基于统计能量法SEA的舱室噪声预报及其分析(SEA及建模)
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22
3. 舱室噪声预报及分析 船舶在正常航行状态下，各中动力设备产生振动和噪声。主辅 机、泵体、喷水推进等设备噪声最好使用测量值，否则只能使用经 验公式估算。 结构噪声按照振动加速度加载，空气噪声按照声功率加载。 三台主机呈品字形分布。将机脚加速度加载在机舱底板上，但 不能加载到整个底板平台上，因此按照主机基脚分布的位置将主机 舱底板划为几个板材子系统。空气噪声以声功率形式加载在前后机 舱声腔子系统上，需要将主辅机质量以线质量型式加载到激励源板 四周。 喷水推进结构振动加速度激励加载在圆形喷水推进口上。但是 应该封闭尾舱舱室（喷水推进舱及吸口）。其他泵体结构噪声和空 气噪声按照前后机舱布置图加载到相应位置。空调噪声，污水处理 泵体噪声对其所在的激励源室的舱室噪声影响不可忽略，加载到指 定舱室。
η1 + ∑η1 j L −η12 −η N 1 E Π1,in j ≠1 1 −η E Π + L − η η η ∑ 12 2 2 j N 2 2 2,in j ≠ 2 ω M = M M M M Π N ,in −η E N L L −η N + ∑ η Nj 1N j≠N
−h1m
17
2. 有限元—统计能量混合法（ 统计能量混合法（FE-SEA)
在衡量SEA法适用范围时，使用的指标为模态密度， ω2 − ω1 ∆ω = N
其中，N为频段内的模态数，
模态密度<1，低频段，使用有限元法。 模态数密度在1和5之间，中频段，使用混合方法—— 小型结构使用有限元法，各舱室均用SEA声腔模型。 模态密度≥ 5，高频段，使用统计能量方法。
噪声预报方法
有限元法（ 有限元法（FEM）和边界元法（ 和边界元法（BEM） 统计能量分析方法（ 统计能量分析方法（SEA） 有限元—统计能量混合法（ 统计能量混合法（FEM-SEA）
3
1. 统计能量分析方法（ 统计能量分析方法（SEA)
Π1,in + Π 21 = Π1,diss + Π12
Π12 +Π32 +Π42 =Π2,diss +Π21 +Π23 +Π24 ...
(k ) S qq = DT−1[ S FF + ∑ (4 Ek / πω nk ) Im{Ddir }]Dt −1*T K
(k ) DT = Dd + ∑ Ddir k
16
16
2. 有限元—统计能量混合法（ 统计能量混合法（FE-SEA)
根据统计能量功率流原理， Vincent Cotoni 等提出平 衡方程： E a 1
1 0
1. 统计能量分析方法（ 统计能量分析方法（SEA) （5）外界流场用半无限流场（Semi Infinite Fluid）非结构子系统 来模拟。舷外水会对舱室噪声造成影响，在建模阶段就需要以船舶水 线为标准将船体下层结构切割为两部分。将SIF放置在非参考点，使用 连接线将其和船舶水线下所有板材相连接。 （6）船体甲板或者外板板厚不同，或者内部舱壁内装不同，或 者材料不同，或者加筋方式不同，都有不同的模态能量和不同的模态 阻尼，同时需要考虑甲板之间的支柱对甲板子系统划分的影响。材料、 板厚、内装、支柱、加筋都在VAONE中进行设定。而加筋板使用加筋 模块，加筋和支柱均用梁单元模拟。加筋方向由局部坐标决定。内装 由NCT（Noise Control Treatment）模块设定。 （7）所有计权方式应在设置参数前确定。 （8）声腔子系统必须由封闭的子系统形成。
23
3. 舱室噪声预报及分析
主机舱结构噪声
主机舱空气噪声
辅机舱结构噪声
辅机舱空气噪声
24
3. 舱室噪声预报及分析
空调通风口位置图
中心频率/Hz
31.5 40 50 63 80 100 125 160 200
声压级
69.8 70.6 80.3 68.8 72.6 71.9 72.1 79.3 75.9
位置
降噪前
降噪后（dBA）
IMO
标准
IMO
评价
SA-3
（m ） 三聚氰胺（m ）
2 2
降噪效果明显，除医务室外，其它舱室噪声都满足IMO标准要求。 由于医务室的噪声要求较高，对其降噪手段需要单独进行。
28
28
3. 舱室噪声预报及分析 考虑声学内饰的影响
经验预报值和考虑内饰后的舱 室噪声预报值的总声压级或者 是各频段的声压响应都较为接 近，可知经验预报的合理性， 声学内饰对全频段的声压响应 都有影响，在高频影响较大。
