基于几何声学的船舶舱室声学设计方法

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引
言
其波动性， 通过计算声线在传播过程中能量的变 化及路径来对目标区域进行声场模拟［8］。由声源 处发射多条携带相同能量的声线， 声线在空间中 直线传播， 遇到壁面， 发生反射和散射［9］， 散射以 一定的概率随机发生。与壁面碰撞时， 声线能量
［10］ 减至数字原声线的 1- α 倍 （ α 为壁面吸声系数） 。
I n = 1 s( x y z) （1） n 式中： n 为声线数量；s( x y z) 为初始声线由声源
能 量 限 值（Energy Discontinuity Percent， EDP）［11］ 忽略， 停止跟踪。通过遍历跟踪所有声线传播路
选择符合标准的主机设备。 振、 降噪、 消声处理。
发射时的初始传播路径。 的声线， 如图 1 所示。声线采用等立体角均匀划 分的方法生成， 采用球坐标系， 声线角度公式如 式 （2） ~式 （8） 所 示［9，12］。 式 中 ： θ 为 声 线 与 xoy 平 见文献 ［9， 12］ 。 面的夹角； φ 为声线在 xoy 平面上的投影同 y 坐标 以球状声源为例， 生成由球心均匀向外发散
第 12 卷 第 4 期 第2017 4期 年8月
中 国 舰 船 研 究 Chinese Journal of Ship Research
Vol.12 No.4 Aug. 2017
引用格式： 冯爱景， 魏强， 张大海 . 基于几何声学的船舶舱室声学设计方法 ［J］ . 中国舰船研究， 2017， 12 （4） ： 49-54. FENG A J， WEI Q， ZHANG D H. Acoustic design method of ship's cabin based on geometrical acoustics ［J］ . Chinese Journal of Ship Research， 2017， 12 （4） ： 49-54.
中图分类号： U661.44 文献标志码： A DOI： 10.3969/j.issn.1673-3185.2017.04.008
果， 设计船舶舱室降噪方案， 优化舱室中高频噪声。 ［结果］利用该方法优化典型舱室噪声， 噪声降低了 7.3 dB 。
Acoustic design method of ship's cabin based on geometrical acoustics
h 为板 速； D 为薄板弯曲刚度；ρ s 为板的面密度； v 为粘度系数。 厚；E 为弹性模量；
（5） （6） （7）
当 θ = 90° 时， 其吻合频率最小， 即为临界频率 f cr ，
f cr = ω cr c 2 12ρ(1 - v 2 ) = 0 2π 2πh E
基于几何声学的船舶舱室声学设计方法
2 中国舰船研究设计中心， 湖北 武汉 430064 1 上海船用柴油机研究所， 上海 201108
3 3 冯爱景 1， 魏强 2， ， 张大海 2，
3 中国舰船研究设计中心 船舶振动噪声重点实验室， 湖北 武汉 430064
摘 要： ［目的］为了在船舶舱室的众多噪声传递路径中选取最佳噪声控制位置及控制措施， ［方法］基于几何
（4）
f cθ =
ω cθ = 1 2π 2π
(m ij n ij lij ) 为直线方 式中 : ( x 0 y 0 z 0 ) 为声源坐标； m ij = sin θ i cos φ j n ij = cos θ i cos φ j lij = sin φ j
式 中 ：ω cθ
2 ρs c4 c0 12ρ(1 - v 2 ) b = （9） D E 2πh sin 2 θ 为 吻 合 角 速 度 ；c b 为 薄 板 弯 曲 波 的 波
3 3 FENG Aijing1， WEI Qiang2， ， ZHANG Dahai2，
noise transmission path of the cabins of a ship, based on the acoustic ray-tracing method in the theory of geometrical acoustics, and by considering the effect of the sound transmission of the bulkhead, this paper the sound field distribution of multiple compartments to be simulated. The paper proposes a sound
1 Shanghai Marine Diesel Engine Research Institute， Shanghai 201108， China 3 National Key Laboratory on Ship Vibration and Noise， China Ship Development and Design Center， Wuhan 430064， China Abstract：In light of the question of how to select the best noise control position and measures in the large proposes the sound line search method. It is used to calculate the sound pressure of a ship's cabin, allowing 2 China Ship Development and Design Center， Wuhan 430064， China
收稿日期： 2016 - 07 - 21
作者简介： 冯爱景， 女， 1992 年生， 硕士。研究方向： 舰船声学设计。
网络出版时间： 2017-7-27 10:24
魏强 （通信作者） ， 男， 1971 年生， 博士， 高级工程师， 博士生导师。研究方向： 舰船声学设计
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舰
