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游艇主要噪聲聲源對艙室噪聲影響研究與分析

來源:核心期刊咨詢網位置:理工論文時間:2019-06-24 10:0612

  摘 要:為了研究螺旋槳結構噪聲、螺旋槳水噪聲、主機結構噪聲和主機空氣噪聲等主要噪聲源對游艇艙室噪聲的影響,建立了基于統計能量法的艙室噪聲預報模型。分析了游艇主要噪聲源螺旋槳結構噪聲、螺旋槳水噪聲、主機結構噪聲和主機空氣噪聲對游艇主要艙室噪聲的貢獻值。預報結果表明:螺旋槳及主機結構噪聲對艙室的影響大小與艙室和噪聲源的距離成反比,隨著距離增加,噪聲顯著下降;螺旋槳水噪聲通過舷外水傳播,主要影響鄰近的艙室;主機空氣噪聲主要影響機艙,對相鄰艙的影響顯著下降。研究結果可為游艇減振降噪提供噪聲聲源治理的優化方案。

  關鍵詞:統計能量法;噪聲聲源;艙室噪聲

航海工程論文

  1 引言

  游艇通常用于商務活動及休閑、娛樂,具有較高的時尚性和舒適性,對噪聲性能要求甚高。據統計,在已建好的游艇上安裝聲學器材的代價約為設計中預先采取措施所需費用的3倍左右。因此,在游艇設計階段對艙室噪聲進行預報,使噪聲水平滿足任務書和相應標準的要求是很有必要的。在設計階段對艙室噪聲進行預報并提出聲學設計的改進措施,對縮短生產周期、降低成本、提高游艇舒適性有著非常重要的作用。中國船級社對船舶產品噪聲控制制定了預報及檢測指南,為船舶噪聲預報及研究提供了行業指導方法和思路[1]。

  船舶艙室噪聲的預報方法及減振降噪優化設計已成為現階段學術界及工程界的研究熱點之一。邱斌[2]、李峰[3]、徐偉[4]、王充[5]、范明偉[6]、馮博[7]及劉錕[8]等采用統計能量分析法(SEA)對游艇及船舶進行艙室噪聲預報,從預報結果來看,滿足了工程精度的要求;張桂臣[9]采用“源-路徑-接受點” 系統分析法,結合房間聲學提出了一套經驗型的船舶艙室噪聲快速預報方法。歐禮堅[10]經過對比分析,認為經驗法預報艙室噪聲非常高效,但精度較差;而統計能量法預報艙室噪聲精度較高。因此,本文應用統計能量法建立游艇艙室噪聲預報模型,分析游艇主要聲源(螺旋槳結構噪聲、螺旋槳水噪聲、主機結構噪聲和主機空氣噪聲)對游艇主要艙室噪聲的貢獻值,并分析各個艙室的主要聲源,從噪聲聲源治理的角度出發,為游艇減振降噪優化設計提供可行方案。

  2 統計能量分析法的基本原理

  統計能量分析方法運用統計的觀點,從能量角度分析復雜結構在外載荷作用下的響應,預測耦合結構元件和聲學容積的振動和噪聲,解決聲場與結構間的耦合問題。統計能量法以統計物理學原理為基礎,將復雜結構分解成一系列子系統,以每一個子系統內的能量作為其基本變量。

  統計能量分析法的基本關系方程是在弱耦合、保守耦合、激勵源不相關等假設條件下建立的。在各子系統的激勵相互獨立且保守弱耦合情況下,穩態響應時的功率流平衡方程為:

  SEA包含“統計”、“能量”和“分析”三方面內容:“統計”表示SEA運用了數學統計方面的思想,用從研究系統取出來的隨機變量的標準偏差和平均值來表達預示的結果。也就是說,SEA雖然不能準確給出每一個子系統的動力學響應狀態,但能從統計意義上預示整個子系統的平均動力學響應;“能量”是指使用能量作為系統變量來表征動力學子系統所處的狀態,用包含聲壓級、應力和壓力等動力學參數的能量平衡方程來描述系統模型中各子系統之間的藕合作用;“分析”主要是指一些統計能量分析的參數,如輸入功率、模態密度、內損耗因子η、艙室的吸聲系數α等幾何與材料特性等,都是與所研究的動力學系統相關的函數。

