游艇主要噪声声源对舱室噪声影响研究与分析

来源：核心期刊咨询网时间：2019-06-24 10:0612

摘要：摘 要：为了研究螺旋桨结构噪声、螺旋桨水噪声、主机结构噪声和主机空气噪声等主要噪声源对游艇舱室噪声的影响，建立了基于统计能量法的舱室噪声预报模型。分析了游艇主要噪声源螺旋桨结构噪声、螺旋桨水噪声、主机结构噪声和主机空气噪声对游艇主要舱室噪声

　　摘 要：为了研究螺旋桨结构噪声、螺旋桨水噪声、主机结构噪声和主机空气噪声等主要噪声源对游艇舱室噪声的影响，建立了基于统计能量法的舱室噪声预报模型。分析了游艇主要噪声源螺旋桨结构噪声、螺旋桨水噪声、主机结构噪声和主机空气噪声对游艇主要舱室噪声的贡献值。预报结果表明：螺旋桨及主机结构噪声对舱室的影响大小与舱室和噪声源的距离成反比，随着距离增加，噪声显著下降;螺旋槳水噪声通过舷外水传播，主要影响邻近的舱室;主机空气噪声主要影响机舱，对相邻舱的影响显著下降。研究结果可为游艇减振降噪提供噪声声源治理的优化方案。

　　关键词：统计能量法;噪声声源;舱室噪声

　　1 引言

　　游艇通常用于商务活动及休闲、娱乐，具有较高的时尚性和舒适性，对噪声性能要求甚高。据统计，在已建好的游艇上安装声学器材的代价约为设计中预先采取措施所需费用的3倍左右。因此，在游艇设计阶段对舱室噪声进行预报，使噪声水平满足任务书和相应标准的要求是很有必要的。在设计阶段对舱室噪声进行预报并提出声学设计的改进措施，对缩短生产周期、降低成本、提高游艇舒适性有着非常重要的作用。中国船级社对船舶产品噪声控制制定了预报及检测指南，为船舶噪声预报及研究提供了行业指导方法和思路[1]。

　　船舶舱室噪声的预报方法及减振降噪优化设计已成为现阶段学术界及工程界的研究热点之一。邱斌[2]、李峰[3]、徐伟[4]、王充[5]、范明伟[6]、冯博[7]及刘锟[8]等采用统计能量分析法(SEA)对游艇及船舶进行舱室噪声预报，从预报结果来看，满足了工程精度的要求;张桂臣[9]采用“源-路径-接受点” 系统分析法，结合房间声学提出了一套经验型的船舶舱室噪声快速预报方法。欧礼坚[10]经过对比分析，认为经验法预报舱室噪声非常高效，但精度较差;而统计能量法预报舱室噪声精度较高。因此，本文应用统计能量法建立游艇舱室噪声预报模型，分析游艇主要声源(螺旋桨结构噪声、螺旋桨水噪声、主机结构噪声和主机空气噪声)对游艇主要舱室噪声的贡献值，并分析各个舱室的主要声源，从噪声声源治理的角度出发，为游艇减振降噪优化设计提供可行方案。

　　2 统计能量分析法的基本原理

　　统计能量分析方法运用统计的观点，从能量角度分析复杂结构在外载荷作用下的响应，预测耦合结构元件和声学容积的振动和噪声，解决声场与结构间的耦合问题。统计能量法以统计物理学原理为基础，将复杂结构分解成一系列子系统，以每一个子系统内的能量作为其基本变量。

　　统计能量分析法的基本关系方程是在弱耦合、保守耦合、激励源不相关等假设条件下建立的。在各子系统的激励相互独立且保守弱耦合情况下，稳态响应时的功率流平衡方程为：

　　SEA包含“统计”、“能量”和“分析”三方面内容：“统计”表示SEA运用了数学统计方面的思想，用从研究系统取出来的随机变量的标准偏差和平均值来表达预示的结果。也就是说，SEA虽然不能准确给出每一个子系统的动力学响应状态，但能从统计意义上预示整个子系统的平均动力学响应;“能量”是指使用能量作为系统变量来表征动力学子系统所处的状态，用包含声压级、应力和压力等动力学参数的能量平衡方程来描述系统模型中各子系统之间的藕合作用;“分析”主要是指一些统计能量分析的参数，如输入功率、模态密度、内损耗因子η、舱室的吸声系数α等几何与材料特性等，都是与所研究的动力学系统相关的函数。

