中小型集装箱船噪声快速预报与测试研究

傅 斌 陈景昊 韩晨建 吴卫国

(武汉理工大学交通学院1) 武汉 430063) (中国船级社舟山办事处2) 舟山 316000)(中国船级社温州办事处3) 温州 325000)

中小型集装箱船噪声快速预报与测试研究

傅 斌1,2)陈景昊3)韩晨建2)吴卫国1)

(武汉理工大学交通学院1)武汉 430063) (中国船级社舟山办事处2)舟山 316000)(中国船级社温州办事处3)温州 325000)

利用基于统计能量分析法的ESI.VA one软件对某中小型集装箱在设计阶段进行声学建模,采用快速预报的方法为设计阶段的船舶舱室噪声控制提供指导,并在后期的实船测试中对其预报精度进行了验证.结果表明，由于预报时选用的激励计算往往偏大，同时未计及一些舱室的防火分隔带来的隔声效果，因此，若按上述保守方式建模预报对比公约偏大值控制在3 dB以内，在实测时基本可以满足公约要求.在测试阶段时，对于部分人员嘈杂的舱室，需要合理的协调并处理，最后由于统计能量分析法无法考虑局部共振的影响，对于振动计算中局部共振区域要特别关注.

噪声快速预报;噪声测试;统计能量分析法

0 引 言

随着近代科学技术的飞速发展和船舶体系管理的日益完善，对船舶的要求也不再局限于其安全性、快速性和经济性等方面，对船舶的舒适性即船员和乘客的居住环境提出了更高的要求，其中，船舶的振动与噪声问题一直是困扰研究者的一个重要问题[1-2].由文献[3]可知，船舶的噪声等级被列为公约要求的法定指标，这给我国中小型船厂带来了巨大的冲击.文中基于对某2 339 TEU集装箱船的噪声预报与测试，以期为该类型船舶在设计阶段的噪声预报与控制及后期的测试提供有益建议.

在声学有限元计算中对网格的尺寸要求非常高，一般要求其最大边长需小于1/6的弯曲波波长[4]，这就对计算机的计算能力和计算效率提出了很高的要求.而统计能量分析法(statistical energy analysis method,SEA)，采用统计的思想，利用系统能量去研究外激励下结构的动力学响应问题，可以提高计算效率，同时其精度也可以被工程上所接受，因此目前工程上普遍采用SEA进行噪声预报.

1 声学模型的建立

1.1 建模的基本原则

本文的研究对象为一艘2 339 TEU尾机型集装箱船，该船的主尺度及主要参数见表1.

表1 2339TEU集装箱主尺度及主要参数

对于该船，其生活区与主要的噪声源均位于尾部，因此，对模型进行简化，只对从尾封板到机舱前端壁区域(Fr.-5-200 mm～Fr.50)进行建模，基本原则如下.①由于介质的不同，将水线上下的板分别建模.②各类开口和门窗均直接采用板结构建模而不予模拟.③由于结构的自然边界，可能划分出部分模态数较小的声腔，不利于后续的计算，因此在进行舱室划分时，充分考虑同类舱室的相似性，将其划分在一起.④根据舱室结构布置图对实际的内装材料进行统计，充分考虑其对噪声预报的影响.⑤驾驶室、集控室、船员房间等舱室采用声腔形式来进行模拟.⑥外界流场采用空气或者海水的半无限域流场来模拟.

1.2 建模的基本流程

通过对预报船总布置图、舱室布置图、设备布置图及设备说明书等资料的分析，通过MSC.PATRAN软件对本船尾部机舱及上层建筑区域进行有限元模型的建立，并通过将导出*.bdf文件输入ESI.VAone软件中，构建基于统计能量分析法的声学预报模型见图1.

图1 建模基本流程及模型图

2 噪声源及基本参数的确定

2.1 激励源

本船尾机型集装箱船，采用了一台沪东重机生产的6G60ME-C9.2型12 840 kW的主机，额定转速为97 r/min，螺旋桨采用桨叶直径为6 700 mm的5叶桨，同时该船还配备了现代重机生产的HFC7 568-08P型1 368 kW和HFC7 636-08P 型1 824 kW的发电机各两台，额定转速均为900 r/min.