25
3. 舱室噪声预报及分析 各舱室声压级预报结果
以主机舱和喷水推进舱激 励源室的噪声最大。 离噪声源越远，噪声越低。
1000Hz
26
3. 舱室噪声预报及分析
未满足IMO噪声标准的舱室噪声汇总
位置 机舱区域 舱室 机舱集控主配电室 55客座室1 55客座室2 73客座室1 73客座室2 医务室 51客座室1 51客座室2 96客座室 108客座室1 108客座室2 通道 噪声级（dBA） 86 67 66 67 68 67 67 67 67 66 65 66 IMO标准 IMO评价
能量平衡方程
5
5
1. 统计能量分析方法（ 统计能量分析方法（SEA)
Ei = M i
∑V
j
Ni
2 ij
Ni
= M i Vi 2
Ei =
pi2
ρc2
Vi
将上述两式代入到能量平衡方程，如果已知子系统的输入功率、自损耗、 互损耗因子，那么子系统的振动速度和声压响应为未知数，可通过以上矩阵 解出，算出的是若干测点在频段内的平均响应结果。
18
2. 有限元—统计能量混合法（ 统计能量混合法（FE-SEA)
19
2. 有限元—统计能量混合法（ 统计能量混合法（FE-SEA)
在63Hz以下，很多子系统的模态密度小于1，可断定 63Hz 以下 SEA 计算结果是不可靠的。将 63Hz 以下划分为 低频段，需要使用FEM进行计算。 在 160Hz 以上，所有子系统的模态密度都大于 5 ，因 此将160Hz-10kHz划分为高频段，可以使用SEA。 在63-160Hz频段内，模态密度在1和5之间，则定义为 中频段，使用混合模型。
舱室名称 55座客室1 73座客室1 医务室 卫生间1 51座客室1 楼梯间1 96座客室 卫生间（女） 卫生间（男） 空调器室 48座客室1 108座客室1 通道 仅考虑 考虑内 IMO46 预报值 空气吸 评价 dBA 饰后 8标准 声系数
能量平衡方程
4
1. 统计能量分析方法（ 统计能量分析方法（SEA)
单自由度系统能量： Π = Eωη 耦合流动的能量：
பைடு நூலகம்
Π12 = E1ωη12
Π 21 = E2ωη 21
Π1,in = E1ωη1 + ( E1ωη12 − E2ωη 21 )
(E1ωη12 − E2ωη21) +(E2ωη23 − E3ωη32) +(E2ωη24 − E4ωη42) + E2ωη2 = 0
14
1. 统计能量分析方法（ 统计能量分析方法（SEA)
建模过程
SEA模型板材子系统
SEA模型板材离散子系统
SEA模型声腔子系统
SEA模型声腔离散子系统
15
15
2. 有限元—统计能量混合法（ 统计能量混合法（FE-SEA)
在宽频激励下，船舶舱室的声学及结构响应非常复 杂，FEM和SEA分别能够预报低频和高频噪声。在中频段 可能会出现模态密度较低，声腔子系统的特征尺寸远远 大于波长，因此FEM和SEA在中频段都适用。应使用确定 性子系统和随机性子系统结合的方法，在相连接的边界 上进行确定场和随机场的耦合，得到舱室的整体响应。 对 FE-SEA 混合法而言， FE 确定场和 SEA 随机场的耦合 边界方程为
基于统计能量SEA 基于统计能量SEA的舱室噪声预报 SEA的舱室噪声预报 及其分析
哈尔滨XXX大学
振动噪声控制研究所 2013年6月10日
目
录
1. 统计能量分析方法（ 统计能量分析方法（SEA) 2. 有限元—统计能量混合法（ 统计能量混合法（FEM-SEA) 3. 舱室噪声预报及分析
2
1. 统计能量分析方法（ 统计能量分析方法（SEA)
11
1. 统计能量分析方法（ 统计能量分析方法（SEA)
建模过程 鉴于船体结构复杂，模态繁多，传统有限元方法计 算，划分网格数量庞大，超过计算机负荷。应建立整体 船体的统计能量模型，并对其进行计算。
12
1. 统计能量分析方法（ 统计能量分析方法（SEA)
建模过程 全船使用 CATIA 建立曲面模型， Hypermesh 划分网格， 导入VAOne建立统计能量模型。
13
13
1. 统计能量分析方法（ 统计能量分析方法（SEA)
建模过程
为了保证统计能量模型具有真实的形状，需要经过分组的有限元网格生 成统计能量模型。要求相邻板材子系统不能在同一组别里，边界节点需 充分融合。按照属性进行分组。
