基于統計能量法的海洋平臺艙室噪聲預報及控制

尤小健，劉依明，董 斌，端木晚露

(武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064)

0 引 言

船舶艙室噪聲過高不僅會對船員的健康產生威脅，同時也會導致船上結構發生疲勞破壞，影響船上電子電氣設備的正常運轉。國際海事組織（IMO）以MSC.337（91）決議通過了《船上噪聲等級規則》（以下簡稱《規則》），并將《規則》作為強制要求。艙室噪聲問題引起了高度重視，控制船舶艙室噪聲刻不容緩。

在船舶設計階段對艙室噪聲進行預報和控制，能顯著改善艙室噪聲水平的同時，成本也遠低于建造后期采取一系列降噪措施。目前，普遍采用統計能量法進行艙室噪聲預報[1–5]。

為了更好的配合公約實施，提升我國船舶的噪聲控制水平，船級社結合我國造船實際編制了《船舶及產品噪聲控制與檢測指南》[6]（以下簡稱《指南》）。本文將基于此《指南》中的要求，對某型海洋平臺進行艙室噪聲預報與控制研究，同時對4組不同的內損耗因子進行討論，按照規范限值對艙室噪聲進行評估，通過分析超標艙室的噪聲來源，采取有效的控制手段，為此平臺的降噪設計提供參考依據，具有工程實用價值。

1 統計能量法基本原理

統計能量法（SEA）是基于統計學的基本思想，將復雜的結構劃分成一系列子系統，以各子系統的能量作為基本變量建立各功率流平衡方程，求得各子系統的能量分布，再進一步換算得到聲壓級、加速度級等。

對于具有N個子系統的SEA模型來說，各子系統的輸入功率與輸出功率保持平衡。對于子系統i，功率流方程如下：

式中，為子系統i 的輸入功率；為子系統i的損耗功率，為分析頻率，為子系統i的內損耗因子，為子系統i 的能量；為子系統傳遞到子系統i 的功率，為子系統i到子系統的耦合損耗因子，為子系統到子系統i的耦合損耗因子，為子系統的能量。統計能量法假設不同的子系統之間遵守互易原理，即

聯立所有子系統的功率流方程，得到整個SEA系統的能量方程如下：

求解此能量方程，即可得到各子系統的能量。對于質量為的結構子系統，能量與其均方振速成比例，即對于質量為、空間聲場聲阻抗為的聲學子系統，能量與其聲壓成比例，即

2 計算實例

2.1 建立海洋平臺的SEA模型

結合《指南》中的要求，在VAONE軟件中建立平臺的SEA模型，共有529個子系統，包括441個結構子系統和88個聲腔子系統。圖1為SEA模型示意圖。圖2為SEA模型縮放圖。

2.2 確定SEA參數

圖 1 海洋平臺SEA模型Fig. 1 SEA model of offshore platform

圖 2 SEA模型縮放圖Fig. 2 Shrink view of SEA model

1）輸入功率

統計能量法的輸入以功率的形式出現。本平臺主要的噪聲源是主機和輔機。主、輔機運轉時，直接向空氣介質輻射空氣噪聲，計算時以聲功率級的形式加載在聲腔子系統上；同時，主、輔機運轉時產生的振動由機腳向船體傳遞，引起結構噪聲，計算時以加速度級的形式加載在船體結構子系統上。

通常，設備的輸入功率應該是廠家提供的實測數據。當廠家無法提供實測數據時，可根據經驗公式估算。本平臺主、輔機的輸入功率根據《指南》中給出的經驗公式估算。

2）模態密度

統計能量法解決復雜結構的耦合動力學問題主要是基于高頻時結構模態比較密集這一特性。當子系統在計算頻帶內的模態數越多，即模態密度越高，統計能量法的計算結果越準確?！吨改稀芬幎?，各子系統在分析帶寬內的模態數目應大于5。本次計算選用倍頻程作為分析類型，計算頻率范圍為63～8 000 Hz，此頻段內各子系統的模態數均大于5，符合《指南》規定。

3）內損耗因子

內損耗因子是指子系統在單位時間內、單位頻率上損耗的能量與平均存儲能量的比值，包括結構內損耗因子和聲腔內損耗因子，目前普遍采用經驗公式進行估算。大部分船體的結構為鋼材，鋼材的內損耗因子的經驗公式[7]為聲腔的內損耗因子的經驗公式[8]為其中，為介質中的聲速；為聲腔的表面積；為艙壁的平均吸聲系數，一般取0.01；為聲腔的體積。

