巖棉在船舶艙室降噪中的應(yīng)用研究

1、裝訂線大連海事大學(xué)畢 業(yè) 論 文二一六年六月巖棉在船舶艙室降噪中的應(yīng)用研究專業(yè)班級：輪機工程2012-18姓 名： 丁煒東 指導(dǎo)教師： 輪機工程學(xué)院摘 要首先，本文簡要介紹了船舶噪聲的來源、噪聲的傳播途徑和噪聲的控制方法。然后對吸聲技術(shù)、隔聲技術(shù)、隔震技術(shù)、阻尼減震降噪技術(shù)等減震降噪方法進(jìn)行了研究。對統(tǒng)計能量分析方法聲學(xué)模型中的基本參數(shù)包括模態(tài)密度、內(nèi)損耗因子、耦合損耗因子和輸入功率的定義、選取原則和確定方法進(jìn)行了學(xué)習(xí)。借助VA One軟件，建立艙室SEA統(tǒng)計能量分析模型。為了更好的對結(jié)果進(jìn)行比對，首先對未在內(nèi)飾板和艙壁板中間填充巖棉的情況下模擬，然后在內(nèi)飾板和艙壁板中間填充不同厚度的巖棉進(jìn)行

2、模擬，分析填充巖棉前、后以及不同厚度時在各個頻段的降噪效果。通過對數(shù)據(jù)的分析和比較來驗證在內(nèi)飾板和艙壁板中間填充巖棉的降噪效果。關(guān)鍵詞：船舶艙室；噪聲控制；統(tǒng)計能量分析；巖棉ABSTRACTFirstly, this paper briefly introduced sound source of the cabin, noise radiation methods and control methods. Then this paper researched various methods of vibration and noise reduction, which including s

3、ound absorption, sound isolation, vibration isolation technology, damping vibration and noise reduction technology. Learn the definition of the concept, the selection principle and method for determining of the basic parameters of the acoustic model of statistical energy analysis method, including m

4、odal density, damping loss factor, coupling loss factor and the input power. By the software VA One, establish the statistical energy analysis model. In order to get better results of the test, we first tested trim panel and bulkhead plate without any material between them and then we tested the sit

5、uation that filled different thickness rock wool between them to analyze the reduction of noise without the rock wool or not and with the different thickness of rock wool. Through the analysis and comparison of test data to prove rock wools effect of reduction the cabin noise.Keywords: vessel cabin；

6、noise control；statistical energy analysis；rock wool24目 錄第1章 緒論11.1 研究背景11.2 本文研究內(nèi)容2第2章 船舶降噪方法概述32.1 吸聲處理32.1.1 吸聲技術(shù)三參數(shù)32.1.2 吸聲處理方式42.2 隔聲技術(shù)52.2.1 隔聲原理和隔聲量52.2.2 隔聲結(jié)構(gòu)62.3 隔振技術(shù)62.3.1 隔振的基本原理62.3.2 浮筑隔振結(jié)構(gòu)72.4 阻尼減震技術(shù)7第3章 統(tǒng)計能量分析方法的基本原理及VA One軟件93.1 統(tǒng)計能量分析方法的基本原理93.2 子系統(tǒng)間能量平衡方程93.3 統(tǒng)計能量分析方法參數(shù)的確定113.3.1 模

7、態(tài)密度的確定113.3.2 內(nèi)損耗因子的確定113.3.3 耦合損耗因子的確定133.3.4 輸入功率的確定143.4 VA One的應(yīng)用過程15第4章 不同厚度巖棉對艙室降噪的影響164.1 實驗介紹164.2 實驗數(shù)據(jù)及處理分析174.3 本章小結(jié)19結(jié)論20參考文獻(xiàn)21致謝22巖棉在船舶艙室降噪中的應(yīng)用研究第1章 緒論1.1 研究背景隨著人類社會工業(yè)化進(jìn)程的不斷進(jìn)步和加強、經(jīng)濟的不斷發(fā)展，如今的世界已然是一個經(jīng)濟全球化的世界，而海上運輸則是將世界連接成一個整體不可或缺的一環(huán)。作為海上運輸?shù)慕煌üぞ?，各種類型的船舶受到越來越多的關(guān)注。船舶的工作環(huán)境遠(yuǎn)離陸地，為了滿足其運輸以及生活的各種要求

8、，在船舶上配備了大量的機械動力系統(tǒng)，而且為了盡可能的多運輸貨物，其工作和生活艙室設(shè)計的非常緊湊。船舶的整體結(jié)構(gòu)主要由鋼制框架和板殼組成，而鋼材自身阻尼很小，導(dǎo)致其不利于衰減各種船舶設(shè)備運行過程中產(chǎn)生的振動和噪聲。長期的振動作用所引起的交變應(yīng)力會使金屬產(chǎn)生疲勞破壞，影響設(shè)備的正常使用和工作壽命。振動還會影響計算機、船用精密設(shè)備等的正常工作，導(dǎo)致其精度受損或者失靈。此外，長期在振動和噪聲的環(huán)境下工作，會引起船員心理上和生理上的各種疾病，包括心率不齊、聽力下降、記憶力衰退等。隨著人們對生活、工作環(huán)境舒適度的要求越來越高以及各種精密設(shè)備的使用，近年來船舶噪聲和振動問題受到越來越多的人關(guān)注。因此國際海事

