2023, Vol. 45
船舶舱室内的噪声问题是船舶工程中的重要研究领域之一。传统上，船舶噪声问题研究多着眼于由主机、辅机、泵、螺旋桨、空调通风设备等各种机械设备激发船体结构振动所引发的噪声[1]。现阶段的噪声相关规范也仅限于校核船舶机械振动引起的噪声。而近年来，随着国际海事组织（IMO）及各国船级社不断出台更为严格的船舶噪声控制标准，对于船舶噪声问题的研究开始朝着更加系统化、复杂化的方向发展[2-3]。事实上，海上航行船舶在遭遇较大风浪时容易产生大幅度的垂荡和纵摇运动，这些运动使得船首部分与海水在很短时间内发生大幅度的相对运动，形成所谓的“砰击”现象。砰击力作用在船体表面，可能成为船体首部舱室的重要噪声源。
尽管砰击现象引发舱室噪声的物理现象比较直观，但对于船舶首部砰击引发舱室噪声的相关研究却较少见诸文献。究其原因，很大程度上是由于砰击问题本身是一个瞬时发生的强非线性问题，要准确获得船体首部不同位置处的砰击压力是困难的。早期对于物体入水砰击引起的噪声问题研究多采用实验方法[4-6]。近年来，借助于计算流体力学（CFD）技术的快速发展，对船体砰击问题的数值模拟已经取得了很大的进展。借助高精度的CFD计算，开展砰击引起噪声问题研究逐渐成为可能。邓方舟[7]开展了低速物体入水声的特性研究，Barjasteh等[8]则对楔形体入水砰击造成的水下噪声进行了数值和实验研究。
以1艘大型客滚船为对象，开展大型客滚船首部砰击引发舱室噪声的数值模拟。由于客滚船运载旅客，对舱室内噪声控制标准就比较严苛，但在相关规范中引起噪声的原因未涉及首部砰击。另一方面，客滚船车辆甲板为前后贯通的有大型舱室，因此对于噪声的抑制难度更高。为了评价船舶在航行过程中由于砰击引发的舱室噪声，首先采用计算流体力学软件STAR-CCM+对船舶的砰击现象进行数值模拟，并通过在船体首部不同位置建立监测点，获得典型位置上时域状态下的砰击压力和船体的入水速度。编制时域-频域转化软件，借助声学分析软件VA One将压力和入水速度作为边界条件（频域）输入VA One软件中，反映不同强度的砰击对舱室内噪声的影响。建立数学模型采用的数值方法，对于计算船体由于入水砰击产生的舱室噪声问题具有有效性，得到的数值结果也能为相关船型设计提供参考数据。
1 计算方法及船型选择 1.1 砰击引发舱室噪声的计算方法采用CFD软件STAR-CCM+对船舶在不同海况下航行时的砰击现象进行模拟，取随船运动坐标系。坐标系的远点取在船舶静止时水线面的形心，x轴指向船首，y轴指向左舷，z轴铅直向上。将船体沿x、y、z轴的线运动分别称为纵荡、横荡和垂荡，绕x、y、z轴的角运动则称为横摇、纵摇和首摇。在STAR-CCM+软件平台中建立了虚拟波浪水池。为简化问题，只考虑规则入射波的情况，在STAR-CCM+平台中已经内置了常用的入射波形式，因此只需设置数值波浪水池的区域和边界条件，即可进行入射波的数值模拟。参考之前的波浪-船舶相互作用计算案例，使用如图1所示的计算区域及边界条件，具体为：流域左侧为速度入口边界，右侧为压力出口边界，两侧和底部均为无滑移壁面边界，顶部为速度入口边界。其中，上游和下游均设置3倍波长（3L），两侧设置2.5倍波长（2.5L）。
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图 1 数值波浪水池立体示意图 Fig. 1 Schematic diagram of the numerical wave tank |
以VOF（Volume of Fluid）流体体积法捕捉自由液面的变化。时间离散采用隐式非定常时间推进格式。所有模拟均采用Realizable K-Epsilon2层湍流模型，应用两层全y+壁面处理模型。使用SIMPLE（Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations）算法求解压力场和速度场。船舶在波浪上的运动情况采用STAR-CCM+中的DFBI（Dynamic Fluid-Body Interaction）模型，对联立后的方程组进行求解。
CFD计算得到的是砰击力的时域信号，而目前常用的噪声分析数值工具多采用频域方法，两者之间存在数据转换的障碍。砰击噪声主要考虑的是船舶在高海况下，由于波浪诱导的大幅度运动而导致的首部砰击问题，尽管该物理过程存在强烈的非线性效应，但船体收到的砰击力本质上仍属于周期性激励。基于此，采用离散傅里叶变换算法，自主开发船舶入水砰击力信号的时域-频域转化软件。以船舶的砰击激励力时域信号为输入，通过内置数值计算和转换工具，实现时域信号到频域信号的快速计算。
舱室噪声计算采用声学分析软件VA One中的统计能量法（SEA）进行，Burroughs等[9]对该方法进行详细的阐述。在VA One软件平台中应用SEA方法进行船舶舱室内的噪声分析时，首先需要建立目标船的声学分析统计能量模型（简称“声学模型”），而后需要将噪声的激励源以外激励的方式施加在声学模型上，即可通过求解统计能量方程获得各声腔中的声压级分布情况。