文中计及预报船主要激励源，包括螺旋桨激励、主机激励和发电机的激励.在预报中激励源可以采用实测数据和经验公式，一方面在进行噪声预报阶段时多数船还处于设计阶段无法采取实测，另一方面该船为系列船首制船无姊妹船可以参考，因此，在预报时均采用经验公式.选用文献[5]中主机及发电机基座处振动加速度级式(1)进行估算,主机及发电机的空气声采用式(2)进行计算；同时采用式(3)对螺旋桨在船底板引起的激励进行估计[6].

(1)

式中：m为发动机质量，kg；ne为发动机工作转速，r/min；Pe为额定功率，kW；n为发动机工作转速，r/min;f为频率，Hz.

Lw=57+10 lg(hp)+C0(dB)

(2)

式中：hp为主机额定马力；C0为修正值，参考声功率为10-12W.

Lv(propeller)=c+10 lg(M×z)+

refV0=10-9m/s

(3)

2.2 模态数

在SEA分析中，z≥5为高频区，1

图2 模态数图

2.3 损耗因子

损耗因子分为内损耗因子和耦合损耗因子，船结构模型在分析时视为弱耦合结构动力学问题的求解，而VA ONE自带的基于波分析法的损耗因子的计算可以适用于这类结构的求解[7-9].

2.4 噪声预报结果

根据对板子系统和声腔子系统模态数的计算，确定对模型80～8 000 Hz范围内1/3倍频程中心频率进行预报，各舱室声压级曲线见图3.

图3 各舱室声压级曲线图

在设计阶段的预报，激励源的计算往往采用偏大选取，同时一些特殊的内装材料也先不在考虑范围内，一般会造成舱室噪声比实测值大，因此某些舱室的噪声预报值稍微大一点并不要紧，但是本次计算中的医院的噪声值明显偏大接近了64 dB，考虑到其周围还有一个风道在预报中未计及，因此在设计阶段对该舱室的内装材料进行了特别考虑，增加了一些吸声材料，而后预报值下降至约61 dB左右.其余个别舱室预报值虽有稍大于公约值的现象，但大体还在控制范围中.

3 噪声测试

船上噪声测试所需的仪器包括声级计、倍频层滤波器、传声器风罩和声音校准器.根据CCS要求，声压级测量须采用精密积分声级计进行，同时应符合IEC61672-1(2002-05)1类型/级标准.

3.1 测试条件

试航时，天气状况良好，蒲氏风力约为3级，目测波高不超过1 m，同时船舶处于开阔水域，周围无岛屿或大型船舶等大面积反射物，水深58 m，大于5倍吃水(d=8.5).噪声测量时，船舶处于压载工况，主机功率为额定功率12 840 kW，转速为额定转速97 r/min，四台发电机处于正常工作状态，分别为900 r/min，1 368 kW和900 r/min，1 824 kW，除此之外正常航行所需的机械、航行仪器、无线电、雷达等装置均处于正常工作状态.除个别航行中必须开启的门窗外，舱室门窗处于紧闭状态.

3.2 测试的基本原则

1) 对于居住舱室和工作间，测量点尽可能选择靠近人员工作的位置，工作间测量时传声器应放在甲板以上1.2 m(模拟坐着的人员)和1.6 m(模拟站着的人员)的高度处，居住舱室测量时需要考虑将床头作为一个测量点[10].

2) 两个测量点之间的距离至少应为2 m，在无机舱的大处所内，整个处所应按不超过10 m的间距进行测量.

3) 传声器位置应距离反射表明1 m以上，并尽可能远离反射表面.

4) 在测量噪声级时，传声器的位置应尽可能与气流方向的夹角不小于30°，且距发动机、通风、空调和冷却系统的进气口或排气口边缘不小于1 m.

5) 在电力设备附近测量时，应考虑电磁场对测量结果的影响.如果改变传声器方位(不改变位置)发现积分声级计指示的声级有明显变化，应变换声级计的方位或者在离磁场更远的地方进行测量.

6) 在振动明显的环境中进行测量时应考虑振动对测量结果的影响，避免振动方向与声级计的膜片方向垂直.

4 噪声预报与测试结果对比分析

表2为噪声预报与测试结果.

