艙室次聲環(huán)境治理的模擬研究

羅志輝，黃鋒

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艙室次聲環(huán)境治理的模擬研究

羅志輝，黃鋒

(海軍醫(yī)學(xué)研究所，上海 200433)

某裝具在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的次聲及低頻聲對作業(yè)人員生理、心理產(chǎn)生較大影響。在對該裝具運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行詳細(xì)的聲檢測和數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，并考慮到其產(chǎn)生的次聲及低頻聲對作業(yè)人員的生理、心理變化特征，提出相應(yīng)的聲場改善方案。從分析“原位共振法”在理論解析與工藝實(shí)施上的弊端，以及實(shí)驗(yàn)與實(shí)際環(huán)境明顯差異出發(fā)，提出次聲及低頻聲環(huán)境治理的一系列方案，并由此篩選出隔振法進(jìn)行試驗(yàn)。開展了隔聲箱內(nèi)壁有無吸聲材料、試驗(yàn)艙隔振浮筑以及試驗(yàn)艙有無吸聲等不同工況下的隔聲與隔振性能的對比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果證明，隔振法在20~40 Hz頻段范圍達(dá)到15~20 dB降噪效果，獲得了比較滿意的治理效果。

艙室；噪聲控制；次聲

0 引言

次聲是一種頻率在20 Hz以下的彈性波，對機(jī)體的作用機(jī)制與可聽聲不同，其基本原理是生物共振，對機(jī)體的效應(yīng)是全方位、多層次的。大量文獻(xiàn)報(bào)道，長期在次聲環(huán)境下工作的人員，可產(chǎn)生空暈癥或醉酒樣反應(yīng)，主要表現(xiàn)為頭暈頭痛、心悸目眩、惡心、煩躁、胸悶、腹瀉、耳鼓膜移動(dòng)、視覺模糊、記憶衰退、疲倦無力、工作效率低等。還可見到血壓、心率、心電、腦電、血液生化以及聽力等變化[1,2]。檢測結(jié)果表明，裝具發(fā)生器工作時(shí)各艙室和崗位的線性聲壓級為95.6~118.5 dB，A計(jì)權(quán)聲級為71.1~112.3 dBA，次聲級為92~117 dB，G1次聲計(jì)權(quán)聲壓級為97.8~125.0 dB，G2次聲計(jì)權(quán)聲壓級為89.7~119.5 dB。其中多數(shù)崗位的次聲級為105~117 dB，少數(shù)為92~104 dB，次聲的頻譜能量主要集中在12.5、16、20 Hz。為此，當(dāng)裝具發(fā)生器工作時(shí)，作業(yè)人員的生理變化及主觀反應(yīng)十分明顯，因而，降低次聲、低頻聲強(qiáng)度，改善聲環(huán)境質(zhì)量，對提高作業(yè)人員的身心健康和工效頗顯重要。

1 原理

根據(jù)實(shí)際研究艙體結(jié)構(gòu)環(huán)境，理論上分析可以通過下列途徑來改善艙室內(nèi)次聲的聲環(huán)境。

1.1 隔振

隔振的低限擬選在10 Hz，因而確定系統(tǒng)的固有頻率在3 Hz或以下。措施設(shè)計(jì)中需考慮以下幾個(gè)方面：

(1) 采用“浮筏”結(jié)構(gòu)，將艙內(nèi)所有設(shè)備安裝在同一剛性平臺(tái)上，而對平臺(tái)整體進(jìn)行隔振處理。

(2) 采用低頻大阻尼彈簧復(fù)合減振器或油阻尼減振器。

(3) 為降低系統(tǒng)的固有頻率，擬考慮彈簧串聯(lián)結(jié)構(gòu)。同時(shí)為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定度，可在兩彈簧之間加置一塊鋼板。

(4) 浮筏平臺(tái)需考慮各向限位。

1.2 隔聲

該環(huán)境產(chǎn)生的低頻聲包括空氣聲和結(jié)構(gòu)聲兩方面。對10 Hz左右的低頻聲波，其波長約30余米。常用的隔聲結(jié)構(gòu)在低頻點(diǎn)的隔聲量十分有限，因此擬采用雙層壁面真空結(jié)構(gòu)，通過實(shí)驗(yàn)掌握真空層厚度與聲波波長比值對隔聲量的影響。由于雙層真空結(jié)構(gòu)的內(nèi)艙不可能“懸浮”，內(nèi)外膽之間某些部位會(huì)有連接，因此需要仔細(xì)考慮結(jié)構(gòu)聲的隔離。

