第１４卷第５期 ２０１０年５月 文章编号：１００７—７２９４（２０１０）０５—０５３９～１０ 船舶力学 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｈｉｐ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ Ｖｏ１．１４ Ｎｏ．５ Ｍａｙ ２０１０ 船舶声学建模和阻尼结构对舱室噪声影响研究 于大鹏 ，一，赵德有 ，汪 玉 （１大连理工大学船舶工程系，辽宁大连１１６０８５；２海军装备研究院舰船所，北京１００１６１） 摘要：利用基于统计能量分析方法的商用软件ＡｕｔｏＳＥＡ２，对船舶结构进行三维声学建模。计算分析表明：在激励 源所在舱室敷没阻尼材料，不会明显降低此舱室噪声，但对其它舱室有降噪作用，并且自由阻尼材料比约束阻尼 材料效果更好；在非激励源舱室敷设阻尼材料，能起到降噪作用，并且约束阻尼材料比自由阻尼材料效果更好。 而后探讨不同声学模型对船舶舱室噪声影响：空气噪声激励对激励所在舱室声腔子系统噪声响应影响显著，结构 噪声激励则对远离激励的舱室声腔子系统影响比较明显；加筋板结构对船舶舱室降噪略有作用；船舶舱底是否 加载压载油、水，对船舶舱室噪声无明显影响。 关键词：统计能量分析；舱室噪声；阻尼材料；约束阻尼；自由阻尼；降噪 中图分类号：ＴＢ５３ 文献标识码：Ａ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ０ｆ ｄａｍｐｅｄ ｍａｔｅｒｉａｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｈｉｐ ｍｏｄｅｌ ０ｆ ａｃｏｕｓｔｉｃ ０ｎ ｔｈｅ ｓｈｉｐ Ｃａｂｉｎ ｎｏｉｓｅ ‘● Ｊ＿ ● ● ｌ ● ● ＹＵ Ｄａ－ｐｅｎｇ ２，ＺｔｔＡ０ Ｄｅ－ｙｏｕ ，ＷＡＮＧ Ｙｕ （１ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｎａｖａｌ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，Ｄａｌｉａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｄａｌｉａｎ １ １６０８５，Ｃｈｉｎａ； ２ Ｎａｖａｌ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ａｒｍａｍｅｎｔ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１６１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ３－Ｄ ｓｈｉｐ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｂｕｉｌｔ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ ｅｎｅｒｇｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ，ｉｆ ｈｅ ｅｎｇｉｔｎｅ ｒｏｏｍ ｉｓ ｌａｉｄ ｂｙ ｄａｍｐｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ，ｉｔｓ ｎｏｉｓｅ ｗｏｕｌｄ ｎｏｔ ｂｅ ｒｅｄｕｃｅｄ， ｂｕｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｏｔｈｅｒ ｃａｂｉｎ ｎｏｉｓｅ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ｒｅｄｕｃｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｌｅｅ ｄａｍｐｉｆｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ ｉｓ ｂｅｔｔｅｒ，ａｓ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ ｄａｍｐｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａ１．