利用VAOne軟件預(yù)報(bào)與控制三體船艙室噪聲,聲學(xué)論文

利用VAOne軟件預(yù)報(bào)與控制三體船艙室噪聲,聲學(xué)論文船舶艙室噪聲是影響人們工作與生活的一項(xiàng)重要指標(biāo)，在船舶設(shè)計(jì)階段需要考慮艙室的聲學(xué)問(wèn)題，預(yù)報(bào)艙室噪聲級(jí)，提出相應(yīng)的控制措施。船舶在運(yùn)行時(shí)處于一個(gè)非常復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中，很難通過(guò)建立微分方程來(lái)解決振動(dòng)與噪聲問(wèn)題。在工程應(yīng)用中，人們會(huì)采取很多假設(shè)，利用近似的方式方法來(lái)解決這一問(wèn)題，常用的方式方法有經(jīng)歷體驗(yàn)預(yù)測(cè)法、有限元法、統(tǒng)計(jì)能量法等，近年來(lái)也有學(xué)者采用灰色預(yù)測(cè)法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法來(lái)預(yù)報(bào)艙室噪聲的。理論上講只要具備大容量的計(jì)算機(jī)，就可用有限元求解任何構(gòu)造的振動(dòng)噪聲問(wèn)題，隨著構(gòu)造模型復(fù)雜程度及分析頻率的提高，有限元單元數(shù)量會(huì)急劇增加導(dǎo)致難以求解。有限元法主要應(yīng)用于有限區(qū)域內(nèi)的構(gòu)造與聲場(chǎng)耦合問(wèn)題。統(tǒng)計(jì)能量法彌補(bǔ)了這一缺陷，它采用統(tǒng)計(jì)能量的思想，將整個(gè)聲振系統(tǒng)離散成若干子系統(tǒng)，根據(jù)各子系統(tǒng)之間的能量傳遞關(guān)系建立系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)能量方程，求解得到各子系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)能量平均值。統(tǒng)計(jì)能量法不能得到子系統(tǒng)某個(gè)局部的精到準(zhǔn)確響應(yīng)，只能預(yù)測(cè)子系統(tǒng)的平均聲學(xué)性能，適用于求解大型復(fù)雜構(gòu)造的中高頻聲振問(wèn)題，以高模態(tài)密度為基礎(chǔ)，要求單位頻帶內(nèi)模態(tài)數(shù)大于5，且模態(tài)重疊數(shù)大于1。1、SEA模型的建立以三體船CAD圖紙為藍(lán)本，對(duì)船體進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，上層建筑采用VAOne軟件直接建模，下層曲面較多，采用ANSYS軟件建立有限元模型，通過(guò)有限元生成SEA模型，最終在VAOne合并成整體模型。圖1為全船建完聲腔子系統(tǒng)之后簡(jiǎn)示圖。查看全船建模構(gòu)造，所產(chǎn)生的子系統(tǒng)和連接數(shù)目列于表1中。2、艙室噪聲預(yù)報(bào)VAOne軟件提供了多種載荷施加方式方法：有定義點(diǎn)鼓勵(lì)輸入力法、定義聲功率法、定義聲場(chǎng)法、定義約束法等。華而不實(shí)點(diǎn)鼓勵(lì)輸入法與聲壓法輸入與子系統(tǒng)的大小有關(guān)。為消除子系統(tǒng)大小導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的差異，因而選擇定義聲功率級(jí)約束法來(lái)輸入系統(tǒng)鼓勵(lì)。選擇休息室為噪聲預(yù)報(bào)與控制對(duì)象。華而不實(shí)休息室離艙底主機(jī)鼓勵(lì)的垂直距離為14.8m，離第一主機(jī)艙的水平距離為28.8m,離第二主機(jī)艙的水平距離為17.4m。2.1單獨(dú)開(kāi)主機(jī)情況下艙室噪聲預(yù)報(bào)主機(jī)噪聲可分為空氣聲和構(gòu)造聲，構(gòu)造聲采用特性分析的方式方法，選擇1/3倍頻程，每個(gè)頻段上主機(jī)加速度級(jí)取100dB，通過(guò)定義約束法將鼓勵(lì)加載主機(jī)艙地板上。