FastCAE-Acoustics案例分享-采用吸声技术降低船舶舱室噪声-优快云博客

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1 案例背景

船舶设计人员在追求船舶高速度和安全可靠性的同时，也需重视船舶的舒适性，特别是舱室噪声的预报与控制。舱室噪声不仅是一个严重的海洋污染问题，还可能导致仪器和部件的声振疲劳破坏，影响设备寿命和船舶性能。

在船舶舱室噪声控制领域，吸声技术（包括吸声材料与吸声结构）是降低船舶舱室噪声的常用方法之一。它是将噪声在传递的过程中通过反射原理将噪声反射到吸声材料内部，主要利用材料中声波与空气之间的摩擦作用，产生大量的热量而散发出去。

本研究依托于FastCAE团队开发的FastCAE-Acoustics声振耦合分析软件，选取某一船舶舱段作为研究对象，构建了两种模型：一种是在目标舱室侧壁敷设吸声材料的模型，另一种是未实施任何降噪措施的模型。通过对比分析这两种模型的计算结果，本研究探讨了吸声技术在降低船舶舱室噪声方面的应用效果。

2 模型建立

2.1 工况介绍

本文采用统计能量法对主要舱室结构进行噪声预报与控制，图1展示了简化模型。

图1

船舶系统可以分解成多个船舶声腔和船舶舱壁板等子系统组成，各子系统的物理属性如表1所示。

表 1 子系统物理属性

_	板	声腔
材料	钢	空气
厚度	0.008m	_
其他属性	密度ρ=7800kg/m³ 拉伸模量=2.1e+011Pa 剪切模量=8e+010Pa	声速ν=343m/s 密度ρ=1.21kg/m³

在进行船舶舱室建模和噪声预测时，必须考虑船舶内部布局及其材料对噪声预测精度的影响。因此，在预测船舶舱室噪声时，需考虑舱室材料的内损耗因子和吸声系数，如表2所示。

表 2 声腔内损耗因子

中心频率Hz	吸声系数α	内损耗因子η
31.5	0.00101	0.0366409
63	0.00143	0.0225551
125	0.00201	0.013962
250	0.00285	0.0085946
500	0.00402	0.0052906
1000	0.00569	0.00325675
2000	0.00805	0.00200476
4000	0.01138	0.00123408
8000	0.0161	0.000759663

2.2 创建SEA模型

软件支持读取*Nastran bdf格式的网格模型。

为了便于用户高效进行模型构建，本软件特别提供了由网格自动创建SEA板壳、识别封闭空间自动创建声腔和自动建立SEA连接等功能。

声振模型主要由SEA板和SEA声腔组成，子系统数量如下图2所示。

图 2 子系统数量统计

2.3 材料和物理属性设置

依据2.1中的相关数据，对模型的材料和物理属性进行设置，如下图3所示。

图 3 材料和物理属性设置

2.4 激励施加

本文主要考虑柴油机产生的空气辐射和结构振动噪声激励，其中的标准倍频率的范围在31.5-8000Hz内，参考的加速度级为1× $10^{-6}$ m/ $s^{2}$ ，柴油机结构噪声激励如表3所示，柴油机空气噪声激励为0.5W。空气噪声以声功率的形式添加在船舶舱室声腔模型上和结构噪声以加速度的形式添加在船舶设备的基座上，如图4所示。

表 3 柴油机结构噪声激励

频率/Hz	31.5	63	125	250	500	1000	2000	4000	8000
噪声值/dB	60.5	75	83.7	90.2	94.8	97.6	103.4	94.9	88.9

图 4 激励设置

2.5 吸声材料设置

在选用吸声材料的过程中，通过软件分析，选取了Fiber模块中的Glass wool和Rock wool。在软件中，为吸声材料设定的参数如下：Glass wool的密度为24kg/m³，流阻率为2e+004N.s/m⁴，多孔性为0.94，粘特性长度为0.000104m；Rock wool的密度为120kg/m³，流阻率为6e+004N.s/m⁴，多孔性为0.95，粘特性长度为0.000106m，如图5所示。

图 5 吸声材料参数设置窗口

对吸声材料的参数进行设定后，按照图6所示，对舱室侧壁钢板进行敷设。

图 6 吸声材料设置

2.6 结果对比分析

接着运用软件进行敷设吸声材料和不敷设吸声材料两种模型求解，得到目标舱室的噪声变化情况。
如图7所示，可以发现，敷设吸声材料的舱室A计权声压级低于不敷设吸声材料的；无论是否敷设吸声材料，激励振源舱室的A计权声压级都最高，并且愈接近激励源舱室的舱室A计权声压级愈高。

如图8所示，可以发现，在中高频范围内，敷设吸声材料的目标舱室A计权声压级明显低于不敷设吸声材料的，由此得出，对于目标舱室敷设吸声材料可有效减少其噪声。

图 7 不敷设和敷设吸声材料的舱室声压云图

图 8 不敷设和敷设吸声材料的目标舱室A计权声压级频谱

3 总结

FastCAE-Acoustics软件是一款功能强大的声振耦合分析软件，专注于解决复杂系统中的振动和噪声问题。该仿真软件融合了统计能量法与混合法等多种仿真方法，能够对中高频及高频段进行精确分析。软件在汽车NVH（噪声、振动与声振粗糙度）优化、飞机螺旋桨噪声分析、船舶舱室振动控制、声纳系统设计、核电站管道振动控制以及地铁车厢隔声设计等领域提供了有效的解决方案。

根据上述案例分析，FastCAE-Acoustics展现了其在噪声预测与降噪分析方面的显著能力。通过仿真分析手段，成功获取了舱室内的声压分布云图以及声压级频谱图。这些仿真结果为研究人员提供了有力的工具，以更深入地进行噪声分析和噪声控制研究。