船舶结构振动噪声分析及其研究进展.docx

船舶在运行过程中使用的运转设备是产生振动与噪声的根源。船舶舱室里的振动噪声会使劳动条件恶化，对船员健康产生不利影响，给乘客带来诸多不便。因此，国际上船级社和其他机构如美国海岸警备队(USCoaS1.GUard)都规定其噪声限制，这促使船帕设计加和建造和采取各种措施大降低船体结构的振动噪声。在船舶领域，以往的实践大都是在已经设计完毕的船船上采用特殊器材以达到减振降噪的目的。然而，这种解决问题的办法所需仍用较大，如果在一开始就结合声学要求进行结构设计，则不仅节省开支，而且可以获得更大、更好的效果。因此在船舶设计阶段就进行结构的振动噪声分析是很有意义的.噪声及其对人的危害噪声，股包含两种含义：就物理学观点讲，噪声就是各种不同频率和声压之声音的无规律组合：就生理学和心理学观点讲，凡是声级很高，造成对人体的危害，或者声级不高而使人厌烦，干扰人们的休息,睡眠、工作等一切不需要的声音，都称为噪声。其危击也是多方面的：噪声对语言清晰度的影晌：噪声声级越强，语言清晰度就越低。在80dB的噪声环境里人们交谈已经很困难，而9()dB的噪声环境里面则无法交谈，噪声对人听觉的损伤：最常见的是“听觉疲劳”，即在噪声作用下，使人的听觉灵极度暂时下降，过后很快就会恢更。这种现缴也称“哲时性听力损失1.而当听觉长期暴露在强噪声环境中，使听觉灵敏度卜降变成长期的，以后不能再全部恢笈，即造成“永久性听力损失噪声危害人的健康：长期处在噪声作用下会导致中枢神经功能性障碍，表现为植物神经衰弱症候群：强噪声作用于中枢神经,往往引起消化不良及食欲不振，从而导致肠胃病：噪声会使交感神经紧张，引起心跳过速、心率不齐、血压升高等症状。船舶舱室噪声主要对船员生理和心理的影响，如唤醒睡眠、妨碍交谈、打断思路、使人烦恼等.船舶振动与噪声的控制对于船舶振动与噪声控制，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。有限元方法是审定性的求解方法，用手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辎射问题，但是在求解高频问题时，由于波长很小I1.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，反而没有了数值仿其高效的特点。其次，由于结构的高阶模态参数对许多不酹定的原始参数以及许多结构细节非常的敏感,但是结构细节乂不太好确定，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糊合时比较困难。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。而实际上船舶的振动与噪音的控制是机舱集控室采用刚性安装的轻质五夹板内衬，其噪声插入损失不超过20dB（八）.将集控室底甲板作双丛约束阻尼处理，并采用具有减振、隔声、吸声综合降噪功能的预制组合板，拼装成一个开门期下的箱型整体内衬，通过将阻尼隔振器座落在阻尼地板表层钢板上而不同集控室外廓接触.另外，为了减小外廓辐射声对内衬激励并减辍“空腔共鸣与“吻合效应”在外廓的内壁面上遍附一乂犷棉毡.这些措施使集控室振动与噪声均得到有效控制，使集控室噪声插入损失达38dB（八）,同采用刚性安装轻质内衬的集控室相比，噪声插入损失约提高19dB（八）o为减小激励幅值与减小激励的传递，除了优选主机及选择齿轮箱速，还要考虑避免由轴频激励激起船体共振外，在柴油机下设减振垫，这不仅可减小柴油机激励的传递，降低振动响应，也可减少结构固体声的传递。减振垫的参数应经理论计算，其材质宜采用橡胶，以有利于声绝缘.