由表2可知，多数非机器处所舱室的预报值比实测值高3～6 dB，其主要原因有以下两点：①激励源的影响，本文的预报时在设计阶段进行的，同时该船又是首制船，激励源只能采用经验公式，具有一定的误差，同时考虑到外国船东对噪声指标比较苛刻，在预报阶段的激励经验公式选取采取偏保守的方式，因此最后的预报值偏大；②内装材料的影响，在预报时都只考虑了普通的内装材料，未计及船上一些特殊的防火分隔材料，如A60，A30等，造成厨房(SOLAS公约中定义为较大失火危险的服务处所)，应急发电机间(SOLAS公约中定义为A类机器处所)等特殊舱室周围的舱室噪声预报值偏大更多，本模型预报中应急发电机间的A60防火材料由其他舱室的普通材料代替，因此，上方的医院和侧方的水手厨工室噪声偏大，医院的预报值高达63.54 dB，厨工水手6的预报值达到了63.23 dB，高于同层甲板其他舱室3 dB左右.对应急发电机间施加A60防火材料前后，医院的噪声预报声压级曲线见图4，下降约3.5 dB.

表2 噪声预报与测试结果 dB

图4 处理前后医院声压级曲线

对于部分舱室，如驾驶室的噪声要比实测值要小很多，主要有两方面原因：一方面在试航阶段，根据振动测试显示罗经甲板出现了共振现象，而采取统计能量法无法预报到该现象；另一方面试航时，驾驶室人员较多，环境嘈杂，使得其测试值较真实值偏大.而对于厨房，预报值比测试值要大很多，这主要是测试时并不是在厨房工作期间，而预报时外加了一个空气声的激励.

5 结 论

1) 在设计阶段时，激励源的计算值往往偏大，同时不计及一些特殊的防火材料，这样会造成预报值偏大，因此若按上述保守方式建模预报值对比公约值偏大值控制在3 dB以内，在最后实测时多数能满足.

2) 噪声测试时，对一些环境比较嘈杂的舱室，如驾驶时的测量，要与船长等协商好，并在后期对其进行适当的修正.

3) 采用统计能量分析法无法计及到由于局部共振引起的某些舱室的噪声值偏大，因此当振动计算发现某些结构存在共振现象时，应特别注意其周围舱室的噪声情况.

[1] 张立.基于国际新规范的舱室噪声预报与控制技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2012.

[2] 陈实.基于IMO新标准的船舶舱室噪声研究[D].大连:大连理工大学,2013.

[3] 国际海事组织.船上噪声等级规则[Z].伦敦:国际海事组织,2014.

[4] 李增刚,詹福良.Virtual.Lab Acoustics声学仿真计算高级应用实例[M].北京:国防工业出版社,2010.

[5] 阿斯尼基福罗夫.船体结构声学设计[M].北京:国防工业出版社,1998.

[6] NILSSON A C. Noise Prediction and Prevention in Ships[C]. America:Arlington,1978.

[7] 高丽莎.基于实船试验的钢铝混合结构船舶噪声预报与控制研究[D].武汉:武汉理工大学,2014.

[8] 陈景昊.异种混合结构耦合损耗因子研究[D].武汉:武汉理工大学,2015.

[9] 陈景昊,吴卫国,林永水.基于有限元能量流的混合结构间耦合损耗因子[J].中国舰船研究,2016,11(4):79-86.

[10] 中国船级社.船舶及产品噪声控制与检测指南[Z].北京:中国船级社,2013.

Research on Acoustic Rapid Prediction and Noise Test of Small and Middle Size Container Ship

FUBin1,2)CHENJinghao3)HANChenjian2)WUWeiguo1)

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)1)(ZhoushanOffice,ChinaClassificationSociety,Zhoushan316000,China)2)(WenzhouOffice,ChinaClassificationSociety,Wenzhou325000,China)3)

The acoustic rapid prediction of a 2339TEU container ship is carried out by ESI.VA One based on the statistical energy analysis method. Fast prediction method provides a guidance for ship cabin noise control in design phase, and the forecast accuracy is verified by full scale tests. Because the excitation calculation of simulation is relatively large and the fire separation is ignored, the simulation result is more than the requirement of convention about 3dB according to the conservative method above, but the test result meets the requirement of convention. Meanwhile, for some chaotic cabin, a more reasonable method should be adopt in the test phase. Finally, because the statistical energy analysis method can not consider the effect of local resonance, which should be paid special attention.in the calculation of vibration.

acoustic rapid prediction; acoustic test; statistical energy analysis method (SEA)

U661.44

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.05.020

2017-07-12

傅斌(1971—)：男，硕士，高级工程师，主要研究领域为船舶检验及结构振动与噪声控制