船舶低噪聲設(shè)計(jì)技術(shù)研究

周 炎，李國(guó)剛，童宗鵬

（711研究所，上海 200090）

0 引 言

船舶主要有三大噪聲源：機(jī)械噪聲、水動(dòng)力噪聲和螺旋槳噪聲，其中由動(dòng)力裝置引起的機(jī)械噪聲是影響船舶舒適度、船舶電子設(shè)備可靠性、船員工作環(huán)境的最主要噪聲源，水動(dòng)力噪聲和螺旋槳噪聲的影響相對(duì)較弱；機(jī)械噪聲也是船舶水下輻射噪聲的主要噪聲源。除了海軍艦船，一些特殊船舶如科考船、物探船等特種工程船舶，常配備大量測(cè)量?jī)x器，對(duì)振動(dòng)噪聲信號(hào)敏感，船上科研人員眾多，舒適性要求較高，更有豪華郵輪、高檔車客渡輪等船舶對(duì)舒適度的高要求，都需要低噪聲環(huán)境。為了保護(hù)船員及旅客健康和營(yíng)造舒適的工作、休息的艙室環(huán)境，近年來(lái)，各國(guó)船東對(duì)船舶的舒適性要求愈來(lái)愈高，世界各船級(jí)社也制定了船上振動(dòng)噪聲舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo)[1]。

多年來(lái)，低噪聲設(shè)計(jì)在人們思想意識(shí)里通常是依托于設(shè)備的輔助專業(yè)，船舶低噪聲設(shè)計(jì)缺乏頂層設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)技術(shù)局限性主要表現(xiàn)在：

1)缺乏振動(dòng)噪聲指標(biāo)與船舶性能指標(biāo)之間的匹配性設(shè)計(jì)技術(shù)，難以把振動(dòng)噪聲作為主要指標(biāo)貫穿于船舶設(shè)計(jì)的整個(gè)流程；

2)通常采用局部聲學(xué)治理，哪里超標(biāo)哪里治理，忽視船舶低噪聲設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)控制工程，缺少對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行全面而又細(xì)致入微的工作，無(wú)法改善總體聲學(xué)指標(biāo)；

3)船舶低噪聲設(shè)計(jì)規(guī)范缺失，船舶低噪聲指標(biāo)落后；

4)船舶低噪聲設(shè)計(jì)方法陳舊，往往憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行近似設(shè)計(jì)，很少在船舶開(kāi)發(fā)階段進(jìn)行聲學(xué)預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)。

本文提出的船舶低噪聲設(shè)計(jì)技術(shù)是一項(xiàng)綜合設(shè)計(jì)技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)主要從降低動(dòng)力裝置噪聲源、切斷聲傳遞路徑和目標(biāo)場(chǎng)噪聲處理3個(gè)技術(shù)途徑出發(fā)，應(yīng)用現(xiàn)代仿真技術(shù)和試驗(yàn)技術(shù)，并與船舶的設(shè)計(jì)、建造、試驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程緊密結(jié)合，建立船舶振動(dòng)噪聲預(yù)估、指標(biāo)分配、控制方案、評(píng)估、實(shí)施和測(cè)試一整套船舶低噪聲設(shè)計(jì)流程，顯著改善船舶的低噪聲性能。

1 船舶低噪聲設(shè)計(jì)方法

1.1 總體思路

船舶低噪聲設(shè)計(jì)的原則是：源頭控制、傳遞途徑控制、目標(biāo)場(chǎng)控制。因此，首先需要進(jìn)行全船的振動(dòng)噪聲源分析、目標(biāo)場(chǎng)分析，明確全船所有振動(dòng)噪聲源，分析每一個(gè)聲源的特性、安裝位置、振動(dòng)噪聲的水平。同時(shí)，也必須明確有振動(dòng)噪聲指標(biāo)要求的目標(biāo)場(chǎng)。