9、組織在國際海事組織海上安全委員會第91次會議通過了關(guān)于SOLAS的修正案的決議，要求船舶構(gòu)造應(yīng)符合決議通過的船舶噪聲等級規(guī)則，制定了更加嚴(yán)格的關(guān)于船舶噪聲的標(biāo)準(zhǔn)。其部分要求見表1.1。表1.1 不同噪聲規(guī)范對船舶部分艙室噪聲限值要求dB（A）艙室處所A468（1981）DE53/10（2010）DE56（2012）1600-10000GT10000GT機艙110105110110集控室75707575無線電室60656060機修間85808585辦公室65656560居住艙及醫(yī)務(wù)室6055/606055娛樂和健身房656565601.2 本文研究內(nèi)容目前船舶發(fā)展的主要方向是大型化、集成化、密集

10、化，船舶上生活工作的艙室設(shè)計的比較緊湊，使之極易受到機械設(shè)備產(chǎn)生的振動和噪聲的影響。由于制造船舶的主要結(jié)構(gòu)材料是鋼材，自身的阻尼非常小，使得噪聲和振動很難在傳播途中衰減，不僅會導(dǎo)致船舶生活艙室的舒適性降低，還會影響船舶精密儀器的使用精度和壽命。因此不得不對船舶艙室結(jié)構(gòu)進(jìn)行減振降噪研究與設(shè)計。本文針對船舶艙室降噪問題主要做了以下幾個方面的工作：1）首先詳細(xì)介紹了目前船舶行業(yè)的主要減振降噪方法和措施。2）對統(tǒng)計能量分析方法的基本原理進(jìn)行研究，推導(dǎo)了子系統(tǒng)間能量平衡方程，對統(tǒng)計能量分析方法聲學(xué)模型中的基本參數(shù)包括模態(tài)密度、內(nèi)損耗因子、耦合損耗因子和輸入功率的定義、選取原則和確定方法進(jìn)行了學(xué)習(xí)，然后簡

11、單介紹了VA One軟件的使用過程。3）基于VA One軟件平臺，建立SEA統(tǒng)計能量分析方法聲學(xué)模型。首先對未在內(nèi)飾板和艙壁板中間填充巖棉的情況下測試，然后分別對在內(nèi)飾板和艙壁板中間填充2cm、4cm、6cm的巖棉進(jìn)行測試，分析填充巖棉前、后以及不同厚度時在各個頻段的降噪效果。第2章 船舶降噪方法概述船舶艙室的振動源非常多，主要包括機械設(shè)備、推進(jìn)系統(tǒng)和通風(fēng)管路系統(tǒng)噪聲等。噪聲在船舶上的傳播介質(zhì)有空氣和船體結(jié)構(gòu)兩種，通過空氣傳播的噪聲稱之為空氣噪聲，通過船體結(jié)構(gòu)傳播的噪聲稱之為結(jié)構(gòu)噪聲，也叫固體聲。船舶的空氣噪聲主要發(fā)生在距離聲源較近或者包含聲源的艙室內(nèi)，比如在機艙、空調(diào)室、泵艙等。其傳播方式主

12、要有兩種，一種是穿透艙壁向外輻射，艙室中的噪聲源產(chǎn)生噪聲，噪聲的聲壓對艙壁產(chǎn)生作用力，引起艙壁聲振動，此艙壁的聲振動又向相鄰艙室輻射出聲能，如此反復(fù)，使中高頻噪聲可以通過層層艙壁傳播到其他艙室；另外一種是通過所有可能通過的通道向其他艙室傳播，比如艙壁間縫隙、門窗、樓梯道等。結(jié)構(gòu)噪聲主要是通過聲源的機座傳遞到船舶結(jié)構(gòu)上，此類噪聲主要是中低頻噪聲，比空氣噪聲傳播容易，但是船舶結(jié)構(gòu)具有阻尼作用，隨著距離的增加，結(jié)構(gòu)噪聲會逐步衰減。但是當(dāng)船舶結(jié)構(gòu)的固有頻率與噪聲頻率相同時，會發(fā)生共振，導(dǎo)致該處產(chǎn)生較強的噪聲，一旦結(jié)構(gòu)噪聲超標(biāo)將很難對其進(jìn)行有效的處理。由于船舶上噪聲強度大、頻率跨度大、頻譜成分復(fù)雜，所以

