普信®声学院：特种船舶水下噪声的预测与发展。

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Underwater Noise,The Overlooked Catastrophe

水下噪声–被忽视的灾难

传奇的海洋学家雅克·库斯托（JacquesCousteau）因说海洋是一个寂静的世界而闻名，但众所周知，海洋里充满了海洋生物赖以生存的声音。鱼类和海洋哺乳动物（例如鲸鱼和海豚）依靠声音相互交流、定位猎物并远距离游弋。

这些和其他重要活动受到远洋轮船、声纳设备和海上能源运营的噪音的干扰。声音在水中传播的速度是空气中传播速度的将近五倍，因此它可以在几秒钟内穿透大面积区域。科学家越来越意识到对生物多样性的威胁，并且有人将水下噪声污染视为继气候变化和化学污染之后的下一个全球威胁。

不仅鱼类和海洋哺乳动物，而且许多人类活动和海洋企业也受到水传播的噪音的负面影响，包括渔业、研究、紧急响应以及噪音干扰与海底设备通讯的海上活动。水下噪声可能会降低数据质量，并降低诸如回声测深仪、定位和通信系统或拖曳阵列之类的水下传感器的工作范围和准确性。

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三菱重工（MHI）和三菱造船（MHIMSB）一直在不断建造许多先进的特殊用途船，例如海洋资源测量船和海洋研究船。为了充分展示水下探测系统的性能并确定其对海洋生物的影响，对这些船舶来说，使船舶本身发出的水下噪声保持安静非常重要。本项目研究团队开发了宽带频率范围的水下噪声估计方法，该方法利用实验数据和大模型分析技术对船舶进行静音设计。关于螺旋桨噪声，开发了一种结合了基于实验结果的知识库和螺旋桨叶尖涡旋和空泡理论的预测技术。关于机械噪声，考虑到噪声传播的船体结构和水下频率范围的特性，高频范围内使用了SEA（统计能量分析）的预测技术，低频范围内采用了大尺度FEM（有限元法）和FMBEM（快速多极边界元法）。利用这些预测方法，进行了控制螺旋桨气蚀的螺旋桨叶片设计、机械的最佳支撑设计、阻尼材料施工面积的适当设计等。在船舶建造后的水下噪声测量中，已证实预测技术具有良好的准确性，并且特殊用途的船舶具有安静的水下辐射噪声。

概况

在四面环海的日本，持续进行沿海和近岸水域综合海洋学调研及有效利用海洋中保留的矿产和能源等海洋资源被视为重要科研领域。此外，对于日本来说，为阐明全球海洋环境和气候变化的机理以及为探索地球和生物起源的研究保持应有的国际贡献也很重要。在这样的背景下，三菱重工和三菱造船一直在不断建造许多最先进的特殊用途船，例如科考船、训练船和政府机构、大学、海洋研究机构、海洋资源开发机构和海洋开发公司所用的电缆铺设船等。

为了充分展示水下探测系统的性能并确定其对海洋生物的影响，对这些船舶来说，使船舶本身发出的水下噪声保持安静非常重要。该规范是1995年国际海洋探索委员会（ICES）提出的有关渔业研究中使用的所有船舶辐射的水下噪声对海洋生物的影响的规范，需要满足图1所示的宽带频率范围（1Hz-100kHz）内低水平的水下辐射噪声的要求。

三菱重工和三菱造船使用实验数据和大尺度分析技术开发了宽频谱范围内估算水下辐射噪的有效方法，并为专用船舶实现了静音设计。

图1：ICES为渔业研究中使用的所有船舶提出了水下辐射噪声规范

水下辐射噪声预测方法

用于水下辐射噪声研究的静音船设计要求降低流体噪声和机械噪声。本节进行了螺旋桨和机械噪声的预测方法的概述性介绍，这些方法对船舶辐射的水下噪声有很大的贡献，并提出了对策。

螺旋桨噪音

最重要的现象主要是图2所示的特殊用途船的螺旋桨噪声预测中的螺旋桨尖端涡流空泡现象。为了通过螺旋桨叶尖涡流空泡来预测噪声，需要以下三个步骤。

-         螺旋桨叶尖涡流中低压的预测；

-         螺旋桨叶尖涡流中产生的空泡现象的预测；

-         由气蚀产生的噪声的预测。

图2：产生气蚀的螺旋桨类型

三菱重工基于实验结果，结合叶尖涡旋和空泡的理论模型和知识，建立和发展了螺旋桨叶尖涡旋空泡噪声的预测技术。

如图3和图4所示，预测值与实际船舶测量值之差一般小于±3 dB，并且可以确认，该预测方法在特殊用途的螺旋桨噪声设计中具有有效的精度。

图3-4 ：螺旋桨噪声级频谱-螺旋桨噪音水平比较

机械噪声

主机、辅助机械和其他安装在船上的噪音产生装置所产生的声学和振动能通过船体结构内部和外部的空气和水传播，并在船体内部和外部扩散。

空气传播的声音在三维方向上扩散，而结构传播的声音则通过梁、板和其他结构元件传播，因此与传播距离相比，传播区域更小，并且所有结构元素都对声辐射有所贡献，因此该区域的辐射变宽。此外，在诸如船的钢板结构中，由于结构元件的内部阻尼小，因此结构声比空气声更占优势。

