Modeling of ship structure-borne underwater radiated noise

Abstract

Increased environmental awareness has created the need in commercial shipping, in addition to established military requirements, to understand and manage structure-borne machinery noise radiated to water. Noise created from machinery is transferred via vibrations in solids and fluids. These vibrations have different characteristics in low and high frequency range, resulting the need of different calculating methods.

The objective of this thesis is to validate main calculating methods used in the modeling of structure-borne sound against measurements. Sea trials are carried out with a small reference model structure to model transfer of impulse shock from source to water in controlled environment. Commercial structure-borne sound modeling software is used to model response of the structure to the shock impulse using finite element method and statistical energy analysis. Also analytical equations are used to calculate response simplified of beam and plate.

Natural frequencies measured in this thesis correspond to the calculated natural frequencies. Measured modal properties follow pattern established in the literature. Forced response calculated using finite element method and statistical energy analysis were found to correspond to measurements. Finite element method provided accurate results. Method used to model effect of water loading in finite element analysis was found to be inaccurate. Finite element method was found to have high computational cost. Also required level of structural detail was high. Statistical energy analysis is computationally light and capable to predict response at lower frequencies with relative accuracy.

In this work, the study is focused on vibrational velocity levels on a small reference structure in low frequencies. Further validation is required on a larger structure and in high frequencies.

Perinteisesti sota- ja erikoisalusten suunnittelussa on kiinnitetty huomiota aluksen runkomelun hallintaan ja mallintamiseen. Lisääntynyt tietoisuus alusliikenteen ympäristökuormasta on luonut myös kaupallista laivaustoimintaa harjoittavien yritysten parissa kiinnostusta runkomelun mallintamiseen. Aluksen koneistossa syntyvä runkoääni välittyy kiinteiden aineiden, nesteiden sekä kaasujen värähtelynä veteen ja ilmaan.

Tämä työ tarkastelee runkoäänen mallintamiseen käytettyjä laskentamenetelmiä. Laskennallisten menetelmien vahvistamiseksi työssä suoritetaan merikoe runkoäänen mittaamiseksi käyttäen pientä referenssirakennetta. Referenssirakenteen käyttö luo hallittavan ympäristön vertailun suorittamiseksi. Työssä käytetään kaupallista ohjelmaa laskemaan voimaimpulssin siirtyminen laivan rakennetta pitkin. Laskenta tehdään käyttämällä elementtimentelmää ja tilastollista energia-analyysiä. Lisäksi tuloksia verrataan analyyttisillä kaavoilla laskettuhin palkin ja levyn ominaistaajuuksiin.

Työssä mitatut ja laskennalliset ominaistaajuudet vastaavat toisiaan. Mitatut värähtelyn ominaisuudet vastaavat kirjallisuudessa esitettyjä ominaisuuksia. Elementtimenetelmällä ja tilastollisella energia-analyysillä laskettujen siirtymien havaittiin vastaavan mitattuja tuloksia. Elementtimenetelmä on laskennallisesti raskas ja rakenteesta vaaditaan tarkka malli. Käytetty veden mallinntamismentelmä havaittiin yhdessä elementtimentelmän kanssa käytettynä epätarkaksi. Tilastollinen energia-analyysi on laskennallisesti kevyt, sekä sillä laskettu rakenteen värähtely pystyi ennustamaan matalillakin taajuuksilla värähtelyn kohtalaisen tarkasti.

Työssä keskityttiin pieneen referenssirakenteeseen matalilla taajuuksilla. Validointi pitää suorittaa myös isommalla rakenteella ja korkeammilla taajuuksilla.