何 秦，王 禹，王博涵，王志斌，朱 理

(1. 中國(guó)船舶集團(tuán)公司第七〇八研究所，上海 200011；2. 哈爾濱工程大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001；3. 中國(guó)船舶集團(tuán)公司第七一四研究所，北京 100101；4. 海軍裝備部，北京 100071)

0 引 言

艙室噪聲是評(píng)價(jià)船舶舒適性的重要指標(biāo)，國(guó)際海事組織（IMO）在第MSC.337（91）號(hào)決議[1]中對(duì)船舶各類艙室的噪聲等級(jí)提出了更為嚴(yán)格的要求，未滿足噪聲指標(biāo)要求的船舶將無(wú)法按期交付，造成巨額的經(jīng)濟(jì)損失，因此在船舶設(shè)計(jì)階段中，如何準(zhǔn)確地進(jìn)行噪聲預(yù)報(bào)并提出有效的防護(hù)措施是目前亟待解決的問(wèn)題。

目前，已有大量學(xué)者對(duì)艙室噪聲預(yù)報(bào)方法及噪聲防護(hù)措施做出了相關(guān)研究[2-5]。付佳[6]重點(diǎn)討論艙室噪聲預(yù)報(bào)過(guò)程中聲學(xué)模型的建立與噪聲源的設(shè)置，并將所得預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，研究成果具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。任毅[7]在計(jì)算船舶艙室噪聲過(guò)程中，考慮主機(jī)排氣口所產(chǎn)生的噪聲，并建立船體外包絡(luò)聲腔作為排氣口噪聲的傳遞路徑。研究表明，考慮主機(jī)排氣孔噪聲時(shí)，所得仿真值與實(shí)測(cè)值更加為接近。歐禮堅(jiān)[8]對(duì)游艇的艙室噪聲進(jìn)行預(yù)報(bào)分析，重點(diǎn)談?wù)撆撌以肼曨A(yù)報(bào)過(guò)程中的激勵(lì)源特性，給出了螺旋槳、主機(jī)等主要設(shè)備對(duì)艙室噪聲的影響規(guī)律。許浩、閆森森等[9-11]針對(duì)不同類型船舶，利用統(tǒng)計(jì)能量法預(yù)報(bào)并找出噪聲超標(biāo)艙室，給出相應(yīng)的控制措施。研究表明，通過(guò)附加阻尼等措施可有效的降低艙室內(nèi)的噪聲水平。

眾多學(xué)者雖開(kāi)展了船舶艙室噪聲預(yù)報(bào)方法及噪聲控制措施的相關(guān)研究工作，并且對(duì)艙室噪聲預(yù)報(bào)過(guò)程中基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的研究，但有關(guān)實(shí)船測(cè)試損耗因子對(duì)船舶艙室噪聲的研究相對(duì)較少。為此，本文以多艙段船舶典型結(jié)構(gòu)為例，探究損耗因子對(duì)艙室噪聲的影響，并開(kāi)展某船的艙室噪聲預(yù)報(bào)。通過(guò)與實(shí)測(cè)值對(duì)比，驗(yàn)證基于實(shí)船損耗因子獲取的船舶艙室噪聲預(yù)報(bào)方法的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上，給出全船艙室噪聲分布及設(shè)備對(duì)附近艙室的影響規(guī)律，旨在為船舶艙室噪聲控制防護(hù)提供參考。

1 船舶艙室噪聲統(tǒng)計(jì)能量分析預(yù)報(bào)方法

1.1 統(tǒng)計(jì)能量分析原理

統(tǒng)計(jì)能量法將系統(tǒng)整體劃分為多個(gè)離散的子系統(tǒng)，并通過(guò)能量的空間時(shí)間平均值、簡(jiǎn)正方式的數(shù)目和損耗因數(shù)等參數(shù)來(lái)描述每個(gè)子系統(tǒng)的狀態(tài)，子系統(tǒng)間通過(guò)邊界進(jìn)行能量交互。由此可建立整體的能量平衡方程，通過(guò)求解便可以得到各個(gè)子系統(tǒng)的最終狀態(tài)，再通過(guò)換算就可以得出所需的物理量。在進(jìn)行船舶艙室噪聲計(jì)算時(shí)，相鄰的子間系統(tǒng)的功率流方程如下：