13、采用單一的減振降噪措施難以達(dá)到國際海事組織對噪聲的要求。因此對于船舶上的噪聲問題往往需要將多種降噪措施相結(jié)合，船上常用的噪聲控制方式包括：吸聲處理、隔聲技術(shù)、隔震技術(shù)和阻尼減震技術(shù)等。2.1 吸聲處理吸聲是指使用吸聲材料或者吸聲結(jié)構(gòu)將入射到其表面的聲能轉(zhuǎn)化成為其他型式的能量來消耗聲能，達(dá)到吸聲降噪的目的。在船舶艙室的噪聲控制當(dāng)中，使用吸聲材料能夠有效的降低船舶艙室內(nèi)的高頻噪聲，了解其類型、吸聲機理和使用性能，有利于聲學(xué)分析以及便捷的解決吸聲降噪設(shè)計問題。2.1.1 吸聲技術(shù)三參數(shù)吸聲材料或者吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲特性主要由吸聲系數(shù)、吸量和聲阻抗這三個重要的物理量來描述。1）吸聲系數(shù)吸聲系數(shù)是表示吸聲材

14、料或者吸聲結(jié)構(gòu)吸聲能力的一個參數(shù)，用表示，其表達(dá)式為： （2.1）式中：反射系數(shù)，。吸聲系數(shù)側(cè)面反映了艙室壁面單位面積的吸聲能力，吸聲系數(shù)的大小受到聲音的頻率、聲能的入射角、材料的自身性質(zhì)和材料的安裝方式影響。2）吸聲量材料式結(jié)構(gòu)的吸聲量的定義為： （2.2）式中：吸聲系數(shù)；吸聲材料或者結(jié)構(gòu)的吸聲面積（m2）。根據(jù)吸聲量的定義可知，當(dāng)艙室面積一定時，吸聲量的大小由吸聲系數(shù)決定,因此要提高艙室內(nèi)的吸聲量，就要提高艙室內(nèi)的吸聲系數(shù)。3）聲阻抗聲阻抗是指材料在一定面積上的聲壓p和通過該面積上的體積速度的復(fù)數(shù)比?？杀硎緸椋?（2.3）2.1.2 吸聲處理方式1）多孔吸聲材料多孔吸聲材料是把入射的聲能通

15、過材料空隙的空氣和材料纖維的振蕩，將聲能轉(zhuǎn)化成熱能從而吸收掉。因此多孔材料的內(nèi)部具有無數(shù)的空隙，空隙之間互相連通，并且通過材料表面與外界連通。多孔吸聲材料主要包括無機纖維材料、有機纖維材料、泡沫材料這三種材料，它們的吸聲性能都會受到空氣流阻、材料厚度、材料密度以及濕度的影響。2）空間吸聲體空間吸聲體是指在距離壁面還有一定距離的空間中，懸掛在艙室內(nèi)的吸聲材料或吸聲機構(gòu)?？臻g吸聲體包括大面積的平板體、單元吸聲體、吸聲尖劈這三種?？臻g吸聲體具有吸聲面利用率高、吸聲效率高的優(yōu)點。3）薄板（膜）共振吸聲機構(gòu)薄板（膜）共振吸聲機構(gòu)就是在薄板（膜）的背面安裝龍骨、墊塊等，使板（膜）后留有一定的空氣層，形成共

16、振的聲學(xué)穴腔，這就是薄板共振吸聲機構(gòu)。有的時候會在空氣層中填充多孔吸聲材料。4）穿孔板共振吸聲機構(gòu)在金屬板、膠合板等板上穿以一定厚度的、一定穿孔率的孔，板后留有一定厚度的空氣層，可以對入射的聲波產(chǎn)生共振，從而吸收。穿孔板共振吸聲機構(gòu)包括單層板穿孔共振吸聲結(jié)構(gòu)、雙層板穿孔共振吸聲機構(gòu)和微穿孔板吸聲機構(gòu)。2.2 隔聲技術(shù)2.2.1 隔聲原理和隔聲量在聲音傳播途中遇到障礙物時，會使一部分聲能被反彈回去，一部分被障礙物吸收，透過障礙物的聲能大大減小，從而在障礙物后面形成了一個相對安靜的環(huán)境。這種由障礙物阻礙聲音傳播的現(xiàn)象稱之為隔聲，如圖2.1所示。圖2.1 隔聲原理示意圖1）隔聲結(jié)構(gòu)的透射損失聲能式聲

17、強的透射系數(shù)為： （2.4）式中：噪聲的透射聲能；噪聲的入射聲能；噪聲的透射聲強； 噪聲的入射聲強。為隔聲構(gòu)件的透射系數(shù)，反映了該隔聲構(gòu)件的透聲或隔聲能力。2）隔聲量隔聲量或者稱透射損失定義為： （2.5）則 （2.6）隔聲量表示的是隔聲件自身的隔聲能力，所處的環(huán)境不影響隔聲量的大小，取決于隔聲材料或隔聲結(jié)構(gòu)的型式、尺寸。越大，則隔聲效果越好，反之則隔聲效果越差。2.2.2 隔聲結(jié)構(gòu)隔聲結(jié)構(gòu)根據(jù)其組成方式不同可以分成單層均質(zhì)板隔聲結(jié)構(gòu)、雙層均質(zhì)板隔聲結(jié)構(gòu)和復(fù)合壁板隔聲結(jié)構(gòu)。其中單層均質(zhì)板隔聲結(jié)構(gòu)隔聲量經(jīng)驗計算公式如下： （2.7）式中：單壁板的面密度（單位面積質(zhì)量）（kg/m2） （2.8）式