  3 模型建立及預報計算

  3.1 目標游艇的主要參數

  某游艇總布置如圖1:總長 26.00 m、水線長 22.30 m、型寬 5.80 m、型深 2.90 m、設計吃水 1.00 m;設有水手房、機艙、 KTV室、客房、主人房和沙龍等;采用雙機雙槳推進,主機額定功率1 200 HP、額定轉速2300 r/min、減速比1.97:1;螺旋槳直徑0.80 m、螺距0.82 m、葉數為5。

  3.2 主要噪聲源強度估算

  游艇不但受到船體周圍水流的不規則隨機激勵作用,而且也受到艙內機器設備發出的激勵作用。通常,機艙內主機結構聲及空氣聲屬于主要聲源,齒輪箱和發電機等設備聲屬于次要聲源可以忽略。因此,游艇艙室噪聲的預報,主要考慮主機和螺旋槳兩大主要噪聲源的作用。

  聲源的噪聲級頻譜或總聲級最好采用實測數據,在實測數據缺乏的情況下,可以采用文獻[1]中的方法進行估算。

  3.3 艙室噪聲模型建立

  運用全頻振動噪聲仿真分析軟件VAOne進行建模及計算分析。首先,采用 ANSYS 建立幾何模型,將幾何模型劃分為有限元網格;其次,在 VAOne 里導入網格,生成 SEA 模型,定義各種材料的屬性及各種加筋板,將它們賦予給對應的子系統;最后,定義各類設備的空氣噪聲和結構噪聲,輸入或約束到對應子系統。

  建立好SEA模型后,進行噪聲預報時需要設置一些參數,像內損耗因子、耦合損耗因子和噪聲源激勵等:

  (1)內損耗因子

  指單位頻率單位時間內損耗的能力與平均存儲的能力的比值。主要包括三個部分:因摩擦形成的內損耗因子;因振動向環境進行聲輻射的阻尼形成的內損耗因子;因邊界連接阻尼形成的內損耗因子。這三個部分是互相獨立的,可以線性疊加得到總內損耗因子。

  (2)耦合損耗因子

  指兩個系統振動時能量流的關系,表征被直接激勵的子系統的能量傳到被間接激勵的子系統的量。它代表了兩個系統耦合程度的強弱,只有在振動能量傳遞時才會體現出來。

  各噪聲源作用下各艙室的噪聲數值,可根據[1]中的經驗公式進行估算,如表1所列。

  3.4 噪聲源對艙室噪聲貢獻值計算及優化設計

  計算模型如圖2。分別在模型上施加螺旋槳結構噪聲、螺旋槳水噪聲、主機結構噪聲和主機空氣噪聲進行計算,獲得4種聲源作用下各艙室的聲壓級(見表1)。

  螺旋槳距水手房最近、距主人房最遠,螺旋槳結構噪聲對水手房影響最大、對主人房影響最小;主機與水手房和KTV房距離基本一樣;主機結構噪聲對該2個艙室的影響基本一樣,主機與主人房之間的距離最大,結構噪聲的貢獻值最小。因此,結構噪聲對艙室的影響大小與艙室和聲源的距離成反比,隨著距離增加,結構噪聲顯著下降;螺旋槳水噪聲通過舷外水傳播,主要影響鄰近的艙室,如水手房及機艙;主機空氣噪聲主要影響機艙,對相鄰艙及相隔艙的貢獻值顯著下降。計算結果表明,游艇艙室噪聲的主要聲源為:螺旋槳水噪聲、主機結構噪聲和主機空氣噪聲。

  推薦閱讀:《世界海運》(月刊)創刊于1978年,是經國家科技部和新聞出版署批準,交通部主管,大連海事大學主辦,大連海事大學出版社出版的綜合性海運科技刊物。

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