將所有子系統(tǒng)的功率流方程聯(lián)立，則可得到如下方程組：

式中， ω為分析頻帶中心頻率； ηi為 第i個(gè)子系統(tǒng)的內(nèi)損耗因子； ηij為第i個(gè)子系統(tǒng)對(duì)第j個(gè)子系統(tǒng)的耦合損耗因子；ni為 子系統(tǒng)i的 模態(tài)密度；Ei表示第i個(gè)子系統(tǒng)的能量；Pˉini為 第i個(gè)子系統(tǒng)的輸入功率。

對(duì)于板子系統(tǒng)而言：

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

對(duì)于聲腔子系統(tǒng)而言：

式中：pi為第i個(gè)聲腔子系統(tǒng)的聲壓；ρ為空氣密度，c為聲速，Vi為第i個(gè)聲腔子系統(tǒng)的振動(dòng)速度。

通過(guò)解上述方程便可以得到各個(gè)子系統(tǒng)在平衡狀態(tài)下的聲場(chǎng)響應(yīng)或振動(dòng)響應(yīng)。

1.2 船舶艙室噪聲統(tǒng)計(jì)能量分析方法

船舶艙室噪聲統(tǒng)計(jì)能量分析方法主要步驟如下：

1）建立整船的統(tǒng)計(jì)能量模型

整船結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，首先需要對(duì)其進(jìn)行合理的子系統(tǒng)劃分，用板子系統(tǒng)來(lái)模擬船體結(jié)構(gòu)，用聲腔子系統(tǒng)模擬艙室，同時(shí)需保證子系統(tǒng)在計(jì)算中心頻率下的模態(tài)數(shù)大于5[13]。

2）施加載荷

船體激勵(lì)載荷共包含2種：一種是空氣激勵(lì)載荷，設(shè)備工作時(shí)的直發(fā)聲，直接向外輻射；另一種是振動(dòng)激勵(lì)載荷，通過(guò)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)發(fā)聲向艙室內(nèi)輻射。種載荷的能量傳遞路徑如圖1所示。

圖 1 子系統(tǒng)能量傳遞圖Fig. 1 Subsystem energy transfer diagram

3）邊界條件

利用半無(wú)限域模塊，建立船體外板的無(wú)反射邊界條件，即當(dāng)能量傳遞至船體結(jié)構(gòu)邊緣時(shí)，會(huì)繼續(xù)向外擴(kuò)散，用以模擬流場(chǎng)對(duì)船體的影響。

4）舾裝材料

舾裝材料對(duì)艙室噪聲影響較大，需根據(jù)舾裝布置圖，在對(duì)應(yīng)艙壁、甲板和天花板位置設(shè)置相應(yīng)的舾裝材料，輸入舾裝材料的吸隔聲系數(shù)。

5）求解及結(jié)果分析

1.3 損耗因子對(duì)艙室噪聲計(jì)算結(jié)果的影響

1.3.1 船體結(jié)構(gòu)損耗因子的取值

結(jié)構(gòu)損耗因子是衡量系統(tǒng)對(duì)振動(dòng)能量耗散能力的物理量，是艙室噪聲預(yù)報(bào)的關(guān)鍵參數(shù)之一，結(jié)構(gòu)損耗因子包含耦合損耗因子及內(nèi)損耗因子，其中耦合損耗因子表征子系統(tǒng)間功率傳遞的大小，在進(jìn)行艙室噪聲計(jì)算時(shí)，其值直接由軟件計(jì)算給出；內(nèi)損耗因子是指在單位時(shí)間內(nèi)，子系統(tǒng)每振動(dòng)一次損耗的能量與平均儲(chǔ)存能量的比值，一般通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式、船級(jí)社規(guī)范以及實(shí)驗(yàn)測(cè)試獲取，其中各方法中的取值大小存在一定差異。圖2給出了63 Hz～8 kHz頻域范圍不同的內(nèi)損耗因子取值，包括經(jīng)驗(yàn)公式值[14]、CCS（中國(guó)船級(jí)社）建議值[15]和實(shí)船測(cè)試值，其中實(shí)船測(cè)試采用瞬態(tài)衰減法測(cè)得。