1.2 目标船型的选取选择总长为200 m的某大型客滚船作为目标船型开展相关计算。目标船型自下而上共有9层甲板，第3、第5甲板为贯穿全船的大型车道舱室，第2甲板高度9.3 m，第5甲板高度15 m。第7、8、9甲板为载客甲板，其距离基线高度分别为23.5 m、26.5 m和29.25 m。其中，第1甲板为双层底，第4和第6甲板为船中部甲板室内的平台。对于所考虑的舱室噪声问题而言，这几层甲板的影响较低，因此在后续声学模型的建立中将其忽略。目标船的总布置情况如图2所示。
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图 2 目标船型的布置情况 Fig. 2 General arrangement of the subject ship |
对于涉及的CFD计算部分而言，只需船体的几何外形即可。为此，根据船体的肋骨型线图进行了船体表面的几何建模，并对船体的上层建筑进行简化后，得到的CFD计算模型如图3所示。
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图 3 简化后用于CFD计算的三维模型 Fig. 3 Simplified ship model for the CFD computation |
为了获得船首在砰击现象发生时各部分所受的压力情况，在船体首部总共设置45个压力监测点，具体分布如图4所示。这些监测点位于船体表面曲率变化的显著位置，能够描述不同情况下，船体外部水压力对船体结构产生的激励情况。
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图 4 砰击压力监测点的布置情况 Fig. 4 Arrangement of pressure monitoring point |
在VA One软件平台中，根据船体的肋骨型线图和基本结构图，建立目标船的SEA声学模型，主要使用SEA平板（SEA Plate) 对船体中部及上层建筑进行建模，船舶首尾曲率较大处则采用SEA单曲率曲面板壳（SEA single curved shell）进行表达。通过依次连接各横剖面上的节点，最终形成船体表面的板壳模型如图5所示。
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图 5 VA One中建立的全船SEA模型分解视图 Fig. 5 Shrink view of the SEA model built in VA One |
在完成全船SEA建模之后，即可对船体进行SEA声腔（Cavity）的划分。由于本研究主要考虑船舶首部发生砰击所诱发的舱室噪声情况，根据船体的结构形式及布置情况，在船首区域内声腔的划分较细，船舶中部、尾部由于距离砰击发生处相对较远，噪声的水平不高，可适当增加声腔的尺寸以简化建模和计算的过程。最终全船划分成为70个声腔，具体的分布情况如图6所示。
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图 6 VA One中建立的全船声腔模型分解视图 Fig. 6 Shrink view of the SEA cavities built in VA One |
根据CFD中压力监测点的布置情况，首先将船体首部左右两舷的SEA板壳各划分为15个单元如图7所示。假定每个单元上各点的压力变化情况相同，则将各单元对应监测点监测到的砰击压力乘以单元面积后，便可得到不同单元上的砰击压力情况。考虑到船首1～5单元上的压力变化剧烈，将每个单元上对应的压力监测信息进行平均，作为该单元上的砰击力载荷。
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图 7 船体首部砰击压力的计算单元分布 Fig. 7 Computation panels for slamming pressure at the bow |
确定单元分布后，将点力载荷（Point Force）施加于每个单元的形心位置，即可完成力载荷的施加。SEA模型通过力的频谱定义载荷的强度，因此在力的载荷布置完成之后，每一个载荷都关联一个频谱。后续计算中，只需根据不同海况下的砰击压力更新此频谱，便可模拟同一位置不同载荷引起的噪声问题，对载荷的施加位置不再进行调整。
3 计算流程和目标区域 3.1 时域-频域转化软件采用自编程的时域-频域信号转换软件，实现信号由时域到频域的转换，如图8所示。入读时域信号后，软件自动读取信号的长度和采用间隔。考虑到CFD计算在初始时刻存在一定的数值误差，软件中允许用户自定义进行傅里叶编号的初始信号序列。以图8信号为例，该信号的采样间隔为0.02 s（即CFD计算的时间步长），指定从第600个采样点开始，选取后续的1 024个信号进行离散傅里叶变换，可以快速得出具体的频谱及其对应的数值结果。