Ｉｆ ｈｅ ｃａｂｉｔｎ ｗｈｅｒｅ ｉｓ ｎｏｔ ａｎｙ ｅｘｃｉｔｉｎｇ ｓｏｕｒｃｅ ｉｓ ｌａｉｄ ｂｙ ｄａｍｐｉｎｇ ｍａｔｅｒｉｌ，ｉａｔｓ ｎｏｉｓｅ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ｒｅｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｓｐａｃｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｉｎｔａ ｄａｍｐｉｎｇ ｍａｔｅｒｉｌａ ｗｏｒｋｓ ｂｅｔｔｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｆｒｅｅ ｄａｍｐｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａ１．Ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｌｓｏ ｄｉｓｐｌａｙｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｑｕｉｔｅ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ ａｆｆｅｃｔｓ ｔｈｅ ｓｏｕｎｄ ｌｅｖｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｂｉｎ ｉｎ ｗｈｉｃｈ ｔｈｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｅｘｉｓｔｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ ｉｍｐａｃｔｓ ｔｈｅ ｃａｂｉｎ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｆａｒ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅ ｉｓ ｏｎｌｙ ａ ｌｉｔｔｌｅ ａｃｔｉｏｎ ｏｎ ｎｏｉｓｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｂｙ ｓｔｉｆｆｅｎｅｄ ｐｌａｔｅ，ａｎｄ ｔｈｅｒｅ ｉｓ ｎｏ ａｃｔｉｏｎ ｏｎ ｎｏｉｓｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｂｙ ｔｈｅ ｂａｌｌａｓｔ ｗａｔｅｒ ａｎｄ ｂａｌｌａｓｔ ｏｉｌ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ ｅｎｅｒｇｙ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｃａｂｉｎ ｎｏｉｓｅ；ｄａｍｐｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ；ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ ｄａｍｐ； ｒｅｅ ｄａｍｐ；ｎｏｉｓｅ ｒｅｄｕｃｔｉｆｏｎ １引 言 船舶声学设计的基本原则是在船舶设计的早期就要考虑降噪的要求，其既包括在船舶设计的早期 阶段选择声学上最佳的船舶建造型式［１＿２】，也包括阻尼减振技术［３１。 收稿日期：２００９—１０—１ｌ 作者简介：于大鹏（１９８０一），男，博士，海军装备研究院。 