為了保證艙內(nèi)有足夠的新鮮空氣，必須安裝進(jìn)風(fēng)通道和回風(fēng)通道。因此，需要考慮進(jìn)、回風(fēng)通道的消聲：原則上考慮消聲通道的消聲量應(yīng)與隔聲結(jié)構(gòu)的隔聲量相匹配，技術(shù)難度在于研究低頻吸聲性能較高的吸聲材料或吸聲結(jié)構(gòu)，擬考慮共振吸聲或抗性消聲器結(jié)構(gòu)，同時(shí)需注意消聲器壁面的隔、吸聲性能，在某些壁面粘貼彈性阻尼材料。

論證中發(fā)現(xiàn)，采用雙層壁面真空結(jié)構(gòu)的隔聲法，無論是試驗(yàn)裝置還是實(shí)船改造的工藝均難保證其隔聲效果與理論計(jì)算相符。由于內(nèi)外艙之間某些部位會(huì)有連接，因而在結(jié)構(gòu)聲的隔離上由于聲橋等問題的出現(xiàn)將使總的隔聲效果大打折扣。實(shí)際的艙室改造在結(jié)構(gòu)制作中很難避免聲橋效應(yīng)，加上艙室通風(fēng)管道和消聲裝置的建立將會(huì)給實(shí)際的工程改造增加難度與大量資金。根據(jù)上述分析，本實(shí)驗(yàn)研究決定采用隔振法。

2 試驗(yàn)方法與內(nèi)容

2.1 試驗(yàn)裝置組成

本試驗(yàn)主要目的是觀察彈簧減振器及吸聲結(jié)構(gòu)對次聲頻的隔聲、隔振效果。

模擬實(shí)驗(yàn)裝置由打擊機(jī)、隔聲箱和實(shí)驗(yàn)艙三部分組成，聲壓級與加速度測點(diǎn)見圖1。

打擊機(jī)固定在隔聲箱頂部，擊錘直接打擊隔聲箱頂部鋼板，按試驗(yàn)要求調(diào)節(jié)打擊速率。

隔聲箱(外箱)采用6.3#槽鋼作支架，箱體由3.5 mm厚鋼板制成，外形尺寸為，高為1600 mm，長寬均為1200 mm。四個(gè)側(cè)面和頂部內(nèi)壁根據(jù)試驗(yàn)要求可鋪設(shè)100 mm厚吸聲玻璃棉氈。試驗(yàn)時(shí)隔聲箱始終擱置在JT-6型多點(diǎn)式橡膠減振墊上(載荷范圍為300~600 kg，固有頻率為9±2 Hz)。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖(單位：mm)

試驗(yàn)艙(內(nèi)箱)采用角鋼作支架，箱體用2 mm厚鋼板制成，外形尺寸為500 mm×500 mm×500 mm。試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)艙用ZD-12型彈簧減振器與隔聲箱底板連接或?qū)⑵渲苯訑R置在隔聲箱底板上。

試驗(yàn)艙和隔聲箱同一側(cè)各留一個(gè)直徑為20 mm測試電纜引入孔，兩孔高低錯(cuò)開。測試電纜穿入后用硅橡膠密封。

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容和條件

2.2.1 隔聲試驗(yàn)

隔聲實(shí)驗(yàn)在以下條件下進(jìn)行：

(1) 隔聲箱內(nèi)壁鋪設(shè)100 mm吸聲玻璃棉氈，試驗(yàn)艙擱置在隔聲箱底板上。

(2) 隔聲箱內(nèi)壁鋪設(shè)100 mm吸聲玻璃棉氈，試驗(yàn)艙用三只ZD-12型彈簧減振器和隔聲箱底板連接。

(3) 拆除隔聲箱內(nèi)壁吸聲玻璃棉氈，試驗(yàn)艙擱置在隔聲箱底板上。

(4) 拆除隔聲箱內(nèi)壁吸聲玻璃棉氈，試驗(yàn)艙用三只ZD-12型彈簧減振器與隔聲箱底板連接。

(5) 拆除隔聲箱內(nèi)壁吸聲玻璃棉氈，試驗(yàn)艙內(nèi)壁鋪設(shè)100 mm吸聲玻璃棉氈并用三只ZD-12型彈簧減振器與隔聲箱底板連接。

