0 引　言

气垫船和一般常规的排水量船相比，其噪声治理更为困难^[1]。主要原因有噪声源多、推进用燃气涡轮噪声源、推进螺旋桨噪声源、垫升用燃气涡轮噪声源、HVAC噪声源等^[2]。另外，该船的声源的声功率级很高，因此其噪声控制问题显得尤为重要^[3]。通常对噪声控制较为经济有效的是传递路径控制，而传递路径上的隔声处理是其中较为常见的控制方式^[4]。

隔声材料是指能隔绝、阻断噪声在空气中传播的一种材料或结构。隔声材料材质的要求是表面无缝隙和孔隙且结构紧密^[5]。船舱隔声系统从结构来看，包含单层和多层隔声材料，单层隔声的隔声量较低，而双层、多层隔声板有较好的隔声效果，前者隔声量在30 dB左右，一般用于对隔声要求较低的位置，后者隔声量可达50 dB以上^[6]，多用于生活区、医疗区等对隔声要求较高的舱室。目前船舶噪声防控最主要的隔声材料为复合夹层板^[7]，这种结构轻质且隔声量高。气垫船用隔声材料的考虑因素有很多，不止包括隔声量，因为在实际应用中，需要考量船舶使用过程中的腐蚀、高温、火灾、振动、抗爆等情况，所以隔声材料的隔声性能、热学性能、阻尼性能、机械性能和抗爆抗冲击都需要纳入考虑。因此需要设计能够满足气垫船使用环境的隔声材料。周涛等 ^[7]提出一种新型大孔隙率隔声结构并完成了实验验证。Arunkamar等^[8]对桁架空腔天重名聚氨酯泡沫的结构进行了隔声性能分析，但仍采用的是等效方法。吴廷洋等^[9]对横向塑料蜂窝层板的隔声特性进行分析。崔洪宇等^[10]基于有限元和边界元法对蜂窝夹层板结构的传声特性进行分析。杨德庆等^[11]利用能量边界元−有限元−统计能量混合方法来模拟驻波管，对材料进行全频段的隔声计算和评估。周波等^[12]基于统计能量分析方法（以下简称SEA）对船用复合板进行了数值模拟分析研究。在实验研究方面，陶猛等^[13]在驻波管中利用双传声器法测量了单层多空均匀材料和多层复合非均匀材料的隔声性能。

本文对气垫船舱壁的前端抗冲击壁板进行隔声性能计算分析与实验测试研究。基于统计能量分析方法分析了抗爆抗冲击构件的隔声量，并与质量定律计算得到的结果进行对比，验证了统计能量分析数值模拟方法的准确性。对抗冲击壁板的结构参数与隔声量之间的关系进行分析，验证并探讨该类型隔声构件对舱室噪声的抑制效果。

1 单层均匀构件的隔声理论与验证 1.1 统计能量分析原理

对于给定带宽内由一系列的隔声构件组成的子系统其耗散功率基本关系式可表示为^[14]：

$ {P_d} = \omega E\eta 。$

(1)

式中：η为该频带内所有模态的平均损耗因子；ω为该频带内的几何平均中心频率；Ε为振动子系统能量。

对于由N个子系统组成的复杂系统，能量平衡方程扩展可以表示为：

$ {\omega \left[ {\begin{array}{l} {\Bigr({\eta _1} + \displaystyle\sum\limits_{i \ne 1}^N {{\eta _{1i}}\Bigr){n_1}} } \; \; { - {\eta _{12}}{n_1}} \;\; {\cdots \cdots}\;\;{ - _{\eta{1N}}{n_1}} \\ { - {\eta _{21}}{n_2}} \;\;{\Bigr({\eta _2} + \displaystyle\sum\limits_{i \ne 2}^N {{\eta _{2i}}\Bigr){n_2}} }\;\; {\cdots \cdots}\;\; { - {\eta _{2N}}{n_2}} \\ {\cdots \cdots} \qquad {\cdots \cdots} \qquad {\cdots \cdots} \qquad {\cdots \cdots} \\ { - {\eta _{N1}}{n_N}}\;\; { - {\eta _{N2}}{n_N}}\;\; {\cdots \cdots}\;\; {\Bigr({\eta _N} + \displaystyle\sum\limits_{i \ne N}^N {{\eta _{Ni}}\Bigr){n_N}} } \end{array}}\right] \left[ {\begin{array}{l} {\displaystyle \frac{ {{E_1}}}{{{n_1}}} } \\ {\displaystyle \frac{ {{E_2}}}{{{n_2}}} } \\ { \cdots } \\ {\displaystyle \frac{ {{E_N}}}{{{n_N}}} } \end{array}} \right] = \left[ {\begin{array}{l} { {P_1} } \\ { {P_2} } \\ { \cdots } \\ { {P_N} } \end{array}} \right]。}$

(2)

统计能量分析法的有效传声损失计算公式为：

$ TL = 10{\text{lg }}\left[ {\frac{{A\omega }}{{8{{\text{π}}^2}{n_1}c_1^2{\eta _2}}}\left( {\frac{{{E_1}}}{{{E_2}}} - \frac{{{n_1}}}{{{n_2}}}} \right)} \right] 。$

(3)

式中：$ A $为隔声构件面积，$ c $为声速；$ n $为模态密度，rad/s；$ E $为声腔声能，N·m；$ \eta $为阻尼损耗因子；下标1表示声源室声腔，下标2表示接收室声腔。

本文采用双声腔-单板的模型对隔声构件在混响室中的隔声量分析，利用VA-ONE软件建立的统计能量分析模型如图1所示。

1.2 单层均质钢板的隔声量分析与验证

对于单层均质构件的隔声，通常采用质量定律的经验公式^[15]：

$ {R_n} = 16\lg m + 14\lg f - 29。$

(4)