18、中：單層壁板的質(zhì)量（kg）；壁板面積（m2）；rb壁板密度（kg/m2）； 壁板厚度。雙層均質(zhì)板隔聲結(jié)構(gòu)隔聲量經(jīng)驗計算公式如下所示： （2.9）式中：聲源正面的板壁的面密度（kg/m2）；背面層板壁的面密度（kg/m2）；DTL(D)空氣層附加隔聲量（dB）。根據(jù)經(jīng)驗計算公式可見，當(dāng)材質(zhì)一定，表面積一定時，上述的兩種隔聲結(jié)構(gòu)要達(dá)到要求的隔聲量，就必須增加板的厚度，因此會大大增加重量，并且由于這兩種結(jié)構(gòu)很容易出現(xiàn)共振，降低隔聲效果，所以往往會選擇復(fù)合壁板隔聲結(jié)構(gòu)，即在單層壁板、雙層壁板或者多層壁板的中間腔內(nèi)填充一定厚度的吸聲材料，在其表面上覆蓋粘彈性阻尼材料等來增加隔聲效果。2.3 隔振技術(shù)2.

19、3.1 隔振的基本原理在機械設(shè)備的基座與船體結(jié)構(gòu)之間安裝有彈簧或彈性襯墊等組成的彈性支座，將會使機械設(shè)備與船體結(jié)構(gòu)的連接變成彈性連接。因為支座受力之后會產(chǎn)生彈性變形，起緩沖的作用，減弱了對船體結(jié)構(gòu)的沖擊力，阻擋振動傳播，最終使噪聲輻射量降低，這就是隔振降噪的原理。為了表示隔振的效果，我們需要用到傳振系數(shù)（力傳遞率）這個物理量，通常記作Tf。傳振系數(shù)是通過隔振措施傳遞出去的幅值FB0與總擾動力的幅值F0之比，即： （2.10）Tf = 01，Tf越小，表示隔振效果越高；如果Tf 1,則表示振動被放大。2.3.2 浮筑隔振結(jié)構(gòu)浮筑隔振結(jié)構(gòu)作為一種在傳播途徑中的隔振型式已經(jīng)有了初步的研究，目前研究較

20、為深入并且已經(jīng)應(yīng)用于工程的浮筑隔振結(jié)構(gòu)有兩種：一種是浮筏式隔振結(jié)構(gòu)，另外一種是浮式地板系統(tǒng)。1）浮筏式隔振結(jié)構(gòu)浮筏式隔振結(jié)構(gòu)是一種雙層式隔振體系，包含上層隔振體、筏體、下層隔振器和限位器這四部分，他們組成了機械設(shè)備與船舶結(jié)構(gòu)之間的彈性連接結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)是將多種機械設(shè)備通過隔振器安裝在同一個筏體上，筏體又作為公用的過渡基礎(chǔ)與船舶結(jié)構(gòu)相連接。如果設(shè)計得當(dāng)?shù)那闆r下，安裝在筏體上的非動力裝置還可以起動力吸振器的作用。2）浮式地板系統(tǒng)船舶艙室的主要噪聲來源于大面積分布的板的振動，特別是當(dāng)板與噪聲發(fā)生共振的時候，板的振動會更加明顯。為了減少船舶艙室的振動，需要在鋼板上覆蓋幾種減振、隔振的消聲層，這種控制振

21、動的方式被稱之為浮式地板系統(tǒng)。當(dāng)鋼板振動時，鋼板上的具有高內(nèi)摩擦阻尼的材料會隨之發(fā)生彎曲，材料內(nèi)部的分子會由于錯位而產(chǎn)生摩擦，從而消耗一部分振動能量。阻尼層除了發(fā)生彎曲之外，還會由于鋼板變形不一致而產(chǎn)生剪切變形，從而消耗大量的振動能量。此外，地板下面通常還會鋪上一層較厚的巖棉層，它具有良好的消聲、抗沖擊、耐火性良好的優(yōu)點。2.4 阻尼減震技術(shù)薄的鋼板或鋁板的阻尼很小，而聲輻射率很高。當(dāng)材料一定、面積一定，為了減少它的聲輻射，就必須加大板的厚度或者在板上增加加強筋，但這樣會大幅度增加重量，不符合船舶設(shè)計要求。因此需要在振動的薄板上覆蓋一層高阻尼材料。阻尼的作用是降低機械結(jié)構(gòu)或者板式結(jié)構(gòu)的共振振幅

