船舶噪聲分析

RINA-意大利船級社在開發階段早期使用MSC Nastran幫助客戶對船體進行減振降噪分析

面臨的挑戰

和其他行業一樣，降低噪音水平逐漸成為一種趨勢開始影響造船工程師的設計過程，目的是為了確保船上所有乘員或工作人員區域的聲學舒適性。出于該原因，船東要求造船廠建造最優噪音級別的船舶。RINA-意大利船級社面臨的任務是找到一個能夠方便，準確處理復雜大規模船舶聲學問題的解決方案。

新出的法規根據四個不同的限值定義船體的聲學舒適度級別：A級為客輪，B級為渡輪，C級為貨船，Y級為娛樂性游艇。例如，在貨船的工作區域允許的噪音級別對應是75分貝，而游艇或客輪的旅客艙室是45分貝。

RINA(意大利船級社)是首批決定采納和應用上述的聲學舒適性法規的船級社之一，已有約50艘船只和20艘娛樂性游艇入級RINA并符合上述聲學級別要求。

RINA的船體部技術工程師安杰洛托內利解釋說，“上述規定，必須對任何新船型的噪音水平作出詳細的聲級圖”。“如果實驗結果表明，新的船只不符合規格，船廠將面臨重新建造或修改結構的過高成本支出，船廠至少要被迫重建其中一個或多個艙室，通過增加阻尼材料，浮筏隔振或吸音板，從而提高船體的隔聲水平，以滿足噪音級別要求。在客輪和游艇上，客艙內高噪音是完全不能接受的，因為一個“嘈雜”的艙室會導致乘客對該航線的客輪品牌留下負面印象。所以船廠因為建造的船只不符合噪聲規范，就必須支付罰款，這是相當糟糕的情況。”

由于這些因素，很顯然，在船體的研發設計階段，盡可能早的確保船艙的最大噪音水平低于法規要求，對于造船廠來說是至關重要的。為了這個目的，依靠先進的仿真技術，借助船只的有限元模型預測出相應的噪聲水平，是非常有意義的。

RINA S.P.A.提供的一個典型應用的例子就是采用這種方法，該案例來自于Rimorchiatori Riuniti di Genova船廠對深海拖船（艙室）甲板噪聲的具體研發。在驗船過程中，船廠決定要求RINA提供額外服務-評估拖船甲板上的振動和噪聲水平，目的是要使設計的船只符合意大利新調整的有關乘員區域中的振動和噪音的監管要求。

“即使作為拖船在舒適法規通常不適用（因為這些法規是為超過200英尺長的貨船而制定的）的情況下，我們仍然決定接下該項目評估這種特殊船只的噪音水平，旨在確保該造船廠為最終用戶建造一個高品質的產品。” 在談到該項目的具體要求時托內利說， “由于船的尺度小，事實上管道和發動機所在的位置和工作人員的活動區域非常接近，我們知道該船潛在的問題和貨船的振動噪聲問題有著相似的特點。” 特定情況下，船廠主要關注的問題是，發動機通氣管（見圖片2）已被放置在甲板旁邊，實際上它通過了工作人員艙室的所在區域。由于排氣系統和發動機是在船上振動的主要來源，所以最終這樣的布置可能會導致該船只在某些區域會出現高噪音水平。

解決方案

RINA首選MSC.Software公司的MSC Nastran作為解決方案。 MSC Nastran作為集下一代的設計和開發于一體的全面的CAE分析工具，該綜合系統提供了真正的多學科仿真手段。 MSC Nastran是為那些需要進行復雜的交互式和多學科模型分析的人員而設計的，MSC Nastran的功能旨在提高效率和簡化流程。

例如，振動噪聲分析歷來被處理成兩個分開的步驟，但是MSC Nastran提供了一個綜合高效的解決方案，在一個單一的軟件包里包含了結構和聲學模擬能力，摒棄了需要多個代碼的方法。

由于船舶模型的規模較大， 聲源（螺旋槳和發動機）的位置通常遠離艙室，所以聲學仿真在船舶行業通常首先使用SEA（統計能量分析）的方法。

SEA仿真該拖船預測出甲板上的聲壓（它代表了船上船員大部分時間活動的區域）低于65分貝，而實驗結果表明峰值高達69分貝，該數值低于法規所強制要求的數值，但明顯比客戶要求的限制值要高。

“SEA模擬和實驗測量（見圖片），提供了聲波的低頻噪聲頻譜的組成部分，所以我們決定用MSC Nastran進行仿真模擬，目的是為了驗證基于有限元方法是否可以在噪聲的傳遞路徑上提供更多的信息。”托內利說，“SEA的方法，通常用于分析大型船只相關的聲學模擬，事實上僅提供在不同的聲腔的噪音平均值（忽略了遠離平均值的可能存在的峰值），而且并不作詳細的聲振模擬（特別是涉及到低頻的值）。此外，用來表征材料的聲學特性的數據其一致性很難保證，所以這也是導致最終結果的可靠性不確定的重要原因。在這樣特殊的情況下，一個相對較小的模型，用有限元網格進行聲振預測是絕對有可能的，因為該模型（約50萬自由度）用以分析頻率到150赫茲范圍內對應的激勵頻率的聲振問題。另外，事實上艙室正好建在發動機上，所以需要詳細研究船員活動區域的噪聲分布，以準確地判斷結構噪聲的傳播路徑，并了解清楚主要的貢獻是來自玻璃板還是結構墻。”

有限元分析使用的是一個聲振耦合模型，其中包括結構網格和聲腔網格。由于分析的目的決定了該分析必須包括上下甲板和聲腔模型。 MSC Nastran的結構包，用于生成聲腔模型，它可以從結構有限元模型開始識別聲腔，消除細節應用不相關的聲腔，并通過完全自動化的過程產生聲學模型，該模型自動和結構模型耦合，最終創建出一個完整的聲振耦合模型。

要獲得耦合模型的共振相關信息，聲振傳遞函數對應下面的輸入和輸出計算：

輸入：附著在甲板上對應排氣系統兩點的同相和異相速度運
輸出：甲板上定位在不同高度的垂直對稱軸上的測量點和甲板邊緣及中間的測量點

好處

使用MSC Nastran，使得RINA用一個單一的軟件包能夠解決內外聲學問題，并獲得更快，更準確，高效的仿真解決方案。 MSC Nastran提供一致的模擬信息，包括相關的耦合模型的模態振型，仿真系統的共振，以及在結構選擇點的聲壓，在整體噪聲分布上提供額外的細節上的仿真結果。

“該計算結果提供了有價值的信息，這有助于我們確定修改措施，以達到減少甲板上的噪音水平的目的。作為案例，上面顯示的結果證實，通過仿真分析確定的共振頻率和通過實驗測量觀察到的頻率振型相互匹配。”托內利說，“此外，通過流體/結構耦合模型的分析，就可以了解共振是否是由于上下甲板沒有連接到結構上的開口（樓梯，該結構可以考慮為聲腔的邊界定義為聲反射面）引起的，還是是由于甲板結構的自然模態造成的。”