因此，船上的声音随船舶的类型和用途而变化。本节涉及辐射噪声，尤其是由机械的结构传播噪声衍生的水下辐射噪声的预测技术。

图5显示了从结构传播的噪声中产生水下辐射噪声的机理。在预测中，重要的参数是声源水平、传播路径的特性以及壳板的声辐射特性等。然而，从理论上很难确定船舶结构材料的声源水平和特性，并且在大多数情况下都使用实际的测量数据。因此，预测船上声学的一个重要问题是预估船体结构的固体声传播特性。

图5：结构噪声在船舶结构中的传播

船舶在具有复杂的振动和声能传播路径的结构中具有各种不同的振动和噪声源，并且计算频率范围非常广，并且每个结构元素都具有复杂的振动特性。

关于机械噪声，考虑到噪声传播的船体的结构和水下特性频率范围，使用SEA预测技术，其中将高频范围用作分析具有复杂的高振动特性的板结构中的结构声的技术，将低频FEM和FMBEM方法用作精确地分析窄带中的结构振动和水下辐射噪声的响应。

高频范围（约100Hz或更高）

为了系统地分析船上噪声，三菱重工定制开发了SEA内部代码并将其应用于实际的船舶降噪设计中。在本节中，描述了该预测系统在高频机械和水下噪声预测中的应用。

SEA方法的多子系统能量流的平衡方程表示为，

其中N_i，η_i，η_ij，W_on和E_i为模数、内部损耗因子、耦合损耗因子、中心频率Ω和以下的输入功率和能量，下标i和j表示子系统，当能量从子系统i到j，从子系统j到i或子系统i和j之间断开时，d_ij等于1，-1或0。通过求解所有子系统的方程式（2），可以确定子系统之间的能量传输系数和子系统的能级。为了求解方程式（3），必须给出结构系统的SEA参数，图6显示了采用SEA方法的结构噪声分析流程，每个参数均由理论和实验给出。

图6：SEA代码流程图

通过将船体外壳板划分为子系统，并加上各个子系统i的辐射压力p_i，可以计算出从船体外壳板辐射的水下噪声。相应的通过以下公式计算在远离声源的接收点处的声压p

其中ρc，σ_i，ds_i和<vi> ²是水中的声阻抗，以及各个子系统i的辐射效率、面积和声源的空间平均速度。

在MHI的系统中，船壳板每个子系统的振动水平<vi> ²由SEA确定，并且定点的声压水平由公式（10）估算。

低频范围（约100Hz或更小）

对于低频范围而言，在狭窄的频带内预测和评估机械振动频率下每种振动模式的响应幅度和相位非常重要，因此，使用大型有限元方法可以预测传播到船体结构中的结构噪声（图7：数十万个单元，包括虚拟流质点单元）。三菱重工的大型计算机可以实现整个舰船的大规模计算，还采用了以下技术来减少计算时间。

-         考虑到波长和相互作用，流体和结构中的网格大小不同；

-         模态综合法要考虑流体质量的影响；

-         自动化的多层子构造方法。

对于水下辐射噪声，传统的边界元法很难进行大尺度计算，例如特殊用途的船舶尺寸，因此结合快速多极方法，FMBEM可以解决几百万单元的大模型问题。考虑到水表面反射的影响，图8所示的FMBEM模型是镜像模型。

利用上述技术，可以在低频范围内对结构传播噪声和水下辐射噪声进行详细预测。

图7-8：大尺度有限元模型和快速多极边界元模型

应对措施

在设计阶段，针对水下设计了控制螺旋桨气蚀的螺旋桨叶片、参考设备振动力频率的机械的最佳支撑、考虑了船体结构的结构声传播的阻尼材料结构部件等。使用这些预测方法能有效评估和降低辐射噪声。

测量

为了确认船舶辐射出的水下噪声，使用测量船对远场的水下噪声进行了测量。图9显示了参照ISO 17208-1：2016标准进行测量的示意图，该测量在深海区域进行，可以忽略来自海床的声反射。用于测量的研究船在测量船附近往返，研究船和测量船都装有DGPS（差分全球定位系统）以随时测量两艘船之间的距离。顺便提及，根据海况，水听器中可能会产生噪声，水听器电缆等要相应处理。

图9：航行模式下的测量情况示意图

结果

图10显示了在典型船速的情况下水下辐射噪声水平的测量结果的示例，并且该估计值与频谱图非常吻合，并且验证了此预测方法的有效性。另外，在设计阶段通过各种对策确认了水下辐射噪声水平满足ICES规格。

图10：水下噪声预测和测量结果的比较

总结

本文描述了特种船舶的水下噪声预测和发展，其结果总结如下：

-         介绍了螺旋桨和机械设备引起的水下噪声的预测技术，并给出了实际船舶中水下噪声的预测结果。预测结果与水下噪声谱图中的测量结果吻合良好，证实了该预测方法的有效性；

-         作为减少水下辐射噪声的对策，实际的船舶测量结果表明控制螺旋桨空泡的螺旋桨叶片的效果、机械的最佳支撑和减震材料的构造部件的设计均是有效的解决方案。