第二章船舶辐射噪声及计算方法

水下振动噪声及控制技术
2017年8月
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第2讲 潜艇和船舶噪声的主要来源及计算方法
坐过船吗？
你对噪声的感觉是什么？
除了噪声，坐船最厌烦的是什么？
船舶噪声的主要来源及计算方法
船舶噪声由其自身设备工作时以及外界 风浪等拍击船体时发出的不同频率和不同 强度的声音无规律地组合而成。 它包括： 存在于舱室部位的空气噪声、 存在于船体结构中的结构噪声、 存在于船体周围水介质中的噪声（水声）。
船舶舱室噪声分析
• 研究表明次声对船上工作人员的生理、心理健康以及 工作效率都会产生不良影响。 • 此外，次声波频率低，波长较长，传播过程中被介质 吸收很少，故衰减小，传播距离远，具有很强的穿透 力。 • 次声的这种特点对舰船来讲可谓是致命性的，高能量 、远距离传播的次声很容易被声探测装置探测到，从 而影响到舰船的隐蔽性和作战能力。 • 水介质对声的吸收是与频率平方成正比。
挠性接头
潜艇及船舶结构辐射噪声计算方法
有限元法、 边界元、 无限元法、 统计能量法、 解析法
潜艇及船舶结构辐射噪声计算方法
水下结构声振计算常用的数值计算方法是有限元结合边界 元的方法， 可称为经典的模态分析方法(Classical Modal Analysis， CMA)， 但在分析复杂结构的高频振动和声辐射问题时存在很大的 局限性。
有限元法及边界元法
• 式中： 1 M ef 2 NN T dV • c V f K e B T BdV • V R Nn N dS •
f e T T S
为流体的质量矩阵； 为流体的刚度矩阵； 为流体面上的耦合矩阵。
有限元法及边界元法
在流体与结构的交界面上，声压对结构同时也产生一个面力的作 用，将其变换到节点上，于是结构方程可以写成下列形式：
船舶的主要噪声（细分）
船舶舱室噪声的噪声源具体分为螺旋桨噪声、船舶机械噪声 和结构噪声。 （1）螺旋桨的噪声 螺旋桨是船舶的一个主要噪声源，它可以引起船体振动而导 致噪声，也可以直接产生噪声。 旋转噪声是由于螺旋桨周期地击水所引起，它的频谱是不连 续的，它能使船体形成100Hz以内的低频噪声和振动。 （1）桨轴振动； （2）桨叶激水； （3）桨叶颤振； （4）空化；
有限元法及边界元法
• • • • • • 式中：E，S，I分别表示位于结构外部、表面上和内部； Q为结构表面上的点，p为空间中的点； G(P，Q)为自由空间的格林函数， R P Q ； n 为边界表面的法向速度； n为结构表面外法向单位矢量； K c 为波数。
有限元法及边界元法
1．有限元法及边界元法原理 假定流体是理想的声学介质，且满足如下条件： (1)假定流体是可压的，但只允许压力与平均压力相 比有较小的变化，流体是各向同性、均匀的。 (2)声波动过程是绝热的。 (3)假定流体为非流动并且无黏的（即黏性不引起耗 散作用）。 (4)假定流体平均密度和平均压力不变，计算中求解 的压力是偏离平均压力的相对压力而不是绝对压力。
船舶舱室噪声分析
174000t散装货船上层建筑舱室中能量比较大的噪声成分主要 集中在可听频率范围以下， 该船的上层建筑舱室声波的总能量中次声波的能量占主要成分， 可听声的能量所占比例比较小。 噪声功率谱中能量比较大的噪声成分的频率与主机产生的噪声 频率以及螺旋桨的轴频、叶频以及其高阶谐波的频率是大致对应 的。 船舶舱室噪声的主要噪声源是主机和螺旋桨。（苏联东芝事件）
非线性
船舶舱室噪声特点
• 根据激励的物理性质可以分为初级结构噪声和次级结构噪声 • 初级结构噪声是机械的支承连接件和非支承连接件传递的动 力激发的结构振动，这种振动在结构中以波动形式传播，并 且由诸如列板、舱壁、板格等结构。 • 次级结构噪声是由机械空气噪声而引起列板、舱壁、板路等 结构中的结构振动，其声级大小与结构的惯性、刚性、阻尼 ，以及空气噪声级等有关。
七叶大侧斜； 泵喷推进器； 喷水推进； 磁流体推进；
船舶的主要噪声（细分）
（2）船舶机械的噪声 当螺旋桨不发生空泡时，机械噪声基本上决定了船舶的 噪声级。 船上的各种机械设备如内燃机、柴油发电机、通风机、 减速齿轮、压气机、泵等都是机械噪声源。
船舶的主要噪声（细分）
• 因为机舱内是主机、柴油发电机、变速传动装置和高 速柴油发动机等许多强噪声机器集中的地方，而且噪 声频率很高，特别难受。 • 因此，通常将机舱视为一个声源，它与螺构的振动传导性
(4)对沿船体结构传播的声振动，自然障碍是各结 构构件，如板架、隔壁、船体外板等的接头。 组成接头的结构的机械阻力差别越显著，这些障碍的 隔振性越强。 杆（如管路）与它穿过的结构之间的接头的隔振度不 大（相对于沿杆行进的弹性波）， 这是因为有杆向板传输的能量不多，而且它们的机械 阻力有较大差别的缘故。
船舶噪声的传播途径分类
1．噪声源分类 按照声源在船上的传播途径不同，可分为三组，其在 船上的传播途径和特点如下。 1)主要是辐射空气噪声的声振动源 在邻近和远距离的舱室内，空气噪声大多数取决于传 播声振动的围护结构的声辐射。这一组声振动源中有船用 机械，以及某些通风管道与其它管道。
船舶噪声的传播途径分类
船舶噪声的主要来源及计算方法
船舶的主要噪声分类（粗分）
按噪声的起源不同，船舶噪声主要可分为三类。 (1)空气动力噪声： 船用主机、辅机的排气系统、通风机、空压机系统等产生的噪 声，一般称为空气噪声。 (2)机械性噪声： 如主机、辅机的气阀机构、活塞连杆等在摩擦、冲击等交变应 力的作用下产生的噪声，一般称为固体噪声或结构噪声。 (3)电磁性噪声： 如船上的发电机组、变电器、配电板等产生的噪声。 电磁噪声难以治理。
船舶舱室噪声特点
船舶的主要噪声源是主机和螺旋桨， 主机和螺旋桨激起的船体振动， 在大多数情况下其频率在可听频率范围以下， 上层建筑舱室中主机和螺旋桨产生的噪声主要也是次声， 可听频率范围内的噪声通常是由主机和螺旋桨传来的低频 激振引起的非线性效应造成的， 也就是说这些周期性的低频激振力使壳板， 木质盖板与其它附件之间产生摩擦、挤压，使船体发出各 种轧轧声以及一些部件的碰击声。
2)仅船舶结构振动的辐射声振动源 在这种情况下，所有舱室的空气噪声均取决于由振 源传播振动的围护结构的声辐射。这一组声振动源包括 螺旋桨、激励船体流线型表面的水流。
船舶噪声的传播途径分类
3)主要是安装结构振动的辐射声振动源 这组声振源有液压系统的附件以及某些空气管道和其它 管道。在船舶舱室内，它所辐射出的空气噪声声压又将激起 舱室板架的振动，而板架由于振动又向空气中辐射噪声。
船体结构的振动传导性
波数?
k