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图 8 软件功能界面 Fig. 8 The functional interface of the software |
聚焦于船体首部发生砰击而引发的舱室内噪声问题，尽管船首各声腔距离砰击点的位置最近，但这些声腔实际上多为封闭舱室和压载舱室，对噪声问题的研究意义不大。根据目标船的实际布置情况，选择如图9所示的5个舱室，作为噪声监测的重点位置。将其分别命名为第1～第5目标声腔。第1、第2目标声腔分别位于第3甲板和第5甲板前部，是客滚船车辆停放的区域，其舱室空间大，距离砰击点相对较近，可能发生较大的砰击噪声响应。第3～第5目标声腔位于上层建筑甲板室的前部，是旅客活动区域，对噪声水平有较高的要求。
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图 9 舱室噪声监测位置选择情况 Fig. 9 Selected cabin for noise monitoring |
考虑目标船在5～8级海况下迎浪航行的情况，采用工程中常用的“设计波”简化方法，即以波能相当的规则波代替不规则波，反映船舶在不同海况中的运动响应情况。计算中不同海况下实际使用的设计波波幅及周期如表1所示[10]，计算航速根据船舶的设计航速，取28.5 kn。
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表 1 不同海况下设计波的波幅和周期 Tab.1 Amplitude and period of designed waves in different sea states |
计算得到不同海况下船舶在波浪上航行时的气-液两相流体的流动情况，其中每种海况间隔的时长为半个遭遇周期。结果表明，5级海况下船体首部相对于流体的运动并不明显，但海况增加以后，船首入水的情况越发明显。在8级海况下，船首已经出现大幅度的出水和入水情况，其伴随的砰击和上浪现象非常显著。
图10给出了8级海况下，几个典型压力监测点监测到的压力随时间变换情况。可以看出，各压力监测点得出的压力结果并非完全规则的正弦余弦曲线，而是呈现出类似脉冲信号的变化规律，这些类似于压力脉冲的信号反映出砰击现象发生时的压力变化。在船体进行大幅度垂荡-纵摇耦合运动，部分监测点会不断离开并回到水中，因此该点的压力不断在空气压力和水压力之间跳跃。在监测点接触水面的短暂瞬间，压力会以砰击现象的发生瞬间达到一个较高水平，而后随着船体入水，压力水平逐渐降低。当监测点离开水体接触空气时，压力则接近于0。这样的过程不断反复，便形成了对舱室内噪声的激发效果。
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图 10 八级海况(S.S.8)下典型位置压力监测点监测到的压力变化时历结果 Fig. 10 Time history of the monitored pressure under Sea State 8 |
为计算不同海况下砰击现象引发的舱室噪声情况，假定图7中定义的每个单元上各点的压力变化情况相同。在每种海况下，首先将各单元上包含的压力监测点所测得的压力时历曲线进行平均，再与单元的面积相乘后，以获得得到该单元时域的激励力信号。通过时域-频域转化软件，即可得到该单元上的激励力频谱。图11展示了8级海况(S.S.8)第2个单元上的砰击力频谱。可以看出，尽管CFD计算中只考虑了规则入水波的情况，但由于砰击问题的非线性特性，得到的能量频谱还是覆盖了一定的频率区间，这也符合SEA方法对载荷频谱特性的要求。由于声学计算模型在船体左右两舷各划分了15个单元，因此每个海况下都需要通过时域-频域转化软件求得15个激励力频谱。将这些频谱作为外激励加载到VA One软件中，即可得到舱室内的声学水平。
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图 11 八级海况(S.S.8)第2个单元上的砰击力频谱 Fig. 11 Computed slamming force spectrum for the panel No.2 under sea state 8 |
图12给出了不同海况下船体总体声压的计算结果。可以看出，由于砰击力载荷作用于首部，在球鼻首及其附近产生的声压级最高，5～8海况下对应的最高声压分别为106.2 dB、110 dB、118.4 dB和121.6 dB。而随着舱室的位置逐渐远离砰击发生的位置，各舱室内的声压水平显著下降。