主機(jī)空氣聲采用實(shí)測(cè)的數(shù)值見(jiàn)圖2，合成聲壓級(jí)為133.9dB，空氣噪聲以聲壓級(jí)的形式約束到主機(jī)艙聲腔子系統(tǒng)上。圖3給出了休息室分別受主機(jī)空氣聲單獨(dú)作用及構(gòu)造聲和空氣聲兩者同時(shí)作用時(shí)的聲壓級(jí)預(yù)報(bào)結(jié)果。曲線A表示構(gòu)造聲和空氣聲同時(shí)作用，曲線B表示空氣聲單獨(dú)作用。通過(guò)比照能夠看出，對(duì)于休息室這類(lèi)距離鼓勵(lì)源較遠(yuǎn)的艙室主要噪聲源為主機(jī)空氣噪聲。在主機(jī)構(gòu)造聲鼓勵(lì)和空氣聲鼓勵(lì)同時(shí)作用下艙室的聲壓級(jí)跟主機(jī)空氣聲單獨(dú)作用下艙室聲壓級(jí)非常接近，及在主機(jī)航行狀態(tài)下艙室噪聲能量主要來(lái)自主機(jī)的空氣噪聲。2.2通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)噪聲對(duì)艙室噪聲的影響對(duì)于艙室噪聲來(lái)講，空調(diào)噪聲也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生很大的影響，空調(diào)噪聲鼓勵(lì)源為艙內(nèi)空調(diào)通風(fēng)口處噪聲。在休息室開(kāi)設(shè)兩個(gè)空調(diào)通風(fēng)口，每個(gè)通風(fēng)口施加一個(gè)噪聲鼓勵(lì)。通過(guò)對(duì)某型號(hào)空調(diào)機(jī)組進(jìn)行實(shí)地測(cè)量得到其空調(diào)通風(fēng)管口噪聲鼓勵(lì)如此圖4所示，合成后聲壓級(jí)為81.4dB。將空調(diào)噪聲以聲功率的形式加到子系統(tǒng)的空調(diào)出風(fēng)口板上，不約束主機(jī)鼓勵(lì)只單獨(dú)施加空調(diào)噪聲相當(dāng)于實(shí)際情況下船舶處于錨泊狀態(tài)，及主機(jī)噪聲和空調(diào)噪聲同時(shí)作用模擬船舶航行狀態(tài)，計(jì)算模型得到休息室聲壓級(jí)預(yù)報(bào)結(jié)果如此圖5所示。圖中曲線A表示空調(diào)噪聲單獨(dú)作用，曲線B表示主機(jī)、空調(diào)同時(shí)作用，曲線C表示主機(jī)單獨(dú)作用。從圖5中能夠看出，對(duì)于休息室空調(diào)噪聲對(duì)聲腔整體噪聲水平影響較小，且主要集中在800Hz～2000Hz頻段內(nèi)。3、船舶艙室噪聲控制VAOne軟件能夠分析各種吸聲材料的吸聲效果、研究降噪措施能否合理，軟件數(shù)據(jù)庫(kù)中收集了工程中常用的吸聲材料、阻尼材料及其它一些材料，能夠很方便的直接調(diào)用。可以以手動(dòng)編輯定義材料屬性，開(kāi)創(chuàng)建立屬于自個(gè)的新的吸聲材料，包括將它們組合起來(lái)構(gòu)成組合吸聲材料。選擇駕駛室為噪聲控制對(duì)象，駕駛室離主機(jī)艙底鼓勵(lì)的垂直距離為17.3m，距離第一主機(jī)艙水平距離為46.8m，距離第二主機(jī)艙水平距離為35.4m。3.1吸聲材料性能〔1〕單層吸聲材料在艙壁四周單獨(dú)敷設(shè)四種吸聲材料〔玻璃纖維、三聚氰胺、聚酯、聚亞胺脂〕，比照敷設(shè)吸聲材料前后聲腔子系統(tǒng)聲壓級(jí)變化。圖6圖7分別列出了駕駛室施加不同單層吸聲材料前后聲壓級(jí)變化情況。圖中曲線A表示駕駛室未敷設(shè)任何吸聲措施，其它四種吸聲材料列于表2。從圖6與圖7能夠看出,在低頻段，玻璃纖維的吸聲性能最差，三聚氰胺在200～500Hz內(nèi)每個(gè)頻點(diǎn)能降低2dB左右的聲壓，在600～700Hz之間存在吸聲低谷，聚酯在700～2000Hz之間吸聲性能較差，但在中低頻吸聲要好于其它三種材料，聚亞胺脂在中低頻內(nèi)吸聲效果起伏不大在1～2dB左右，在高頻段內(nèi)〔2000Hz以上〕吸聲性能相差不大，吸聲效果較好，平均每個(gè)頻點(diǎn)能減少8～10dB左右?！?