0 引　言

豪华邮轮作为乘客旅游休闲的海上移动平台，其隔音降噪是邮轮舱室建造过程中的关键。中国船级社（CCS）的《邮轮规范》规定了邮轮设计的安全性和舒适性，而国际海事组织（IMO）发布的《船上噪声级规则》对船舶舱室噪声要求更加严格。为了应对各种噪声，通常将噪声预报技术、隔音技术等综合运用以达到解决船舶的噪声问题。

目前，国内外学者对舱室噪声评估的方法有很多，常用的有2类方法即经验公式法和数值分析法。经验公式法^[1]由Buiten和Janssen于20世纪70年代首次提出该方法。数值分析法包括了有限元分析法、边界元分析法和统计能量分析法等。Takagi等^[2]依据统计能量法对某散货船舱室做了噪声预报，并对主要激励进行分析，将预报结果与实验对比发现了主机的空气噪声需要考虑。Kim等^[3]利用统计能量法，对船舶舱室地板、天花板结构隔声性能作了细致研究，结果表明增加地板阻尼是降低结构噪声传递的最佳方式。吴晓佳等^[4]基于统计能量法对某中型邮轮舱室振动噪声进行预报，并研究了浮动地板的减振性能。

隔音技术是由吸声材料以及隔音材料组合成隔音结构将部分声波反射、部分声波被介质吸收，使得透过介质的辐射声波能量不断衰减直到消失。在船舶工业中主要有单层隔音舱壁结构、双层隔音舱壁结构、隔音罩、隔音天花板、浮动地板等结构。Kim等^[5]建立不同种类的浮动地板系统，对其降噪性能进行分析，几个显示粘弹性层用作约束层的浮动地板具有较好的隔音效果。孙明倩等^[6]考虑阻性吸声材料泡沫铝无毒性、阻燃性、隔音性好等特点，采用该材料对舱室进行噪声控制，达到了舱室空气噪声降低10 dB的显著效果。Joo等^[7]通过数值仿真研究了是否敷设浮动地板对舱室噪声的影响，并通过调整浮动地板的参数对其进行了结构优化。杨永钾等^[8]对某复合吸声材料的声学性能做了细致研究，从而获取了容重较轻、吸声效果较好的复合吸声材料，并将其应用于某高速船中取得较好噪声控制效果。石嘉欣^[9]通过统计能量法和有限元-统计能量法对声学包进行了设计和优化。

综合国内外研究可看出，目前针对豪华邮轮典型舱室隔声降噪的研究并不多，而随着豪华邮轮建造的兴起，船舶噪声要求越来越高，本文基于VA one对邮轮典型舱室进行噪声预报分析，对不同类型材料隔声板的隔声性能进行分析，进而对传统材料与轻纤维材料组成的复合板件的隔声量进行分析。从而对不同区域舱室隔声板敷设提供对应的方案。最后通过VA one软件重新评估隔声处理后的模型。获取各区域的噪声云图及声压级，结果显示各区域降噪效果明显，各舱室的声压级达到了规范要求。

1 统计能量声学模型

统计能量分析法（Statistical Energy Analysis，SEA）是将统计学方法与能量守恒思想相结合，用来解决复杂的声振系统问题的理论。在研究工程结构的声振问题时，由于复杂系统的高阶模态很难确定，分析难度极大。因此引入统计模态，用振动能量来描述振动，然后依据振动波与模态之间的相互联系，创建统计能量声振系统结构模型，并将统计能量分析法应用声振结构的各个子系统的耦合动力学模型的求解分析中。该分析方法能有效计算高频、高模态的大型结构系统（包括声学子系统和结构子系统，或只含有结构子系统）的耦合动力学问题。

统计能量法应用于船舶舱室噪声方面，其基本原理是将船舶的声振系统按照相似模态分解成若干个子系统（包括板、梁、声腔子系统），然后依据各个子系统的能量流动关系来创建功率流能量传递方程，并带入已知参数求解得到各个子系统的能量均值。