船舶力学 第１４卷第５期 对船舶结构声学数值分析方法可以分为两大类：离散法和能量法。能量法与离散法相比较而言，更 适用于中、高频激励作用下模态密集的结构振动与声学的计算分析 。 统计能量分析法是应用统计学观点，从能量的角度来分析复杂结构外载荷作用下的响应，它运用 能量流关系式对复杂结构进行动力特性、振动响应及声辐射的模拟和预测。而且，由于统计能量分析 方法在某种程度上忽略了复杂结构的具体细节，同时很好地解决了声场与结构间的耦合问题，因而 使得统计能量分析方法在结构设计之初，在无法得知具体结构、受力细节情况下，也能有效地预估结构 的振动和声学特性。随着计算机技术的发展，目前已出现了较成熟的统计能量分析软件，如美国Ｖｉｂｒｏ－ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ公司开发的ＡｕｔｏＳＥＡ２软件 。 ２统计能量分析基本原理 根据统计能量分析模型中每个子系统模态密度 ∽的大小或带宽 内振型数Ｎ＝ｎ∽ｘＡｆ的多 少，可把所研究对象的频率范围划分为低频区（Ｎ＜Ｉ），中频区（１＜Ｎ＜５），高频区（Ｎ＞５）［５－６１。按目前统计 能量分析发展的水平，统计能量分析适用于解决高频区内的复杂系统动力学问题。其分析的目标不是 每个模态的精确响应，而是整个模态集合在统计意义上的平均响应水平。 对第ｉ个子系统，其内部损耗功率 ＝ｗｒ／ Ｅ ，其中，内部损耗因子ｒ／ｉ由阻尼损耗因子，结构声辐射 损耗因子和边界连接损耗因子三种因素组合而成。ｉ子系统向Ｊ．子系统的功率流为： ＝ Ｅ （１１ 式中：∞为频带的几何平均中心频率；叼 ， “为两子结构问耦合损耗因子；Ｅ ， 为两种子结构的实际时 平均能量； ｒｔｉ＇ｒ／ ＝ 式中：凡 ， ，为模态密度； ，ｖ （２） Ｐ ｎ＝Ｐａ＋ ：Ｐｌｉ （３● １．』≠ｉ 式中： ． 为第ｉ子系统的输入功率； 为内部损耗功率； 为耦合损耗功率： Ｎ Ｎ Ｎ ＪＰ＝－． ＝ ＋∑（ ７７ Ｅｉ－ｏ）７－１ｊｉＥ￣）＝ ∑叼 Ｅｉ－０９∑ Ｅｉ ｋ＝ｌ ／＝ｌ，Ｊ １ （４） 代入ｎ 叼 ＝ｎｆ７７Ⅳ关系，可得到如下统计能量分析系统方程： １，凡１ Ｅ２ｆｎ２ Ｐ２ ∞【Ａ］ ＥＮ｜ｎＮ （－ｒｈ２ｎ￣， （一叼１』ｖｒｂ１） （一 ２＇】ｖｎ２） （ ） （７／２＋∑ ）ｎ 【Ａ］＝ ＾ ≠２ ， （一 Ⅳ１ ） ・ ｆｌ Ⅳ十厶 １ ＼ ｉ＃Ｎ ｍ ／ Ｊ 第５期 于大鹏等：船舶声学建模和阻尼结构… ５４１ 声腔子系统质点振动速度、声压和能量之间的关系式： 瓦 式表示： ， ， 对于阻尼系统，在统计能量分析中通常定义阻尼损失因子。某子系统的阻尼损失因子可以通过下 （８） 式中：Ⅱ 某频带阻尼引起的功率损失；ｏ某频带的中心频率；ｔＥ某频带子系统振动能量； 通过计算将阻尼损失因子代入统计能量分析系统分析方程（５），求解方程得到各子系统的能量， 再利用声腔子系统质点振动速度、声压和能量之间关系式（７）求出某声腔子系统的声压。 ３敷设阻尼结构板的数值模拟过程验证 本文对ｌｍｘｌｍｘＯ．Ｏ０３ｍ的铝板结构敷设０．００６ｍ厚的橡胶类阻尼材料，将敷设阻尼材料铝板结构 置于隔声室中，分别测量发声室和受声室的声压级响应，与数值模拟过程进行比较。 本试验采用Ｂ＆Ｋ公司的ＰＵＬＳＥ声学测量系统，包括Ｂ＆Ｋ Ｃｈａｒｇｅ Ａｍｐｌｉｉｆｅｒ Ｔｙｐｅ ２６３５型电荷放大 器，Ｉｎｐｕｔ／Ｏｕｔｐｕｔ Ｍｏｄｕｌｅ Ｔｙｐｅ ３０３２Ａ型数据采集前端，笔记本１台［９１。分别在发声室和受声室中布置 Ｆｒｅｅ—ｆｉｅｌｄ １／２”Ｍｉｃｒｏｐｈｏｎｅ Ｔｙｐｅ ４１９０传感器，发声室布置Ｏｍｎｉｐｏｗｅｒ ４２９６空气声源。隔声室背景噪声 见表１和表２。 表１发声窒背景噪声 Ｔａｂ．