完美“聲優” | ProNas在大型船舶中高頻噪聲預測的應用
本文以ProNas能量有限元理論為基礎，建立了船舶的ProNas能量有限元計算模型，采用大型商用正版軟件ProNas對復雜激勵在船舶各艙室產生的中高頻結構噪聲及空氣噪聲進行仿真計算，得到船舶各艙室聲壓級，并利用ProNas軟件后處理功能確定激勵源及傳遞路徑處的能量分布云圖，對不滿足噪聲目標的艙室進行了聲學優化，最終解決了大型實際船舶工程的中高頻噪聲預測與控制問題。
引言
復雜結構的中高頻噪聲的控制一直以來都是各工業領域研究的重點與難點問題，尤其對于大型船舶其內環境相比其它工業產品更加獨特[1]：結構形式縱橫交錯，艙室眾多，噪聲誘因復雜，聲源品種繁多密集，噪聲強度較大，噪聲頻域帶寬且持續穩定，結構噪聲與空氣噪聲相互轉化。以上這些特點，就使得船舶噪聲控制起來更加困難。2014年7月國際海事組織（IMO）簽訂生效的新的《船上噪聲等級規則》要求居住區部分艙室聲壓級在舊規范的基礎上降低5dB(A),這就要求船舶工程設計人員需要采取更加有效的控制手段來降低船舶噪聲。
目前預測結構噪聲及空氣噪聲的理論體系相對完善，并已將理論應用于大量實際工程中。按激勵源頻率及具體工業產品，可將振動和噪聲的問題劃分為低頻、中頻及高頻問題。低頻結構的響應具有隨機和確定性，且為全局模態，工程中常用的數值方法為有限元（FEM）、邊界元（BEM）等。
理論上，有限元方法可計算任意結構的振動場，但是為了能準確反映結構的振動特性，劃分單元的網格長度要求要遠低于結構中彎曲波的波長。這樣隨著頻率的增加，結構彎曲波波長變小，結構網格需要進一步細化，對計算資源要求較高，且結構模態密集，重疊交錯，響應表現出不確定性，具有了統計的概念，因此，有限元和邊界元就不再適合解決中高頻問題。
統計能量分析（SEA）用于解決中高頻問題，且模態越密集，其計算精度就越高。但統計能量分析不能保證子系統的空間變量信息的完整性[2]，難以精確預示子系統內能量密度分布[3]且子系統的劃分需要一定的經驗，不易進行實際結構形態的設計與優化[4]，模態密度及耦合因子的準確與否直接影響結果的準確度[5-6]。所以為了更好的控制中高頻噪聲，就需要有更好的理論方法。
能量有限元法[7](EFEA)是一種預測中高頻動響應的新方法，它是以波動理論為基礎，將結構離散化，在單元之間建立能量密度關系式，從而求解得到所有節點的能量密度。能量有限元法以有限單元為對象，保證了模型的完整性，但是在結構突變處引入了大量重復節點，求解效率得不到平衡，能量有限元理論目前可以解決一些簡單的有限元噪聲問題，對于復雜問題的應用依然比較困難。
ProNas能量有限元是在統計能量分析及能量有限元理論的基礎上，以有限單元為研究對象，混合了SEA及EFEA理論，利用有限體積法及差分法推導出得類似于SEA的理論方程，聯立求得每個有限單元的能量密度。ProNas能量有限元法避免了在結構突變處引入重復節點，保證了求解精度和計算效率，是一種具有較高研究價值及應用價值的中高頻噪聲控制方法。
本文著重介紹了ProNas能量有限元理論原理且應用ProNas商業軟件對大型實際船舶的中高頻噪聲進行了仿真計算，求解得出船舶各艙室聲壓級。
ProNas能量有限元基本理論
ProNas能量有限元法可有效解決結構振動系統中高頻噪聲問題，它包含了能量有限元法（EFEA）及統計能量分析法（SEA）的優點，具有更大優勢。
ProNas能量有限元方法是在波動理論上建立的一種功率流方法，通過波動形式求解結構微元體運動方程，并將波動形式下的動能密度、勢能密度及功率流進行周期內時間平均和局部空間平均，得到能量密度與功率流的關系，代入穩態下能量平衡方程中可以得到能量密度控制方程；采用一定的數值離散方法對控制方程進行離散，得到能量有限元方程；在結構存在耦合的地方考慮波的反射和折射，求出耦合處能量密度與功率流的關系；最后進行總系數矩陣的組集，得到總體的方程，從而求出能量密度。
有限體積法的基礎是將模型離散成若干個控制體，而這里的控制體可理解為有限元的“單元”，這樣，ProNas能量有限元就是以單元為研究對象。
船舶模型建立
2、ProNas軟件模型處理
ProNas軟件是國內知名公司安世亞太聯合國際最先進的中高頻噪聲專家資源開發的中高頻噪聲仿真分析軟件，擁有國內自主軟件著作權的自主可控的中高頻軟件，是能量有限元分析（EFEA）和統計能量分析（SEA）領域的代表性解決方案，代表著振動噪聲工程界新一代的前沿技術。
本案例通過ProNas聲學仿真軟件分別對船舶的結構噪聲與空氣噪聲進行了仿真計算。將Nastran格式模型導入ProNas軟件中，如圖3所示。通過ProNas軟件聲腔自動識別功能自動劃分聲腔子系統，如圖4所示。軟件自動耦合聲腔子系統和其臨近貼合的結構單元，這樣能量即可在結構單元與聲腔子系統之間進行交換。然后對各艙室結構單元進行聲學材料設置，如甲板敷料、絕緣布置材料，設置門窗材料等，如圖5所示。