《指南》給出了鋼結構的內損耗因子和艙室的折合吸聲系數，與文獻經驗公式的值存在差異。文獻[1 –3]均未對內損耗因子的取值進行說明；文獻[5]的內損耗因子采用文獻[7–8]中的經驗公式值；文獻[4]中的鋼板內損耗因子采用船級社建議值，沒有內飾板的聲腔子系統的內損耗因子采用文獻[8]中的經驗公式值，而有內飾板的聲腔子系統的內損耗因子采用船級社建議的吸聲系數，但并未將采用經驗公式值和船級社建議值的預報結果進行比較分析，本文將對此進行比較分析。

4）耦合損耗因子

耦合損耗因子是描述SEA模型各子系統之間強弱耦合程度的參數。由于結構形式復雜，工藝多樣，工程上確定耦合耗損因子十分困難，所以實際應用時會將耦合簡化成點、線、面這些典型的連接形式，再通過解析法得到耦合損耗因子。VAONE軟件能計算耦合損耗因子，一般直接采用此值。

2.3 內損耗因子的選取

鋼板結構和聲腔的內損耗因子各存在船級社《指南》建議值和文獻經驗公式值2組取值，可分為4組工況，計算工況見表1。

表 1 計算工況Tab. 1 Calculation conditions

本文關注的重點艙室為主、輔機艙和綜合控制室，圖3～圖5為這3個艙室在4組工況下的A計權噪聲級（SPL（A））曲線。

從圖3～圖5可知，鋼板內損耗因子對目標艙室噪聲級的影響較小，影響范圍約0～10 dB，且隨著頻率的升高而變??；聲腔內損耗因子的取值對目標艙室噪聲級的影響較大，影響范圍約3～15 dB，且隨著頻率的升高而變大。當聲腔內損耗因子采用文獻經驗公式值時，目標艙室噪聲級明顯大于采用《指南》建議值的情況。這是因為文獻經驗公式值沒有考慮艙室內裝結構的吸聲作用，而《指南》建議值進行了考慮，因此《指南》建議值計算得到的艙室噪聲級結果更小，更符合實際。

圖 3 主機艙噪聲級曲線（A計權）Fig. 3 SPL(A) of main engine room

圖 4 輔機艙噪聲級（A計權）曲線Fig. 4 SPL(A) of auxiliary engine room

圖 5 綜合控制室噪聲級（A計權）曲線Fig. 5 SPL(A) of comprehensive control room

在船舶設計初期，各艙室的內裝結構尚不明確，但其吸聲作用又不可忽略，同時考慮到船舶入級的問題，建議內損耗因子按照船級社《指南》取值，預報噪聲級更符合實際情況。本文中內損耗因子按照船級社《指南》取值，即采取工況1進行計算。

3 噪聲級評估與控制

船級社《指南》沿用IMO《規則》中的各艙室的噪聲級限值，按照此限值評估本平臺的重點艙室，表2為評估結果。從表2中數據來看，綜合控制室的噪聲級超過限值要求，需要對其進行噪聲控制處理。

表 2 重點艙室噪聲級（A計權）評估Tab. 2 Assessment of important cabins′ SPL(A)

分析綜合控制室的噪聲能量輸入的主要來源，可以有針對性地對其進行噪聲控制，提高效率，達到事半功倍的效果。圖6為同時加載結構和空氣噪聲激勵、只加載結構噪聲激勵和只加載空氣噪聲激勵這3種加載情況下綜合控制室的噪聲級?？梢钥吹?，結構噪聲激勵為綜合控制室噪聲能量的主要來源。

圖 6 不同激勵下綜合控制室噪聲級（A計權）比較Fig. 6 Comparison of SPL(A) of comprehensive control room with different excitations

結構噪聲由機械設備運轉產生，沿著船體結構向外傳遞，最有效的控制方法是采用隔振技術，在設備和基座之間安裝隔振器，減少振動能量的輸入，從而有效降低結構噪聲。因此，本文將在主、輔機和船體之間安裝隔振器來進行噪聲控制。減振處理前后綜合控制室的噪聲級見表3。經過減振處理后，綜合控制室噪聲級明顯降低，約4～20 dB，且隨著頻率的升高，降低效果增強。減振處理后，綜合控制室的噪聲級總級下降了12.55 dB，減小為74.66 dB，小于噪聲級限值75 dB，滿足規范要求。

經過隔振技術處理后，綜合控制室的噪聲級略小于規范要求。當對綜合控制室的噪聲級有更嚴格的要求時，可以采取阻尼減振技術降低其結構噪聲，即在板上敷設阻尼材料，阻尼材料耗散振動能量，減少振動響應，從而減少結構噪聲的傳遞。阻尼材料通常是內損耗、內摩擦大的材料，如瀝青、橡膠以及其他一些高分子涂料。