c

2

波传播单位距离落后的相位角，声场中沿波传 播的方向相距一个波长的两点的振动相位差为 2 。
船体结构的振动传导性
(3) 振动传导性能取决于船体结构中的弯曲振动 的波数和结构的刚度。 加固船体结构用的加强筋通常可以减少结构的波数（ 可增大弯曲波的波长）， 从而使声振动振幅减小。
有限元法及边界元法
用FEM对模型进行分析是通过对模型进行离散，同时求解波 动方程以及结构运动方程来实现的。在流体介质中声波应满足波 动方程
1 2 p p c t 2
分别对结构和流体进行单元离散最后可得到矩阵形式的流 体波动方程：
e Kef pe 0 Ref u e 0 M ef p
船舶的主要噪声（细分）
• 螺旋桨直接产生的噪声有空泡噪声和谐鸣声。 • 空泡噪声是螺旋桨水下噪声的主要成份。 • 频率成分实际上不随转速而变，并主要取决于桨叶结构和尺 寸。 • 空泡引起的桨叶振动噪声，具有明显的音频特性，其频率一 般在400Hz～1kHz之间，而强度可能达到100dB。
• • • •
船上的主要声振动源分布
图1 船上的主要振动源及其沿船体结构传播的途径 1---内燃机；2---推力轴承；3---螺旋桨；4---通风机；5---通风系统管 路中的空气和噪声；6---内燃机排气系统管路中气流和噪声；7---有舱室 噪声引起的振动的位置；8---振源；9---泵。 气流噪声：速度8次方成正比
s e Cesu e K e M esu ue Fes Fe f
用统一的矩阵形式表示有
e Ces 0 u e K es Ref T ue Fes M es 0 u f f f f e 0 Ce p e p Ke Re M e 0 pe 0
潜艇及船舶结构辐射噪声计算方法
①结构在高频下的模态会变得非 常密集， 模态间的重叠现象也比较严重， 使CMA很难清晰地辨认出每阶模 态， 使CMA计算结果的可信度下降； ②高频下使用CMA的计算结果对 结构原始参数的变化非常敏感， 即原始参数一个很小的变化会导 致一个很大的结果误差。
矩形膜
潜艇及船舶结构辐射噪声计算方法
声振动级与相对振源的距离关系 声源的衰减规律
船体结构的振动传导性
(1)随着相对振动源的距离的增大， 其振幅不断减小。 一是，一部分振动能量被结构吸收； 二是，散波波前的扩大（在就近，相距声振动源大致 几米处）。
船体结构的振动传导性
(2)船体结构中的振动振幅的下降， 主要和这些结构的损耗系数、波数，以及相对振源的 距离有关。 欲降低振幅，需提高损耗系数（例如，借助于吸收振 动的结构）和增大波数（例如，减小结构的刚度）， 以及加大同振源的相对距离。
有限元法及边界元法
在流固耦合面S上，存在边界条件：
p jn n
在无限远处要满足Sommerfeld辐射条件：
p lim r jkp 0 r r
利用波动方程，可以转化为单频声场的Helmholtz积分方程：

S
Pr , r E 1 GP, Q pQ j nG P, Q dsQ Pr , r S n 2 0, r I