2.2.2 隔振試驗(yàn)

隔聲箱和試驗(yàn)艙內(nèi)壁均不鋪設(shè)吸聲玻璃棉氈。進(jìn)行以下條件的試驗(yàn)：

(1) 試驗(yàn)艙擱置在隔聲箱底板上。

(2) 試驗(yàn)艙用三只ZD-12型彈簧減振器與隔聲箱底板連接。

2.3 測試儀器與方法

2.3.1 噪聲測量

噪聲測量采用Nor sonic840型雙通道實(shí)時(shí)分析儀(低頻截止頻率為0.1 Hz)和N1223型低頻電容傳聲器(1 Hz~10 kHz，±1 dB)。兩路傳聲器經(jīng)10 m測量電纜分別吊掛在隔聲箱和試驗(yàn)艙中間的彈性掛鉤上。測量采樣時(shí)間為10 ms，兩路同時(shí)測量，比較同一試驗(yàn)工況下試驗(yàn)艙內(nèi)、外噪聲值的差異。測量的聲學(xué)參數(shù)是：等效線性聲壓級、A計(jì)權(quán)聲級、最小值、最大值，并進(jìn)行1/3倍頻程頻譜分析。

2.3.2 振動(dòng)測量

采用北京東方振動(dòng)和噪聲研究所DLF-3型雙通道電荷電壓濾波積分放大器和9818型壓電加速度傳感器。傳感器分別置于隔聲箱底板上和試驗(yàn)艙頂部。將積分放大器的電壓輸出連接到Nor sonic840型雙通道實(shí)時(shí)分析儀的線性輸入端進(jìn)行1/3倍頻程頻譜分析。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表1所示，模擬次聲場的頻譜能量主要集中在8~50 Hz，與某船裝具發(fā)生器工作時(shí)聲場測試結(jié)果很接近，符合試驗(yàn)要求。

試驗(yàn)結(jié)果證明，選擇的低頻隔振彈簧裝置對消除或降低次聲頻波能量有明顯效果。

3.1 隔聲效果

隔聲箱內(nèi)鋪設(shè)100 mm吸聲玻璃棉氈，試驗(yàn)艙擱置在隔聲箱底板上，隔聲測試結(jié)果如表1所示。

隔聲箱內(nèi)鋪設(shè)100 mm吸聲玻璃棉氈，試驗(yàn)艙用ZD-12型彈簧減振器與隔聲箱底板連接，隔聲測試結(jié)果如表2所示。

拆除隔聲箱內(nèi)壁吸聲玻璃棉氈，試驗(yàn)艙擱置在隔聲箱底板上，隔聲測試結(jié)果如表3所示。

拆除隔聲箱內(nèi)壁吸聲玻璃棉氈，試驗(yàn)艙用三只ZD-12型彈簧減振器與隔聲箱底板連接，隔聲值見表4。

拆除隔聲箱內(nèi)壁吸聲玻璃棉氈，試驗(yàn)艙內(nèi)壁鋪設(shè)100 mm吸聲玻璃棉氈并用三只ZD-12型彈簧減振器與隔聲箱底板連接，隔聲值見表5。

圖2是試驗(yàn)艙用ZD-12型彈簧減振器與隔聲箱底板連接的情況下，試驗(yàn)裝置三種不同狀態(tài)下隔聲值的比較。

表1 不同頻率的隔聲值(隔聲箱內(nèi)鋪設(shè)100 mm玻璃棉氈，不用減振器連接)(dB)

注：測點(diǎn)A為試驗(yàn)艙外；測點(diǎn)B為試驗(yàn)艙內(nèi)

表2 不同頻率的隔聲值(隔聲箱內(nèi)鋪設(shè)100 mm玻璃棉氈，用減振器連接)(dB)

注：測點(diǎn)A為試驗(yàn)艙外；測點(diǎn)B為試驗(yàn)艙內(nèi)

圖3是隔聲箱5面內(nèi)壁鋪設(shè)100 mm厚吸聲玻璃棉氈時(shí)，試驗(yàn)艙與隔聲箱兩種不同連接方式隔聲值的比較。

3.2 隔振效果

(1) 隔聲箱和試驗(yàn)艙內(nèi)壁均不鋪設(shè)吸聲玻璃棉氈，試驗(yàn)艙擱置在隔聲地板上。加速度級隔振值見表6。

表3 不同頻率的隔聲值(沒有鋪設(shè)玻璃棉氈和使用減振器)(dB)

