船舶噪声与振动控制

Woodrow

　　作 者：李峰，姜效瑜，周金山

　　摘 要：介绍船舶的总体尺度和设备布置的总体情况，分析其噪声与振动源。并对船舶噪声与振动控制方法作了较详细的论述，通过海上测试，得到船舶的噪声与振动特性，同时参照相关标准，对噪声与振动水平进行评价，为相关船型的噪声与振动控制提供了参考。

　　船舶噪声与振动不仅损害船员的健康，妨碍船员的正常工作，而且易造成船体结构的疲劳、破坏，所以控制船舶噪声与振动十分必要。通常情况下，船舶噪声与振动控制包括以下四个阶段：总体设计阶段、详细设计阶段、施工建造阶段和实船海试阶段。在设计阶段，可以用经验公式法或母型船的噪声与振动测试结果，同时在利用有限元、边界元和统计能量法软件仿真分析的基础上，选择噪声与振动控制元件，制定和修改实际上的船体结构设计方案。实船海试阶段既是对理论的实践验证又同时为基础设计提供重要依据。在生产实践过程中，应该拟订噪声与振动试验程序，并根据试验结果来修正控制措施。本文总结了几种不同船型的噪声与振动控制流程及分析方法，以期为读者提供一些参考。

　　1振动源与噪声源分析

　　船舶的主要振动(噪声)源有主机、主推进器和波浪等，其中主柴油机和主螺旋桨又是重中之重，柴油机的干扰力包括惯性力、离心惯性力及倾复力矩，螺旋桨的激振力包括机械不平衡引起的干扰力、流场不均匀引起的叶频干扰力、伴流与空泡、轴承力和表面力。振动幅度的大小和激振力特性有密切关系，船体结构共振振动主要和扰动力频率特性有关，可以通过改变结构的刚性质量和阻尼，来使结构的固有频率移动，而受迫振动主要是物体在周期性外力作用下的响应。船舶噪声按声源性质不同，基本上可分为空气动力噪声、机械噪声和电磁噪声三类。船舶噪声按发生场所分为动力装置噪声、结构激振噪声、辅助机械噪声、螺旋桨噪声和船体振动噪声等。船体局部结构模态分析的目的，就是为了求解船体结构的固有频率、固有振型和阻尼，以断定其在主要振动(噪声)源标定工况下工作时，是否会引起谐振现象，同时也可以同试验模态分析结果作比较，以界定有限元仿真得出的固有振型和频率的正确与否。然后可以利用分析结果进行动态特性优化、动力响应计算、舱壁及甲板结构表面空气噪声预测以及声质量设计等进一步工作。根据主要振动(噪声)源的性能参数可以得到如表1所列激振力频率范围:

　　表1 激振力频率范围

激振源 工况类别		100%负荷(Hz)	80%负荷(Hz)	扰动频率的上下限值(Hz)
				向下30%	向上15%(50%)
主螺旋桨	4* RPM（叶频）	8.73	6.99	4.89	8.04(10.485)
	2* RPM	4.37	3.49	2.443	4.01(5.24)
	RPM（基频）	2.18	1.75	1.225	2.01(2.63)
主柴油机		12.50	10.00	7.00	11.50(15.00)