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图 12 各海况下船体总体声压分布计算结果 Fig. 12 Computed overall sound level of the ship at different Sea State |
船首部分的声压级虽高，但由于其远离人员活动区域，并不会造成明显的危害。相比较而言，人员活动区域的声压水平更受关注。为此，将图9中5个目标声腔中的噪声水平进行汇总，并采用国际上常用的NR曲线方法[11]，对噪声的水平进行评价。NR曲线噪声评价方法采用“相切法”（tangency method）确定噪声的NR值，具体如下：先测量各个倍频带声压级，再把倍频带噪声谱合在NR曲线上，与频谱相切的最高NR曲线为该噪声的NR噪声等级。ANSI/ASA S12.2-2008 标准[11]推荐的不同场合NR曲线如表2所示。
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表 2 各类建筑物室内允许噪声级NR曲线 Tab.2 The allowable NR level for various room noises |
将各目标声腔在不同海况等级下的声压级计算曲线分别绘入NR曲线图，所得到的结果如图13所示。表3则列出了各舱室在不同海况下的最终NR等级。
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图 13 目标舱室的NR曲线评定结果 Fig. 13 Evaluated NR-Level of the target cabin |
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表 3 各目标舱室的NR曲线评级结果 Tab.3 Summary of the evaluated NR level of selected cabins |
目标舱室1和2分别位于第3和第5甲板的前端，这是客滚船装载车辆的区域，在5～7级海况之下，这2个舱室的噪声水平在NR-20上下，属于静谧的环境。目标舱室3～5属于人员活动的区域，在5～7级海况之下，这些舱室内由于砰击现象造成的噪声水平低于NR-10，说明此时的砰击现象不会激起上层建筑内的噪声情况。
8级海况下，各舱室内的噪声水平均发生显著提升。这是由于此海况下船体首部已出现了大范围的入水现象，此时船体首部所受的激励力与5～7级海况下相比已出现明显变化。在8级海况下，目标舱室1～舱室3的NR等级在50左右，目标舱室4内的噪声等级NR-45，目标舱室5内则为NR-20。对标表2中给出的噪声参考标准可以看出，此时目标舱室1～舱室4中的噪声已值得关注，特别是在目标舱室4内，对于人员活动的区域，较高的噪声等级可能影响旅客的乘坐舒适度，并可能导致一定的安全隐患。
船舶在8级海况或更高级海况航行下，可通过主动降低航速的方法，减少在高海况下大幅度垂荡和纵摇运动的产生。垂荡和纵摇耦合运动的减弱会带来砰击力的显著降低，相应地，由于砰击产生的噪声水平也会明显下降。
5 结 语针对船舶在波浪中航行时，由于受到波浪的作用所发生的入水砰击现象，以及砰击现象诱发的舱室噪声进行了数值研究。以一艘大型客滚船为对象，对其在5～8级海况下迎浪航向时的首部砰击现象进行了模拟，并对5个典型舱室内由于砰击引发的噪声进行了计算。
砰击现象的模拟采用计算流体力学（CFD）软件STAR-CCM+进行，声学分析则借助VA One软件中的SEA模块进行。通过将CFD计算得到的结果经过FFT转换为频谱后输入声学分析软件中，获得了砰击引发的舱室噪声数值预报结果。
通过计算发现，目标船型航行时海况等级每提升一级，砰击引起的声学能量激励增加约一个数量级，相应地，全船总体的噪声水平提升3 dB左右。为评价船体由于砰击而产生的噪声水平，在船体前部的5个典型位置处选择了5个目标声腔，其中第1和第2目标声腔则分别位于第1层和第2层车辆甲板靠近船首的区域，第3、4、5、目标声腔则位于甲板室前部靠近船首的位置。引入国际上常用的NR曲线方法对各目标舱室的噪声等级进行评价后发现，5～7级海况下，船体5个目标声腔的噪声水平都比较低，但在8级海况下，各目标舱室内的噪声相当可观。造成这种现象的原因是因为8级海况下，船首已出现了显著的入水情况，各压力监测点的出现强非线性的变化，导致砰击力激励频谱的幅值显著提升，能量分布的频率区间也更大。要降低砰击引发的舱室噪声水平，改善船舶的航向状态，尽量选择较低的海况以减少砰击载荷是一种最为简单可行的方案。
实现了流体力学CFD计算与声学统计能量SEA计算的结合，船舶流体力学与声学计算一体化流程，给出了一种简便可行的预报船舶在波浪上航行时由于砰击引发舱内噪声的计算方法。为大型客船的设计和噪声性能分析提供了有效实用的工具，同时对相关噪声规范中未涉及的噪声计算起到指导作用。
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