呂全亮

(江蘇省鎮(zhèn)江船廠(集團(tuán))有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212002)

0 引言

港口業(yè)的發(fā)展在促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中扮演著極其重要的角色。隨著停泊船舶噸位的加大和船東個(gè)性化的需求，作為港口運(yùn)行兩大必備機(jī)械之一的全回轉(zhuǎn)拖輪的功率也不斷增大，我國(guó)港口目前投產(chǎn)使用的全回轉(zhuǎn)拖輪最大功率達(dá)到6 000 kW。然而在船型無變化且艙室空間有限的情況下，主機(jī)功率越大，噪聲控制的手段就越有限，從而無法確保艙室的舒適度。

為了滿足船舶規(guī)范對(duì)船舶環(huán)保性和舒適性的要求，全回轉(zhuǎn)拖輪在設(shè)計(jì)建造過程中就應(yīng)對(duì)噪聲的控制提出解決方案，并在設(shè)計(jì)的初期階段，對(duì)艙室的降噪效果進(jìn)行仿真預(yù)報(bào)和分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。為此，本文在分析船舶噪聲源分布情況和噪聲控制方法的基礎(chǔ)上，利用VA One軟件對(duì)36 m全回轉(zhuǎn)拖輪艙室進(jìn)行新型降噪材料仿真預(yù)報(bào)，并與傳統(tǒng)降噪材料進(jìn)行減噪效果對(duì)比。

1 船舶噪聲源分布

1.1 內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)的噪聲源

現(xiàn)有的船用動(dòng)力系統(tǒng)中的主機(jī)和輔機(jī)絕大多數(shù)都是內(nèi)燃機(jī)，同時(shí)也是船舶上主要的噪聲源，各艙室的噪聲級(jí)主要取決于船舶內(nèi)燃機(jī)的噪聲級(jí)。以主機(jī)排氣系統(tǒng)為例，內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)排氣系統(tǒng)不僅會(huì)產(chǎn)生空氣動(dòng)力性噪聲，而且進(jìn)排氣閥部件與機(jī)體的撞擊也會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的機(jī)械噪聲。

1.2 通風(fēng)和空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的噪聲源

機(jī)艙的通風(fēng)設(shè)備主要用于保障主機(jī)的充分燃燒和機(jī)艙的通風(fēng)。由于機(jī)艙艙室較大，機(jī)艙風(fēng)機(jī)數(shù)量較多且功率很大,因此在航行過程中會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲。另外，空調(diào)系統(tǒng)中的噪聲源雖然功率不大且數(shù)量不多，但是由于其處于生活區(qū)，也會(huì)對(duì)生活區(qū)艙室產(chǎn)生一定的噪聲影響。

1.3 螺旋槳推進(jìn)器系統(tǒng)的噪聲源

相對(duì)于船舶艙室機(jī)械設(shè)備來說，螺旋槳推進(jìn)器系統(tǒng)的噪聲強(qiáng)度較小，主要影響水線附近的機(jī)艙和船員艙。根據(jù)噪聲頻率可將其分為2種：

(1)由螺旋槳槳葉和水流相互作用的流體動(dòng)力效應(yīng)及推進(jìn)過程中水沖擊艉柱引起的低頻噪聲。

(2)由螺旋槳葉片表面壓力驟降造成的空泡現(xiàn)象并由此引起的葉片高頻振動(dòng)噪聲。

1.4 船舶泵的噪聲源

船舶泵的種類及數(shù)量較多，主要布置在機(jī)艙中，用于傳輸油、水、氣，而在船舶航行中絕大多數(shù)泵都會(huì)開啟并產(chǎn)生雜亂的噪聲源。

2 噪聲控制方法和仿真預(yù)報(bào)手段

2.1 噪聲控制方法

現(xiàn)代船舶噪聲控制方法所涵蓋的領(lǐng)域較為廣且專業(yè)性和技術(shù)性較強(qiáng)，例如：增加減振設(shè)備；優(yōu)化船舶制造工藝；合理布置艙室和設(shè)備；采用新型降噪材料、復(fù)合阻尼材料及多孔吸聲材料等。

2.2 仿真預(yù)報(bào)手段

仿真預(yù)報(bào)手段的發(fā)展經(jīng)歷了由簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)到復(fù)雜結(jié)構(gòu)、由單個(gè)自由度系統(tǒng)到多個(gè)自由度系統(tǒng)、由有限元低頻到統(tǒng)計(jì)能量高頻分析的發(fā)展過程，最終形成了能夠全頻段分析的FE-SEA混合方法。該方法能夠?qū)?fù)雜結(jié)構(gòu)中頻噪聲段進(jìn)行精確預(yù)報(bào)，并基于該混合法開發(fā)出集成了有限元、邊界元和統(tǒng)計(jì)能量分析法的VA One軟件。通過該聲學(xué)軟件，以高速船艇作為研究對(duì)象，逐步解決了船舶艙室噪聲的全頻段預(yù)報(bào)困難的問題。