圖 2 內(nèi)損耗因子取值Fig. 2 Internal loss factor

1.3.2 多艙段典型船舶結(jié)構(gòu)模型

為探究結(jié)構(gòu)內(nèi)損耗因子對(duì)艙室噪聲計(jì)算的影響，建立多艙段典型船舶結(jié)構(gòu)模型如圖3和圖4所示。由于在船舶艙室噪聲預(yù)報(bào)過(guò)程中涉及的載荷類型包含振動(dòng)加速度載荷和空氣噪聲載荷，所以設(shè)置2種載荷施加工況：1）在Ⅴ艙下底板位置施加單位振動(dòng)加速度載荷；2）在Ⅴ艙內(nèi)部施加單位聲功率載荷。在每種工況下依次改變整個(gè)模型板子系統(tǒng)的損耗因子設(shè)置，計(jì)算不同損耗因子工況下各艙的噪聲水平。

圖 3 多艙段典型船舶結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3 Schematic diagram of typical ship structure with multiple compartments

圖 4 多艙段典型船舶結(jié)構(gòu)Fig. 4 Multi-class section typical ship structure

1.3.3 計(jì)算結(jié)果分析

各艙室噪聲總級(jí)計(jì)算結(jié)果如表1所示，Ⅱ艙和Ⅴ艙的艙室頻帶噪聲曲線如圖5所示。

1）振動(dòng)激勵(lì)載荷下的結(jié)果分析

從振動(dòng)激勵(lì)載荷作用下各艙室噪聲預(yù)報(bào)總級(jí)結(jié)果可以看出，不同的損耗因子對(duì)艙室噪聲總級(jí)影響較大，艙室噪聲計(jì)算結(jié)果對(duì)多相差7.2 dB（Ⅱ艙CCS規(guī)范值和經(jīng)驗(yàn)公式值），最少相差2.2 dB（Ⅴ艙實(shí)測(cè)值和經(jīng)驗(yàn)公式值）。除此之外，3種工況下，均呈現(xiàn)Ⅴ艙噪聲仿真計(jì)算值相差最少，Ⅱ艙噪聲仿真計(jì)算值相差最多的趨勢(shì)，說(shuō)明損耗因子對(duì)距離激勵(lì)源越遠(yuǎn)的區(qū)域，影響越大。從Ⅱ艙和Ⅴ艙的艙室頻帶噪聲曲線可以看出，不同損耗因子對(duì)艙室中低頻噪聲影響較大，對(duì)高頻影響較小，同時(shí)中低頻噪聲占艙室噪聲的主導(dǎo)地位，對(duì)艙室噪聲總級(jí)影響較大。

表 1 不同損耗因子工況下各艙室噪聲計(jì)算結(jié)果Tab. 1 Calculation results of cabin noise under different loss factors

圖 5 艙室頻帶噪聲曲線Fig. 5 Cabin band noise curve

2）空氣噪聲激勵(lì)下的結(jié)果分析

從空氣激勵(lì)載荷作用下各艙室噪聲預(yù)報(bào)總級(jí)結(jié)果可以看出，不同的損耗因子對(duì)艙室噪聲總級(jí)影響較大，艙室噪聲計(jì)算結(jié)果對(duì)多相差4.5 dB（Ⅱ艙CCS規(guī)范值和經(jīng)驗(yàn)公式值），而Ⅴ艙內(nèi)艙室噪聲值基本不受結(jié)構(gòu)內(nèi)損耗因子影響，其原因是空氣激勵(lì)載荷位于艙室內(nèi)部，直接影響艙室內(nèi)的噪聲水平。與振動(dòng)激勵(lì)影響相似，在空氣激勵(lì)載荷作用下，不同損耗因子對(duì)距離激勵(lì)源越遠(yuǎn)的艙室影響越大，對(duì)艙室噪聲中低頻噪聲影響較大。