安装减振垫后，其油、水管路，排气管，对主机还有轴系，均必须采取用性连接。船舶噪声的控制措施噪声的控制是环境学的一项重要内容，其基本原理与防振、减振措施的基本原理相仿，即噪声源的控制、噪声传播途径的控制以及噪声防护设备的使用。1 .噪声源的控制按船舶噪声的来源，生要可以从以下三个方面采取相应措施。螺旋桨产生的噪声控制,螺旋桨发出噪声的主要原因有尾轴的净、动平衡未校准好：螺旋桨运转时产生的乱流以及桨叶通过水流时的周期性压力变化；空泡时，气泡的发生和破裂形成周期性的爆破音：桨叶上固有振动频率与叶片形成的涡流引起共鸣，形成螺旋桨的“唱音，因此，螺旋桨产生的噪声控制，应重点采用预防的方法来实现.主、辅机产生的噪声控制。控制主、辅机产生的噪声可以合理选用低噪声设备，从源头上减少船舶的舱室噪声，这也是舱室噪声控制的最有效办法。通风和空调调节系统噪声控制。通风和空调调行系统应采用低速、低噪声风机：风机应安装减振器，出风口处应安装消声器，风机出风口管道和他空中出风口处管道内应安放吸声材料：风机与刚性风管连接处改用软管过渡或采用软性接头，以降低固体噪声的传播：舱室送风管与空气分配渊之间，应同样采用软风管过渡。2 .噪声传播途径的控制以及噪声防护设备的使用噪声控制最枳极有效的办法是从声源上去考虑。在传播途径上控制噪声主要是阻断和屏蔽声波的传播，或是声波传播的能量随距离加大而衰减。因此，控制噪声传播途彳仝可从声源和接收器位置的选择，增加传播距，隔声吸声和消声等手段入手。险室的合理布置。舱室的布巴除了要满足常规设计的要求外，还必须从声学角度来考虑。布置的最基本原则是，使声学要求高的舱室离声源舱室尽可能远些。大型船舶可将居住区和机舱分区设置，若机舱和居住区混在起而无法分离，则机舱四周应设置那些无噪声要求的舱室，如卫生间、储藏室及通道等.隔声技术。为了降低柴油机和发电机组运行时所传播的噪声，可以在机组表面粘贴约束阻尼或使用隔声罩。在机舱结构允许的条件卜.，可在机组部分直接安置只散热通风轻型钢结构组合式的通风隔声罩。隔声罩用来阻隔主机向外辐射噪声，它能适用于各种不同环境下的各类机械噪声的控制。陶声罩的实际隔声效果除取决于结构和理论隔声量外，还与罩内壁材料的平均吸声系数有着密切关系。吸声技术。若机舱内声源经过声波的多次反射，其噪声级比同样的声源在露天的噪声级要高十几分贝.由丁机能内混响声十分严重，特别是多台机组同时工作时尤其如此。因此有必要在机舱内粘贴吸声材料，可以使混响声大大降低,这些实际处理效果表明，安装了铝合金微穿孔板材料以后，机舱内的噪声可以降低ISdb以上。结束语随着认识的不断深化和测试手段的日媒完善，人们环保意识的烟强，船舶噪声标准将更加严格，因此对船舶噪声的控制提出了更高的要求。在对船舶噪声控制时还应注意到，在实际中往往受到船舶造价和造船厂技术条件的限制，因此在船舶设计阶段就应考虑船舶噪声控制的因素，并在船舶建造过程中注意噪声控制设计工艺的实施。附船舶结构振动噪声时域预报方法研究。引言随若人们对振动噪声环境要求的不断提而，船舶振动噪声日益成为船舶设计及广大学者关注的焦点1.-5,因此，开展班舶结构振动噪声硕报方法研究，提高船舶振动噪声定量预报精度，对于提高船舶振动噪声定量设计水平具有重要意义。在船舶结构振动噪声数值预报方面，汤伟民等的基于统计能量法研究J'客滚船船室噪声，提出了基于主要噪声源和传速路径分析的降噪设计策略，但统计能量方法仅能给出频带的分析结果，对线谱捕捉能力显得力不从心：武国启等采用实船试验方法研究了舱室空气噪声激励引起的水下轴射噪声传递特性，给出舱室空气噪声与水下辐射噪声的关系，该方法虽能实现船舶线谱振动噪声的准确获取，但经济代价高，难以针对整船结构开展线谱振动噪声试验研究：崔杰等8采用FEM/BEM法建立了架-轴-船尾部结构耦合振动模型，在频域内分析了螺旋桨不同方向轴承力对尾部结构声振特性的影响，实现了桨-轴-船福介结构振动噪声预报评估，但分析结果时频率步长的依赖性较强：何祚镣等基于声学有限元/边界元法对单双层加肋圆柱壳水下受激振动声辐射进行了研究，详细阐述了声学有限元法/边界元法的具体内容，并开发了基于ANSYS和SYSNOISE软件的计算接口程序。