（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）船舶舱室噪声预示的统计能量分析研究.pdf

! ! ! 业竺! ! ! 竖巴! ! ! ! ! 竺堕型! ! ! ! ! 兰! 尘! 曼垒 s t u d y o nn o i s e p r e d i c t i o no fs h i p c a b i nw i t hs e a a b s t r a c t s h i p b o a r dn o i s ec o n t r o l i s a t t r a c t i n gi n c r e a s i n ga t t e n t i o nf r o mt h es h i p p i n gi n d u s t r y t h i si sd u et ot h ei n t r o d u c t i o no fn a t i o n a la n di n t e r u a t i o n a lr u l e sa n dr e c o m m e n d a t i o n s c o n c e r n i n gn o i s e s u c ha si m 0 4 6 8 ( a ) o fi n t e m a t i o n a lm a r i n eo r g a n i z a t i o n ( i m o ) a n d d m an o i s e c o d eo fd a n i s hm a r i t i m ea u t h o r i t y ( d m a ) ，b u ta l s oag r o w i n gi n t e r e s ti n r e d u c i n ga n n o y a n c ea n d d i s c o m f o r tt ot h ec r e wa n dp a s s e n g e r s i ti sr e c o g n i z e dt h a tl i g h t n o i s el e v e l sc a nb eah e a l t hp r o b l e m ，as a f e t yf a c t o r , a n dt h a te x c e s s i v en o i s ec a nd e c r e a s e t h ee f f i c i e n c yo ft h ew o r kf o r c ea n dh a v eag e n e r a ln e g a t i v ee f f e c to nt h ee n v i r o n m e n t s o t h es h i p o w n e r s ，e s p e c i a l l yt h ee u r o p e a ns h i p o w n e r , s t i p u l a t et h er e q u i r e m e n ta b o u tt h e s h i p b o a r dn o i s ei nt h ec o n t r a c ts p e c i f i c a t i o n s i ti sn e c e s s a r yt op r e d i c tt h en o i s eo fs h i p c a b i ni nt h es t a g eo ft h ep r o j e c ta n dt om a k et h en o i s el e v e li ns h i pc a b i ns a t i s f yb o t ht h e r e q u i r e m e n t o ft h ec o n t r a c ts p e c i f i c a t i o n sa n dc r i t e t i a t h en o i s eh a sa r e l a t i o n s h i pw i t ht h ev i b r a t i o n ，t os t u d yt h en o i s e i sb a s e d0 1 3t h es t u d y o nv i b r a t i o n b u tt h en o i s ei sm o r es e n s i t i v i t yt om a n yf a c t o r st h a nt h a to ft h ev i b r a t i o n ，s o i ti sn o to n l yi m p o r t a n tb u ta l s od i f f i c u l tt op r e d i c tt h en o i s el e v e l t h e r ea r et h r e em a i n a p p r o a c h e s t o p r e d i c t t h en o i s el e v e l ：s i m i l i t u d es t r u c t u r em e t h o d i n c l u d i n g t h e f r e q u e n c y r e s p o n s em e t h o d a n dp r o p o r t i o nm e t h o d ，m o d a lm e t h o di n c l u d i n gf i n i t ee l e m e n t m e t h o d ( f e m ) a n db o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ( b e m ) ，a n d s t a t i s t i c a le n e r g ya n a l y s i s ( s e a ) t h ea d v a n t a g eo fs i m i l i t u d es t r u c t u r em e t h o di st og i v et h ep r e d i c t i n gd a t af a s t ，b u ti t h a ss o m ee r r o rb e c a u s eo fd e a l i n gw i t hr o u g hs i m i l i t u d ep a r a m e t e ra n dm a s sl o a d t h e m o d a lm e t h o dc a nd of i n i t ea