网格图 设备占用空间和船舶晒装不用单独模拟，每个舱室作为独立声腔子系统 存在。声场近似为“散射场”，使得模态密度和模态重合度都较大。 14
（4）输入功率
经验公式 实验测量
8
1. 统计能量分析方法（ 统计能量分析方法（SEA) 统计能量分析模型建立流程图
9
1. 统计能量分析方法（ 统计能量分析方法（SEA) 在建立SEA模型的过程中，子系统的划分是影响预报精度的一个 非常重要的因素。子系统划分原则： （1）按照模态相似原理将子系统划分为模态群，模态群有弯曲 模态群，剪切模态群，伸缩模态群。应尽可能保证较高的模态密度， 振动噪声的低、中、高频按照频段内的模态数来区分。 （2）设备占用空间和船舶晒装不用单独模拟，每个舱室作为独 立声腔子系统存在。声场近似为“散射场”，使得模态密度和模态重 合度都较大。 （3）以结构物理边界为参考，根据门窗等不同材料特性、板材 厚度、结构种类等参数变化划分子系统。例如上层建筑的窗户玻璃就 应该划分为独立的子系统。 （4）板材之间若形成T字型连接，应分开划分子系统，这是因为 必须使面和面之间形成线连接，才能使能量在不同子系统之间流动。
桥楼甲板区域
对主机舱室和超标舱室进行降噪处理，选择SA-3号阻尼材料敷设到主辅机舱 底板，QZD阻尼材料敷设到噪声源舱室天花板位置。四壁敷设吸声材料三聚 氰胺，降噪效果如下。
27
27
3. 舱室噪声预报及分析 各舱室声压级预报结果
舱室 机舱区域 机舱集控 主配电室 55客座室1 55客座室2 73客座室1 73客座室2 医务室 桥楼甲板 51客座室1 区域 51客座室2 96客座室 108客座室1 108客座室2 通道
中心频率/Hz
250 315 400 500 630 800 1 000 1 250 1 600
声压级
77.4 80.8 81.0 72.7 83.5 81.8 76.3 81.6 73.5
中心频率/Hz
2 000 2 500 3 150 4 000 5 000 6 300 8 000
声压级
72.6 76.6 74.4 73.5 71.0 72.5 67.9
20
2. 有限元—统计能量混合法（ 统计能量混合法（FE-SEA)
主机舱段各声腔频段内模态数
0-63Hz主机舱段范围内的声腔模态数目 模态数 阶数 主机舱 71 燃油舱 8 滑油舱 6 油渣舱 6 污油舱 9
21
2. 有限元—统计能量混合法（ 统计能量混合法（FE-SEA)
主机舱段混合模型
FEM系统之间形成的为确定性连接，SEA系统之间形成的 为统计型连接，FE系统和SEA系统之间形成的是混合连接。
6
6
1. 统计能量分析方法（ 统计能量分析方法（SEA)
基本参数的确定 （1）模态密度
公式法 数值法 实验法
（2）内损耗因子
分析法 经验法 实验法
① ② ③ 衰变率法 半功率带宽法 功率平衡法
7
7
1. 统计能量分析方法（ 统计能量分析方法（SEA)
基本参数的确定 （3）耦合损耗因子
解析法 数值法 实验法 VAONE提供了比较精确的耦合损耗因子分析库。
M 1 + h1 + ∑ hn1 K
n ≠1
M −hm1
N P (0) in ,1 1 M = M O M (0) a L M m + hm + ∑ hnm E m Pin ,m n≠m N m
3. 舱室噪声预报及分析 船舶在正常航行状态下，各中动力设备产生振动和噪声。主辅 机、泵体、喷水推进等设备噪声最好使用测量值，否则只能使用经 验公式估算。 结构噪声按照振动加速度加载，空气噪声按照声功率加载。 三台主机呈品字形分布。将机脚加速度加载在机舱底板上，但 不能加载到整个底板平台上，因此按照主机基脚分布的位置将主机 舱底板划为几个板材子系统。空气噪声以声功率形式加载在前后机 舱声腔子系统上，需要将主辅机质量以线质量型式加载到激励源板 四周。 喷水推进结构振动加速度激励加载在圆形喷水推进口上。但是 应该封闭尾舱舱室（喷水推进舱及吸口）。其他泵体结构噪声和空 气噪声按照前后机舱布置图加载到相应位置。空调噪声，污水处理 泵体噪声对其所在的激励源室的舱室噪声影响不可忽略，加载到指 定舱室。
η1 + ∑η1 j L −η12 −η N 1 E Π1,in j ≠1 1 −η E Π + L − η η η ∑ 12 2 2 j N 2 2 2,in j ≠ 2 ω M = M M M M Π N ,in −η E N L L −η N + ∑ η Nj 1N j≠N