　　备注：考虑到频率储备和80%负荷为常用工况，以此为基数分别得到扰动频率的上下限值(Hz)。

Woodrow

　　2常用船舶振动与噪声仿真模拟方法
　　对于船舶振动与噪声控制，传统的工作流程主要有依据数学公式计算、物理模型校验和实船海试采集等主要环节，计算量巨大，近年来，随着计算机硬件和软件的发展，为船舶振动与噪声控制提供了新的平台，目前采用数值仿真的方法模拟船舶噪声振动问题主要基于有限元(FEM)、边界元(BEM)和统计能量分析(SEA)三种方法。
　　有限元方法是确定性的求解方法，用于低频振动环境的预示，可以得到结构的整体模态参数。与边界元方法结合可以预示结构的振动以及内外声场的噪声辐射强度。有限元方法虽然在理论上可以在任何频率范围内求解结构的振动和噪声辐射问题，但是在求解高频问题时，由于波长很小且模态密集，要准确求解需要网格精细程度足够高(通常在一个波长范围内需要6-10个单元)，因此模型的规模会变得非常大，求解的时间变得非常的长，反而没有了数值仿真高效的特点。其次，由于结构的高阶模态参数对许多不确定的原始参数以及许多结构细节非常的敏感，但是结构细节又不太好确定，使得有限元方法求解的精度大打折扣。另外，结构声振分析既存在振动引起的噪声辐射问题，又存在噪声引起的结构振动问题，传统的有限元方法在解决二者的耦合时比较困难。因此有限元方法通常只是用于求解低频振动噪声环境的预示。
　　统计能量分析(SEA) 方法是麻省理工的Lyon. R. H教授受到室内声学及统计热力学的启发，于20世纪60年代提出解决高频声振问题的统计能量分析法，把研究对象从用随机参数描述的总体中抽取出来，忽略被研究对象的具体细节，关心的是时域、频域和空间上的统计平均值，同时采用“能量”的观点，统一解决结构振动和声场问题。统计能量分析方法从统计的角度分析统计密集模态平均的振动能量传递水平，因而模态愈是密集，统计精度就愈高，振动响应分析的精度也就愈高，其适用的分析频带较有限单元法宽得多。
　　3船舶振动与噪声分析流程
　　3.1局部结构振动和声场分析
　　主要工作内容包括分析船体结构振型/频率和提取敏感点响应值，主要分析部位包括:机舱、主控制室、驾驶室、船员及乘客生活舱室和露天甲板。分析流程和方法包括模型边界的确定、收集整理主要振动(噪声)源的参数、建立合理简化的数值仿真模型、网格划分、赋予其属性、边界条件、施加载荷、定义接触条件、计算结果的提取和后期处理等。
　　3.2整体结构振动和声场分析
　　主要工作内容和分析流程可以参照局部结构振动及声场分析，但要注意区别边界条件和周围流体场的影响，在计算声场时可以把整船当作一个噪源来考虑其对周围环境的影响。

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　　4海试条件和环境
　　在2005年7月30日我们请上海交通大学振动、冲击、噪声研究所对实船进行了航行实验(以93m平台供应船为例)，测试内容包括船体局部振动和舱室空气噪声两部分，实验参照DNV“Rules for classification of ships”标准执行，局部振动评价依据ISO6954，空气噪声评价依据IMO Resolution A.468XII，实验仪器主要有HP3560A动态数据分析仪和B&K4231精密声级计。
　　从实验结果来看船体局部振动无论是在DP工况，还是在Transit工况，各测点的三向数据均落在ISO6954-84的“轻微振动”区域内。对于舱室空气噪声的实验结果，当Transit工况时尚可，然而在DP工况的右向时，位于02甲板的餐厅、01甲板4个房间均超过60 dB(A)，究其原因一是可能由于Bow tunnel thruster的结构不对称或水流影响造成的,另外DP工况实际上是一种非连续且短暂的工作模式，分右向和左向两种情况，依据同一标准来评价是否合理?
　　5海试结果及评价
　　从实验结果来看(以93米平台供应船为例)船体局部振动无论是在DP工况，还是在Transit工况，各测点的三向数据均落在ISO6954-84的“轻微振动”区域内。对于舱室空气噪声的实验结果，当Transit工况时尚可，然而在DP工况的右向时，位于02甲板的餐厅、01甲板4个房间均超过60 dB(A)，究其原因一是可能由于Bow tunnel thruster的结构不对称或水流影响造成的,另外DP工况实际上是一种非连续且短暂的工作模式，分右向和左向两种情况，依据同一标准来评价是否合理?
　　结
　　语
　　(1)经过设计、建造和实验这几个主要环节，可以发现计算论证的趋势和实际是相符的，但仍有一定误差;
　　(2)船舶噪声与振动控制和其它行业的区别主要表现在噪声源与船体结构相连的地方要产生振动，这种结构噪声的产生、传播及辐射空气噪声都是十分复杂的，因此在进行船舶声设计时要考虑更多的问题;
　　(3)相关标准规范应进一步完善，以便评价实验及设计时能够找到一个有说服力的依据。
　　收稿日期：2009-04-28; 修改日期：2009-04-30
　　作者简介：李峰(1966-)，男，山东人，本科，工程师，主要从事船舶噪声与振动控制设计及海试工作。

lhks

感觉没有写完是的

will3678

楼主辛苦了，传这么多不容易呀

will3678

辛苦了，楼主

振动王子

谢谢啦，辛苦了

zbc1031

请问楼主表格中激振力频率单位是HZ？怎么这么小？

若凡

学习中，振动控制方面的后续资料怎么没有呢！

甜炒栗子

好文章啊。可是为什么我去中国知网上查了下没有这篇文章呢？奇了怪了

paohui

学习了，谢谢

huayangtiean

谢谢分享

22017039

好文章，学习了，谢谢^o^~

oldcandy

楼主，发论文还是推荐书啊

sendig089

学习一下