上述研究多是基乎模态无加理论在领域内进行分析，该类方法具有分析直观等优点，但在进行船舶等大型更杂结构振动噪声分析时求解效率较低，并可能因计算步长选取不当而导致峰值遗漏”现象，导致计算结果可能出现较大误差。为此，本研究基于波动理论，提出船舶结构振动噪声时域预报方法，解决船舶结构振动噪声频域预报方法存在的求解效率低下、易出现“峰值遗漏”等难题.旨在为脂舶结构振动噪声预报评估提供方法依据。1船舶结构振动噪声时域预报方法1.1结构动力响应时域分析理论结构动力时域分析主要应用于结构瞬态动力分析和瞬态声学分析等领域。该方法通过时耦合系统运动方程在时间域内进行数值积分，得到结构在各时段的动力响应，在各时间步长加内均可将其视为线性系统分别计算其响应，并依据该时段的结果对结构的各系统参量（位移、应力、压力、声压等）进行修正，并以此作为下一时段系统特性的初值.对于多自由度系统而言，不论其是线性系统还是非线性系统，其运动方程可以表示为11F14nIM（I）式中，P为激励力矢盘，FI为惯性力矢fit,FD）为阻尼力矢功，FS为结构抵抗变形的力矢量。假设已知式（1）在每一枳分步长初始瞬时t和末了瞬时1.At的状态参量，可得,*(,.,nr>IF.'+F,'+F,+F,h*(F1'+J=P,.J(3)f1,=r.j,-r=M,(i(4)M,"F,°2-r>cJi(5)=.3,-F,=,)(*)(6)P,P.t,-P.(7)将系统运动在每一积分步长上化为增量形式的方程后有这里增量方程质量矩阵IM。、阻尼矩阵Q及刚度矩阵KU为t时刻的切线斜率，且有钊M怜.(喇m采用矩阵符号来表达，各系数矩阵可表示成必倒冈悠M阔.g实际动力学问题中，惯性力往往是加速度的线性函数，质地矩阵往往是常系数矩阵，阻尼力常采用等效线性化处理成常系数阻尼矩阵，通常只有刚度矩阵是变化的：如惯性力是加速度的线性函数，非线性力)F依赖于和)x时，则系统运动方程为WW).FUJHI1.1.1.对应的增量方程为IMI1.>H(C,)«IC1.(&>)>112»式中，切线阻尼矩阵CU和切线刚度矩阵KiJ定义为阳优次-其中，切线刚度矩阵定义同式113)，由此得系统在i+At瞬时的方程为M(三.1)*C.1.*1.*1r.=(.1-(F(x.)(14)式<14)建立了Xn和xn+1点加速度、速度和位移的关系，增量:方程的求解可采用有限元法、Newmark-法和Wi1.son-O法等方法进行求解。符位移、速度和加速度改成矢地形式即可得到结构的振动响应，本研究以中心差分法为例作如卜说明。11s>把位移函数按泰勒级数展开(速度、加速度有类似的关系：(r)，”业ir1.r,-y11Ar,26id(t>a.1.,<u>.|I1.Ai由式(16)得前差分公式为(171>.三va'Z6同样得后差分公式为ta.-1ijy'-(O将式(17)和式(18)相加减，可得用(n-1.n.n+1)的位移来近似表示t瞬时的速度和加速度j三<-*-)<,92«.r.J(20»令I瞬时的位移、速度、加速度满足该瞬时的微分方程m(i.+ci,)+j1.x.=(21)将上述关系式代入后得«Z1.2bi.-(*p-(*-),(2*,*S,),"i0*mw<4*s2Wt*”能j.*r*n*t!动4.