1、西安航空职业学院毕业论文超大型集装箱船舱室噪声预报与测试研究姓 名： 专 业： 航空电子 班 级： 完成日期： 指导教师: 摘 要：以某超大型集装箱船为研究对象，采用统计能量分析方法在船舶设计阶段进行舱室噪声预报分析；在船舶建造完成后，对其开展船舶海上噪声测试。试验结果表明该船舱室噪声满足船上噪声等级规则要求；计算结果与试验误差在 6dB 以内，可以较好地满足工程需求。关键词：声学；超大型集装箱船；舱室噪声预报；噪声测试；统计能量分析0 引言船舶舱室噪声会给船上人员的正常生活与工作带来困扰，严重时还会影响身体健康。为了避免上述问题，提高船员的居住舒适性，国际海事组织（IMO）以 MSC.337
2、(91) 决议通过船上噪声等级规则 。该项标准中将 1 万吨以上船舶的居住舱室噪声限值从 60 分贝下调到 55 分贝，餐厅、娱乐等区域的噪声限值从 65 分贝下调到 60 分贝，其它工作区域的噪声限值从 90 分贝下调到 85 分贝，并已于 2014 年 7 月 1 日起强制生效，噪声响应超标的船舶将直接面临罚款、延期交船、巨资整改、甚至弃船的风险。本文目标船型为某超大型集装箱船，该船型具有明显的规模经济性效益，超大型集装箱船可以有效降低单箱运输成本，且不会大幅增加船舶的港口费用，因此深受船东与航运公司的追捧。本文采用统计能量分析方法对某超大型集装箱船开展舱室噪声预报与测试研究，并通过标准限
3、值判断舱室噪声水平，本文计算方法与测量结果可为相似船型的噪声预报评估提供参考。1. 统计能量分析模型1.1 建立声学子系统文中某超大型集装箱船为双岛型船型，即上层建筑位于船中区域，机舱棚与烟囱位于船尾区域。为了对船上人员工作区域与生活区域的噪声进行计算与评估，声学模型应包括船尾部分与船中部分，而船体首部无噪声考核区域，因此在声学模型中予以忽略。此外，从全船结构动力学特性计算结果分析，该型船全船扭转一阶弯曲振动固有频率在 0.37Hz 附近，垂向一阶弯曲振动固有频率在 0.52Hz 附近。船体整体结构固有频率与噪声计算要求的起始频率 63Hz 相比，相差较大。因此全船整体振动不会在噪声评估区域产
4、生较大的结构噪声，这支持了建立声学模型时忽略船体首部的做法是合理的。在建立船舶声学模型时，利用已有有限元模型生成*bdf 文件格式后，导入到 VA One 软件中，转换为FE 子系统并生成有限元面（ FE Face） 。按照统计能量中子系统的划分原则和船舶结构特点，将船舶结构划分为声学模型中的平板子系统与声腔子系统。全船 SEA 模型总计有 3733 个平板子系统和 705 个声腔子系统。模型中定义 1 个半无限流体子系统，与船底和舷侧相连接，用来模拟实船在流体中的声辐射。图 1 为某超大型集装箱船统计能量模型。图 1 某超大型集装箱船统计能量模型1.2 模态密度决定统计能量分析方法计算精度的
5、因素之一是每个子系统的模态密度和单位带宽 内模态数 N。当模态数 N5 时，统计能量分析方法在此区间应用计算精度是能够保证的。为验证本声学模型计算精度范围的可靠性，图 2 给出典型子系统模态数计算结果。从图中可以看出，本声学模型在 63Hz8000Hz 频率范围内，模态数 N5，因此采用统计能量法进行舱室噪声计算分析是可行的。图 2 典型声腔子系统模态数1.3 材料特性本船体结构材料为钢结构，材料密度为 =7850kg/m3，弹性模量 为 E=2.11011N/m2，泊松比 =0.3。在统计能量分析中子系统的阻尼损耗特性通常用内损耗因子来描述，平板子系统的内损耗因子参考船级社建议值，如表 1
6、所示。表 1 钢结构内损耗因子频率（Hz） 内损耗因子（%）60 0.3125 0.26250 0.24500 0.211000 0.192000 0.184000 0.178000 0.16声腔子系统的内损耗因子 可以通过平均吸声系数计算得到：=c0S/(8V) （1）式中： 为声腔子系统内损耗因子，c 0 为声音在舱室中的传播速度， S 为舱室声腔总表面积，V 为舱室体积， 为倍频程中心频率， 为壁面平均吸声系数。耦合损耗因子可通过 VA One 软件内自带模块自动计算得到，其表示耦合的两个子系统在连接处的振动能量损耗，是作为衡量子系统间耦合作用的指标。舱室内装材料可根据已有图纸（绝缘布置
