船舶声学包性能及配置优化设计

1,2,3,许子璇 1,2,3,高处 1,2,3杨德庆1 200240高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海2 200240上海交通大学 海洋工程国家重点实验室,上海3 200240上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院,上海摘 要:[目的]声学包是通过对基体材料、阻尼材料、吸声材料和隔声材料的组合设计,完成预定降噪效果的声学部件,是未来船舶舱室低噪声设计的关键技术。[方法]提出一种声学包性能评估的统计能量数值模型,用于解决船用声学包设计与快速评估问题。建立声学包选型及其在舱室中的配置优化设计模型及数学列

Chinese Journal of Ship Research - - 中国舰船研究 - YANG Deqing 1,2,3,XU Zixuan 1,2,3,GAO Chu 1,2,3

Acoustic performance design and optimal allocation of sound package in ship cabin noise reduction 1 Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration,Shanghai 200240,China 2 State Key Laboratory of Ocean Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China 3 School of Naval Architecture,Ocean and Civil Engineering,Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240,China

Abstract:

The sound package in noise reduction design of ship cabins has become the main approach for the future. The sound package is a specially designed acoustic component consisting of damping materials, absorption materials, sound isolation materials and base structural materials which can achieve the prescribed performance of noise reduction. Based on the Statistical Energy Analysis(SEA)method, quick evaluation and design methods, and the optimal allocation theory of sound packages are investigated. The standard numerical acoustic performance evaluation model, sound package optimization design model and sound package optimal allocation model are presented. A genetic algorithm is applied to solve the presented optimization problems. Design examples demonstrate the validity and efficiency of the proposed models and solutions. The presented theory and methods benefit the standardization and programming of sound package design, and decrease noise reduction costs. Key words:noise reduction design of cabins;sound package;acoustic layout optimization;genetic algorithm

0引言

随着绿色船舶设计技术的发展,对船舶舒适性能的要求越来越高,船舶减振降噪设计技术受到普遍重视。国际海事组织(IMO)从2014 7月年1日开始采用更严格的强制性船舶舱室噪声标准,现有的舱室降噪设计方法难以满足舱室低噪声要求。有效降低船舶舱室噪声及降噪成本,已成为世界造船企业共同关注的问题,成为船舶设计领域重大的研究课题[1-3]。采用声学包降噪技术解决舱室低噪声设计问题是未来的发展方向。声学包是由基体材料、阻尼材料、吸声材料和隔声材料等组合而成,完成预定减振降噪效果的类似1)[4-6]。船舶舱壁为大型板层合板的声学部件(图格结构,非常适合声学包降噪技术的应用,但目前在船舶设计领域应用还不多,缺少相关标准化的评估、设计及制造方面的理论和方法。鉴于此,本文将开展声学包快速数值评估、设计及优化布置方法研究,以便合理设计及布置声学包,降低船舶舱室噪声,达到以最低成本获到最佳降噪效果的目标,实现声学包优化设计的标准化和程序化。

1 声学包设计与降噪效果评估方法

在船舶早期设计阶段设计并使用声学包,对其降噪效果进行预测,可减少降噪成本,提高设计效率,提高船舶市场竞争力。本文首先提出声学包声学性能快速预测的数值模型,为保证数值模型计算的准确性,需要根据船舶结构的声学特点,选用合理的声学理论进行分析并通过实验测试验证。

1.1 声学包降噪效果快速数值评估模型

针对不同频谱特性的噪声源,在声学包设计中必须选择相应的声学材料及降噪方法,对声学包中各层材料进行声学性能设计,隔声量是声学包整体降噪效果的衡量指标。声学包设计中使用的降噪处理方法有隔声、吸声和阻尼减振等。常用的吸声材料有毛毡、玻璃纤维和泡沫等,常用的 减振阻尼材料包括橡胶、高分子阻尼材料和塑料阻尼板等。声学包是减振降噪材料、面板材料及基体材料的组合,不同材料组合会导致不同的声学性能,因此需要针对不同降噪要求设计合适的声学包。评估声学包声学性能的主要手段是实验测试与数值分析。国际标准化组织(ISO)颁布了单层板材隔声量测量标准[7],其具体规定是:隔声量的测量需要两个形状不能完全相同、体积都不小50m3 10%,试于 的混响室,体积差应大于 样面积10m2为 ,待测量的声学板材布置在两个混响室组成的声管中间,声腔其它表面均绝缘。在其中一个声腔(混响室)中放置声源,测量另一个声腔(混响室)的声压大小,两个声腔的声压差即为板材的隔声量。实际应用中,驻波管是较为常用的替代方法[8]。根据上述板材隔声量测试标准,本文提出一种基于统计能量法的声学包降噪效果快速数值评型[9]。该声学包降噪效果数值评估模型利用估模VA One ISO声学软件建立,模拟 测量标准中的混60 50m3响室声学环境,建立体积分别为 和 、形状不同的两个声腔代表混响室,声腔之间由单层板7mm 10m2 ( 厚钢板)隔开,板材面积为 ,在板材处布置声学包,声腔其它表面均绝缘处理,不接触任60m3何物体。在体积为 的声腔中放置标准声源, 1Pa标准声源在频率下均保持的混响声压值(折94 dB),数值计算另一个声腔的声压大小,两算为 2)。个混响室的声压差即为声学包的隔声量(图将各种声学包结构设计方案在数值评估模型中分别计算,得到隔声量预测结果对比曲线,从成本及降噪效果等方面优选声学包并用于降噪设计。 1 4图 所示是本文设计的 种声学包,声学包中1基体材料、吸声材料和隔声材料的特性参数如表4所示, 种声学包设计各自有不同的结构特点2 S1 S2 (表 )。方案 和方案 是多层吸声与隔声的组合结构,整体结构较为复杂,制造成本相对较

收稿日期:2017 03 10 网络出版时间:2017-7-27 10:27基金项目:国家高技术船舶科研计划资助项目(2012-533);国家自然科学基金资助项目(51479115)作者简介:杨德庆(通信作者),男,1968年生,博士,教授,博士生导师。研究方向:船舶结构减振降噪理论与方法。E-mail:yangdq@sjtu.edu.cn

图1 Fig.1 4种声学包方案示意图4 kinds of sound packages

图2 声学包降噪效果数值评估模型Numerical evaluation model of the noise reduction effect of sound package

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