綜上，可以看出，無(wú)論在那種激勵(lì)載荷作用下，損耗因子對(duì)艙室噪聲預(yù)報(bào)結(jié)果影響較大，其中CCS規(guī)范建議值偏于安全，所得艙室噪聲計(jì)算值較高。在進(jìn)行船舶艙室噪聲預(yù)報(bào)時(shí)，應(yīng)針對(duì)具體船舶，開(kāi)展結(jié)構(gòu)損耗因子試驗(yàn)測(cè)試，以期得到準(zhǔn)確的艙室噪聲預(yù)報(bào)結(jié)果。

2 船舶艙室噪聲預(yù)報(bào)

2.1 船舶艙室噪聲模型2.1.1 統(tǒng)計(jì)能量模型

統(tǒng)計(jì)能量模型建立涉及模型的簡(jiǎn)化以及考核艙室的細(xì)化。其中模型簡(jiǎn)化是指在建模過(guò)程中不考慮對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果影響較小的因素，例如骨材、桅桿等結(jié)構(gòu)；考核艙室細(xì)化是指在某個(gè)考核艙室內(nèi)由于艙室功能不同，人耳所處高度不同，并且艙室內(nèi)不同高度位置的聲壓大小也不同，因此在進(jìn)行艙室噪聲預(yù)報(bào)之前，按照0.5 m高度對(duì)艙室內(nèi)聲腔分層（見(jiàn)圖6），從而得到艙室內(nèi)不同高度的聲壓大小。

圖 6 Deck 1考核艙室細(xì)化后離散圖Fig. 6 Discrete map after refinement of Deck 1 assessment cabin

本文建立的統(tǒng)計(jì)能量中共包含板子系統(tǒng)共1 248個(gè)，聲腔子系統(tǒng)306個(gè)，其中水線以下的船體外板建立半無(wú)限域，用以模擬水線以下部分的無(wú)反射邊界條件。艙室分布示意圖如圖7所示，最終建立的統(tǒng)計(jì)能量模型如圖8所示。

2.1.2 激勵(lì)載荷

圖 7 艙室分布示意圖Fig. 7 Schematic diagram of cabin distribution

圖 8 某船舶統(tǒng)計(jì)能量模型Fig. 8 Statistical energy model of ship

引起船舶艙室噪聲的激勵(lì)源類型可分為2種：一種是空氣激勵(lì)載荷，設(shè)備工作時(shí)的直發(fā)聲，以空氣為傳播介質(zhì)，加載時(shí)以聲功率的形式加載在對(duì)應(yīng)設(shè)備的聲腔子系統(tǒng)上；另一種是振動(dòng)激勵(lì)載荷，以船體結(jié)構(gòu)為船舶介質(zhì)，通過(guò)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)發(fā)聲向艙室內(nèi)輻射，仿真計(jì)算時(shí)以振動(dòng)加速度級(jí)的形式加載在設(shè)備基座位置。對(duì)于船舶主機(jī)、柴發(fā)機(jī)組等大功率、高噪聲設(shè)備，既要考慮其振動(dòng)激勵(lì)載荷，又要考慮空氣激勵(lì)載荷；對(duì)于風(fēng)機(jī)等小型設(shè)備，則只考慮其空氣激勵(lì)載荷即可。