１ Ｔｈｅ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｎｏｉｓｅ ｏｆ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｒｏｏｍ 图１阻尼材料铝板声学计算模型 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｄａｍｐｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｐｌａｔｅ 图２隔声室声学计算模型 Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ｓｏｕｎｄ ｒｏｏｍ ５４２ 船舶力学 第１４卷第５期 敷没阻尼材料铝板錾本物理参数：铝板密度２ ７００ｋｇ／ｍ ；铝板拉伸模量７．１ｘｌＯ Ｐａ；铝板剪切模量 ２．６７ｘ１０ ０Ｉ）ａ；铝板泊松比０．３２９ ６；橡胶材料密度ｌ ｌＯＯｋｇ／ｍ。；橡胶材料拉仲模量２．３ｘ１０９Ｐａ；橡胶材料剪 切模量７．７２ｘ１０Ｓｐａ；泊松比０．４８９ ６。 图２中：Ａ一为发声室计算模型；ｒ一为受声室计算模型。 对隔声室及敷设阻尼材料铝板应用基于统计能量分析软件ＡｕｔｏＳＥＡ２建立声学计算模型如图１ 和图２。 比较敷设阻尼材料铝板数值模拟结果和试验测量结果，如图３、 ４所示。计算结果与试验数据能 够比较好的吻合，所以，数值模拟方法可以刚于敷设阻尼材料对船舶舱室噪声的影响研究。 ５０ ４０ Ｈ ∞５０ 刍 甚２。 量 １０ ０ ５００ ｉ０００ １５（１０ ２０００ ２５００ ３０００ ＢＳＯ０ ４０００ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ 图３裸露 板情形实验值与计算值比较 Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｔ’ｔｅｓｔ ｖａｌｕｅ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｖａｌｕｅ ｉｎ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｐｌａｎｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ 图４敷设『５Ｉｌ尼材料情形实验值与计算值比较 Ｆｉｇ．４ ｒｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｔｅｓｔ ｖａｌｕｅ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｖａｌｕｅ ｉｎ ｄａｍｐｉｎｇ ｐａｔｅｒｉａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ 表１、表２、图３和图４中的噪声测量数据经过ＣＰＢ分析，参考声压 ＝２ｘ１０ Ｐａ。 ４阻尼结构对舱室噪声影响研究 ４．１声学数值模拟模型 为探讨问题方便起见，本文首先建立简化的船舶声学数值模拟模型。 利用基于统计能量分析原理软件ＡｕｔｏＳＥＡ２进行三维声学 建模，采用粘弹性阻尼材料以及板、壳、梁、圆筒、空气声腔和流 体声腔等统计能量分析子系统来模拟船舶结构，本文给定结构 噪声激励和空气噪声激励，数值模拟模型如图５所示。 首先只采用板、壳、梁、圆筒、空气声腔和流体声腔等统计 能量分析子系统米模拟船舶裸露钢板结构，而后在船舶的一些 特定位置，加上不同类型的阻尼材料，探讨阻尼材料对船舶舱 室噪声的影响，为船舶结构合理敷设阻尼材料，降低船舶舱室 噪声提供借鉴。 图５数值模拟声学模型 数值模拟模型山下到上依次分为１～７层，本文只研究第二 Ｆｉｇ．５ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｍｏｄｅｌ 层甲板舱室２—２ｌ（激励源所在舱室）、第七层甲板舱室７—２２和第八层甲板舱室８－１ｌ的舱室噪声。 ４．２机舱敷设阻尼材料对船舶舱室噪声影响分析 钢板越本物理属性：密度ｐ＝７ ８００ｋｇ／ｍ ；拉仲模量２．１ｘｌＯ“Ｐａ；剪切模量８ｘ１０ Ｐａ；泊松比ｖ＝Ｏ．３１２ ５； 钢板厚度０．Ｏ０５ｍ。