22、，并且會降低力傳遞率Tf，使之趨于平穩(wěn)。當(dāng)機械系統(tǒng)受到瞬時沖擊后，很快恢復(fù)到平穩(wěn)，因此有助于減少因機械振動而產(chǎn)生的聲輻射。通常我們會用損耗因子h來表示，他是指每單位弧度相位變化的時間內(nèi)，內(nèi)損耗的能量和系統(tǒng)最大彈性勢能之比。損耗因子h可表達(dá)為： （2.11）式中：每個振動周期內(nèi)損耗的能量，：為阻尼系數(shù)，為擾動力角頻率，為振幅；系統(tǒng)總的振動能量，。阻尼損耗因子h越大，其阻尼特性越好。阻尼材料的阻尼損耗因子不是一成不變的，隨著環(huán)境的變化，阻尼損耗因子也將隨之改變，對其影響最大的因素是環(huán)境溫度和頻率。1）溫度的影響阻尼材料在特定溫度范圍內(nèi)有較高的阻尼特性，圖2.2是阻尼材料的損耗因子h、剪切模量G隨溫

23、度變化的典型曲線。根據(jù)阻尼和剪切模量隨溫度的顯著變化，可以分為三個區(qū)域，溫度較低時稱為玻璃態(tài)，剪切模量高但是損耗因子低；溫度高時表現(xiàn)為橡膠態(tài)，剪切模量和損耗因子都很低；在兩者中間有一個過渡區(qū)，在過渡區(qū)內(nèi)，剪切模量迅速降低，而損耗因子較大，損耗因子最大處稱為峰值阻尼。2）頻率的影響頻率的大小對阻尼材料的性能有很大的影響，其影響取決于材料的使用溫度。當(dāng)溫度一定時，阻尼材料的剪切模量大致會隨著頻率的增大而增加，圖2.3所示的是阻尼材料性能隨頻率變化而變化的示意圖。圖2.2 剪切模量和阻尼損耗因子隨溫度變化 圖2.3 剪切模量和阻尼損耗因子隨頻率變化第3章 統(tǒng)計能量分析方法的基本原理及VA One軟件

24、3.1 統(tǒng)計能量分析方法的基本原理20世紀(jì)60年代，為了滿足對航天飛行器系統(tǒng)產(chǎn)品可靠性的要求，需要對聲音震動環(huán)境預(yù)報技術(shù)有突破性的進(jìn)展，為了適應(yīng)航空航天行業(yè)的快速發(fā)展，一種新的方法統(tǒng)計能量分析方法被提出并且得到了逐步的發(fā)展。經(jīng)過多年的發(fā)展，統(tǒng)計能量分析方法應(yīng)用到了船舶領(lǐng)域，這種方法從統(tǒng)計角度出發(fā)，忽略了許多細(xì)節(jié)問題，以能量為基礎(chǔ)，根據(jù)震動波和模態(tài)的內(nèi)在聯(lián)系，用統(tǒng)計能量敘述動力特性，從而解決了耦合問題，進(jìn)行振動噪聲優(yōu)化設(shè)計。統(tǒng)計能量分析方法將以板、梁等基本單元進(jìn)行建模，然后根據(jù)實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，能夠快速簡潔的調(diào)整這些基本單元的參數(shù)。對于船舶噪聲，即使在船舶設(shè)計初期，掌握資料較少的情況下，也可以對

25、整條船進(jìn)行研究。統(tǒng)計能量分析方法的具體內(nèi)涵可以分成三個層次：1）“統(tǒng)計”的定義是將要分析的結(jié)構(gòu)按照一定規(guī)則分割成有限個子系統(tǒng)，假設(shè)每個子系統(tǒng)的基本因素所符合的分布方式是確定的看起來相似的子系統(tǒng)構(gòu)成的載體；2）“能量”的定義是用能量參數(shù)來表示已經(jīng)劃分好的子系統(tǒng)，用單位時間內(nèi)能量平衡方程來描述耦合子系統(tǒng)之間的聯(lián)系，把能量作為獨立變量來處理耦合動力學(xué)問題，先得到子系統(tǒng)能量的參數(shù)，然后在轉(zhuǎn)化為其他動力學(xué)參數(shù)；3）“分析”的定義是把計算所要用的一系列統(tǒng)計能量分析方法的基本參數(shù)通過對每個子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸、介質(zhì)特點等表達(dá)式方程的方式確定的，這些參數(shù)只能通過分析才能得到。3.2 子系統(tǒng)間能量平衡方程1）如果要

26、研究的對象是一個單一震動子系統(tǒng)所確立的能量平衡方程，那么這個系統(tǒng)的損耗功率為： （3.1）式中：阻尼損失比（）；振子阻尼損失因子；系統(tǒng)剛度（N/m）；振子質(zhì)量（kg）；h內(nèi)損耗因子（h=2x）；Q放大因子；振子固有頻率（Hz）；能量（J）。2）如果要研究的對象是由兩個子系統(tǒng)所形成的能量平衡方程，則為： （3.2）式中：子系統(tǒng)固有頻率（Hz）；第i個子系統(tǒng)能量（J）；hi 阻尼損耗因子；hij耦合損耗因子；模態(tài)密度（rad/s）；輸入能量（J）。3）如果要研究的對象是由三個或者三個以上子系統(tǒng)所形成的能量平衡方程，那么每個子系統(tǒng)的內(nèi)損耗功率見式（3.1），子系統(tǒng)之間的能量是相互傳遞的，第個子系統(tǒng)向