船舶低噪聲設(shè)計(jì)必須與船舶設(shè)計(jì)、建造和試驗(yàn)三個(gè)階段緊密結(jié)合。其中，設(shè)計(jì)階段的主要任務(wù)是總體指標(biāo)、指標(biāo)分解、布置、結(jié)構(gòu)、設(shè)備選型、設(shè)備振動(dòng)噪聲指標(biāo)確定、全船噪聲指標(biāo)控制及平衡等；建造階段的主要任務(wù)是確保結(jié)構(gòu)建造中的聲學(xué)特性要求、裝船設(shè)備的振動(dòng)噪聲指標(biāo)驗(yàn)收、設(shè)計(jì)中減振降噪技術(shù)措施的落實(shí)、基座減振處理、艙室降噪施工、管路減振降噪施工、局部減振降噪指標(biāo)的試驗(yàn)、減振降噪整改等；試驗(yàn)階段的主要任務(wù)是完成船舶低噪聲設(shè)計(jì)指標(biāo)的驗(yàn)收、后續(xù)船舶低噪聲改進(jìn)設(shè)計(jì)建議等。技術(shù)難點(diǎn)在于低噪聲船舶指標(biāo)制定、船舶振動(dòng)噪聲評(píng)估和控制，當(dāng)船舶低噪聲指標(biāo)和控制方案確定后，就可以制定全船振動(dòng)噪聲控制大綱，并向船東提交。論文將重點(diǎn)闡述低噪聲船舶指標(biāo)制定、船舶振動(dòng)噪聲評(píng)估、動(dòng)力裝置振動(dòng)噪聲控制和艙室噪聲治理等方法。

1.2 低噪聲船舶指標(biāo)制定方法

船舶低噪聲指標(biāo)制定方法的關(guān)鍵在于其制定原則，制定原則主要有：

1)滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，與國(guó)際先進(jìn)水平接軌；

2)滿足旅客舒適性需要，控制旅客艙室、休息室、甲板開(kāi)放空間等的振動(dòng)噪聲指標(biāo)；

3)滿足船員工作和生活需要，控制機(jī)艙、控制室、駕駛室、工作間等工作與休息艙室的振動(dòng)噪聲指標(biāo)；

4)滿足船舶對(duì)振動(dòng)噪聲的特殊需要，如水下輻射噪聲的控制、電子設(shè)備振動(dòng)噪聲環(huán)境需求；

5)考慮船東的要求；

6)擬采取的減振降噪技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)施的可行性。

因此，要提高我國(guó)船舶低噪聲設(shè)計(jì)技術(shù)，首先必須掌握國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)要求。目前國(guó)內(nèi)船舶低噪聲設(shè)計(jì)可參考的標(biāo)準(zhǔn)為GB5979《海洋船舶噪聲級(jí)規(guī)定》和GB 7452《機(jī)械振動(dòng) 客船和商船適居性 振動(dòng)測(cè)量、報(bào)告和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》，其中，GB5979《海洋船舶噪聲級(jí)規(guī)定》制定的年代已較久遠(yuǎn)，指標(biāo)如表1所示；表2列出的GB 7452振動(dòng)指標(biāo)已與國(guó)際一般指標(biāo)要求接軌，與ISO6954∶2000及ABS規(guī)范一致。國(guó)際上，大部分發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)船舶艙室噪聲控制較為嚴(yán)格，國(guó)外最新標(biāo)準(zhǔn)基本反映了船舶低噪聲技術(shù)的先進(jìn)性，如ABS、DNV等制定的規(guī)范，特別是DNV規(guī)范對(duì)船舶振動(dòng)噪聲舒適度設(shè)定了分級(jí)要求，如表1和表2所示，其中1級(jí)為最高舒適度等級(jí)，3級(jí)為可以接受的舒適度等級(jí)。對(duì)比國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求，國(guó)內(nèi)船舶低噪聲設(shè)計(jì)指標(biāo)（尤其是艙室空氣噪聲指標(biāo)）遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國(guó)外先進(jìn)指標(biāo)，大部分目標(biāo)區(qū)域的振動(dòng)噪聲指標(biāo)達(dá)不到DNV的3級(jí)舒適度要求。對(duì)于科學(xué)考察船、豪華郵輪、高檔車客渡等船，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的指標(biāo)已難以滿足2)～5)項(xiàng)要求。因此，必須綜合考慮1)～6)項(xiàng)要求，制定我國(guó)船舶低噪聲設(shè)計(jì)指標(biāo)。

表1 船舶艙室空氣噪聲限值* dB(A)

