(jī)排放噪聲模型建立了外部輔助聲腔，模型子系統(tǒng)共2 048 個(gè)。

2.2 損耗因子

圖 1 艙室噪聲能量傳遞示意圖Fig. 1 Diagram of cabin noise energy transfer

結(jié)構(gòu)損耗因子包括內(nèi)損耗因子及耦合損耗因子。結(jié)構(gòu)內(nèi)損耗因子采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[11]，計(jì)算結(jié)果如圖3 所示。結(jié)構(gòu)耦合損耗因子采用仿真軟件計(jì)算結(jié)果。聲腔內(nèi)損耗因子采用經(jīng)驗(yàn)公式/(4Vω)計(jì)算[12]，其中，c 為介質(zhì)中聲速；S 為聲腔表面積；為艙壁平均吸聲系數(shù)，一般取0.01；V 為聲腔體積。以房間206 為例，聲腔內(nèi)損耗因子計(jì)算結(jié)果如圖4 所示。

圖 2 某船統(tǒng)計(jì)能量模型Fig. 2 Statistical energy model of ship

圖 3 結(jié)構(gòu)內(nèi)損耗因子Fig. 3 Structure's internal loss factor

圖 4 聲腔內(nèi)損耗因子Fig. 4 Acoustic cavity's internal loss factor

2.3 激勵(lì)載荷

引起船艙噪聲的激勵(lì)載荷按激勵(lì)類(lèi)型可分為空氣激勵(lì)載荷及振動(dòng)激勵(lì)載荷?？諝饧?lì)載荷以聲功率的形式加載于設(shè)備處聲腔子系統(tǒng)，其中主機(jī)排放噪聲載荷加載于煙囪位置；振動(dòng)激勵(lì)載荷以振動(dòng)加速度的形式加載于設(shè)備基座處。圖5 和圖6 分別給出了部分噪聲源設(shè)備聲功率級(jí)頻譜曲線(xiàn)及振動(dòng)加速度級(jí)頻譜曲線(xiàn)。

圖 5 設(shè)備聲功率級(jí)曲線(xiàn)Fig. 5 Equipment's sound power level curve

圖 6 設(shè)備振動(dòng)加速度級(jí)曲線(xiàn)Fig. 6 Equipment's vibration acceleration level curve

2.4 計(jì)算工況

本文為分析主機(jī)排放噪聲對(duì)艙室噪聲的影響，共設(shè)置5 種計(jì)算工況，如表1 所示。工況1、工況3 計(jì)算模型中聲腔建立如圖2（c）所示，工況2 和工況4 及工況5 計(jì)算模型中聲腔建立如圖2（d）所示。

表 1 計(jì)算工況表Tab. 1 Calculation condition

3 船舶艙室噪聲計(jì)算分析

3.1 主機(jī)排放噪聲對(duì)艙室噪聲計(jì)算結(jié)果的影響

計(jì)算工況1、工況2 下全船艙室噪聲水平，并與實(shí)船試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比，部分艙室噪聲總級(jí)計(jì)算結(jié)果如表2 所示。結(jié)果表明，工況2 計(jì)算結(jié)果更接近測(cè)試值，且結(jié)果差異小于3 dB，即考慮主機(jī)排放噪聲及外部輔助聲腔的計(jì)算結(jié)果更真實(shí)合理。部分房間艙室噪聲響應(yīng)曲線(xiàn)如圖7 所示。

表 2 典型艙室噪聲預(yù)報(bào)及測(cè)試結(jié)果對(duì)比Tab. 2 Comparison of typical cabin noise prediction and test results

圖 7 艙室噪聲變化曲線(xiàn)Fig. 7 Curve of cabin noise

由圖7 可以看出，主機(jī)排放噪聲對(duì)艙室噪聲有影響，特別是對(duì)高頻段噪聲影響較大，頻點(diǎn)噪聲差值最大達(dá)到6 dB 以上。因此，開(kāi)展船舶艙室噪聲預(yù)報(bào)分析時(shí)應(yīng)考慮主機(jī)排放噪聲的影響。

3.2 主機(jī)排放噪聲對(duì)艙室空氣噪聲的影響

船舶艙室噪聲組成包括結(jié)構(gòu)噪聲及空氣噪聲，準(zhǔn)確分析艙室噪聲組成及主導(dǎo)分量是進(jìn)行艙室聲學(xué)防護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵一步，而主機(jī)排放噪聲是引起船舶艙室空氣噪聲的成分之一，為此分析主機(jī)排放噪聲對(duì)船舶艙室空氣噪聲的影響。計(jì)算工況3 與工況4 下船舶艙室噪聲水平，得到典型艙室空氣噪聲水平如圖8 所示。結(jié)果表明，考慮主機(jī)排放噪聲相比不考慮排放噪聲艙室噪聲較高，部分艙室噪聲總級(jí)相差3 dB 以上。