n dd i s t i n c tl o w e rm o d e s t h eh i g h e rt h ef r e q u e n c y r a n g e ，t h e g r e a t e rt h ee r r o ra n dt h ea n a l y s i sd i f f i c u l t yi sg e t t i n gm o r ew i t ht h ec o m p l e x i t yo f s t r u c t u r e f e ma n db e mi sv e r ya d a p t e dt op r e d i c tt h en o i s el e v e li nl o w e r f r e q u e n c y , b u tt h e yn e e d t od e s c r i b et h eg e o m e t r yo fs t r u c t u r ed e t a i l e d l yw h i c hi s w a s t i n g t i m ef o rm a n y m o d e si n s y s t e ma n dh i g hf r e q u e n c y , w i d e b a n da n dr a n d o mv a r i a b l e t h es e am e t h o dn e e dam u c h s i m p l e rd e s c r i p t i o no ft h es y s t e ma n dh a sm a n ya d v a n t a g ei na n a l y s i so fh i g hf r e q u e n c y , h i g hm o d a ld e n s i t ya n dc o m p l e xd y n a m i cs y s t e m s i nd e s p i t eo fl i m i t a t i o n so f a s s u m i n g t h a t t h es y s t e mi sc o n s e r v a t i v ea n dl i g h tc o u p l i n gb u tt h i si sn o tap r o b l e mf o rs h i ps t r u c t u r e w h i c hi st h i na n d g o o dd u c t i b i l i t y t h eb a s i ce q u a t i o no fs t a t i s t i c a le n e r g ya n a l y s i si sd e d u c e di nt h i sp a p e r t h es h i p b o a r d n 0 1 s eo f2 9 5 ，0 0 0 d w tv l c cj sc a l c u l a t e db a s e do ns e a ，t h ef a c t o re f f e c to nt h en o i s eo f s h i p b o a r d i sd i s c u s s e da n ds o m em e a s u r e m e n tt or e d u c et h en o i s el e v e li ss u g g e s t e d k e yw o r d s ：n o i s e ；a i r b o r n en o i s e ；s t r u c t u r e b o r n en o i s e ； 兰堡! ! ! ! i ! 兰! 些翌! ! 型垒坠型! ! 堕i ! 塞坚! ! ! i ! 翌 一2一 ! ! ! 堂竺! ! ! ! 12 竺些! ! 竺! ! 塑e ! 塑! ! 些! 坠 船舶舱室噪声预示的统计能量分析研究 摘要 在现代造船中，船舶噪声控制倍加受关注。这不仅是因为许多国内和国际组织， 如：i n t e r n a t i o n a lm a r i n eo r g a n i z a t i o n ( i m o ) 和d a n i s hm a r i t i m ea u t h o r i t y ( d m a ) 等已经提出了有关噪声的规范和标准，也因为船员和旅客对舒适的环境更加感兴趣 了。一个安静的环境不仅有益于健康，而且能够提高工作效率和增加安全系数。许多 船东，特别是欧美国家的船东，在设计任务书中对船舶舱室噪声水平提出了严格的要 求。因此在船舶设计阶段进行船舶舱室噪声预示和控制，使其噪声水平满足任务书和 相应标准的要求是必须的。 噪声与振动是相关的，对噪声的研究也是建立在对振动研究的基础上。然而由于 影响噪声的因素远比影响振动的因素复杂，因此对噪声的预示，不仅是重要的，也是 困难的。目前对噪声预示主要有三个方法：一是相似结构外推法，包括频率响应法和 比例法等；二是传统的模态方法，包括有限单元方法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f e m ) 、 边界单元方法( b o u n d a r ye 1 e m e n tm e t h o d ，b e m ) 等；三是统计能量分析方法 ( s t a t i s t i c a le n e r g ya n a l y s i s ，s e a ) 。 相似结构外推法的优点是能够快速提供预示数据，但对相似参数和质量载荷影响 的处理都很粗略，造成较大的误差。传统的模态方法局限于对能够清楚辨认的有限数 量的低阶模态进行分析，分析误差随着频率范围向更高扩展而增大，分析难度随着结 构复杂程度而增加。有限单元方法和边界单元方法可以较好地预示低频环境噪声，但 需要较为详细地描述结构的几何特性。对于时间上是随机的宽带高频分量，结构中存 在大量模态的情况有时是费时的。统计能量方法并不需要进行结构的详尽描述，且在 分析含有高频、高模态密度的复杂系统的耦合动力学问题有一定的优势。尽管统计能 量方法也存在一些局限性，如它需要结构满足保守和弱耦合条件两个基本假定。但对 于像船舶结构等具有延展性的薄结构，即使在低频亦具有丰富的模态，一般均符合保 守耦合和统计假定的条件。它与响应计算的经典流固耦合方法、有限单元方法和边界 元方法相比，具有简单、计算量小、适应频带宽等优点，因此在工程中得到广泛应用。 本文叙述并推导了统计能量分析方法的基本过程和基本原理。