自由ｆｊ』ｌ尼材料物理属性：密度ｐ＝ｌ Ｏ００ｋｇ／ｍ。；泊松比ｖ＝Ｏ．４９；剪切模量０．１ＭＰａ；阻尼损 失比７７∽＝５０％；『５Ｉｌ尼层厚度０．Ｏｌｍ。约束阻尼材料物理属性：阻尼层在中问，约束层分别为船舶钢板 厚度的１／２；密度，）＝１ ０００ｋｇ／ｍ。；泊松比ｖ＝０．４９；剪切模量０．１ＭＰａ；阻尼损失比＇７∽＝５Ｏ％；阻尼层厚 度Ｏ．Ｏｌｉｎ。在舱室２—２ｌ施加结构噪声激励倍频程速度幅值０．５ ｍ／ｓ和空气噪声激励倍频程声压级幅值 ｌＯＯｄＢ。 第５期 计算模型： 于大鹏等：船舶声学建模和阻尼结构． ５４３ Ｓ一０：裸板船舶结构计算模型： Ｓ一１：对整个机舱敷设自由阻尼材料（包括上下甲板、整个围壁）计算模型： Ｓ一２：对整个机舱敷设约束阻尼材料（包括上下甲板、整个围壁）计算模型； Ｓ一３：只对整个机舱围壁和下甲板敷设自由阻尼材料的计算模型： Ｓ一４：只对整个机舱围壁和下甲板敷设约束阻尼材料的计算模型： Ｓ一５：只对１ｍ以下机舱围壁和下甲板敷设自由阻尼材料的计算模型： Ｓ－６：只对ｌｍ以下机舱围壁和下甲板敷设约束阻尼材料的计算模型 ４．２．１激励源所在舱室噪声数值预报 通过表３所示，可以发现：激励源所在舱室在计算频域内声压值不发生变化。尽管此舱室是一个混 响空间．然而整个舱室声腔子系统被作为一个统计能量分析子系统进行数值分析．噪声响应基本上是 直达声．其对阻尼层边界条件并不敏感 表３ ２—２１舱室声压级 Ｔａｂ．３ Ｔｈｅ ｃａｂｉｎ ２－２１ ｓｏｕｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｌｅｖｅｌ ４．２．２非激励源舱室噪声数值预报 通过图６和图７，可以看到：在激励源所在舱室区域敷设自由阻尼材料．对于非激励源舱室７—２２ 和８—１１的声压响应有明显降低，而且高频区域比低频区域更加明显，因为对船舶结构敷设阻尼材料， 耗散了结构振动能量．相当于增大了船舶结构的结构阻尼。另外。通过图表还可以发现，在激励源所在 舱室区域敷设自由阻尼材料比敷设约束阻尼材料效果更好，因为在结构激励区域，自由阻尼材料对增 大结构阻尼效果更明显．所以其减振降噪效果更好 一■一Ｓ＿０ ●一Ｓ一１ ／ 。 ‘▲一Ｓ—２ Ｔ—Ｓ．３ ｉ ＼ ！． ／ 蔷 ００ 磐 吾 等４０ 可 ＼＝；一 ： ● 、 ‘ ７ ＼毒 ２０ 们 ＼ ｌ Ｉ Ｉ’。 ’。。 ’。。。 、 ： ’：： ：：： Ｏｃｔａｖｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ０ｃｔａｖｅ ｆｒｅｑｕｅＦｉｃ ｖ 图６ ７—２２舱室声压级 Ｆｉｇ．６ Ｔｈｅ ｃａｂｉｎ ７－２２ ｓｏｕｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｌｅｖｅｌ 图７ ８—１１舱室声压级 Ｆｉｇ．７ Ｔｈｅ ｃａｂｉｎ ８－１ １ ｓｏｕｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｌｅｖｅｌ 另外，计算模型Ｓ－１和Ｓ一３一即在整个激励源所在舱室（上下甲板、整个围壁）敷设阻尼材料，对船舶 舱室减振降噪效果最好：而其它敷设方法：在整个围壁和下甲板敷设阻尼材料和在１ｍ以下舱室围壁 与下甲板敷设阻尼材料，对船舶舱室噪声响应的影响相差不大。所以，在满足工程要求的基础上．考虑 施工工艺和经济性，只在激励所在舱室围壁一定高度以下与下甲板敷设阻尼材料就可以达到降噪目的 船舶力学 ４．３非激励源舱室敷设阻尼材料噪声影响分析 第ｌ４卷第５期 钢板基本物理属性：密度ｐ＝７ ８００ｋｇ／ｍ３；拉伸模量２．］￣１０１１ｐａ；剪切模量８ｘｌ０１￣ｐａ；泊松比ｖ＝０．３１２ ５； 钢板厚度０．００５ｍ。在舱室２—２１施加结构噪声激励倍频程速度幅值０．５ ｍ／ｓ和空气噪声激励倍频程声压 级幅值１００ｄＢ 计算模型： Ｓ一０：裸板结构计算模型： Ｓ—ｌｌ：对舱室７—２２敷设自由阻尼材料的计算模型。材料物理属性：密度１ ０００；泊松比０．