現分別采取在綜合控制室內部敷設50 mm的硬橡膠、50 mm的玻璃纖維和50 mm的聚氨酯這3種阻尼敷設方案，這3種方案下綜合控制室的噪聲級見表4。

由表4中數據可得，這3種阻尼敷設方案對高頻噪聲的降噪效果更為明顯，且隨著頻率升高，降噪效果增強。從噪聲總級上來看，50 mm硬橡膠的降噪效果最好，為4.37 dB；玻璃纖維的降噪效果最差，為2.76 dB；聚氨酯的降噪效果為3.06 dB。但硬橡膠的單位面積重量為55 kg/m2，玻璃纖維的單位面積重量為0.275 kg/m2，聚氨酯的單位面積重量為1.1 kg/m2，即硬橡膠的降噪效果略小于玻璃纖維與聚氨酯，但其增加的重量分別是玻璃纖維的200倍和聚氨酯的50倍。在實際應用中，應綜合權衡不同降噪材料的降噪效果和重量，選取最優方案。

表 3 減振處理前后綜合控制室噪聲級（A計權）Tab. 3 SPL(A) of comprehensive control room before and after vibration damping

表 4 三種阻尼敷設方案下綜合控制室的噪聲級（A計權）Tab. 4 SPL(A) of comprehensive control room of 3 damping laying schemes

4 結 語

本文基于統計能量法，通過VAONE軟件對某新型海洋平臺進行艙室噪聲預報。將4種工況下的內損耗因子的預報結果進行比較，并通過分析超標艙室的噪聲來源提出有效的控制措施，得到以下結論：

1）鋼板內損耗因子的取值對目標艙室噪聲級的影響范圍約0～10 dB，聲腔內損耗因子的取值對目標艙室噪聲級的影響范圍約3～15 dB，考慮到艙室內裝的吸聲作用，以及后期船舶入級的問題，建議按照船級社指南取值。

2）在設備與船體之間安裝隔振器，能有效降低結構噪聲占主導作用的艙室噪聲，本文在主、輔機與船體之間安裝隔振器，使綜合控制室的總噪聲級降低了12.55 dB。

3）50 mm硬橡膠的降噪效果最好，為4.37 dB；玻璃纖維的降噪效果最差，為2.76 dB；聚氨酯的降噪效果為3.06 dB。但硬橡膠增加的重量分別是玻璃纖維的200倍和聚氨酯的50倍。在實際應用中，應綜合權衡不同降噪材料的降噪效果和重量，選取最優方案。

[1] 邱斌, 吳衛國, 劉愷. 高速船全頻段艙室噪聲仿真預報[J]. 中國艦船研究, 2011, 6(6): 49–53.QIU Bin, WU Wei-guo, LIU Kai. Full spectrum simulation prediction of high-speed vessel cabin noise[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2011, 6(6): 49-53.

[2] 邵亮. 統計能量法在船舶艙室噪聲預報中的應用[J]. 艦船科學技術, 2012, 34(5): 98–100.SHAO Liang. Prediction and research of ship cabin noise with statistical energy analysis[J]. Ship Science and Technology,2012, 34(5): 98-100.

[3] 夏代波, 季振林, 劉洋, 等. 三體高速船艙室噪聲預報與控制[J]. 噪聲與振動控制, 2014, 34(2): 119–122.XIA Dai-bo, JI Zhen-lin, LIU Yang, et al. Prediction and control of cabin's noise of a three-hulled high-speed ship[J]. Noise &Vibration Control, 2014, 34(2):119-122.

[4] 劉琨, 潘溜溜, 徐智言. 油船居住艙室噪聲預報分析[J]. 噪聲與振動控制, 2016, 36(5): 94–98.LIU Kun, PAN Liu-liu, XU Zhi-yan. Prediction and analysis of cabin noise of a crude oil tanker[J]. Noise & Vibration Control,2016, 36(5): 94-98.

[5] 劉磊. 基于國際噪聲新規范的船舶艙室噪聲測試與計算方法研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2013.

[6] 中國船級社(CCS). 船舶及產品噪聲控制與檢測指南[R]. 北京, 中國船級社, 2013.

[7] HYNNA P, KLINGE P, NIEMINEN M. Statistical energy analysis with finite element model for noise prediction in ships[C]// Stockholm, Sweden: International Cooperation on Marine Engineering Systems(ICMES), 1987.

[8] PLUNT J, Methods for predicting noise levels in ships:Experiences from emirical and sea calculation methods[M].Noise level prediction methods for ships, based on empirical and data, 1980.