圖 9 設(shè)備激勵(lì)載荷類型Fig. 9 Equipment excitation load types

本次艙室噪聲預(yù)報(bào)分析中，絕大部分設(shè)備載荷大小為實(shí)船測(cè)試結(jié)果，部分未能測(cè)試設(shè)備，其載荷大小則根據(jù)相關(guān)規(guī)范依進(jìn)行指標(biāo)分解。圖10和圖11分別給出了部分設(shè)備在額定工況下聲功率級(jí)頻譜及振動(dòng)加速度級(jí)頻譜。

考慮到實(shí)船測(cè)試工況，本次仿真預(yù)報(bào)工況共設(shè)有2種，分別為全速航行工況和錨泊工況，其中相對(duì)于全速航行工況，錨泊工況關(guān)閉了主機(jī)、柴發(fā)機(jī)組、供油泵等設(shè)備。

圖 10 設(shè)備聲功率級(jí)曲線Fig. 10 Equipment's sound power level curve

圖 11 設(shè)備振動(dòng)加速度級(jí)曲線Fig. 11 Equipment's vibration acceleration level curve

2.2 船舶艙室噪聲分析

2.2.1 預(yù)報(bào)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比分析

在全速及錨泊2種工況下，對(duì)比全船各考核艙室的噪聲預(yù)報(bào)值和實(shí)測(cè)值，部分艙室噪聲值對(duì)比如表2所示。從對(duì)比結(jié)果可以看出，全船絕大部分艙室預(yù)報(bào)值與實(shí)測(cè)值小于3 dB，說(shuō)明基于實(shí)船損耗因子獲取的艙室噪聲預(yù)報(bào)方法準(zhǔn)確可靠，其預(yù)報(bào)結(jié)果具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

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

在全速工況下，距離機(jī)艙較近的艙室，如一甲板餐廳、會(huì)議室等，其預(yù)報(bào)誤差較小，小于1 dB，而遠(yuǎn)離機(jī)艙的艙室，如駕駛室、船長(zhǎng)室，其誤差相對(duì)較大，約在2 dB左右；在錨泊工況下，各艙室噪聲誤差約在1 dB左右。上述現(xiàn)象原因是，全速航行工況下，全船噪聲主要集中在機(jī)艙附近（見(jiàn)圖12），且遠(yuǎn)離機(jī)艙區(qū)域的駕駛室和船長(zhǎng)室，其噪聲主導(dǎo)分量均為機(jī)艙內(nèi)主機(jī)（見(jiàn)圖13），說(shuō)明統(tǒng)計(jì)能量法對(duì)靠近主要激勵(lì)源艙室的噪聲水平預(yù)報(bào)更為準(zhǔn)確。對(duì)于距離主要激勵(lì)源較遠(yuǎn)艙室，預(yù)報(bào)誤差相對(duì)較大。

2.2.2 船舶噪聲分布規(guī)律研究

全速航行工況下，全船艙室噪聲聲壓分布云圖如圖14所示?？梢钥闯鲈谌俸叫泄r下，全船艙室噪聲主要集中在機(jī)艙位置附近，并且在低頻范圍內(nèi)，主機(jī)影響范圍更大。從機(jī)艙附近艙室的噪聲主導(dǎo)分量分析中可以看出，在該工況下，此類艙室噪聲主導(dǎo)分量均已機(jī)艙內(nèi)設(shè)備（包括主機(jī)、柴油機(jī)、泵類等）為主，而遠(yuǎn)離機(jī)艙的艙室，其噪聲主導(dǎo)分量，雖然以主機(jī)為主，但艙室內(nèi)風(fēng)機(jī)對(duì)其噪聲水平有一定影響。