圖3.某客箱船ProNas有限元模型
圖4.某客箱船各艙室聲腔子系統
圖5.某客箱船聲學材料施加
船舶模型激勵輸入
該客箱船模型根據實際情況所受激勵載荷主要有24個，分別為主機、螺旋槳、發電機、空壓機、空調、風機等。其中主機、發電機、螺旋槳與船體作用，船體會振動產生結構噪聲。其它主要激勵源通過空氣傳遞到船舶艙室內，產生空氣噪聲。結構噪聲源通過ProNas軟件分別在各設備的有限單元表面以速度級及加速度級方式加載，如圖6所示。空氣噪聲源通過ProNas軟件分別在各激勵源所在聲腔子系統內以聲功率級方式加載，如圖7所示。主機速度級激勵如圖8所示，螺旋槳加速度級激勵如圖9所示。
圖6.某客箱船結構噪聲載荷分布圖
圖7.某客箱船空氣噪聲載荷分布圖
圖8. 主機激勵頻譜圖
圖9.螺旋槳激勵頻譜
船舶結構噪聲及空氣噪聲分析結果與優化
1、船舶噪聲分析結果
在倍頻程中心頻率63-8000Hz下分別將該客箱船結構噪聲模型與空氣噪聲模型提交ProNas軟件求解器，經過ProNas軟件計算，可得到各艙室聲壓級水平，圖10、圖11分別為該客箱船在中心頻率為500Hz時結構噪聲仿真得到的結構速度云圖與艙室聲壓云圖，圖12與圖13分別為該客箱船在中心頻率為500Hz時的空氣噪聲仿真得到的結構速度云圖和艙室聲壓云圖。
圖10.結構速度云圖（500Hz-結構噪聲）
圖11.艙室聲壓云圖（500Hz-結構噪聲）
圖12.結構速度云圖（500Hz-空氣噪聲）
圖13. 艙室聲壓云圖（500Hz-空氣噪聲）
該客箱船艙室聲壓分析結果見表1，部分艙室聲壓級不滿足目標值。
2、優化方案
對于結構噪聲超標的艙室，常見的優化方法為敷設阻尼。阻尼材料是將結構振動板的振動能量快速轉化為熱能，從而減弱金屬板的彎曲振動，阻尼材料通過這種方式有效的控制金屬板的結構輻射噪聲。
通過云圖分析可知，本案例結構噪聲超標，多為主機與螺旋槳結構噪聲引起。由于該客箱船采用低速機，主機與船體鋼板直接螺接，船體底部振動區域較大，且底部鋼板厚度約為25mm-30mm，在實際應用中，阻尼層厚度一般為金屬板厚度2-4倍，因此如果采用常規的在激勵源處阻尼敷設方法，阻尼用量相對較大，成本較高。
又由于船舶結構復雜，結構噪聲和空氣噪聲相互轉化，因此常規阻尼敷設方法對超標艙室噪聲控制效果一般。針對以上特點，本案例通過ProNas軟件后處理界面可直觀精確顯示傳遞路徑處能量分布，即在不達標艙室處直接敷設阻尼，采用這種敷設方法，阻尼用量及成本在可控范圍內，且噪聲控制效果顯著。圖14為常規敷設阻尼方法，圖15為本案例阻尼敷設方法。
圖14.常規敷設阻尼區域
圖15.本案例敷設阻尼區域
對于空氣噪聲不達標艙室，結合ProNas軟件后處理結果云圖，本案例采用以下優化方案：
第一、部分娛樂室及放映室等地面浮動地板均改為50mm巖棉+鋼板+阻尼+鋼板型，再在上側加10mm流平甲板敷料。
第二、部分甲板廚房抽風機室的內部，艉、中、艏面增加4mm鋼板做成雙墻艙壁，形成密封夾層空間，兩層鋼壁都設阻尼涂料。
第三、甲板房間合計26間處所的天花板需穿孔（穿孔面向室內），孔徑按1.8mm。壁板不穿孔。
第四、在部分甲板機艙棚兩側直接面向公共處所和房間的艙壁，在外側增加4mm壓筋板做成的艙壁，形成密封的夾層空間，夾層內設50mm隔音棉。
第五、部分甲板均設9mm厚阻尼涂料處理。
3、實船仿真與測試結果對比
經過以上方案優化并多輪仿真計算，優化以后各艙室噪聲控制效果較好，將以上優化方案應用到實船設計中，并對該客箱船實船艙室進行了噪聲測試，如表2所示，大多艙室噪聲數值滿足設計要求。
結論
本文簡要介紹了ProNas能量有限元方法，在此基礎上應用ProNas軟件建立了某客箱船聲學模型，進行了整船的結構噪聲與空氣噪聲仿真計算，對結構噪聲及空氣噪聲不達標艙室進行仿真優化，并與實船測試結果進行對比，得出了以下結論：
第一、ProNas能量有限元方法是一種用于預測和解決船舶及其它工業產品中高頻噪聲的可行性及有效性方法，具有很大的理論意義與現實價值。
第二、采用ProNas能量有限元方法，可避免常規中高頻方法子系統建模操作的復雜性與專業性，提高仿真計算精度。
第三、ProNas能量有限元方法不需要判斷子系統模態密度，不需要確定系統之間的耦合因子，既保證模型的完整性，又提高仿真的時效性。
第四、ProNas軟件為解決中高頻噪聲提供了新的方法，為改進船舶設計參數提供了科學依據，提高了船舶的噪聲設計質量，縮短研發周期，節約開發成本。
第五、ProNas軟件仿真得到的船舶結果與實測結果的最大誤差值的絕對值在5dB(A)內，滿足模型的預測精度。
參考文獻
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