−h1m
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2. 有限元—统计能量混合法（ 统计能量混合法（FE-SEA)
在衡量SEA法适用范围时，使用的指标为模态密度， ω2 − ω1 ∆ω = N
其中，N为频段内的模态数，
模态密度<1，低频段，使用有限元法。 模态数密度在1和5之间，中频段，使用混合方法—— 小型结构使用有限元法，各舱室均用SEA声腔模型。 模态密度≥ 5，高频段，使用统计能量方法。
噪声预报方法
有限元法（ 有限元法（FEM）和边界元法（ 和边界元法（BEM） 统计能量分析方法（ 统计能量分析方法（SEA） 有限元—统计能量混合法（ 统计能量混合法（FEM-SEA）
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1. 统计能量分析方法（ 统计能量分析方法（SEA)
Π1,in + Π 21 = Π1,diss + Π12
Π12 +Π32 +Π42 =Π2,diss +Π21 +Π23 +Π24 ...
(k ) S qq = DT−1[ S FF + ∑ (4 Ek / πω nk ) Im{Ddir }]Dt −1*T K
(k ) DT = Dd + ∑ Ddir k
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2. 有限元—统计能量混合法（ 统计能量混合法（FE-SEA)
根据统计能量功率流原理， Vincent Cotoni 等提出平 衡方程： E a 1
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1. 统计能量分析方法（ 统计能量分析方法（SEA) （5）外界流场用半无限流场（Semi Infinite Fluid）非结构子系统 来模拟。舷外水会对舱室噪声造成影响，在建模阶段就需要以船舶水 线为标准将船体下层结构切割为两部分。将SIF放置在非参考点，使用 连接线将其和船舶水线下所有板材相连接。 （6）船体甲板或者外板板厚不同，或者内部舱壁内装不同，或 者材料不同，或者加筋方式不同，都有不同的模态能量和不同的模态 阻尼，同时需要考虑甲板之间的支柱对甲板子系统划分的影响。材料、 板厚、内装、支柱、加筋都在VAONE中进行设定。而加筋板使用加筋 模块，加筋和支柱均用梁单元模拟。加筋方向由局部坐标决定。内装 由NCT（Noise Control Treatment）模块设定。 （7）所有计权方式应在设置参数前确定。 （8）声腔子系统必须由封闭的子系统形成。
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3. 舱室噪声预报及分析
主机舱结构噪声
主机舱空气噪声
辅机舱结构噪声
辅机舱空气噪声
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3. 舱室噪声预报及分析
空调通风口位置图
中心频率/Hz
31.5 40 50 63 80 100 125 160 200
声压级
69.8 70.6 80.3 68.8 72.6 71.9 72.1 79.3 75.9
位置
降噪前
降噪后（dBA）
IMO
标准
IMO
评价
SA-3
（m ） 三聚氰胺（m ）
2 2
降噪效果明显，除医务室外，其它舱室噪声都满足IMO标准要求。 由于医务室的噪声要求较高，对其降噪手段需要单独进行。
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28
3. 舱室噪声预报及分析 考虑声学内饰的影响
经验预报值和考虑内饰后的舱 室噪声预报值的总声压级或者 是各频段的声压响应都较为接 近，可知经验预报的合理性， 声学内饰对全频段的声压响应 都有影响，在高频影响较大。
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3. 舱室噪声预报及分析 各舱室声压级预报结果
以主机舱和喷水推进舱激 励源室的噪声最大。 离噪声源越远，噪声越低。
1000Hz
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3. 舱室噪声预报及分析