式中：构件面密度每增加一倍，隔声量就提高5 dB；对于面密度一定的构件，隔声量随频率的升高而增大，幅度为4 dB左右。该公式相比于经典的质量定律公式，更贴合工程实际，所以被广泛运用于隔声设计中。为验证算法的准确性，在混响室中进行了5 mm厚钢板的实验测试。

利用经验公式和SEA方法分别对单层5 mm厚钢板进行隔声量计算分析，并与实验测试结果进行比对，结果如表1所示。

可知，5 mm厚钢板的SEA隔声量曲线与经验公式算得的隔声量曲线与实验室测试结果在125～2000 Hz频率范围内贴合较好，隔声量曲线整体呈现增长趋势，但由于吻合效应，在2000 Hz处计算结果出现了隔声量的下降。经验公式由于仅考虑了质量定律，因此隔声量呈线性增长趋势。由实验结果和SEA数值模拟结果数据的比较可知，SEA数值模拟得出的隔声量普遍大于实验得到的隔声量，但误差没有超过3 dB，满足工程精度。综合分析误差原因如下：

1）由于SEA模型为理想模型，不会存在现场测量中存在的漏声、人为噪声干扰等一系列难以控制的因素，所以SEA模拟结果都普遍较实验值大。

2）在125～250 Hz的低频段，数值模拟与实验的误差较大，这是因为在低频的刚度和阻尼控制区域里，边界条件对结果的影响较大，SEA仿真结果无法考虑实验安装的边界条件。

2 数值模拟分析

为保证气垫船的壁板既能够满足隔声性能，同时也能够满足抗振、抗爆抗冲击性能，本文设计了2种壁板方案。方案1：3 mm铝板+35 mm岩棉+10 mmPE板+35 mm岩棉。方案2：3 mm铝板+1 mm阻尼材料+34 mm岩棉+10 mmPE板+1 mm阻尼材料+34 mm岩棉。其中PE板为抗冲击板。2种方案的差异在于为了抑制低频振动问题，方案2增加了阻尼材料。考虑制备的成本和参数等情况，试件无法按照混响室的测试标准中要求的10 m²制备^[16]，因此考虑在驻波管中进行计算和测试。

2.1 统计能量分析建模

以B&K Type 4206型驻波管为原型在统计能量分析软件VA-ONE中进行建模。驻波管内径100 mm、发声室声腔长度700 mm、受声室声腔长度470 mm、总长1170 mm。外壁采用10 mm陶瓷材料，模型示意图如图2所示。

本次计算隔声复合板方案1结构和方案2的结构建模参数如图3和图4所示。

2.2 数值分析计算结果

在统计能量分析软件中提取方案1和方案2结构的隔声量，即声源从发声室声腔经壁板隔声结构到受声室声腔的传递损失（Effective Transmission Loss），计算了复合隔声板的隔声量，计算结果如表2所示。

由图5可知，方案2的隔声性能在低频和高频段均优于方案1，说明阻尼抑振材料可以提高复合板隔声性能。综合表2和图5可知，高频段在1600 Hz附近出现了吻合效应，有阻尼的材料由于面密度大于岩棉，因此隔声量整体提升了1.3 dB。

3 实验验证

按照IMO MSC 337(91)《船上噪声级规则》和中国船级社《船舶及产品噪声控制与检测指南》2013的要求，依据GB/Z27764−2011《声学 阻抗管中传声损失的测量 传递函数法》和 GB/T 18696.2−2002《声学 阻抗管中吸声系数和声阻抗的测量》进行检测。

试件按照方案1制备：3 mm铝板+1 mm阻尼材料+34 mm岩棉+10 mmPE板+1 mm阻尼材料+34 mm岩棉。试件有效测试面积为0.0079 m²，外形尺寸为直径100 mm，总体厚度83 mm。表面平整，各层排列整齐。本次隔声测试是在半消声室中，利用 B& K公司生产的阻抗管测试系统4206T里进行的。阻抗管内径为100 mm（大管），总长为1170 mm。阻抗管的吸声末端使用3片厚度均为25 mm的特制吸声海绵叠加而成。

利用B&K 4231声校准器对4个B&K 4187传声器进行幅值增益校准。在不安装试件的状态下，分别测试阻抗管吸声末端打开和闭合2种状态下的4个传声器位置的声压，进行背景噪声标定测试。然后采用四传声器法进行试件的隔声量测试，测试结果如图6所示。

可知，在声波垂直入射的条件下，由于SEA模型为理想模型，所以SEA模拟结果都普遍较实验值大。实验测量与统计能量分析预测结果在630 Hz以下的中低频段吻合良好，高频段误差增大，尤其在1000 Hz附近，隔声量测试结果出现了波谷。这是由于受板共振影响隔声量曲线会出现隔声低谷，即吻合效应明显降低了构件的隔声量。

4 结　语

本文对气垫船舱壁的前端抗冲击壁板进行了隔声性能计算分析与实验测试研究。基于统计能量分析方法，采用双声腔-单板模型模拟驻波管设备，计算并结合实验测试验证了了单层均质钢板的隔声量。为进一步验证统计能量分析方法预测材料隔声量的正确性，利用驻波管进行构件隔声量的实验研究，实验测量与统计能量分析预测结果在630 Hz以下的中低频段吻合良好，高频段误差增大，表明采用的统计能量分析模拟计算方法有效，该类抗冲击壁板的隔声构件平均隔声量为44 dB，可有效降低目标舱室的噪声。本文的研究结果对气垫船及相类似舰船的减振降噪提供了新的思路。