27、第j個子系統(tǒng)傳遞的功率流可以表示為： （3.3）記第個子系統(tǒng)的輸入能量為： （3.4）將式（3.1）和式（3.3）代入式（3.4），得到： （3.5）根據(jù)互易原理ni(w)hij=nj(w)hji，將該式代入式（3.5）便得到如下統(tǒng)計能量方程：（3.6）式中：結(jié)構(gòu)第i個子系統(tǒng)的內(nèi)損耗功率（W）；Pij子系統(tǒng)i向子系統(tǒng)j的功率（W）；Pi,in外界對子系統(tǒng)i的輸入功率（W）；其他見式（3.1），（3.2）。3.3 統(tǒng)計能量分析方法參數(shù)的確定3.3.1 模態(tài)密度的確定模態(tài)密度的定義就是某個系統(tǒng)在任意確定的頻率范圍內(nèi)，單位頻帶寬度內(nèi)的模態(tài)數(shù)目，它反映了系統(tǒng)儲存的能量大小。若帶寬內(nèi)的振型數(shù)目較少，一般

28、會進(jìn)行實驗來精確測定，如果帶寬內(nèi)振型稠密，往往將理論與實踐相結(jié)合，綜合求解模態(tài)密度。其中表3.1給出了簡單子系統(tǒng)模態(tài)密度的求解公式。表3.1 簡單子系統(tǒng)模態(tài)密度計算公式n(f)一維桿的橫向震動n(f)=2L/C1一維梁的橫向震動n(f)=L/CB二維平板的震動n(f)=Ap/2RC1三維聲空間的震動n(f)=4pf 2V0/Ca3+fpAs/2Ca3+L1/8Ca式中：聲場某點處的聲速（m/s）；桿的縱向波速（m/s）；聲場總表面積（m2）； 總的棱邊長度（m）；桿的長度（m）；桿的彎曲波速（m/s）；平板截面的回轉(zhuǎn)半徑（m）；Ap平板表面積（m2）；聲場體積（m3）。3.3.2 內(nèi)損耗因子的

29、確定統(tǒng)計能量分析方法中內(nèi)部損耗由系統(tǒng)的阻尼大小決定，習(xí)慣上用“內(nèi)損耗因子”來表示阻尼的損耗特性，系統(tǒng)損耗功率Pd與內(nèi)損耗因子之間的關(guān)系可以用下列表達(dá)式來表示： （3.7）由式（3.7）可以看出，h是子系統(tǒng)單位時間內(nèi)每發(fā)生一次振動內(nèi)部損耗掉的能量與系統(tǒng)本身總蘊含的能量之比。在組合結(jié)構(gòu)中，子系統(tǒng)的內(nèi)部損耗一般由三類不相關(guān)的阻尼型式組成：hs子系統(tǒng)由于自身材料內(nèi)部摩擦而造成的結(jié)構(gòu)損耗因子；hr子系統(tǒng)本身振動而發(fā)出聲輻射的阻尼構(gòu)成的聲輻射損耗因子；hb子系統(tǒng)互相連接的邊界連接構(gòu)成的邊界損耗因子。即： （3.8）1）結(jié)構(gòu)損耗因子hs一般情況下，鋼板的阻尼系數(shù)非常小，為了提高鋼板的阻尼系數(shù)，人們通常在鋼板

30、上使用自由阻尼或約束阻尼材料，它們的結(jié)構(gòu)損耗因子根據(jù)下式計算：對自由阻尼層復(fù)合結(jié)構(gòu)： （3.9）式中：ha阻尼層材料損耗因子；、分別是基體材料和阻尼層材料的楊氏模量；、阻尼層材料的厚度和寬度（m）；基體的截面慣性矩（Nm）；基體和阻尼層之間的中性軸的距離（m）。對約束阻尼層復(fù)合結(jié)構(gòu)： （3.10）式中：g阻尼層材料結(jié)構(gòu)系數(shù)；b剪切損耗因子；優(yōu)化剪切系數(shù)，。2）聲輻射損耗因子hr如下式： （3.11）式中：頻帶中心頻率（Hz）；結(jié)構(gòu)輻射比；rs板的面密度（kg/m2）；r0流體密度（kg/m3）；聲速（m/s）。3）邊界損耗因子hb通常情況下，系統(tǒng)的損耗因子h比邊界損耗因子hb大一個數(shù)量級，因此