未满足IMO噪声标准的舱室噪声汇总
位置 机舱区域 舱室 机舱集控主配电室 55客座室1 55客座室2 73客座室1 73客座室2 医务室 51客座室1 51客座室2 96客座室 108客座室1 108客座室2 通道 噪声级（dBA） 86 67 66 67 68 67 67 67 67 66 65 66 IMO标准 IMO评价
能量平衡方程
5
5
1. 统计能量分析方法（ 统计能量分析方法（SEA)
Ei = M i
∑V
j
Ni
2 ij
Ni
= M i Vi 2
Ei =
pi2
ρc2
Vi
将上述两式代入到能量平衡方程，如果已知子系统的输入功率、自损耗、 互损耗因子，那么子系统的振动速度和声压响应为未知数，可通过以上矩阵 解出，算出的是若干测点在频段内的平均响应结果。
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2. 有限元—统计能量混合法（ 统计能量混合法（FE-SEA)
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2. 有限元—统计能量混合法（ 统计能量混合法（FE-SEA)
在63Hz以下，很多子系统的模态密度小于1，可断定 63Hz 以下 SEA 计算结果是不可靠的。将 63Hz 以下划分为 低频段，需要使用FEM进行计算。 在 160Hz 以上，所有子系统的模态密度都大于 5 ，因 此将160Hz-10kHz划分为高频段，可以使用SEA。 在63-160Hz频段内，模态密度在1和5之间，则定义为 中频段，使用混合模型。
舱室名称 55座客室1 73座客室1 医务室 卫生间1 51座客室1 楼梯间1 96座客室 卫生间（女） 卫生间（男） 空调器室 48座客室1 108座客室1 通道 仅考虑 考虑内 IMO46 预报值 空气吸 评价 dBA 饰后 8标准 声系数
能量平衡方程
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1. 统计能量分析方法（ 统计能量分析方法（SEA)
单自由度系统能量： Π = Eωη 耦合流动的能量：
பைடு நூலகம்
Π12 = E1ωη12
Π 21 = E2ωη 21
Π1,in = E1ωη1 + ( E1ωη12 − E2ωη 21 )
(E1ωη12 − E2ωη21) +(E2ωη23 − E3ωη32) +(E2ωη24 − E4ωη42) + E2ωη2 = 0
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1. 统计能量分析方法（ 统计能量分析方法（SEA)
建模过程
SEA模型板材子系统
SEA模型板材离散子系统
SEA模型声腔子系统
SEA模型声腔离散子系统
15
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2. 有限元—统计能量混合法（ 统计能量混合法（FE-SEA)
在宽频激励下，船舶舱室的声学及结构响应非常复 杂，FEM和SEA分别能够预报低频和高频噪声。在中频段 可能会出现模态密度较低，声腔子系统的特征尺寸远远 大于波长，因此FEM和SEA在中频段都适用。应使用确定 性子系统和随机性子系统结合的方法，在相连接的边界 上进行确定场和随机场的耦合，得到舱室的整体响应。 对 FE-SEA 混合法而言， FE 确定场和 SEA 随机场的耦合 边界方程为
基于统计能量SEA 基于统计能量SEA的舱室噪声预报 SEA的舱室噪声预报 及其分析
哈尔滨XXX大学
振动噪声控制研究所 2013年6月10日
目
录
1. 统计能量分析方法（ 统计能量分析方法（SEA) 2. 有限元—统计能量混合法（ 统计能量混合法（FEM-SEA) 3. 舱室噪声预报及分析
2
1. 统计能量分析方法（ 统计能量分析方法（SEA)
11
1. 统计能量分析方法（ 统计能量分析方法（SEA)
建模过程 鉴于船体结构复杂，模态繁多，传统有限元方法计 算，划分网格数量庞大，超过计算机负荷。应建立整体 船体的统计能量模型，并对其进行计算。
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1. 统计能量分析方法（ 统计能量分析方法（SEA)