7、图、甲板敷料布置图与木作布置图等）在 VA One 软件中通过“Noise Control Treatments”模块进行定义。其优势在于当无法获得总的材料参数时，可对该材料分层设置。因为相较于总的材料参数而言，单层材料参数更易获得。1.4 噪声源某超大型集装箱船的主要噪声源为主机、发电机组和工作生活舱室的通风管路。按照传播途径分类可分为结构噪声与空气噪声。其中结构噪声是指设备振动通过机脚传递到基座及船体结构的噪声，以速度（级）或加速度（级）的形式施加在平板子系统中。空气噪声是指设备直接向空气介质辐射的噪声，以声压谱的形式施加在声腔子系统中。根据主机厂家提供的资料，主机型号为 MAN B&W
8、S90ME-C10.5-TII，CSR 工况下主机输出功率为49500kW，转速为 69.5rpm。 表 2 为厂商提供的主机噪声谱。表 2 主机噪声谱 dB倍频程中心频率（Hz ）排气管噪声（参考值 210-5Pa）空气噪声（参考值 210-5Pa）结构噪声（参考值 510-8m/s）31.5 133.3 102.3 77.363 126.7 102.5 74.6125 119.7 102.4 71.8250 117.2 102.1 70.9500 114.7 102.8 66.31000 107.6 103.7 60.62000 96.9 101.3 53.24000 87.3 95.5
9、45.68000 80.3 88.9 40船舶正常航行时，4 台发电机共同工作，其中 2 台发电机型号为 W7L32，另 2 台发电机型号为W9L32，4 台发电机均位于 机舱 三层甲板处。由于发电机在船上安装时，均采用弹性支座，因此噪声激励仅考虑空气噪声的影响，根据厂家提供的资料，发电机空气噪声如表 3 所示。表 3 发电机噪声谱 dB倍频程中心频率（Hz） 发电机 W7L32 空气噪声（参考值 210-5Pa） 发电机 W9L32 空气噪声（参考值 210-5Pa）31.5 115 11163 116 112125 120 119250 123 120500 121 1201000 118
10、 1172000 113 1134000 108 1078000 115 111通风管路进出口处噪声谱采用船级社建议值，并在全频段内输入该总声压值。表 4 居住及工作舱室通风管路进出口噪声谱 dB(A)舱室类型通风管路进出口声压值居住舱室与医务室 51餐厅、娱乐室、会议室、办公室等 56其他处所 602 计算结果评估对上述模型进行求解，得到各声腔子系统在各个频率下的声压级预报结果。图 3 为声腔子系统的能量云图。图 3 声腔子系统能量云图对某超大型集装箱船典型舱室噪声计算结果进行综合评价，各舱室总声压级值与船上噪声等级规则噪声限值对比结果如表 5 所示。表 5 舱室总声压级评价 dB (A)舱
11、室名称 总声压级值 规范限值 评价驾驶室 60.37 65 合格船长卧室 50.38 55 合格轮机长卧室 50.16 55 合格三副卧室 49.68 55 合格二管轮卧室 49.68 55 合格轮机官员卧室 49.67 55 合格船员 9 卧室 49.67 55 合格机械师卧室 49.67 55 合格会议室 52.23 60 合格船员 12 卧室 50.46 55 合格厨房 60.66 75 合格餐厅 52.16 60 合格医务室 50.8 55 合格甲板办公室 52.95 60 合格理货办公室 51.57 60 合格苏伊士船员卧室 51.2 55 合格轮机办公室 51.68 60 合格发电
12、机室 109.82 110 合格集控室 72.23 75 合格计算结果表明，原始声学设计下的居住舱室与办公区域总声压级均小于船上噪声等级规则的噪声限值要求。3 噪声测试船舶建造完工后，会由船厂安排在海上开展噪声测试工作。噪声测试时，应注意以下几点：（1）船舶应在正常营运航速下保持直线航行状态，且主机功率不小于 80%最大持续运转功率。（2）测量工况应选择船舶满载或压载工况下进行。（3）船上通常使用的所有机械、航行仪器、无线电、雷达装置以及机械通风、加热、空调等设备，在整个测量期间内均应正常工作。（4）除个别航行中必须开启的门窗外，舱室门窗应予以关闭。（5）外部声源，例如人娱乐、建造和修理工作所