船
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究
第 12 卷
［4-6］
轴之间的夹角。式 （2） ~式 （8） 中各参数的含义详
z (θ φ)
θ o φ y
。由于船舶舱室声学模型复杂， 目前还
不能从有限元法和统计能量法参数矩阵入手来直 接定量计算参数灵敏度。鉴于此， 本文拟引入声场 空间计算的另一主要方法——几何声学， 基于声 线跟踪法， 提出跨空间、 多舱室声场计算方法以及 声学优化方法——声线搜索法。通过实例计算， 与 专业声学软件的对比分析， 证明该方法可有效优 化中、 高频噪声， 能指导船舶舱室降噪精细化设计。
利用边界元 方 法 分 析 了 结 构 形 状 变 量 对 声 参 数 基于损耗因子贡献法， 提出了熵赋权图法， 可计算 统计能量法系统中的主要能量传递路径。高处等
的 灵 敏 度 。 Le Bot 等 引 入 热 力 学 中 熵 的 概 念 ，
［3］
在熵赋权图法的基础上， 采用前 K 条最短路径算 法计算了统计能量系统中的前 K 条主要能量传递 路径。 解决舱室噪声优化问题的关键是求得舱壁各 参数对目标舱室的声灵敏度， 其主要方法有： 直接 求导法、 摄动法、 有限差分法和矩阵特征值反问题 求解法
声学理论中的声线跟踪法， 考虑舱壁声透射的作用， 提出声线搜索法。模拟船舶多舱室声场的分布， 计算舱室 声压。通过搜索目标舱室的供能声线， 计算不同位置舱壁对目标舱室噪声的声灵敏度， 根据灵敏度计算结 ［结论］通过与统计能量法的对比分析， 验证该方法可行， 可指导船舶舱室降噪精细化设计。 关键词 ： 舱室降噪； 几何声学； 声线跟踪法； 声线搜索法； 优化设计
ì é ù φ = 2 tan - 1 êsin æ α ö cos αú t = π/ ( 2β1 ) 取整 ï ï 1 è2ø ë û ï ï （3） í ï ï ù -1 é æαö ï ïφ n = 2 tan êsin è 2 ø cos αú t = π/( 2β1 ) 取整 ë û î
随着船舶行业科技的发展， 对船舶性能的要 求越来越高， 例如， 为保障人员身心健康以及设备正 常工作， 国内外对船舶舱室噪声的要求日益严格， 船舶舱室噪声的控制优化成为船舶设计不得不考虑 的问题。船舶舱室噪声控制的 3 个主要措施包括： 远离声源处或进行隔离。 1）舱 室 布 局 。 将 高 噪 声 要 求 的 舱 室 布 置 在 2）低噪声设备选用。根据总体指标及结构， 3）声 源 控 制 。 对 声 源 ， 如主机、 空调等做减 对于噪声水平还未达标的舱室， 就需进一步 开展噪声控制优化设计， 目前主要的降噪措施是 在舱室内敷设吸声和隔声材料。然而船舶具有多 舱室、 多噪声源、 多传递路径等特点， 且舱室空间 以及舱壁承重存在限制， 盲目敷设吸、 隔声材料并 不一定能取得良好的降噪效果。针对这一问题， 众多学者开展了关于舱室声学优化的研究。 Koo
图 1 球状声源［12］ Fig.1 Spherical sound source
Fra Baidu bibliotek
1.1
声线跟踪法
声线跟踪法是假设声音沿直线传播， 不考虑
第4期
冯爱景等： 基于几何声学的船舶舱室声学设计方法
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转化为空间直角坐标系方程 x - x0 y - y0 z - z0 s( x y z) : = = m ij n ij lij 向向量。
x
1
基于声线跟踪法的多舱室声学模拟
几何声学是用射线的观点研究声学问题， 被
广泛应用于建筑行业。主要方法包括： 声线跟踪 法、 虚声源法和混合法， 除此之外， 还有声束跟踪 法、 声辐射度法等 。
［7］
将球面圆周划分为 N 份， 取 α = 2π ， N ì θ1 = 1 ´ α φ1 0 = 0 φ1 1 = β1 φ1 2 = 2 ´ β1 ï ï ï φ1 t = t ´ β1 ï （2） í ïθ = n ´ α φ = 0 φ = β φ = 2 ´ β ï n 0 n 1 n n 2 n ï n ïφ = t ´ β n î n t
ray-searching method in which the acoustic sensitivity of different positions of the bulkhead to the noise of the target cabin is calculated by searching for the sound ray passing the target cabin. According to this, a method, the noise of a typical cabin can be optimized and reduced by 7.3 dB. Through comparative analysis of noise reduction in ships' cabins. method； optimal design Key words：noise reduction of ship's cabin；geometrical acoustics；ray-tracing method；ray-searching with the statistical energy method, it is proven that the method is feasible and can guide the refined design cabin noise reduction plan can be designed to optimize medium and high frequency cabin noise. With this
［2］ ［1］
此后， 声线携带剩余声能沿着新方向继续传播。 当声线能量与初始声线数能量的比值小于设定的 时， 认为该声线反射与透射充分， 声线剩余能量可 径， 叠加所有声线能量来计算空间声强。该方法 是采用单个频率逐次计算， 若某个频率下的声源 功率为 I ， 则该频率下的初始声线 I n 可表示为