　　3 模型建立及预报计算

　　3.1 目标游艇的主要参数

　　某游艇总布置如图1：总长 26.00 m、水线长 22.30 m、型宽 5.80 m、型深 2.90 m、设计吃水 1.00 m;设有水手房、机舱、 KTV室、客房、主人房和沙龙等;采用双机双桨推进，主机额定功率1 200 HP、额定转速2300 r/min、减速比1.97：1;螺旋桨直径0.80 m、螺距0.82 m、叶数为5。

　　3.2 主要噪声源强度估算

　　游艇不但受到船体周围水流的不规则随机激励作用，而且也受到舱内机器设备发出的激励作用。通常，机舱内主机结构声及空气声属于主要声源，齿轮箱和发电机等设备声属于次要声源可以忽略。因此，游艇舱室噪聲的预报，主要考虑主机和螺旋桨两大主要噪声源的作用。

　　声源的噪声级频谱或总声级最好采用实测数据，在实测数据缺乏的情况下，可以采用文献[1]中的方法进行估算。

　　3.3 舱室噪声模型建立

　　运用全频振动噪声仿真分析软件VAOne进行建模及计算分析。首先，采用 ANSYS 建立几何模型，将几何模型划分为有限元网格;其次，在 VAOne 里导入网格，生成 SEA 模型，定义各种材料的属性及各种加筋板，将它们赋予给对应的子系统;最后，定义各类设备的空气噪声和结构噪声，输入或约束到对应子系统。

　　建立好SEA模型后，进行噪声预报时需要设置一些参数，像内损耗因子、耦合损耗因子和噪声源激励等：

　　(1)内损耗因子

　　指单位频率单位时间内损耗的能力与平均存储的能力的比值。主要包括三个部分：因摩擦形成的内损耗因子;因振动向环境进行声辐射的阻尼形成的内损耗因子;因边界连接阻尼形成的内损耗因子。这三个部分是互相独立的，可以线性叠加得到总内损耗因子。

　　(2)耦合损耗因子

　　指两个系统振动时能量流的关系，表征被直接激励的子系统的能量传到被间接激励的子系统的量。它代表了两个系统耦合程度的强弱，只有在振动能量传递时才会体现出来。

　　各噪声源作用下各舱室的噪声数值，可根据[1]中的经验公式进行估算，如表1所列。

　　3.4 噪声源对舱室噪声贡献值计算及优化设计

　　计算模型如图2。分别在模型上施加螺旋桨结构噪声、螺旋桨水噪声、主机结构噪声和主机空气噪声进行计算，获得4种声源作用下各舱室的声压级(见表1)。

　　螺旋桨距水手房最近、距主人房最远，螺旋桨结构噪声对水手房影响最大、对主人房影响最小;主机与水手房和KTV房距离基本一样;主机结构噪声对该2个舱室的影响基本一样，主机与主人房之间的距离最大，结构噪声的贡献值最小。因此，结构噪声对舱室的影响大小与舱室和声源的距离成反比，随着距离增加，结构噪声显著下降;螺旋桨水噪声通过舷外水传播，主要影响邻近的舱室，如水手房及机舱;主机空气噪声主要影响机舱，对相邻舱及相隔舱的贡献值显著下降。计算结果表明，游艇舱室噪声的主要声源为：螺旋桨水噪声、主机结构噪声和主机空气噪声。

　　推荐阅读：《世界海运》(月刊)创刊于1978年，是经国家科技部和新闻出版署批准，交通部主管，大连海事大学主办，大连海事大学出版社出版的综合性海运科技刊物。

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