以4 人間207 為例，其附近主要空氣噪聲源設(shè)備有主機(jī)、發(fā)電機(jī)組、主機(jī)排放噪聲及風(fēng)機(jī)盤(pán)管，對(duì)其進(jìn)行單機(jī)噪聲分析，得到各設(shè)備對(duì)4 人間207 艙室噪聲貢獻(xiàn)量如圖9 所示。可以看出，主機(jī)排放噪聲對(duì)4 人間207 艙室噪聲貢獻(xiàn)量較大，僅次于主機(jī)噪聲。

圖 9 單機(jī)貢獻(xiàn)量對(duì)比圖Fig. 9 Comparison of Single machine contribution

由圖8 和圖9 可知，主機(jī)排放噪聲在距離較近艙室空氣噪聲中占比較高，進(jìn)行艙室聲學(xué)防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮主機(jī)排放噪聲對(duì)艙室噪聲的影響。

3.3 主機(jī)排放噪聲激勵(lì)下艙室噪聲水平

部分船級(jí)社對(duì)船舶艙室噪聲限值設(shè)定如圖10 所示?？梢钥闯?，噪聲標(biāo)準(zhǔn)對(duì)居住室、醫(yī)務(wù)室要求較高，其中DNV COMF-C1 等級(jí)或ABS HAB++(WB)等級(jí)對(duì)人員居住室艙室噪聲限值要求為50 dB。為此，探究?jī)H主機(jī)排放噪聲單獨(dú)作用時(shí)全船艙室噪聲分布規(guī)律以及需要考慮主機(jī)排放噪聲的艙室大致范圍。

計(jì)算工況5 下全船艙室噪聲，得到僅主機(jī)排氣噪聲激勵(lì)時(shí)全船噪聲分布，其中250 Hz 下全船艙室噪聲分布如圖11 所示?？梢钥闯?，距離主機(jī)艙室越近，由主機(jī)排放噪聲引起的艙室噪聲越大。

船上設(shè)置人員主要活動(dòng)艙室共26 間，其中艙室噪聲總級(jí)大于50 dB 的艙室共9 個(gè)，達(dá)到全船艙室數(shù)量的1/3 以上，部分艙室噪聲響應(yīng)如圖12 所示。以主機(jī)艙所在甲板為例，計(jì)算艙室噪聲水平沿船長(zhǎng)方向的分布情況，如圖13 所示（設(shè)船首方向?yàn)檎颍??？梢钥闯觯诰嚯x主機(jī)艙25 m 內(nèi)的艙室噪聲均大于50 dB，超出部分噪聲限值標(biāo)準(zhǔn)。因此，對(duì)該區(qū)域的居住艙室、醫(yī)務(wù)室進(jìn)行聲學(xué)防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)主機(jī)排放噪聲不可忽略。

圖 10 艙室噪聲限值Fig. 10 Limit of cabin noise

圖 11 250 Hz 艙室噪聲分布圖Fig. 11 Distribution of cabin noise in 250 Hz

圖 12 艙室噪聲響應(yīng)曲線(xiàn)Fig. 12 Curve of cabin noise response

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以某船為例，建立艙室噪聲預(yù)報(bào)模型，基于統(tǒng)計(jì)能量法分析了主機(jī)排放噪聲對(duì)艙室噪聲計(jì)算結(jié)果的影響，并探究主機(jī)排放噪聲對(duì)艙室噪聲的影響規(guī)律，得出如下結(jié)論：

1）考慮主機(jī)排放噪聲的艙室噪聲計(jì)算結(jié)果相較于未考慮其影響的計(jì)算結(jié)果，更接近實(shí)船測(cè)試值，且誤差小于3 dB。

2）距離主機(jī)艙越近，由主機(jī)排放噪聲引起的艙室噪聲越大，且主機(jī)排放噪聲造成的艙室空氣噪聲僅次于主機(jī)引起的艙室空氣噪聲，在進(jìn)行聲學(xué)防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加以考慮。

3）對(duì)于居住室、醫(yī)務(wù)室等對(duì)噪聲限值要求較嚴(yán)格的艙室而言，需考慮主機(jī)排放噪聲的影響。就本文所研究船舶而言，距主機(jī)艙25 m 內(nèi)的居住室及醫(yī)務(wù)室應(yīng)考慮主機(jī)排放噪聲的影響。

圖 13 艙室噪聲分布曲線(xiàn)Fig. 13 Curve of cabin noise distribution