13、产生的噪声，不致影响到测量位置处的船上噪声级。（6）测量时声级计应放在甲板以上 1.2m（坐着的人员高度）和 1.6m（站着的人员高度）之间的高度处。测量位置应距离墙壁至少 0.5m，避免墙壁的反射影响。 对形成声源的机器进行测量时，应距此机器1m 处进行测量。（7）在进行噪声测量时，保证测量环境不致影响测量结果，即风力应不超过 4 级，波高应不超过1m，同时水深应大于 5 倍船舶吃水。4 噪声预报与测试结果对比分析按照上述测量要求，选取压载工况在主机转速为 69.5rpm 时，使用精密积分声级计对目标舱室进行噪声测量。测量结果表明该船舱室噪声测量结果满足船上噪声等级规则的噪声限值要求。表 6
14、 噪声预报与实测结果对比 dB (A)舱室名称 实测值 预报值 差值驾驶室 61 60.4 0.6 船长卧室 45.8 50.4 -4.6 轮机长卧室 47.4 50.2 -2.8 三副卧室 46.4 49.7 -3.3 二管轮卧室 47.3 49.7 -2.4 轮机官员卧室 45.8 49.7 -3.9 船员 9 卧室 47 49.7 -2.7 机械师卧室 46.7 49.7 -3.0 会议室 46.8 52.2 -5.4 船员 12 卧室 47.9 50.5 -2.6 厨房 58.1 60.7 -2.6 餐厅 50.2 52.2 -2.0 医务室 51 50.8 0.2 甲板办公室 56.
15、1 53.0 3.2 理货办公室 49.8 51.6 -1.8 苏伊士船员卧室 53 51.2 1.8 轮机办公室 49.8 51.7 -1.9 发电机室 108.3 109.8 -1.5 集控室 68.3 72.2 -3.9 表 6 为应用 VA One 软件计算得到的噪声预报值与船舶海上试验测量值的对比结果。从表中可以看出，该船大多数房间预报声压级要高于实测声压级，且误差在 6dB 范围内。针对引起预报与实测结果产生的误差，初步判断主要原因如下：（1）舱室噪声预报分析中，通风管路进出口噪声激励载荷输入存在误差，实际测量时空调保持正常运行状态，空调噪声大小与使用者使用状态有着直接关系。（2）
16、房间内有布置具有吸声性能的家具，例如床、沙发、窗帘等吸声系数较高的材料，而在噪声预报时这部分吸声系数没有进行考虑。（3）声学建模时没有考虑窗户、门对舱室噪声的影响，而事实上窗户、门的材料属性与密封性均会对舱室噪声带来一定影响。5 结论本文以超大型集装箱船为研究对象，对其开展船舶舱室噪声预报分析与实船海上噪声测试。通过应用VA One 软件对某超大型集装箱船进行声学建模，考虑主机、发电机、舱室管道进出风口等噪声源，采用统计能量分析方法进行计算，并对计算结果进行初步评估。在船舶建造完工后，开展海上噪声测量试验，测量结果表明：本船舱室噪声性能良好，可以满足船上噪声等级规则的噪声限值要求；测试结果与软
17、件预报结果总声压级差值在 6dB 范围内，可以满足工程应用要求。参考文献1 International Marine Organization (IMO). IMO Resolution MSC. 337(91): Code on noise levels on board shipsS. 2012.2 姚德源，王其政. 统计能量分析原理及其应用M. 北京：北京理工大学出版社，1995.3 中国船级社（CCS） ，船舶及产品噪声控制欲检测指南R. 中国船级社，2013.4 傅斌，陈景昊等 . 中小型集装箱船噪声快速预报与测试研究J. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版)，2017，41（5）:811-8155 刘锟，潘溜溜等. 油船居住舱室噪声预报分析J. 噪声与振动控制, 2016, 36(5): 94-98致 谢在本论文的写作过程中，我的导师*老师倾注了大量的心血，从选题到开题报告，从写作提纲，到一遍又一遍地指出每稿中的具体问题，严格把关，循循善诱，在此我表示衷心感谢。同时我还要感谢在我学习期间给我极大关心和支持的各位老师以及关心我的同学和朋友。写作毕业论文是一次再系统学习的过程，毕业论文的完成，同样也意味着新的学习生活的开始。