根据统计能量分析 方法的基本原理，以实船为例进行了船舶机械设备等噪声声压水平的估算和船舶舱室 噪声预示，并对影响船舶舱室噪声水平的各种因素进行了分析，提出了减小船舶舱室 噪声水平的方法。 关键词：噪声：空气噪声；结构噪声；统计能量分析；预报 皇! 堂! ! ! ! ! 兰p 兰! ! ! ! ! ! ! ! 些尘! ! ! ! ! ! ! ! ! 里垒 op r e f a c e 0 1i n t r o d u c t i o n s h i p b o a r dn o i s ec o n t r o l i s a t t r a c t i n gi n c r e a s i n ga t t e n t i o nf r o mt h es h i p p i n gi n d u s t r y t h i si sd u et ot h ei n t r o d u c t i o no fn a t i o n a la n di n t e r n a t i o n a lr u l e sa n dr e c o m m e n d a t i o n s c o n c e r n i n gn o i s e s u c ha si m 0 4 6 8 ( a ) o fi n t e r n a t i o n a lm a r i n eo r g a n i z a t i o n ( i m o ) a n d d m an o i s e c o d eo fd a n i s hm a r i t i m ea u t h o r i t y ( d m a ) ( s e et a b l e0 - i ) ，b u ta l s oa g r o w i n g i n t e r e s ti n r e d u c i n g a n n o y a n c ea n dd i s c o m f o r tt o t h e c r e wa n d p a s s e n g e r s i ti s r e c o g n i z e dt h a tl i g h t n o i s el e v e l s c a nb eah e a l t hp r o b l e m ，as a f e t y f a c t o r , a n dt h a t e x c e s s i v en o i s e c a nd e c r e a s et h ee f f i c i e n c yo ft h e w o r kf o r c ea n dh a v eag e n e r a l n e g a t i v e e f f e c to nt h ee n v i r o n m e n t 。 s ot h es h i p o w n e r s ，e s p e c i a l l yt h e e u r o p e a ns h i p - o w n e r , s t i p u l a t et h e r e q u i r e m e n t a b o u tt h e s h i p b o a r d n o i s ei nt h ec o n t r a c ts p e c i f i c a t i o n s ni sn e c e s s a r yt op r e d i c tt h en o i s e o fs h i pc a b i ni nt h e s t a g eo ft h e p r o j e c t a n dt om a k et h en o i s e l e v e li ns h i pc a b i ns a t i s f yb o t ht h e r e q u i r e m e n t o ft h ec o n t r a c t s p e c i f i c a t i o n sa n d c r i t e r i a t a b l e0 - 1 s h i p b o a r d n o i s er u l e l o c a t i o n maximum，limitsd。b(a) b y i m ob y d m a w h e e lh o u s e r a d i or o o m m e s sr o o m s i n f i r m a r y c a b i o s g a l l e y e n g i n e c o n t r o lr o o m w o r k s h o p s e n g i n er o o ms p a c e s o 伍c e s r e c r e a t i o nr o o m r e c r e a t i o na r e a s ， o u t d o o r s r e s c u es t a t i o n 6 5 6 0 6 5 6 0 6 0 7 5 7 5 8 5 1 1 0 6 5 6 5 7 5 7 5 7 0 7 0 t h en o i s eh a sa r e l a t i o n s h i pw i t hv i b r a t i o n t os t u d y t h en o i s ei sb a s e do nt h es t u d yo n v i b r a t i o n t h ei n g r e d i e n tw h i c hh a st h ee f f e c to nt h en o i s ei sm o r ec o m p l e xt h a nt h a tw h i c h h a st h ee f f e c to nt h ev i b r a t i o n s oj ti sn o to n l yi m p o r t a n tb u ta l s od i f f i c u l tt op r e d i c tt h e n o i s e1 e v e l t h em a i nm e t h o d st op r e d i c tt h en o i s ei e v e la r e ：s i m i l i t u d es t r u c t u r em e t h o d i n c l u d i n gt h ef r e q u e n c y r e s p o n s em e t h o d a n d p r o p o r t i o nm e t h o d ，m o d a lm e t