，1雷僧136“阵代"&Q4."tt*aavft<MBXBHic*11Rtatt*mN4tAiu由于激励力P为瞬态时域信号，而该时域信号理论上可由任意频率组成，故可通过单次分析得到结构的多频响应，从而提高求解效率。但目前时域分析法也存在一定不足：一是时域法进行船舶结构稳态响应分析的收敛速度与预报频率及结构阻尼密切相关：二是时域分析精度易受单元类型及总计算时间的限制，由于结构的时域稳态响应与分析时间密切相关，且显式分析为避免“自锁''现象的发生，多采用低精度单元进行求解，这就使得显式分析的精度易受影响。如能将时域波动分析法引入船舶结构振动噪声预报领域，并对其进行改进，提高其预报精度，有效保障其求解效率，则可实现船舶结构线谱振动噪声的快速预报.1.2 船舶结构振动噪声时域预报流程船舶结构振动噪声时域预报方法分析流程可从设备激励载荷的确定、预报模型的建立、边界条件施加和分析结果后处理几个方面进行分析。(1)设备激励载荷的确定：当已得到基座处设备的时域激励我有，则时域分析时无需对我荷进行变换；当已得到基座处设备的领域激励载荷，时域分析时需对该领域载荷进行FFT逆变换，将频域载荷转换为时域载荷.(2)截断模型的建立：对于船舶结构水卜辐射噪声预报而言，由于船舶由大量周期性加筋板架结构构成，如对整船结构进行有限元分析，将耗费大量的人力和物力，并因模型计算规模巨大导致其预报频段及精度大幅下降，严重时可导致计算无法完成。此时如能以局部险段代替整船模型，对船舶结构振动噪声预报模型进行荷化10)，则可有效提高其预报效率及分析频段，大幅降低计犯成本。(3)边界条件及输出控制：对于船舶结构频段噪声的时域预报而言,由于船舶结构振动噪声的稳态结果依赖计算时间及计钵结果的采样频率，故除对预报模型施加相应的边界条件外，还需对模型的计算时间及采样频率进行控制。对于特定频点噪声的频域预报而言，由于其计算结果不依赖计算时间及采样频率，故可按嫉域法计算要求，制定预报频率，施加相应边界条件，控制输出变量即可。船舶结构振动噪声时域预报流程如图1所示.I实事豫场日小认aI'¾tt4tei>ft<11ret叵5J而“w知f，司传*»徽I一-*H=m*0K.出HIf而所.丽H而切，卜OiwatmawaMMMftm图1结构振动噪声时域预报流程图Fig.1Theprocessdiagramofvibrationandnoisetimedomainpredictionne(x1.1.3 船船结构振动噪声时域预报精度及求解效率影响因素分析(1)采样频率的影响由采样定理，样本个周期内至少应包含而个采样点，由此可以确定船舶结构振动噪声时域分析的上限频率«)与系统采样时间间隔AT的关系A(2AT)(23)式(23)可确定分析的频率上限，但还需至少保障1个周期内的样本点数不少于10.由此确定船舶结构振动噪声时域预报的准确频率ft：f.<(oar(24)(2)时间步长At的影响时间步长At是时域分析可查询的最小时间里，其选取直接影响计算结果的收敛性、计算精度及求解效率。通常而言，模型的稔定时间步长BtS由声波在结构及流场中的最小波长决定，并由单元最小尺寸确定。计算时间步长At与稔定时间步长Sts,通常有如下关系:（八）如时间步长At超过稳定时间步长ts,计算结果不收敛：(b)如时间步长At小丁稳定时间步长is,计兑结果收敛，可得到较精确的计算结果；(c)如时间步长Z远小于稳定时间步长&s,计修结果收敛，可得到满意结果，但将浪费大量CPU机时，严重降低预报效率。可见，合理的时间步长At应略小F稳定时间步长3ts,以同时满足收敛性要求并兼顾求解效率，(3)计算时间T的影响船舶结构振动噪声时域预报的精度除与采样频率和计算时间步长等有关外，还与计算时间T密切相关。如计算时间T过短，船的水下声辐射未达到稳态阶段，则其预报精度将受到影响.