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:[email protected]

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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