注：測點(diǎn)A為試驗(yàn)艙外；測點(diǎn)B為試驗(yàn)艙內(nèi)

表4 不同頻率的隔聲值(沒有鋪設(shè)玻璃棉氈，但用三只減振器連接)(dB)

注：測點(diǎn)A為試驗(yàn)艙外；測點(diǎn)B為試驗(yàn)艙內(nèi)

(2) 隔聲箱和試驗(yàn)艙內(nèi)壁均不鋪設(shè)吸聲玻璃棉氈，試驗(yàn)艙用ZD-12型彈簧減振器和隔聲箱底板連接。加速度級隔聲值見表7。

圖4為試驗(yàn)艙和隔聲箱兩種連接狀態(tài)隔振值的比較。

4 降噪效果及分析

實(shí)船的聲場環(huán)境中，隨著傳播距離的增加和通過艙壁傳播后，噪聲頻譜呈規(guī)律性變化，次聲頻能量無明顯變化，低頻可聽聲有少量衰減，中高頻聲能量衰減顯著。

表5 不同頻率的隔聲值(隔聲箱無玻璃棉氈，試驗(yàn)艙有100 mm玻璃棉氈并用三只減振器連接)(dB)

注：測點(diǎn)A為試驗(yàn)艙外；測點(diǎn)B為試驗(yàn)艙內(nèi)

Fig 2 Sound insulation values in three different states(vibration absorber used in testing cabin)

測量數(shù)據(jù)清晰表明，本項(xiàng)試驗(yàn)的技術(shù)措施在4~20 Hz頻段范圍有18~20 dB的隔聲效果。分析其機(jī)理，提出以下基本結(jié)論：

表6 不同頻率隔振值(沒有鋪設(shè)玻璃棉氈和使用減振器)(dB)

注：打擊機(jī)打擊速率為150次/min

(1) 固體壁面和鋪設(shè)的吸聲材料有一定的降噪作用，特別在中，高頻段，吸聲材料效果相當(dāng)明顯。

(2) 由表6、7結(jié)果對比表明，加裝ZD-12型彈簧減振器對4 Hz以上的振動(dòng)有明顯的隔振效果。

(3) 根據(jù)經(jīng)典的隔聲、隔振理論，相關(guān)措施的隔聲、隔振效果均應(yīng)隨著頻率的增加而有所提高。本次試驗(yàn)中，4~20 Hz頻段內(nèi)減振降噪效果特別顯著。據(jù)此，將會(huì)對實(shí)船的減振降噪提供一種新的思路和技術(shù)途徑。

表7 不同頻率隔振值(沒有鋪設(shè)玻璃棉氈但用三只減振器連接)(dB)

注：打擊機(jī)打擊速率為150次/min

1—試驗(yàn)艙用ZD-12型彈簧減振器與隔聲箱底板連接 2—試驗(yàn)艙直接擱置在隔聲箱底板上

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Simulation experimental study on improving infrasound field inside a cabin

LUO Zhi-hui, HUANG Feng

(Naval Medical Research Institute, Shanghai 200433, China)

The infrasound generated from certain equipment has great physical and psychological influence on operating personnel. Through a detailed acoustic measurement and systematical data analysis, and by taking into account physical and psychological characteristics of the infrasound, an infrasound field improvement method is proposed. The proposed method is based on analyzing the theoretical defects of the "common position resonance method" which also leads to great discrepancy between experimental and actual states. The comparative experiments of insulation sound are carried out in different conditions, such as with and without sound absorption inside sound insulation cabin, float mounting of test cabinet, with and without sound absorption inside test cabinet. Testing parameters include sound level and acceleration. Experimental results show that the proposed sound insulation method achieves a 15~20dB noise reduction in frequency band from 20 to 40Hz, which meets well with the anticipated.

cabin; noise control; infrasound

TB533

A

1000-3630(2014)-03-0255-05

10.3969/j.issn1000-3630.2014.03.014

2014-02-27;

2014-05-27

羅志輝(1983－), 男, 江蘇鎮(zhèn)江人, 工學(xué)學(xué)士, 研究方向?yàn)槭覂?nèi)聲 學(xué)。

羅志輝, E-mail: 44881484@qq.com