表2 振動(dòng)限值* mm/s

1.3 船舶振動(dòng)噪聲評(píng)估方法

船舶振動(dòng)噪聲評(píng)估包括：全船模態(tài)計(jì)算、振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算、艙室噪聲計(jì)算，并從振動(dòng)噪聲方面對(duì)船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出改進(jìn)措施，為船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和全船振動(dòng)噪聲控制提供依據(jù)。目前，國(guó)內(nèi)外最常用的船舶振動(dòng)噪聲評(píng)估方法主要是基于數(shù)值計(jì)算的有限元法[6,7]、邊界元法和統(tǒng)計(jì)能量法。在建立動(dòng)力裝置及船體結(jié)構(gòu)詳細(xì)模型的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行機(jī)械噪聲預(yù)報(bào)和減振降噪措施性能評(píng)估，具有較高的準(zhǔn)確性。

1.4 動(dòng)力裝置振動(dòng)噪聲控制方法

根據(jù)振動(dòng)和噪聲源分析，針對(duì)不同振級(jí)和噪聲級(jí)的設(shè)備，需要采取不同的減振降噪措施，該措施主要包括兩方面內(nèi)容，一是總體的布置位置，在設(shè)備布置時(shí)需要充分考慮振動(dòng)噪聲源與目標(biāo)場(chǎng)的距離和中間隔離物的布置，充分利用結(jié)構(gòu)和物理隔斷的優(yōu)勢(shì)，減少振動(dòng)和噪聲能量的傳遞；二是對(duì)振動(dòng)噪聲指標(biāo)較高、且在現(xiàn)有布置位置條件下不能滿足要求的設(shè)備，采取必要的減振降噪措施。在隔振裝置方面，有單層、雙層或多層隔振裝置，有各式各樣的浮筏減振裝置；在噪聲控制方面，可以采用隔聲罩和進(jìn)、排氣消聲器，如柴油機(jī)進(jìn)排氣消聲器，風(fēng)機(jī)進(jìn)氣消聲器；隨著動(dòng)力裝置的模塊化發(fā)展，柴油機(jī)和電站等動(dòng)力裝置可采用箱裝體技術(shù)；管路進(jìn)出口間加撓性接管，隔離振動(dòng)噪聲傳遞。該工作的前提條件是需要對(duì)現(xiàn)有位置布置的設(shè)備傳遞特性進(jìn)行必要的評(píng)估，不能僅僅基于設(shè)備本身的振動(dòng)噪聲指標(biāo)的高低和絕對(duì)值的大小。

1.5 艙室噪聲治理方法

艙室噪聲控制主要采用全浮式艙室降噪結(jié)構(gòu)，所有噪聲控制層與艙壁之間采用隔振器連接構(gòu)成彈性聲橋。艙室圍壁根據(jù)隔聲要求不同，采用加裝阻尼層、吸聲層、空氣層和隔聲層等措施，天花板采用輕質(zhì)吸聲層和隔聲層吊頂，地板采用在鋪設(shè)甲板敷料層上再鋪設(shè)浮動(dòng)地板層構(gòu)成，同時(shí)對(duì)所有進(jìn)行噪聲治理艙室艙門加裝隔聲門，防止壁面小縫隙造成大量聲泄漏情況的發(fā)生。不同的艙壁噪聲治理措施如下：

1)直射聲艙壁。直射聲艙壁是指與主要噪聲源－主機(jī)艙相鄰的艙壁。直射聲艙壁具體聲學(xué)處理方法包括阻尼層、吸聲層、空氣層和隔聲層等措施。

2)非直射聲艙壁。除與主機(jī)艙相鄰的艙壁以外的艙壁為非直射聲艙壁。非直射聲艙壁的聲學(xué)處理方法包括布置吸聲層、空氣層和隔聲層等措施。

3)艙室天花板。艙室天花板的聲學(xué)處理方法包括吸聲層、空氣層和隔聲層等措施。由于吊頂?shù)奶厥庑院图?lì)噪聲相對(duì)艙壁要小，故各聲學(xué)處理層與艙壁處理時(shí)有所不同。