h o di n c l u d i n g f e ma n db e m a n ds e a s t a t i s t i c a le n e r g ya n a l y s i s ，w h i c hw es h a l lr e f e rt oa ss e a ，i sab r a n c ho fs t u d yo f d y n a m i c a ls y s t e m s s t a t i s t i c a lc m p h a s i z e st h a tt h es y s t e m sb e i n gs t u d i e da r cp r e s u m e dt o b ed r a w nf r o mp o p u l a t i o n so fs i m i l a rd e s i g nc o n s t r u c t i o n h a v i n gk n o w n d i s t r i b u t i o n so f t h e i rd y n a m i c a l p a r a m e t e r s e n e r g yd e n o t e st h ep r i m a r y v a r i a b l eo fi n t e r e s t o t h e rd y n a m i c v a r i a b l e ss u c ha sd i s p l a c e m e n t ，p r e s s u r e ，e t c ，a r ef o u n df r o mt h ee n e r g yo fv i b r a t i o n t h e ! ! ! 里塑! ! 塑堡! ! ! ! ! 垒塑! 翌2 1 1 1 1 1 1 垒! ! 坠兰呈垒! ! ! ! ! ! 翌! ! 坚! 竺! ! ! ! 垒蔓! ! ! ! ! ! ! 坠! ! 一 一5一 13鼹加伯踮|呈岱酊 兰! 竺! ! ! 里翌竺堡呈旦些璺! ! ! 旦竺竺! ! ! 坐! ! ! ! 竺! ! 生曼里垒 p a r t i c u l a rt e c h n i q u e t r a d i t i o n a la n a l y s e so ft h em e c h a n i c a lv i b r a t i o no fs y s t e m ss u c ha s m a c h i n e sa n d s t r u c t u r e sh a v eb e e nd i r e c t e da tt h el o w e rf e wr e s o n a n tm o d e sb e c a u s ei nm a n yi n s t a n c e s t h e s em o d e st e n dt oh a v et h e g r e a t e s td i s p l a c e m e n tr e s p o n s e ，a n d t h e f r e q u e n c i e s o f e x c i t a t i o na r e f a i r l y l o w o fc o u r s e ，t h ev i b r a t i o no fw a l l sa n df l o o ma n dt h e i r h i g h f r e q u e n c ys o u n dr a d i a t i o n h a v eb e e no fi n t e r e s tf o rat o n gt i m e ，b u tm e c h a n i c a la n d s t r u c t u r a le n g i n e e r sh a v eb e e ng e n e r a l l yu n c o n c e r n e dw i t hs u c hp r o b l e m s t h ee x i s t e n c eo f f a i r l yl a r g e a n d l i g h t w e i g h ta e r o s p a c e s t r u c t u r e ，a n dt h e i ra t t e n d a n t h i g hf r e q u e n c y b r o a d b a n dl o a d s ，h a sm e a n tm u c hm o r ea t t e n t i o nb e i n gp a i dt oh i g h e ro r d e rm o d e l a n a l y s i s f o rt h ep u r p o s e so f p r e d i c t i n gs t r u c t u r a lf a t i g u e ，e q u i p m e n tf a t i g u ea n d n o i s e p r o d u c t i o n ac h a r a c t e r i s t i co f h i g h e ro r d e rm o d ea n a l y s i s ，h o w e v e r , i sb a s i cu n c e r t a i n t yi nm o d a l p a r a m e t e r s t h er e s o n a n c ef r e q u e n c i e sa n dm o d es h a p e s o ft h e s em o d e ss h o w g r e a t s e n s i t i v i t yt os m a l lv a r i a t i o n so fg e o m e t r y , c o n s t r u c t i o na n dm a t e r i a lp r o p e r t i e s i na d d i t i o n ， t h ec o m p u t e r p r o g r a m su s e dt oe v a l u a t em o d e s h a p e sa n df r e q u e n c ya r ek n o w n t ob er a t h e r i n a c c u r a t ef o rt h e h i g h e r o r d e rm o d e s ，e v e nf o ri d e a l i z e