舰船噪声传递路径建模方法分析

王海玲*



舰船噪声传递路径建模方法分析

王海玲*

(厦门大学嘉庚学院，信息科学与技术学院，福建，厦门，363105）

本文以船艇为例，从船舶舱室噪声源及传递路径角度考虑，建立一种应用性广且可变的舰船噪声模型。采用模型识别的方法来提取舰船噪声有用信息。根据噪声贡献的大小，把船舶舱室分为若干个板块及子板块，基于Dijkstra算法，寻找船舶舱室噪声的主要传递路径，并给出相应的降噪措施，为船舶舱室噪声设计提供科学依据。

舰船噪声；传递路径；噪声模型；Dijkstra算法

引言

近年来，船舶设计出现了大型化、重载、高功率趋势，导致船上噪声幅值越来越高。舰船噪声作为舰船隐蔽性的主要指标，对舰船的生存能力有着重大影响。为改善舰船噪声水平及声隐身性，其首要任务是解决噪声源的识别问题[1]。鉴于此，开展基于噪声源和噪声传递路径的识别、建模具有十分重要意义。

噪声源的识别与定位，是降低舰船辐射噪声强度的基础，已成为人们关注的焦点问题之一。可舰船噪声成为各种被动声探测装置的“信息源”，具有一定的时域和频域特性[2]，传统的噪声源识别方法在时域上主要有分部运转、时历分析、辐射效率测定和相关分析等，而在频域上主要有谱分析、偏/重相干法、声强测量法、声场空间变换、通过特性法等[3]。

长期以来，识别研究以大量实测目标样本为基础，采用统计决策、神经网络、线性谱等进行[4-11]。但这种方法受军事目标样本采集困难（尤其是国外军事目标）的制约，且识别率受样本库影响很大[12]。而“基于模型的识别”是国际上正在迅速发展的目标识别研究新方法，那么能否采用“基于模型的识别”方法来提取舰船噪声识别信息，提高识别率呢？国内对舰船噪声的建模研究较少，且对模型的有效性验证没有系统的认识，缺乏对模型的可信性分析[13]，高处等[14]结合声振熵赋权图对船舶传递路径分析，从而将噪声传递路径转化为求解声振熵赋权图的最短路问题。由于传递路径分析(TPA)在实际应用中需要把原有的噪声振动源拆除，而且尚需大量的测试，其过程相当繁琐，尤其对于舰船这类比较复杂的结构，试验难度大，成本高。

基于上述考虑，本文力求寻找一种更为简单和快捷的方法，从舰船噪声源及传递路径角度考虑建立应用性广且可变的舰船噪声模型。根据噪声源和噪声传播路径的识别，将不同船板对船内噪声贡献大小，分为若干个板块及子板块，从而将复杂的系统结构分为不同的便于分析的独立的子系统，使得模型在模拟舰船噪声成为可能，并可以克服海上试验所具有的环境复杂以及花费过高等各种不利因素，是研究各种水下声探测器性能的有效手段[12]，为振动和噪声生源的识别提供一种直观的分析方法。

1 预备内容

1.1 狄克斯屈拉算

Dijkstra(狄克斯屈拉)算法，又称标号法，是典型的单源最短路径算法，用于计算一个节点到其他所有节点的最短路径。主要特点是以起始点为中心向外层层扩展，直到扩展到终点为止。

Dijkstra 算法假设：

1.2 前K条最短路径算法

Dijkstra算法是图论中求最短路径问题的优秀算法，但它只能求取第１条最短路径或者最短路径中的某一条（系统同时拥有多条最短路径），在此基础上扩展出各种各样的前Ｋ条最短路径算法。

基本思想是：先用Dijkstra算法求解起终点间的最短路径，然后把这条路径中的一条边设置为禁行，再用Dijkstra算法求解起终点间的次短路径，以此类推，得到起终点间的前Ｋ条最短路径。

2 船舶舱室结构

2.1 船艇机舱几何模型的建立

本文以文献[4]中的船艇为例，其机舱结构如图1所示。其主要几何尺寸如表1所示。由机舱俯视图简化得船艇机舱几何模型如图1所示。

图1 船艇机舱结构图

表1 船艇机舱几何尺寸

船艇机舱主要有以下特征:1)整个舱室主要由上下甲板、左右舷、前后隔板,2个主发动机组和2个发电机组组成。上下甲板与左右舷靠铆钉连接在一起,前后隔板和左右舷焊接在一起,4块板相围组成了舱室的整个空腔;2)2个发动机组和2个发电机组由铆钉固定在下甲板上;3)前后隔板和左右舷壁上有钳工台、主配电板、液压油箱、蓄电池等附件。