4)艙室地板。對(duì)于噪聲指標(biāo)要求高的艙室，以及主機(jī)艙上層甲板的艙室地板，應(yīng)隔絕1次和2次激勵(lì)噪聲，聲學(xué)處理方法包括布置甲板敷料層，并在其上面鋪設(shè)浮動(dòng)地板層。

5)隔聲門和隔聲窗。進(jìn)行噪聲控制隔聲門，特別是集控室與機(jī)艙的進(jìn)出門，隔聲量在 30dB(A)以上，必要時(shí)這些艙室窗戶也應(yīng)該選用隔聲窗，以避免部分艙壁的聲泄漏引起隔聲量大幅度下降。

2 船舶低噪聲設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用案例

圖 1所示是我國(guó)自行研制的新一代低噪聲船舶，主要用于海洋水下聲學(xué)研究和試驗(yàn)考察，該船采用全電力推進(jìn)、動(dòng)力定位等先進(jìn)技術(shù)。由于該船安裝了大量高精尖試驗(yàn)和探測(cè)設(shè)備，要求全船的振動(dòng)噪聲水平低，以避免對(duì)試驗(yàn)和探測(cè)設(shè)備的干擾；同時(shí)，也要求最大限度地減小船體結(jié)構(gòu)噪聲輻射，減小船自噪聲對(duì)測(cè)量區(qū)域被探測(cè)目標(biāo)的影響；另外，提高全船的舒適性，減輕動(dòng)力設(shè)備產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲對(duì)船上作業(yè)的科學(xué)家和研究人員身體、心理、情緒的影響。

圖1 某新型低噪聲船舶

表4 某新型低噪聲船舶艙室空氣噪聲測(cè)試結(jié)果 dB（A）

采用以上建立的船舶低噪聲設(shè)計(jì)方法，從總體上統(tǒng)籌兼顧，在設(shè)計(jì)、設(shè)備選型、建造、試驗(yàn)檢驗(yàn)等各個(gè)環(huán)節(jié)把握關(guān)鍵的振動(dòng)噪聲控制點(diǎn)，在經(jīng)濟(jì)、高效的前提下取得良好的效果。表3給出了綜合某型船舶低噪聲設(shè)計(jì)采用的方法和制定的技術(shù)指標(biāo)，表4給出了船舶低噪聲設(shè)計(jì)后主要艙室的噪聲實(shí)測(cè)值。由實(shí)船測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)，船舶低噪聲設(shè)計(jì)后主要艙室的噪聲滿足技術(shù)指標(biāo)的要求，達(dá)到了DNV 3級(jí)以上舒適度的要求。實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了船舶低噪聲設(shè)計(jì)方法的正確、可靠和規(guī)范，并且具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

3 結(jié) 論

1)建立一套低噪聲船舶的設(shè)計(jì)流程，重點(diǎn)研究了聲學(xué)指標(biāo)制定、振動(dòng)噪聲評(píng)估、動(dòng)力裝置振動(dòng)噪聲控制、典型艙室噪聲治理等關(guān)鍵技術(shù)，并在某新型船舶上進(jìn)行了船舶低噪聲設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用研究，通過(guò)了試驗(yàn)驗(yàn)證，取得了一些研究成果，為后續(xù)的深入研究奠定了基礎(chǔ)。

2)目前，大部分研究工作還處于起步階段，后續(xù)將通過(guò)“粵海鐵”、“深海物探船”、“5萬(wàn)t半潛船”等不同低噪聲船舶的設(shè)計(jì)研究、建立我國(guó)船舶低噪聲設(shè)計(jì)規(guī)范。

[1]周 炎. 動(dòng)力裝置振動(dòng)噪聲控制技術(shù)概述[A]. 中國(guó)科協(xié)2000年會(huì).

[2]GB5979-86，海洋船舶噪聲級(jí)規(guī)定[S]. 1986.

[3]DNV. Rules for classification of ships[S].

[4]GB 7452-2007，機(jī)械振動(dòng) 客船和商船適居性 振動(dòng)測(cè)量、報(bào)告和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[5]ABS. Guidance notes on ship vibration[S].

[6]吳嘉蒙. 2750TEU集裝箱船的全船總振動(dòng)評(píng)估[J]. 船舶, 2008,(2).

[7]中國(guó)船級(jí)社. 船上振動(dòng)控制指南[M]. 北京：人民交通出版社，2000.