d s y s t e m s i nl i g h t o ft h e s e u n c e r t a i n t i e s ，as t a t i s t i c a lm o d e lo ft h em o d a lp a r a m e t e r ss e e m sn a t u r a la n d a p p r o p r i a t e ， o n e a d v a n t a g eo fs e am a y b es e e nt h ep r a c t i c a la s p e c t so fr o o ma c o u s t i c i fo n et r u l y h a s1 0 6m o d e st od e a lw i t h ，e v e nt h em ，s ，p r e s s u r ea s s o c i a t e dw i t he a c hm o d e ，c h a n g i n g w i t ht i m ea st h ef l u t eg i v e sw a yt ot h et i m p a n i ，w o u l db ea h o p e l e s sm a s s o fi n f o r m a t i o nt o a s s i m i l a t e ，w h e no n ed o e si n s t e a di st od e s c r i b et h ef i e l db yaf e wc o h e r e n tf e a t u r e so ft h e m o d a l p a t t e r n ( d i r e c t f i e l da n daf e we a r l yr e f l e c t i o n s ) a n dt h e i n c o h e r e n t e n e r g y ( r e v e r b e r a n tf i e l d ) t o t a l e di n t oa f e wf r e q u e n c yb a n d s ，t h u s ，i n s t e a do f1 0 0m e a s u r e so ft h e s o u n df i e l d ( w h i c hw o u l db ei n c o m p l e t ei na n yc a s ew i t h o u tt h ec o h e r e l l c ed a t a ) ，w ea r e a b l et od e s c r i b et h es o u n df i e l de f f e c t i v e l yb y1 0 2 0m e a s u r e s t h es e aa l s oa l l o w sf o ram u c hs i m p l e rd e s c d p t i o no ft h es y s t e m ，w h e t h e ro n e d e s c r i b e st h ef i e l db ym o d e so rw a v e s i nt h ef o r m e rc a s e ，m o d a ld e n s i t y , a v e r a g em o d e l d a m p i n g ，a n dc e r t a i na v e r a g eo f m o d e l i m p e d a n c e t os u c hs o u r c e so fe x c i t a t i o na r er e q u i r e d i naw a v ed e s c r i p t i o n ，p a r a m e t e rs u c ha sm e a nf r e ep a t hf o rw a v e s ，s u r f a c ea n dv o l u m e a b s o r p t i o n ，a n dg e n e r a lg e o m e t r i cc o n f i g u r a t i o n a l e r e q u i r e d t h e n u m b e ro f i n p u t p a r a m e t e r s i sg e n e r a l l yi nb a l a n c ew i t ht h en u m b e ro fm e a s u r e s ( 1 0 2 0 ) t ob et a k e n t h em o s to b v i o u sd i s a d v a n t a g eo fs e ai st h a tt h e yg i v es t a t i s t i c a la n s w e r s ，w h i c ha r e a l w a y ss u b j e c tt os o m eu n c e r t a i n t y i nv e r yh i g ho r d e rs y s t e m s ，t h i si sn o tag r e a tp r o b l e m m a n y o ft h es y s t e m sw e m a y w i s ht oa p p l ys e a t o ，h o w e v e r , m a yn o th a v ee n o u g hm o d e s i nc e r t a i n f r e q u e n c yb a n d st o a l l o wp r e d i c t i o n sw i t hah i g hd e g r e eo fc e r t a i n t y t ok e e p t r a c ko ft h i s ，w em a yc a l c u l a t et h ev a r i a n c ea sw e l la st h em e a n ，a n da l s oc a l c u l a t et h e c o n f i d e n c ef o rp r e d i c t i o ni n t e r v a l s t h es e a m a i n l ya p p l i e st ot h ef o l l o w i n g d i v i d et h ef r e q u e n c yr a n g ei n t ot h r e ep a r t s ，n a m e l yl o w e rf r e q u e n c ya r e a ，m i d d l e f r e q u e n c ya r e aa n du p p e rf r e q u e n c ya r e a ，a c c o r d i n gt o t h em o d a ld e n s i t yo fs u b s y s t e m n ( f ) o r t h en u m b e ro fm o d e s ( = h ( ，) a f ) i nt h e f r e q u e n c yb a n da f 6 兰! 