3 新型降噪材料仿真預(yù)報(bào)分析

3.1 FE-SEA耦合模型

本文建模對(duì)象為某36 m全回轉(zhuǎn)拖輪，該輪采用雙推進(jìn)器系統(tǒng)。在VA One軟件中，根據(jù)船體布置將船舶艙室劃分成機(jī)艙、駕駛臺(tái)、船員室、會(huì)議室、高級(jí)船員室等，并將船體結(jié)構(gòu)中的曲面板與不規(guī)則面板簡(jiǎn)化為平面板。根據(jù)船體結(jié)構(gòu)面板的幾何面積特征及模態(tài)密度[1]，將船舶結(jié)構(gòu)劃分為7個(gè)主要子模塊，分別為主機(jī)基底結(jié)構(gòu)(有限元子模塊)、主機(jī)基底板(有限元子模塊)、水線下船殼外板(統(tǒng)計(jì)能量子模塊)、船艏外板(統(tǒng)計(jì)能量子模塊)、甲板(統(tǒng)計(jì)能量子模塊)、船舷外側(cè)板(統(tǒng)計(jì)能量子模塊)、生活區(qū)結(jié)構(gòu)(統(tǒng)計(jì)能量子模塊)。全回轉(zhuǎn)拖輪FE-SEA耦合模型見圖1。

圖1 FE-SEA耦合模型圖

3.2 激勵(lì)源與降噪材料的選擇

3.2.1 激勵(lì)源的參數(shù)設(shè)定

參考現(xiàn)有文獻(xiàn)和實(shí)際情況，艙室各噪聲源的分布情況和貢獻(xiàn)率情況主要是根據(jù)設(shè)備設(shè)施布置情況及性能而確定的，但總體來說主機(jī)所產(chǎn)生的噪聲是船舶艙室的主要噪聲源[2]，因此本文中的激勵(lì)值僅考慮主機(jī)激振力及其聲功率。主機(jī)激振力及主機(jī)空氣噪聲的經(jīng)驗(yàn)公式如下[3-4]：

20lgf-16

(1)

式中：La為振動(dòng)加速度級(jí)；M為發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量；NH為發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速；N為發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速；PH為額定功率；f為頻率。

(2)

式中：LW為聲功率級(jí)。

3.2.2 新型降噪材料的選擇

目前多孔吸聲材料是進(jìn)行吸聲降噪的常用手段。隨著科研機(jī)構(gòu)在吸聲材料及其結(jié)構(gòu)方面的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，開發(fā)出了許多新型吸聲材料。相對(duì)于傳統(tǒng)纖維吸聲材料的不耐熱、低強(qiáng)度、易腐蝕的缺點(diǎn)，新型的金屬類吸聲材料的出現(xiàn)解決了上述傳統(tǒng)纖維吸聲材料的很多難題[5]?？紤]到船舶艙室的環(huán)保要求和吸聲性能，本文選用傳統(tǒng)型礦棉裝飾吸聲板和新型多孔功能材料PML-25泡沫鋁作為降噪材料進(jìn)行分析比較，板材厚度為10 mm。鑒于混合法仿真分析手段對(duì)噪聲分析，特別是對(duì)中低頻段的噪聲分析的準(zhǔn)確性較高，因此選取中低頻范圍100～1 000 Hz進(jìn)行分析。該頻率段的兩者吸聲系數(shù)見表1。

表1 吸聲系數(shù)對(duì)比表

3.2.3 2種降噪材料的仿真結(jié)果對(duì)比

在仿真模型中，將吸聲材料粘貼在主機(jī)艙室，雖然能在一定程度上降低主機(jī)聲功率輻射，但是并不能降低主機(jī)噪聲源，只能對(duì)離主機(jī)艙室最近的船長(zhǎng)室有一定降噪效果，對(duì)其他艙室沒有明顯的降噪效果。因此，在模型中將主機(jī)艙室除外的各個(gè)艙室艙壁和艙頂上粘貼吸聲材料，從而控制噪聲源引起的各個(gè)艙室噪聲，并對(duì)2種降噪材料的降噪效果進(jìn)行對(duì)比。各艙室降噪效果對(duì)比見表2。

表2 減噪效果對(duì)比表 單位：dB(A)

對(duì)比分析可知，泡沫鋁板的降噪性能明顯好于傳統(tǒng)礦棉裝飾吸聲板，4個(gè)艙室的平均降噪量為3.55 dB，其中駕駛室的降噪效果尤為明顯，降噪量為5.5 dB。除了艙室布置的原因外，由于鋁制板材的金屬特性使得降噪材料密度有所增加，而當(dāng)多孔材料的密度增加時(shí),會(huì)降低材料內(nèi)部的空隙率,從而改善低頻吸聲效果[6]。雖然新型材料在500 Hz和1 000 Hz頻率段的吸聲系數(shù)偏低，但由于低頻吸聲效果明顯，使得整個(gè)分析頻率范圍內(nèi)的平均降噪量較高；而駕駛臺(tái)所處位置的噪聲頻率相對(duì)于其他艙室的噪聲而言較低，因此相對(duì)于其他艙室而言，駕駛臺(tái)的降噪效果較好。

4 結(jié)論

(1)對(duì)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模型進(jìn)行聲學(xué)分析，需要根據(jù)幾何面積特征及模態(tài)密度建立FE-SEA耦合模型，從而可全頻段分析艙室噪聲，有利于艙室隔音降噪設(shè)計(jì)。

(2)相對(duì)于傳統(tǒng)棉類降噪材料，泡沫鋁板的降噪效果更加明顯，尤其是在低頻段。

(3)多孔功能材料PML-25泡沫鋁具有隔音降噪、高強(qiáng)度、耐高溫、耐水性好的物理特性，在船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和隔音降噪應(yīng)用方面有著較為廣闊的前景。