图2 船艇机舱几何模型

由图2可以看出，舱室内多为板结构，板结构与声辐射密切相关的是结构的弯曲振动，因而根据相似准则，将其具有相同弯曲模态性质的划分为一个子系统，而对于非弯曲模态（如扭转模态），由于对辐射声场影响较小，予以忽略。此外，钳工台、蓄电池等附件相对较小，不将这些附件单独作为子系统考虑。为此将主甲板、舱底板、前后隔板和左右船舷简化为弯曲板，可得舱室结构网络图-3。

图3 舱室结构网络图

将左右船舷、上下甲板、前后隔板以及主配电板看为二维平板,则其弯曲振动的模态密度为，板的损耗因子为0.004，由此可用模态密度函数进行噪声赋权值。得表-2.其中，为板面积，为纵波速度，为板厚，为杨氏能量，为泊松比，为材料密度。

表2 每个节点的噪声值

噪声的传递方向规定有高噪声向低噪声传递，且取两个相互耦合后的数值为权值，得噪声传递路径图-4。

图4 舱室结构传递路径图

用前K条路径的最短路径Dijkstra算法即可求出从主机出发到各个部门的最小噪声传递路径：9主发动机-5右舷-6前隔板-7主配电板-8后隔板-4左舷-3上甲板-1内声空腔。具体算法可采用见图5流程。

2.2．船艇机舱噪声传递的数学模型

为了进一步研究舱底布置的优化问题，将机舱根据各个部门划分为16个子系统（1-16），后舱壁、左舷、前舱壁和右舷分别为17、18、19和20子系统，如图6.相邻的点之间可以连边，从而可以得到舱室内的子系统之间传递的网络图-7。其中子系统6和子系统10为主机作用处。采用如图4相似的方法，对子系统用对应的各个部门对应的噪声值进行赋权，即得到船艇机舱的赋权网络图，然后对噪声传递比较大的路径，如主机和螺旋桨处，可通过安装弹性支承架的方式有效地降低舰船舱室噪声。采取什么样的弹性支承在以后的工作中会做进一步地研究。其次，为降低噪声，也可以采用吸声材料玻璃棉、增加钢板的厚度等等。

图5 前K条路径的Dijkstra算法求源点到目标点最短路算法

图6 舱室结构子系统划分图

注3 定理5的1)式表明目标概念与组合多粒度粗糙集的下、上近似之间的包含关系;2)-3)式表明组合多粒度粗糙集的下近似、上近似具有同一运算律；4)式表明组合多粒度粗糙集的下近似、上近似具有单调性；5)式表明组合多粒度粗糙集的下近似、上近似具有互补运算律。

图 7 舱室结构子系统噪声传递网络图

3 结语

本文的噪声模型主要从噪声源的识别角度出发，除螺旋桨、主发动机等主要振源外，舰船壳体结构在声源及声传递路径中也占据重要地位，模型的应用考虑了应用性广且可变的舰船噪声模型，通过寻求最短传递路径入手，用dijkstra算法可找到舱室噪声的主导传递路径，以此可给出相应的降噪措施，为舱室噪声设计提供了可靠的依据。除此之外，该方法避免了传统的繁琐的传递函数测量及繁重的舰船目标样本采集工作，并能有效提高识别率和识别效率，具有良好的发展前景。

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The Modeling Analysis of Ship Noise Transfer Path

WANG Hailing*

(Xiamen University Tan Kah Kee Colledge, College of Information Science and Technology, Xiamen, 363105, Fujian)

From the ship cabin noise source and transmission path, we set up a variable model with wide applicability of the ship noise based on the boat. By using model identification method, we extract the ship noise useful information.According to the size of the noise contribution, the ship's cabin is divided into several plates and sub-plates,and thenwe find themain flow path of the ship cabin noise via Dijkstra algorithm, and give the corresponding noise reduction measures, provide the scientific basis for the ship cabin noise design.

ship noise; transfer path; noise model; Dijkstra algorithm

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.02.03

TB533

A

1672-9129(2017)02-00017-04

2016-11-05；

2016-12-23。

国家自然科学基金(10871163)、校级孵化项目（2015L02）、校级教改项目资助。

王海玲（1982-）女，副教授。

E-mail:whling@xujc.com；19099428@qq.com

引用：王海玲. 舰船噪声传递路径建模方法分析[J]. 数码设计, 2017, 6(2): 17-20.

Cite：Wang Hailing. The Modeling Analysis of Ship Noise Transfer Path[J]. Peak Data Science, 2017, 6(2): 17-20.