〕雙層吸聲材料為了與單層材料的吸聲效果構(gòu)成比照，雙層吸聲材料仍然選用50mm厚度，組合材料的選擇如下表3所示。將四種組合吸聲材料分別敷設(shè)到駕駛室四周，圖8與圖9分別顯示了敷設(shè)四種吸聲材料之后駕駛室的聲壓級(jí)變化情況。分析圖8可得不同厚度的聚酯與三聚氰胺組合得到的組合材料吸聲性能不一樣，組合材料F和G在800～2000Hz吸聲性能變化較大，當(dāng)減少聚酯層厚度增加三聚氰胺厚度時(shí)，吸聲低谷從1000Hz變化到1300Hz左右，并且峰值有所降低。從圖9可看出，聚亞胺脂與三聚氰胺的組合性能變化不大，在400Hz左右存在吸聲低谷。3.2艙室能量輸入考察及降噪效果〔1〕考察子系統(tǒng)之間能量輸入關(guān)系VAOne軟件能查詢(xún)互相耦合子系統(tǒng)之間的能量輸入關(guān)系，通過(guò)考察能夠很清楚的得到每個(gè)聲腔子系統(tǒng)之間的能量輸入關(guān)系，通過(guò)得到哪些子系統(tǒng)傳入的能量起著主要作用后，就能有針對(duì)性的提出噪聲控制措施。圖10給出了駕駛室的能量輸入關(guān)系圖。由于每個(gè)艙室子系統(tǒng)非常多，將它們?nèi)吭趫D表中顯示出來(lái)會(huì)看不清楚，因而將對(duì)子系統(tǒng)能量輸入較小的子系統(tǒng)隱藏起來(lái)，便于觀看。通過(guò)分析每個(gè)聲腔子系統(tǒng)的能量輸入關(guān)系能夠看出，對(duì)于排在前面的幾個(gè)子系統(tǒng)對(duì)聲腔的能量輸入總和占了聲腔總能量輸入的大部分，因而，對(duì)這些占總能量輸入大部分的子系統(tǒng)進(jìn)行噪聲控制措施顯得尤為重要。由于空調(diào)通風(fēng)口的存在，建立駕駛室艙壁板的子系統(tǒng)時(shí)必須將頂壁板劃分為兩個(gè)板。即頂壁plate1，頂壁plate2。根據(jù)建模習(xí)慣，本文中將駕駛室其余5個(gè)艙壁也分別劃分為兩個(gè)板，如此圖10中所示。通過(guò)考察能量輸入關(guān)系能夠得出，對(duì)于駕駛室聲腔奉獻(xiàn)較大的子系統(tǒng)是：駕駛室底板1、駕駛室頂壁、駕駛室底板2、駕駛室前壁下、駕駛室前壁上等；〔2〕降噪效果研究。在得出能量輸入關(guān)系之后接下來(lái)就是進(jìn)行噪聲控制處理，根據(jù)之前分析的吸聲材料吸聲性能結(jié)果，對(duì)于能量輸入奉獻(xiàn)較大的子系統(tǒng)敷設(shè)吸聲性能較好的復(fù)合吸聲材料，對(duì)于其他能量奉獻(xiàn)較少的子系統(tǒng)，能夠敷設(shè)質(zhì)量較輕經(jīng)濟(jì)性更好的吸聲材料，這樣就能整體上兼顧經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性。圖11列出了駕駛室經(jīng)過(guò)復(fù)合吸聲材料處理前后的聲壓級(jí)變化比照。顯示經(jīng)過(guò)處理后駕駛室聲壓不僅在高頻段內(nèi)有較好的吸聲效果，而且低中頻聲壓也有一定的降低，整個(gè)頻段內(nèi)駕駛室聲壓降低了2.5dB，獲得了較好效果。4、結(jié)語(yǔ)使用VAOne軟件對(duì)某三體高速船進(jìn)行三維建模，分別考慮了主機(jī)構(gòu)造聲和空氣聲及空調(diào)噪聲對(duì)艙室噪聲的影響，得出距離鼓勵(lì)源較遠(yuǎn)的艙室，主機(jī)空氣聲對(duì)聲腔聲壓起主要作用。然后研究了幾種吸聲材料的吸聲特性，得出幾組經(jīng)濟(jì)性較好的組合，通過(guò)考察聲腔子系統(tǒng)之間的能量輸入關(guān)系，對(duì)艙室奉獻(xiàn)量較大的敷設(shè)吸聲性能較好的吸聲材料，對(duì)奉獻(xiàn)量小的采用吸聲性能較差但較為經(jīng)濟(jì)的吸聲材料。由于由30mm聚亞胺酯和20mm三聚氰胺的組合不僅質(zhì)量輕，而且較為經(jīng)濟(jì)，建議在噪聲控制中采用該種材料。以下為參考文獻(xiàn)：[1]FahyFJ.Soundandstructuralvibrationradiation，transmissionandresponse[M].EditionAcademicPress，1985.[2]姚熊亮，戴偉，唐永生.船舶上層建筑艙室噪聲灰色預(yù)測(cè)