竺生竺里型! ! 竖坐! 旦翌垡! 1 1 尘! 兰坐! 塑曼坠一 l o w e r f r e q u e n c y a r e a w h i l en 1 u p p e rf r e q u e n c ya r e a ，w h i l e n 5 m i d d l e f r e q u e n c y a r e a w h i l e1 n 5 l nt h ed e v e l o p m e n tl e v e lo fs e a ，i ti sg o o df o rs o l u t i o no fc o m p l e xd y n a m i cp r o b l e m s i nu p p e rf r e q u e n c yb a n d o nt h ec o n t r a r y , t h em o d a lm e t h o da n df e m i sa d a p t e dt os o l v e t h e c o m p l e xd y n a m i cp r o b l e m s i nl o w e r f r e q u e n c y b a n d o f c o u r s e ，t h e y a r es t i l l d e v e l o p i n g f o r w a r da n d i n t e r s e c t i n ge a c ho t h e r o 2ab r i e fh i s t o r i c a ls u r v e y n en a m es e aw a sc o i n e di nt h ee a r l y1 9 6 0 s t h ee a r l i e s tw o r ki nt h ed e v e l o p m e n to f s e aa sa l li d e n t i f i a b l ee n t i t yw e r et w oi n d e p e n d e n tc a l c u l a t i o n si n1 9 5 9b yr h l y o na n d p w s m i t h j r l y o n c a l c u l a t e dt h e p o w e rf l o w b e t w e e nt w ol i g h t l y c o u p l e d ，l i n e a r r e s o n a t o r se x c i t e db yi n d e p e n d e n tw h i t en o i s es o u r c e s h ef o u n dt h a tt h ep o w e rf l o ww a s p r o p o r t i o n a l t ot h ed i f f e r e n c ei nu n c o u p l e de n e r g i e so ft h er e s o n a t o r sa n dt h a ti ta l w a y s f l o w e df r o mt h er e s o n a t o ro fh i g h e rt ol o w e rr e s o n a t o r se n e r g y t h eo t h e rc a l c u l a t i o n b ys m i t hw a so ft h er e s p o n s eo far e s o n a t o r o far e s o n a t o r e x c i t e db yad i f f u s e ，b r o a db a n ds o u n df i e l d h ef o u n dt h a tt h er e s p o n s eo ft h es y s t e m r e a c h e 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h a ts m i t h s l i m i t i n gv i b r a t i o na m o u n t e d t oa ne q u a l i t yo f e n e r g yb e t w e e n t h er e s o n a t o ra n dt h ea v e r a g e m o d a l e n e r g yo f t h es o u n df i e l d t h et w oc a l c u l a t i o n sw e r et h e r e f o r ec o n s i s t e n t ，a n dp o w e r w o u l df l o wb e t w e e nr e s o n a t o r su n t i l e q u i l i b r i u mw o u l dd e v e l o p i ft h ec o u p l i n gw e r e s t r o n ge n o u g hc o m p a r e d t oi n t e r n a l d a m p i n g ，e q u i p a r t i t i o n w o u l dr e s u l t b u th o w s p e c i f i c a l l yd i dt h ew a v e f i e l dr e s u l to fs m i t hr e l a t e t ot h et w o r e s o n a t o ri n t e r a c t i o nt h a t l y o nh a d s t u d i e d ? t oa n s w e rt h i sq u e