31、hb的形成原因和估算方法顯得尤為重要?，F(xiàn)在hb的成因有兩種解釋方法，其中一種認(rèn)為hb的成因是由塑性變形和結(jié)構(gòu)連接處的相互滑動造成的；另外一種則認(rèn)為連接系統(tǒng)之間存在一層氣體或者液體構(gòu)成的粘性流動區(qū)，當(dāng)發(fā)生振動時，粘性流動區(qū)厚度發(fā)生變化，使得氣體或液體在間隙中進(jìn)進(jìn)出出，從而產(chǎn)生了粘性消耗。一般情況下會采用下述的經(jīng)驗公式進(jìn)行估算： （3.12）3.3.3 耦合損耗因子的確定耦合損耗因子是表示子系統(tǒng)之間耦合關(guān)系緊密程度的一個物理量。為了便于分析，我們忽略復(fù)雜的連接工藝，將耦合方式簡化成點、線、面這些經(jīng)典的連接方式。1）點連接的耦合損耗因子 （3.13）式中：、點輸入阻抗實部；n1(w)結(jié)構(gòu)的模態(tài)密度（

32、rad/s）；、結(jié)構(gòu)點輸入阻抗（W）。2）線連接的耦合損耗因子 （3.14）式中：線連接長度（m）；A1板的面積（m2）；Cg彎曲波群速度（m/s）；波的傳播速度（m/s）。3）板和聲場間的耦合損耗因子 （3.15） （3.16）式中：r0、rs空氣密度、板的面密度（kg/m2）； 聲速（m/s）；板聲輻射系數(shù)；結(jié)構(gòu)模態(tài)密度（rad/s）；聲場模態(tài)密度（rad/s）。3.3.4 輸入功率的確定用一種既定的頻率帶寬進(jìn)行分析或測量輸入功率的大小，需要已知下列條件：1）激勵源在空間域和時間域的分布以及它的激勵等級；2）激勵源系統(tǒng)輸出阻抗；3）接受系統(tǒng)輸入阻抗；4）輸入功率對耦合狀態(tài)不敏感。通常以上的

33、條件很難實現(xiàn)，所以對輸入功率很難精確測量，因此通常會把激勵簡化，使其成為理想力源或速度源，而且還會把激勵源變成理想點源、均勻線源、和均勻面源等。1）點源輸入功率 （3.17）上式中：Fsb(w)點源系統(tǒng)阻擋力（N）；ZS(w)點源系統(tǒng)輸出阻抗（W）；ZR(w)接受系統(tǒng)激勵處出輸入阻抗（W）；ReZR(w)輸出阻抗的實部。2）線源輸入功率 （3.18）式中：板對邊界的入射強度（Pa）；Cg板的群波速（m/s）；Ds板內(nèi)的能量密度（J/m2）；CB板的彎曲波速（m/s）；板的震動速度（m/s）；KB板的彎曲波數(shù)；rs板面的質(zhì)量密度（kg/m3）；A板的面積（m2）；E振動能量（J）。3）面源輸入功

34、率 （3.19）式中：Ca聲場的聲速（m/s）；ns(w)聲場的模態(tài)密度（rad/s）；srad板的輻射比；rs聲場的質(zhì)量密度（kg/s）；Pa聲場壓強（Pa）；D(W)方向?qū)?shù)。3.4 VA One的應(yīng)用過程1）建立SEA統(tǒng)計能量分析方法聲學(xué)模型：通過對結(jié)構(gòu)的分析，建立點、板、聲腔等；2）定義模型中要用到的材料的物理屬性，如密度、彈性模量、阻尼因子等；3）定義要構(gòu)建的構(gòu)件的物理屬性，如定義板的厚度、梁的型式等；4）將定義的構(gòu)件運用到要研究的子系統(tǒng)中；5）定義內(nèi)損耗因子、耦合損耗因子等；6）將創(chuàng)建好的各個子系統(tǒng)按照需求進(jìn)行連接，組成整個耦合結(jié)構(gòu)聲振系統(tǒng)；7）定義聲激勵，并按照需求將聲激勵加載到

35、指定位置；8）對模型進(jìn)行計算，可以得到聲壓級、吸聲系數(shù)、能量輸入輸出、隔聲量等結(jié)果；9）對得到的結(jié)果進(jìn)行分析。第4章 不同厚度巖棉對艙室降噪的影響4.1 實驗介紹為了驗證不同厚度的巖棉吸聲材料對艙室降噪的效果，首先基于VA One軟件建立如圖4.1所示的SEA統(tǒng)計能量分析方法艙室聲學(xué)模型，該模型由兩個相同體積的艙室組成，艙室的長度為7.5m，寬度為6.6m，高度為6m。因為集控室是船舶上距離噪聲源最近的艙室，所以這兩個艙室的艙壁皆采用船舶集控室典型的艙壁結(jié)構(gòu)，艙壁結(jié)構(gòu)如圖4.2所示，可以發(fā)現(xiàn)，在內(nèi)飾板和艙壁板中間具有一定厚度的空隙，假定內(nèi)飾板和艙壁板中間間隙的厚度為6cm，這為本次實驗提供了理