圖 12 艙室噪聲分布云圖Fig. 12 Cloud diagram of cabin noise distribution

圖 13 駕駛室噪聲主導(dǎo)致分量Fig. 13 Main caused components of cab noise

圖 14 艙室噪聲分布云圖Fig. 14 Cloud diagram of cabin noise distribution

圖 15 艙室噪聲主導(dǎo)致分量（全速）Fig. 15 Main component of cabin noise（full speed）

圖 16 艙室噪聲分布云圖Fig. 16 Cloud diagram of cabin noise distribution

圖 17 艙室噪聲主導(dǎo)致分量Fig. 17 Main component of cabin noise

單獨(dú)開(kāi)啟風(fēng)機(jī)、空調(diào)類設(shè)備時(shí)，所得部分頻點(diǎn)下全船艙室噪聲聲壓的分布云圖如圖16所示。可以看出，風(fēng)機(jī)、空調(diào)類設(shè)備所在艙室較相鄰艙室的噪聲水平差異較大，說(shuō)明此類設(shè)備產(chǎn)生的噪聲僅對(duì)所在艙室影響較大，對(duì)附近艙室影響較小。同時(shí)，從艙室噪聲主導(dǎo)分量分析圖也可以看出，除艙內(nèi)通風(fēng)口以外，其余風(fēng)機(jī)類設(shè)備對(duì)該艙室的貢獻(xiàn)量可忽略不計(jì)。

基于上述艙室噪聲分布規(guī)律，在進(jìn)行船舶艙室噪聲防護(hù)工作時(shí)，對(duì)于機(jī)艙附近艙室，應(yīng)主要針對(duì)艙室內(nèi)主機(jī)噪聲分量進(jìn)行防護(hù)，可采用在靠近主機(jī)一側(cè)艙壁附加隔聲、吸聲材料等方法；對(duì)于遠(yuǎn)離主機(jī)區(qū)域的艙室而言，除考慮主機(jī)噪聲對(duì)其影響之外，還應(yīng)從降低艙室內(nèi)激勵(lì)源噪聲水平著手，比如更換低噪聲通風(fēng)口、低噪聲空調(diào)機(jī)等。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文建立了多艙段船舶典型結(jié)構(gòu)，探究了損耗因子對(duì)艙室噪聲計(jì)算結(jié)果的影響，然后基于損耗因子實(shí)測(cè)值，開(kāi)展某船舶艙室噪聲預(yù)報(bào)，并與實(shí)船測(cè)試值進(jìn)行比對(duì)，最后根據(jù)全船艙室噪聲分布云圖以及部分艙室噪聲主導(dǎo)分量計(jì)算結(jié)果，探究了艙室噪聲分布規(guī)律，并根據(jù)艙室位置不同給出了初步的噪聲防護(hù)建議。主要結(jié)論如下：

1）單位振動(dòng)激勵(lì)載荷作用下，對(duì)于距離激勵(lì)源超過(guò)15 m的艙室，不同損耗因子取值對(duì)其艙室噪聲聲壓產(chǎn)生的3～7 dB的影響，且距離激勵(lì)源越遠(yuǎn)，影響越大。

2）單位空氣噪聲激勵(lì)載荷作用下，對(duì)于距離激勵(lì)源超過(guò)15 m的艙室，不同損耗因子取值對(duì)其艙室噪聲聲壓產(chǎn)生的2～5 dB的影響，對(duì)激勵(lì)源所在艙室影響較小。因此開(kāi)展實(shí)船艙室噪聲預(yù)報(bào)時(shí)，建議使用實(shí)船損耗因子測(cè)試值作為參數(shù)輸入。

3）基于實(shí)測(cè)損耗因子的艙室噪聲預(yù)報(bào)方法準(zhǔn)確可靠，與主機(jī)艙間隔封閉艙數(shù)量小于或等于2的艙室，噪聲預(yù)報(bào)值與實(shí)測(cè)值誤差小于1 dB，距離主要噪聲源較遠(yuǎn)艙室，預(yù)報(bào)誤差稍大，但全船艙室噪聲誤差小于3 dB。

4）主機(jī)柴油機(jī)等大功率設(shè)備，作為全船主要噪聲源，影響艙室多、范圍廣；風(fēng)機(jī)、空調(diào)機(jī)等小型設(shè)備，僅對(duì)所處艙室內(nèi)的噪聲水平影響較大，影響范圍小。