４９；剪切 模量０．１ＭＰａ：阻尼损失比５０％；阻尼层厚度０．０１ｍ。 Ｓ一１２：对舱室７—２２敷设约束阻尼材料的计算模型。阻尼层在中间，厚度：０．０１ｍ；约束层厚度： ０。００２ ５ｍ；钢板厚度：０．００２ ５ｍ；密度ｐ＝ｌ ０００ｋｇ／ｍ ；泊松比ｖ＝０．４９；剪切模量０．１ＭＰａ；阻尼损失比７７∽＝ ５０％：阻尼层厚度Ｏ．０１ｍ。 Ｓ—ｌ３：对舱室７—２２敷设自由阻尼材料的计算模型。材料物理属性：密度２ ０００：泊松比０．４９：剪 切模量０．１ＭＰａ：阻尼损失比５０％：阻尼层厚度０．０１ｍ。 Ｓ—ｌ４：对舱室７—２２敷设自由阻尼材料的计算模型。材料物理属性：密度１ ０００：泊松比０．１：剪切 模量０．１ＭＰａ：阻尼损失比５０％：阻尼层厚度０．０１ｍ。 Ｓ一１５：对舱室７—２２敷设自由阻尼材料的计算模型。材料物理属性：密度１ ０００：泊松比０．４９：剪 切模量０．１ＭＰａ：阻尼损失比ｌ％：阻尼层厚度０．０１ｍ。 Ｓ一１６：对舱室７—２２敷设自由阻尼材料的计算模型。材料物理属性：密度１ ０００：泊松比０．４９：剪 切模量０．ＩＭＰａ；阻尼损失比５０％；阻尼层厚度０．０２ｍ。 ４．３．１激励源所在舱室噪声数值预报 表４清楚地显示：在非激励源舱室７—２２敷设阻尼材料．对激励源所在舱室２—２１噪声响应基本没 有影响 表４ ２—２１舱室声压级 Ｔａｂ．４ Ｔｈｅ ｃａｂｉｎ ２－２１ ｓｏｕｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｌｅｖｅｌ ４．３．２非激励源舱室噪声数值预报 因为舱室噪声声功率主要是通过包围舱室声腔子系统的钢板输入的．在舱室７—２２的整个围壁和上 下甲板敷设阻尼材料。改变其物理属性．探讨物理属性对舱室７—２２和舱室８一ｌ１（与舱室７—２２相邻）的 声压响应影响。 通过图８可以看出：增加阻尼材料的密度，可以使舱室７—２２噪声响应降低，因为假设输人相同的 动能，增加阻尼材料密度。可以使振动响应降低；减小阻尼材料泊松比，可以降低响应声压，因为减小 泊松比．相当于增加了弹性模量；减小阻尼损失比，响应声压略有增加，因为阻尼损失比减小，相当于 阻尼材料的耗散振动能量的能力减弱；增加阻尼层厚度，使响应声压降低，因为增加阻尼层厚度相当 于增强了阻尼材料耗散结构振动能量的能力．但是效果并不明显 对于舱室７—２２敷设约束阻尼材料 比自由阻尼材料有更好的降噪效果，约束阻尼材料一方面相当于增大了阻尼层的密度．另外一方面相 当于增大了阻尼层的刚度，对于在上层建筑舱室的声腔，敷设约束阻尼材料降噪效果更佳。 图９对舱室８—１１声压响应趋势与舱室７—２２基本相同．说明在噪声传播路径上的舱室敷设阻尼材 料也可降低噪声响应 第５期 于大鹏等：船舶声学建模和阻尼结构… ５４５ 一■一Ｓ．０ ●一Ｓ．１１ ●一Ｓ一１２ Ｔ—Ｓ一１３ Ｓ－１４ ● Ｓ．１５ Ｓ一１６ ０ｅｔａｖｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃ， 图８ ７－２２舱室声压级 图９ ８－１１舱室声压级 Ｆｉｇ．８ Ｔｈｅ ｃａｂｉｎ ７－２２ ｓｏｕｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｌｅｖｅｌ Ｆｉｇ．９ Ｔｈｅ ｃａｂｉｎ ８－１ １ ｓｏｕｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｌｅｖｅｌ 表５改变Ｓ一２计算模型阻尼损失系数的舱室声压级响应 Ｔａｂ．５ Ｔｈｅ ｃａｂｉｎ ｓｏｕｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｌｅｖｅｌ ｏｆ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ｍｏｄｅｌ Ｓ一２ ｄａｍｐｉｎｇ ｌｏｓｓ ｆａｃｔｏｒ ７—２２一ａ：Ｓ一２计算模型阻尼损失系数取１％情况下，舱室７—２２的声压级响应； ７—２２一ｂ：Ｓ－２计算模型阻尼损失系数取５０％情况下。