【FastCAE-Acoustics案例分享】吸声技术和阻尼技术对船舶舱室噪声降噪效果对比-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航速和结构安全性的同时，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）和阻尼技术是降低船舶舱室噪声的常用两种方法。吸声技术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；而阻尼技术是通过在船舶舱壁的钢板上进行敷设高阻尼特性的材料或者是阻尼比较高的结构，从而使船舶大型结构设备的振动能量变成其热能耗散出去，达到船舶舱降噪的目的。

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，分别采用吸声技术和阻尼技术对目标舱室进行噪声控制，探讨其降噪效果。

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 SEA简化模型

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。

图 2 导入网格模型

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。

图 3 自动建模

声振模型主要由SEA板和SEA声腔组成，子系统数量如下图4所示。

图 4 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5所示。

图 5 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6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 6 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7所示。

图 7 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8所示，对舱室侧壁钢板进行敷设。

图 8 吸声材料设置

2.6阻尼材料设置

本文通过在目标舱室上添加阻尼材料来研究其阻尼减振性能。其中，选取橡胶阻尼材料并添加至目标舱室板上，基层材料基本物理属性：基材密度为7800kg/m³；拉伸模量为2.1× $10^{5}$ MPa；剪切模量为8× $10^{4}$ MP。对阻尼层选取中主要选取阻尼损耗因子比较高的橡胶为添加的阻尼层，其阻尼材料的基本物理属性是：阻尼材料密度为100kg/m³；拉伸模量为 2.3×10³MPa ；剪切模量为7.72× $10^{2}$ MPa；阻尼层厚度 0.01m。船舶舱室内其橡胶阻尼材料的阻尼损耗因子为固定值 0.4，如图9所示。