因此，为保障计算精度，船舶结构振动噪声时域预报的计算时间T应大于船舶结构水卜.声幅射的稳态时间。(4)建模因素的影响不论是时域预报还是频点领域预报，船的结构振动噪声预报模型的建立对其预报结果往往具有较大影响，如单元类型、网格尺寸及质量和模型尺度等均会对预报结果产生影响，对预报模型进行合理简化，可有效提高船舶结构振动噪声预报的精度及效率。2方法有效性验证2.1 验证模型简介验证模型为船舶舱段结构,如图2所示。舱段为总长1.=6OoOmm,半径R=I5(X)mm的半圆形结构，壳体厚度I=IOmm,舱段两端设置舱壁，内部设置间即1=60Omn】、I1.=Iomm、h=20()min助骨：设备尺寸为1200nm×6()()nn×3(X)mm(长X宽X高)的方形空心结构，其壁面厚度为t2=20mm:两隔振器沿船体中心线支撑于设备两端，对称分布于舱段对称中心处，隔振器刚度k=4kN/m：舱段前后舱壁取简支固定，设备激振力为F=1.×sin(211ft),垂直作用于设备正中心:潦场半径R=6in,流场外表面敷设无限元，如图3所示.计尊缴段为204()0Hz,频率间隔4f=5Hz,结构损耗因子n=005.为便于对比，船舶结构振动噪声时域预报模型与频域预报模型共用同一有限元模型，其中舱段结构旭元由4736个四边形线性单元组成，流场由45710个六面体单元及3716个无限元组成，模型共计54612个单元。),图2舱段水下辐射噪声预报模型Fig.2Radiatednoisemode1.ofashipcabin图3船段结构水下噪声预报模型边界条件示意Fig.3Boundar>conditionsofca1.cu1.atingmode1.为便于对比分析，计算中分别在舱段结构与流场设置了振动及声压考核点，振动考核点沿舱段结构对称轴线布置于舱段肋骨处，流场声用考核点设置于舱段与流场交界面及半径R=6m流场正下方对称中心处，流场声压考核点设理如图4所示。图4舱段结构振动及流场声JK考核点布置Hg.4VibrationandsoundpressureObsenationpointsofshipcabin由于时域预报需将领域载荷转换为时域信号，为此，本研究采用式(25)对频域载荷进行时频转换。f<0三i(2n(2OS)r)(25|考虑到预报频段为中低频<<400Hz)，时域栽荷时间间隔T=IO-4s;考虑到舱段进入桎态水卜声辐射所需时间的影响，时域载荷作用时间取Tt=1.5s。时域载荷曲线如图5所示。图5船的结构噪声预报时域激励载荷曲线Fig.5IQadcurveintimedomainofshipstructura1.bomcnoisepredictionmode1.输出控制方面，为保障计算结果的有效性，对振动及声压考核点的采样时间间隔设置为AT=IO-4s。2.2 计算结果分析2.2.1 方法有效性分析本研尢分别采用时域分析方法及频域分析方法开展了船舶舱段结构的振动噪声预报，并将两种方法的预报结果进行了对比。图6给出了舱段振动噪声预报模型典里考核部位振动及声辐射时历曲线：图7给出r舱段结构典型时刻水下声辐射分布：图8给出了舱段振动噪声预报模型典型考核部位振动及声辐射时域分析结果与领域分析结果对比曲线，图中时域分析结果为G1.S后期舶舱段结构秘定段响应的FFT变换结果，频域分析结果为采用领域分析方法所得的船舶险段结构稳态晌应结果.图7载荷激励下险段结构典型时刻水下声场分布图Fig.7Underwatersoundradiationofshipcabinattypica1.timeU>ttMMJHAMittfttart(f)*”号Hf1.tn(1.)*场X，ft4“，KM比*a<h)修炀“5枝或#FKNttII1.”