36、論基礎(chǔ)。圖4.1 艙室SEA統(tǒng)計能量分析方法聲學(xué)模型圖4.2 船舶艙室艙壁結(jié)構(gòu)示意圖通過對各種吸聲材料的學(xué)習(xí)和研究，發(fā)現(xiàn)巖棉是一種纖維型多孔吸聲材料，具有良好的耐火性、保溫性、抗沖擊性，常常在船舶當(dāng)中作為隔熱保溫材料來使用。同時巖棉疏松多孔，具有良好的吸聲效果。而且?guī)r棉的密度較小，相同體積情況下質(zhì)量輕，便于船舶的設(shè)計。巖棉所具有的這些特性都滿足集控室對艙壁結(jié)構(gòu)材料的要求，所以本文選用巖棉填充在艙壁板和內(nèi)飾板之間的空隙，來研究添加巖棉多孔吸聲材料之后對艙室隔聲量的影響。選取一定厚度的巖棉吸聲材料填充在艙室的內(nèi)飾板和艙壁板之間的空隙中。通過模擬，得到填充不同厚度的巖棉時的隔聲量，然后通過對實驗數(shù)據(jù)

37、進(jìn)行分析，來研究巖棉吸聲材料厚度的不同對艙室降噪的影響。本次實驗分別在不填充巖棉、以及選取厚度為2cm、4cm、6cm的巖棉吸聲材料填充在內(nèi)飾板和艙壁板中間間隙當(dāng)中。內(nèi)飾板和艙壁板在實驗過程中不改變其位置，保證內(nèi)飾板和艙壁板中間間隙的厚度始終保持6cm而不發(fā)生改變。然后選則其中一個艙室作為發(fā)聲室，在其內(nèi)部添加聲源，將另外一個艙室作為受聲室。4.2 實驗數(shù)據(jù)及處理分析首先，基于VA One軟件對未在內(nèi)飾板和艙壁板之間間隙填充巖棉吸聲材料進(jìn)行模擬，得到在此情況下各個頻率段內(nèi)的隔聲量，如表4.1所示。表4.1 未填充巖棉吸聲材料時的隔聲量（dB）A頻率隔聲量頻率隔聲量頻率隔聲量10026.77125

38、24.4016027.4720025.2425027.6131532.2340036.0250046.4563056.2280063.28100069.62125075.94160080.27200085.33250077.30315091.95400099.21500093.43然后在內(nèi)飾板和艙壁板之間填充2cm的巖棉吸聲材料，通過模擬得到在此情況下各個頻率段內(nèi)艙壁的隔聲量，如表4.2所示。表4.2 填充2cm厚巖棉時艙室的隔聲量頻率隔聲量頻率隔聲量頻率隔聲量10025.2812522.3316027.0020027.8225030.6431538.3740043.0450050.42630

39、58.2880065.96100072.13125077.44160082.96200089.55250095.87315096.854000103.115000112.10將填充巖棉之前的隔聲量與填充2cm厚巖棉之后的隔聲量進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)填充巖棉之后，艙壁的隔聲量在各個頻率范圍內(nèi)均得到提高，尤其是在中高頻率范圍內(nèi)，如圖4.3所示。由此推測隨著在內(nèi)飾板和艙壁板之間填充巖棉吸聲材料厚度的增加艙室的隔聲量也隨之增加。圖4.3 填充2cm巖棉前后隔聲量對比圖為了進(jìn)一步驗證本文的猜想，接下來在內(nèi)飾板和艙壁板之間填充4cm的巖棉，經(jīng)過模擬得到在此情況下的隔聲量，如表4.3所示。表4.3 填充4cm厚巖

40、棉時艙室的隔聲量（dB）A頻率隔聲量頻率隔聲量頻率隔聲量10023.5812521.7816028.6020031.6425035.2831541.5040046.2150052.2363059.3780067.04100074.28125081.90160090.14200097.092500103.343150108.694000112.345000117.55將填充4cm厚巖棉吸聲材料后得到的隔聲量與未填充巖棉以及填充2cm厚巖棉的隔聲量進(jìn)行對比，如圖4.4所示，發(fā)現(xiàn)隨著填充厚度的增加，艙室的隔聲量也隨之增加，尤其是在中高頻段，隔聲量增加幅度較大。圖4.4 填充4cm巖棉前后隔聲量對比圖為了進(jìn)一步驗證增加填充巖棉厚度之后的隔聲效果，對在內(nèi)飾板和艙壁板之間填充6cm厚的巖棉吸聲材料的情況下進(jìn)行模擬，得到填充6cm厚的巖棉時艙室的隔聲量，如表4.4所示。表4.4 填充6cm厚巖棉時艙室的隔聲量頻率隔聲量頻率隔聲量頻率隔聲量10022.5412524.4516031.1220034.4825038.2231543.4240048.1250053.8463061.2180069.52100077.2