建模过程 全船使用 CATIA 建立曲面模型， Hypermesh 划分网格， 导入VAOne建立统计能量模型。
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13
1. 统计能量分析方法（ 统计能量分析方法（SEA)
建模过程
为了保证统计能量模型具有真实的形状，需要经过分组的有限元网格生 成统计能量模型。要求相邻板材子系统不能在同一组别里，边界节点需 充分融合。按照属性进行分组。
网格图 设备占用空间和船舶晒装不用单独模拟，每个舱室作为独立声腔子系统 存在。声场近似为“散射场”，使得模态密度和模态重合度都较大。 14
（4）输入功率
经验公式 实验测量
8
1. 统计能量分析方法（ 统计能量分析方法（SEA) 统计能量分析模型建立流程图
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1. 统计能量分析方法（ 统计能量分析方法（SEA) 在建立SEA模型的过程中，子系统的划分是影响预报精度的一个 非常重要的因素。子系统划分原则： （1）按照模态相似原理将子系统划分为模态群，模态群有弯曲 模态群，剪切模态群，伸缩模态群。应尽可能保证较高的模态密度， 振动噪声的低、中、高频按照频段内的模态数来区分。 （2）设备占用空间和船舶晒装不用单独模拟，每个舱室作为独 立声腔子系统存在。声场近似为“散射场”，使得模态密度和模态重 合度都较大。 （3）以结构物理边界为参考，根据门窗等不同材料特性、板材 厚度、结构种类等参数变化划分子系统。例如上层建筑的窗户玻璃就 应该划分为独立的子系统。 （4）板材之间若形成T字型连接，应分开划分子系统，这是因为 必须使面和面之间形成线连接，才能使能量在不同子系统之间流动。
桥楼甲板区域
对主机舱室和超标舱室进行降噪处理，选择SA-3号阻尼材料敷设到主辅机舱 底板，QZD阻尼材料敷设到噪声源舱室天花板位置。四壁敷设吸声材料三聚 氰胺，降噪效果如下。
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3. 舱室噪声预报及分析 各舱室声压级预报结果
舱室 机舱区域 机舱集控 主配电室 55客座室1 55客座室2 73客座室1 73客座室2 医务室 桥楼甲板 51客座室1 区域 51客座室2 96客座室 108客座室1 108客座室2 通道
中心频率/Hz
250 315 400 500 630 800 1 000 1 250 1 600
声压级
77.4 80.8 81.0 72.7 83.5 81.8 76.3 81.6 73.5
中心频率/Hz
2 000 2 500 3 150 4 000 5 000 6 300 8 000
声压级
72.6 76.6 74.4 73.5 71.0 72.5 67.9
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2. 有限元—统计能量混合法（ 统计能量混合法（FE-SEA)
主机舱段各声腔频段内模态数
0-63Hz主机舱段范围内的声腔模态数目 模态数 阶数 主机舱 71 燃油舱 8 滑油舱 6 油渣舱 6 污油舱 9
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2. 有限元—统计能量混合法（ 统计能量混合法（FE-SEA)
主机舱段混合模型
FEM系统之间形成的为确定性连接，SEA系统之间形成的 为统计型连接，FE系统和SEA系统之间形成的是混合连接。
6
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1. 统计能量分析方法（ 统计能量分析方法（SEA)
基本参数的确定 （1）模态密度
公式法 数值法 实验法
（2）内损耗因子
分析法 经验法 实验法
① ② ③ 衰变率法 半功率带宽法 功率平衡法
7
7
1. 统计能量分析方法（ 统计能量分析方法（SEA)
基本参数的确定 （3）耦合损耗因子
解析法 数值法 实验法 VAONE提供了比较精确的耦合损耗因子分析库。
M 1 + h1 + ∑ hn1 K
n ≠1
M −hm1
N P (0) in ,1 1 M = M O M (0) a L M m + hm + ∑ hnm E m Pin ,m n≠m N m