图8舱段模型典里考核部位振动及声辐射时频对比曲线Fig.8Vibrationandsoundradiationcurveattypica1.obscnationpointsofshipcabin由图6可以看出,当计算时间t04s时,船舶舱段结构振动及声辐射即进入稔态振动阶段，船的船段结构水下声辐射也进入稳态声辐射.由此可以看出，采用时域预报方法可以得到结构的稳态振动响应。图7清晰给出了船舶舱段结构水卜桎态振动声辐射情况，可以看出，不同时刻船舶舱段结构的水下声辐射各不相同，通过典里时刻船舶舱段结构水下振动声辐时分布可以直观得到船帕结构激励我荷下的真实水下声辐射，由此可通过时域分析方法我实模拟船舶结构的水下振动声辐射。对比图8中典型考核点时域分析与频域分析结果可以看出，一方面，时域分析与频域分析结果在低嫉段吻合良好，两种方法所得结果基本致，但随着频率的提高，两方法所得结果的差异在逐渐增大，特别是在3OO35OHz核段附近.时域分析结果与频域分析结果存在一定差异，主要表现为时域分析结果的峰值较须域分析结果的峰值更为突出，并存在一定的频率左移现彖（频域分析结果峰值嫉率较时域峰值频率落后约20-40Hz）,但总体而言，时域分析结果与频域分析结果是基本吻合的另一方面，对比同一考核部位时域分析结果与领域分析结果曲线可以看出，时域分析结果的频率成份较领域分析更为丰富，这说明时域分析更易激起结构的振动模态。由此可见，采用时域方法进行船舶结构振动噪声预报是可行的。2.2.2 方法求解效率分析现在分析船舶结构振动噪声时域预报方法的求解效率，对于本研究的船舶能段结构振动噪声预报而言，在同一计算硬件配置时，采用时域预报及频域预报方法所需的资源如表1所示。*11内的O1.HH'.京.3*5anWUI21.»0M震椰器肘型附AMM«*2CMH4?21IW表1船舶结构噪声时域预报与频域预报求解时间对比TabComparisonofso1.utiontimebetweentimedomainandFrequencydomainpredictionmethodofshipstructura1.bornenoise由表1可以看出，不论是从内存使用，还是在CPU求解时间方面，时域方法均优于频域预报方法。特别是对于实船结构而言，由于其计算规模远大于本算例模型，在普通计算机上采用领域预报将存在较大困难，而采用时域预报方法则可以方便、快速得到实船的水下声辐射：另一方面，由于时域预报方法的计算规模与其网格数量大致呈线性增长，其对内存的要求也较低，故其分析频率可以更高O综上分析可知，采用时域预报方法开展船舶结构振动噪声预报可以保隙预报的效率，其实反映船舶结构的振动和水下声辐射，避免海峰现象的发生。由此可见，本研究提出的船舶结构振动噪声时域预报方法是可行的，其有利于保障船舶结构振动噪声预报的求解效率与精度，及时发现船舶结构振动噪声设计的关键点，为船舶结构振动噪声快速治理提供方法支拽。3结论本研究针对船舶结构振动噪声频域预报方法存在计算规模大、求解效率低和易出现“峰值遗漏''等现象，基于波动理论,提出船舶结构振动噪声时域预报方法，并进行相应的莫例验证，得到如下结论：（I）时域分析与领域分析结果在低频段吻合良好，两种方法所得结果基本一致，对比同一考核部位时域分析结果与频域分析结果曲线可以看出，时域分析结果的频率成份较领域分析更为丰富，这与通常的物理试验情况也更为接近。（2）船舶结构振动噪声时域预报法可以提高船舶结构振动噪声预报的效率及预报频率，！实反映船舶的水下声辐射，并可避免“漏峰”现象的发生。（3）船舶结构振动噪声时域预报法能及时发现船舶结构振动噪声设计的关键点，为船舶结构振动噪声快速治理提供方法支撑。