1.1 邮轮典型舱室SEA模型

根据统计能量法，以在建的国产首制豪华邮轮作为研究主体，结合其设计阶段的图纸以及相关文件提供的邮轮基本信息为依据。

考虑豪华邮轮的复杂程度，需对邮轮舱室进行简化，为了保证SEA模型的精确性选取了168肋位至224肋位分段典型舱室进行SEA建模。图1为最终得到的简化邮轮典型舱室SEA模型。

按照研究区域以及舱室结构对邮轮分段不同区域进行声腔子系统划分，通过VA one软件的Create Cavities脚本工具创建声腔子系统，邮轮典型舱室SEA模型共有44764个节点、2360个板子系统、538个声腔子系统。图2为SEA声腔模型和连接模型。

1.2 子系统的模态密度

根据统计能量分析法频段内的模态数决定着分析的频段，由于邮轮结构复杂且各板件子系统数目较为密集，因此选取研究区域典型舱室作为频段分析依据，由VA one软件中自带的模态数求解得到图3所示曲线。由图中子系统模态数曲线可得知，在低于63 Hz时，部分子系统的单位宽带内模态数小于1，模态数N<1为低频段，此频段内SEA法求解的噪声误差较大。在大于63 Hz时，大多数子系统模态数N>5，满足统计能量法的分析条件和精度要求，因此将本文后续进行噪声分析的求解频率范围确定为63～8000 Hz。

1.3 子系统的内损耗因子

根据统计能量法进行舱室噪声评估分析时，子系统内损耗因子作为能量损耗的重要参数，本文采用文献[10]推荐的经验公式法计算得到结构的损耗因子。对于板子系统，其内损耗因子与分析频率成反比，公式如下：

$ \eta =0.41{f}^{-0.7} 。$

(1)

声腔内损耗因子为：

$ \eta =2.2/fT 。$

(2)

式中：f为分析频率；T为声腔混响时间；V为声腔总体积；S为总吸声面积。根据经验公式计算得到板子系统内损耗因子如图4所示。

1.4 SEA模型的输入功率

船舶噪声主要有机械设备噪声、娱乐设备噪声、推进系统噪声以及空气动力噪声，这些噪声主要通过空气介质和船体结构2种途径传递，即空气辐射噪声和结构噪声的形式传递。为了保证噪声预报的准确性，对于本文所研究的邮轮典型模块化舱室区域的噪声源进行详细分析。其中，根据船厂相关资料该区域主要的机械设备噪声源有柴油发电机组、风机系统、泵和空调系统。由于邮轮还没有进行实船测试，因此本文是参考CCS《邮轮舱室噪声预报指南》上的经验公式^[11]，结合在外高桥船舶有限公司驻厂调研获取的机械设备资料进行计算得到。

通过对典型模块化舱室区域的噪声分析，将各激励源加载到SEA模型上。其中，柴油机组、空调设备、冷却泵等产生的结构噪声以加速度的方式加载到相应的板子系统上，而各机械设备产生的空气噪声以声功率的方式加载到相应声腔子系统中，如图5所示。

2 统计能量模型预报及分析

在反复检查和修改模型后，根据上节的模态密度验证，选择63～ 8000 Hz频率内求解符合SEA法的精度要求。为了后续针对邮轮典型舱室不同区域的噪声进行隔声降噪技术分析，因此先对没有隔声敷设情况下的模型进行求解分析。求解完成后，为了更直观清晰表示舱室的声压级情况，通过VA one云图对数据进行分析，如图6所示。

可知，在没有内装工艺敷设情况下舱室噪声大部分不符合噪声规范要求，其中噪声最大部位主要位于机舱处和十层甲板处、以及餐厅购物舱室公共走廊区域为了更好的分析相关区域噪声，通过VA one的Group功能进行分组得到各区域噪声云图，如图7所示。