舱室７—２２的声压级响应； ８—１ １一ａ：Ｓ－２计算模型阻尼损失系数取１％情况下，舱室８—１ｌ的声压级响应； ８—１ １－ｂ：Ｓ－２计算模型阻尼损失系数取５０％情况下，舱室８一ｌ１的声压级响应。 由图６—９可以发现，在２ ０００Ｈｚ频率．敷设约束阻尼材料的舱室声压响应有明显的波动，而且声 压响应级比裸板结构声压响应级还大。为探讨其原因，改变计算模型Ｓ一２阻尼损失系数，计算舱室７—２２ 和８—１１的声压级响应。在６３Ｈｚ频率，增大阻尼损失系数。舱室７—２２声压级降低３４．９ｄＢ，舱室８—１１声 压级降低２４．８ｄＢ；在２ ０００Ｈｚ频率，增大阻尼损失系数，舱室７—２２声压级降低６８．４ｄＢ，舱室８—１１声压 级降低６９．２ｄＢ 因为共振区域．阻尼对响应起主要作用．因此２ ０００Ｈｚ声压响应显著增加是由于共振 引起的 ５舱室噪声建模问题研究 ５．１改变激励大小对船舶舱室噪声影响分析 钢板基本物理属性：密度ｐ＝７ ８００ｋｇ／ｍ。；拉伸模量２．１￣１０ Ｐａ；￣ＪＪ模量８ｘｌ０ ０Ｐａ；泊松比ｖ＝０．３１２ ５； 钢板厚度０．００５ｍ。对裸露钢板船舶计算模型依次改变激励速度幅值大小，探讨其对船舶舱室噪声影响。 表６计算模型列表 Ｔａｂ．６ Ｔｈｅ ｌｉｓｔ ｏｆ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｍｏｄｅｌ ５４６ ５．１．１激励源所在舱室噪声数值预报 船舶力学 第１４卷第５期 由表７可以看出：改变机舱结构激励各频带速度幅值．对于机舱噪声响应基本无影响．而空气噪 声激励对机舱噪声响应有较明显的影响。所以．在计算声空间施加的空气噪声激励准确与否。对计算 结果至关重要；同样，如果只想降低机舱区域噪声响应，直接对机舱空气噪声激励进行控制．是比较行 之有效的办法 表７ ２—２１舱室声压级 Ｔａｂ．７ Ｔｈｅ ｃａｂｉｎ ２－２１ ｓｏｕｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｌｅｖｅｌ ５．１．２非激励源舱室噪声数值预报 由图１０和图ｌ１可以看出：增大机舱处结构激励速度幅值，使船舶舱室７—２２和舱室８—１１声压响 应变大；另外，虽然结构激励速度幅值是等幅增大的，但声压响应的增幅呈减小趋势。并且，在低频区 域声压响应的变化没有高频区域明显。如果不在机舱区域加空气噪声激励，对舱室噪声也有影响。 一●一Ｓ－２１ ●～Ｓ．２２ ▲Ｓ．２３ ～●一Ｓ一２２ ＾Ｓ＿２３ Ｓ＿２５ 一 Ｓ－２４ Ｓ－２５ ，～Ｓ－２４ Ｓ｛６ Ｓ＿２７ Ｓ－２６ 图ｌＯ ７—２２舱室声压级 Ｆｉｇ．１０ Ｔｈｅ ｃａｂｉｎ ７－２２ ｓｏｕｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｌｅｖｅｌ 图１１ ８—１１舱室声压级 Ｆｉｇ．１ １ Ｔｈｅ ｃａｂｉｎ ８－１ ｌ ｓｏｕｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｌｅｖｅｌ ５．２板的不同考虑形式对船舶舱室噪声影响研究 钢板基本物理属性：密度ｐ＝７ ８００ｋｇ／ｍ ；拉伸模量２．１￣１０“Ｐａ；剪切模量８ｘ１０ ￣ｐａ；泊松比ｖ＝０．３１２ ５； 钢板厚度０．００５ｍ。假设在第三层甲板（机舱上甲板）上布置两条纵向梁，三条横向梁，为扁钢，尺寸 ０．０２ｍ￣０．００５ｍ 在舱室２—２１施加结构噪声激励倍频程速度幅值０．５ ｒｒｄｓ和空气噪声激励倍频程声压级 幅值１００ｄＢ 计算模型： Ｓ—Ｏ：裸板船舶结构计算模型： Ｓ一３１：对船舶结构第三层甲板加筋板结构按照面积等效处理的计算模型： Ｓ一３２：在船舶结构第三层甲板按照实际加筋板结构建模的计算模型。 ５．２．１激励源所在舱室噪声数值预报 表８ ２—２１舱室声压级 Ｔａｂ．