基于边界元计算的船舶机械设备水下辐射噪声分析

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1、基于边界元计算的船舶机械设备水下辐射噪声分析谢志强屮閑舰船研究设计中心船舶振动噪声重点实验室，湖北，武汉,430064摘要：机械设备是船舶水下辐射噪声的主要噪声源，本文采用冇限元(FEH)和边界元(BEM)联合求解的数值计算方法对某船舶机械设备水下辐射噪声进行研究。以某科考船船机舱段和流体域的流固耦合模型为研究对彖，将不同安装状态下的某设备台架实验机脚振动加速度级作为激励载;荷输入，利用有限元软件计算出舱段结构湿表而结构振动位移响应，导入边界元软件LMSSysnoise利用直接边界元方法进行计算,得到了两种安装状态下机械设备的

2、水下辐射噪声。关键词：sysnoise；水下辐射噪声；冇限元法；直接边界元法NumericalcalculationofunderwaternoiseradiationfrommachinebyBEMmethodXIEZhi-qiang(NationalKeyLaboratoryonShipVibration&Noise，ChinaShipDevelopmentandDesignCenter,Wuhan430064,China)Keywords：sysnoise；underwaternoiseradiation；finitee

3、lementmethod;directboundaryelementmethod1.引言机械设备是中低航速下船舶水下辐射噪声的主要噪声源，也是影响船舶舒适性的主要振源，为此在特种船舶、军船上主要的设备都采取了诸如浮筏、双层隔振、单层隔振等在内的多种减振降噪措施⑴。减振对于降低机械设备的水下辐射噪声的好处是毋庸置疑的，但机械设备辐射噪声是多少，在总体辐射噪声总所占份额是多少，需不需要采取减振降噪措施以及采取什么程度的措施在船舶的方案设计阶段尚不清晰。木文针对上述现状开展某科考船主要设备刚性及弹性两种安装状态下引起的水下辐射噪声数

4、值计算分析研究，可以为船舶的减振降噪设计提供参考。2.机械设备引起的水下辐射噪声计算理论及计算流程根据振动传递理论⑵，机械设备机脚p点施加载荷则引起船体外板1点振动响应可以表示为:X=H,^co)F=台入)乐ju＞入川(1)上式中，％（3）为设备机脚到船体外板的传递函数，F为设备激励载荷，入为复模态频率，屮为复振型，習为结构的复模态质量。从式（1）可看出船体外板的振动响应与激励载荷、船体结构等参数有关。得到船体外板的振动响应后，根据经典的结构声辐射理论⑶，船体结构的辐射声功率可以用下式表示：WR=Rrad=pcSorad

5、（2）上式屮，Q为流体密度，c为流体屮声速，U为船体结构表面振动速度，Orad为船体结构的辐射效率，S为船体与流体接触的湿表而而积。根据辐射声功率和声压的关系，可以推导出距离声源r米处的声压P为⑷：(3)结合上述理论，机械设备水下辐射噪声数值计算流程如图1所示，本文中设备、船体、流体及频率响应分析采用有限元软件进行建模，直接边界元及远场水声计算采用LMSSysnoiseo由于机械设备振动引起的水下辐射噪声以屮低频为主，同吋随着分析频率的提高，其计算时间也随之增加，因此计算频率范围为20〜200Hzo图1机械设备水下辐射噪

6、声计算流程图2.机械设备引起的船体结构振动响应分析以某船机舱段为参照，建立了机械设备舱及赠馄相邻舱在内的三个舱室模型,机舱段长35米。为保证模型的准确性，影响船体结构强度和刚度的结构都予以考虑，包括纵向和横向的主结构等，作为机械设备的支撑平台，设备基座模型进行详细建模。机械设备刚性安装则设备与基座直接连接，弹性安装则通过隔振器与基座相连。舱段的板材结构均采用四边形（Quad4单元）和三角形（Tria3单元）板单元，龙骨和横梁等主承力构件釆用梁单元（Beam单元），设备采用集中质量（0DMass单元），流体采用六边形体单元（So

7、lid单元），设备与船体连接采用MPC单元，隔振器采用Bush单元。舱段有限元模型及流固耦合模型如图3所示。计算模型屮材料属性定义对于弹性船体部分密度p二7850血/卅，弹性模量E=2.le^N/m3,泊松比a=0.3；流体介质计算参数海水密度/?=1025kg/m3,海水中声速c=1460m/s,参考声压取为le_6Pao图2舱段流固耦合模型机械设备激励采用某设备刚性和弹性台架测量结果，测量系统为B&K3560D型噪声振动多分析系统，加速度传感器为B&K4513加速度计，计算公式如式（4）所示。从图3中可以看出机械设备弹性安

8、装状态下其机脚振动加速度级较刚性安装不同程度的放大。(4)上式屮：厶一机脚各测点振动加速度级能量平均值,dB；〃一机脚测点数量;厶一各测点振动加速度级，dB。经隔振器衰减后机械设备基座振级如图4所示，除25Hz中心频率处基座振级放大外其他频率基座振级都较机脚振级低，20Hz-