可知，在客舱区域的最上层舱室噪声较大，主要受到其十甲板露天区域外部的空调设备噪声影响最大，在客舱区域可看到由于通风系统声功率的辐射，因此其公共走廊区域的噪声值偏高。由于十甲板上有部分露天娱乐区域，因此在十甲板的反底舱室隔声时需考虑乘客游玩时的噪声，而在机械设备区域，由于各种机械设备的辐射噪声导致机舱区域噪声级最大，其周边的集控室、机修室等受到各种系统设备的结构和空气噪声的影响导致整个区域的噪声值普遍偏高。因此对于机械设备区域需进行重型隔声板敷设。

3 邮轮典型舱室隔声降噪技术分析

根据在上海外高桥船舶有限公司进行驻厂调研，了解到我国国产首制豪华邮轮采用了轻量化设计，其主要的内装绝缘材料是新型轻纤维材料（U-SeaProtect），为了更好的对不同舱室区域进行合理降噪，挑选声学性能较好的传统“三棉”材料建立隔声板，并与新纤维材料隔声板的隔声性能进行对比分析。

3.1 VA one混响室隔声分析法

为了更好地对壁板结构的隔声性能研究提供分析方法依据。选取邮轮模块化舱室最常用的6 mm钢板，钢板尺寸为 3000 mm× 3000 m× 6000 mm。通过VA one软件的节点法建立SEA板件模型，材料属性定义为钢材。板件的阻尼损耗因子为VA one软件中钢板自带的损耗因子，求解板件的模态密度，符合精度要求。

然后将SEA板件通过点连接法建立混响室声腔模型，声腔尺寸为10 000 mm×10 000 mm×10 000 mm并通过Autoconnect自动连接功能将SEA板子系统与混响室声腔子系统进行连接，左侧声腔设置为激励腔并加载1 Pa声激励，右侧为接收腔，声腔内设置空气流体介质。然后通过有效传递损失法ETL求解板件隔声量。具体连接模型如图8所示。

3.2 舱室隔声板结构隔声性能分析

根据VA one混响室分析方法将传统“三棉”材料隔声板与新纤维材料隔声板进行分组对比分析，具体分组如表1所示。

对其隔声量进行求解并绘制隔声量频谱图，如图9所示。

由图9（a）和图9（b）可知，同厚度情况下传统材料隔声板中，陶瓷棉的隔声性能较好而玻璃棉的隔声性能较差，两者隔声量相差约0～17 dB，频率越高相差越大。在10～ 1600 Hz频段范围内，轻纤维材料板的隔声量要明显优于传统材料隔声板约8 dB左右。在2000～8000 Hz频段范围内，同密度同厚度情况下轻纤维材料板（U-S66/30）的隔声性能与陶瓷棉板相差不大，因此在设计过程中可考虑将2种材料组成复合板结构进行使用。而岩棉板和玻璃棉板的隔声量要低于轻纤维材料板约6～10 dB左右，其隔声性能却远不如轻纤维材料板，因此在设计过程中可考虑用轻纤维材料板替代。

从图9（c）和图9（d）可知，厚度一定时，轻纤维材料板的隔声性能随着材料密度的增加而增加；而密度一定时，厚度越大轻纤维材料板的隔声量越大。根据上述单层材料板结构隔声量分析，进一步分析组成复合板结构的隔声性能，如表2所示。

复合板件根据同样的方法进行建立，将材料厚度进行定义后通过VA one软件Browser的Treatment Lay-up进行设置后然后加载到板件上进行求解。求解结果如图10所示。

可知，当板件厚度相同时，传统材料与轻纤维材料组成的复合板件的隔声性能要高于单层材料板件0～9 dB不等，而且由于轻纤维材料减重性，使得复合板件重量减少进而可满足邮轮的轻量化设计。

3.3 典型舱室噪声控制分析

根据对模块化舱室隔声板结构隔声分析，本文针对第2章节噪声预报结果，对不同区域的噪声控制进行研究，并对SEA邮轮典型模块化舱室进行内装声学包的敷设，再次进行各舱室声压级预报，来验证噪声控制的效果。

根据第2章节的噪声预报结果，模块化客舱区域的噪声主要来源为十甲板处的空调设备的加速度激励、空调设备的声辐射功率、鼓风机声辐射功率和各舱室上层甲板空调及通风系统风机的声辐射功率。图11为客舱区域部分典型舱室的能量输入。