８ Ｔｈｅ ｃａｂｉｎ ２—２１ ｓｏｕｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｌｅｖｅｌ 第５期 于大鹏等：船舶声学建模和阻尼结构… ５４７ 表８显示：船舶结构第三层甲板板的不同形式对机舱噪声响应没有影响。 ５．２．２非激励源舱室噪声数值预报 表９ ７—２２舱室声压级 Ｔａｂ．９ Ｔｈｅ ｃａｂｉｎ ７－２２ ｓｏｕｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｌｅｖｅｌ 由表９和表１Ｏ可以看出：计算模型Ｓ－０和计算模型Ｓ一３１的船舶舱室噪声基本相同，因为将加筋 板按照面积等效平摊到第三层甲板，引起的甲板厚度变化很小，只增加了０．０００ １６７ｍ，没有影响舱室 噪声。而Ｓ一３２计算模型按照实际加筋板结构建模，增加了船舶结构的刚度，使结构噪声响应略有减小。 所以，对于船舶结构声学建模需要考虑加筋板结构；另外，适当设计船舶加筋板结构，也能起到减振降 噪的作用。 ５．３船舶底舱加压载油、水对船舶舱室噪声影响研究 钢板基本物理属性：密度ｐ＝７ ８００ｋｇ／ｍ。；拉伸模量２．１ｘｌ０“Ｐａ； 剪切模量８ｘ１０ ｏＰａ；泊松比ｖ＝０．３１２ ５；钢板厚度０．００５ｍ。在底 撑 舱加载压载油、水，布置形式如图１２所示。在舱室２—２ｌ施加 群 结构噪声激励倍频程速度幅值０．５ ｎｄｓ和空气噪声激励倍频程 声压级幅值１００ｄＢ。 拌 Ｓ－０：裸板船舶结构计算模型； Ｓ－３３：船舶部分底舱加压载水的计算模型（撑所示舱室加 载压载水）； 图１２舱底油、水布置形式 Ｓ－３４：船舶全部底舱加压载水的计算模型； Ｆｉｇ．１２ Ｃｏｌｌｏｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｏｉｌ ａｎｄ ｗａｔｅｒ ｉｎ ｃａｂｉｎ Ｓ－３５：船舶部分底舱加油的计算模型（＃所示舱室加载压载油）； Ｓ－３６：船舶全部底舱加油的计算模型； Ｓ－３７：船舶底舱油、水混合的计算模型。 通过表１１－１３可以发现：船舶底舱是否加载压载油、水，对船舶舱室噪声几乎没有影响，对船舶舱 室噪声进行声学建模，可以不考虑各个压载油、水的工况。 表１１ ２—２１舱室声压级 Ｔａｂ．１１ Ｔｈｅ ｃａｂｉｎ ２—２１ ｓｏｕｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｌｅｖｅｌ ５４８ 船舶力学 第１４卷第５期 表１２ ７—２２舱室声压级 Ｔａｂ．１２ Ｔｈｅ ｃａｂｉｎ ７—２２ ｓｏｕｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｌｅｖｅｌ ６结 论 利用统计能量分析方法，对船舶声学数值模拟模型进行计算分析，得到如下结论： （１）通过数值模拟结果与试验结果的比较，证明数值模拟过程值得信赖，可以用于船舶舱室声学 分析。 （２）在激励源所在舱室敷设阻尼材料，不会明显降低此舱室噪声，其对阻尼边界条件不敏感；对 于非激励源舱室噪声响应，有降噪作用，并且在激励源所在舱室区域敷设自由阻尼材料比敷设约束阻 尼材料降噪效果更加明显。 （３）在非激励源舱室敷设阻尼材料，能起到降噪作用；改变阻尼材料的物理属性，对船舶舱室噪 声有影响；另外，在非激励源舱室中敷设阻尼约束材料比敷设自由阻尼材料降噪效果更好。 （４）增加阻尼材料的阻尼损耗系数可以有效地降低船舶舱室声压响应。 （５）空气噪声激励对激励所在舱室声腔子系统声压响应影响显著；结构噪声激励则对远离激励 的舱室声腔子系统影响比较明显。 （６）加筋板结构对船舶舱室降噪略有作用。 （７）船舶底舱是否加载压载油、水，对船舶舱室噪声无明显影响。 参考文献： ［１］阿．斯．尼基福罗夫著，谢信，王轲译．船体结构声学设计［Ｍ】．北京：国防工业出版社，１９９８． ［２］于大鹏，赵德有等．船舶上层建筑布置型式对噪声影响分析［Ｊ】．造船技术，２００４，２６１（５）：１４—１８． 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