可知，对于客舱区域需对各层舱室壁板天花板进行重点隔声，根据上节舱室壁板的隔声性能分析，可考虑选用轻纤维材料板U-S 66/30进行降噪。同时针对十甲板露天区域的反底舱室，设置增强型复合岩棉/铝蜂窝/新纤维材料复合隔声板，如图12所示。

通过VA one建立增强型复合隔声板并依据上节方法求解其隔声量，如图13所示。

可知，增强型复合隔声板的隔声性能极佳，远超过其他单层材料隔声板，适用于十甲板的反底舱室天花板结构，用来进行重型隔声。

机械设备区域的噪声是邮轮舱室噪声的重点隔声区域，图14为部分区域的能量输入。

可知，对于机械设备区域的噪声主要来源于各种设备的加速度激励以及设备工作时的辐射声功率，包括柴油机组、海水冷却泵、消防压载泵等。因此对于机械设备区域要采取重型隔声，对于舱室的各壁板结构可选用轻纤维材料板U-S 86/50、U-S 90/50，舱室的甲板天花板结构可选用陶瓷棉/U-S 66/30复合板结构。

对于购物及餐厅娱乐区域，其噪声除了邮轮空调系统风机以及通风系统风机的空气噪声，在设计时还需考虑人员的噪杂声，因此在该区域的餐厅以及娱乐影城区域要敷设隔声性能较好的轻纤维材料隔声板U-S 66/50、U-S 66/70。对于甲板区域可敷设岩棉50 K/U-S 66/30复合板进行减振隔声。

3.4 邮轮典型舱室区域噪声评估

根据对不同区域的噪声进行控制分析，在VA one软件中将相应的隔声板结构以声学包的方式加载到第2章节的统计能量模型上，并重新进行噪声仿真预报。表3为经过噪声控制后典型区域舱室总声压级，图15为各分组区域噪声预报结果云图，

由上述预报结果可知，通过对不同区域的噪声的能量输入分析，针对不同区域噪声情况合理选择敷设不同结构的隔声板，并与第2章节中的舱室噪声预报结果进行对比，其降噪效果明显，对于客舱区域降噪12～42 dB不等、服务区域降噪20～42 dB不等、机械设备区域降噪20～40 dB不等，各个舱室的总声压级通过噪声控制后得到明显改善且达标符合^[12]CCS《邮轮规范》与IMO《船上噪声级规则》的噪声限值要求，说明了上述隔声降噪方案的可行性。

4 结　语

本文基于统计能量分析法对豪华邮轮模块化舱室进行数值仿真建模分析，对不同区域噪声进行评估分析，通过数值仿真计算的方法对单层结构不同材料隔声板的隔声性能进行分析，并研究了厚度、密度的对其隔声量的影响。进一步研究了复合隔声板的隔声性能，同时针对不同区域的噪声提出相应的隔声板敷设方案，然后重新评估隔声处理后的模型，结果显示各区域降噪效果明显，并得到以下结论：

1）在10～1600 Hz频段范围内，轻纤维材料板的隔声量要明显优于传统材料隔声板约8 dB左右。在 2000～8000 Hz频段范围内，同密度同厚度情况下轻纤维材料板（U-S66/30）的隔声性能与陶瓷棉板相差不大。

2）厚度一定时，轻纤维材料板的隔声性能随着材料密度的增加而增加；而密度一定时，厚度越大轻纤维材料板的隔声量越大。当板件厚度相同时，传统材料与轻纤维材料组成的复合板件的隔声性能要高于单层材料板件0～9 dB不等。

3）针对不同区域噪声情况合理选择敷设不同结构的隔声板，其降噪效果明显，对于客舱区域降噪12～42 dB不等、服务区域降噪20～42 dB不等、机械设备区域降噪20～40 dB不等，各个舱室的总声压级通过噪声控制后得到明显改善且达标，符合CCS《邮轮规范》与IMO《船上噪声级规则》的噪声限值要求。