海工艙室之間隔聲效果的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)及計(jì)算方法探討

，, 仁鋒, , ,

(1.中集海洋工程研究院， 山東 煙臺(tái) 264670；2. 中集來(lái)福士海洋工程有限公司， 山東 煙臺(tái) 264000；3. 威海白云船舶制造有限公司煙臺(tái)分公司， 山東 煙臺(tái) 264000)

在以往，船舶或海工艙室的噪聲與振動(dòng)往往只是船東關(guān)心的舒適性問(wèn)題，并不是船級(jí)社所關(guān)心的主要性能指標(biāo)，近期，國(guó)際海事組織(IMO)將主要的生活艙室的噪聲標(biāo)準(zhǔn)由60 dB(A)控制到55 dB(A),同時(shí)將其納入強(qiáng)制執(zhí)行的范疇。挪威是全球海工設(shè)計(jì)建造最先進(jìn)的國(guó)家之一，其工業(yè)協(xié)會(huì)(NORSOK)更是將主要的生活艙室的噪聲標(biāo)準(zhǔn)控制到45 dB(A),同時(shí)NORSOK還將艙室之間的隔聲量、艙室內(nèi)部的吸聲系數(shù)、語(yǔ)音清晰度、空調(diào)系統(tǒng)噪聲等聲學(xué)性能參數(shù)，一并納入到海洋平臺(tái)的重要技術(shù)指標(biāo)內(nèi)。

我國(guó)船舶或海工行業(yè)在聲學(xué)上對(duì)振動(dòng)結(jié)構(gòu)的減振降噪，往往是針對(duì)已存在的問(wèn)題進(jìn)行后處理，包括在設(shè)備與結(jié)構(gòu)之間加裝減振結(jié)構(gòu)、在船體結(jié)構(gòu)表面敷設(shè)阻尼材料等，很少有在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初期就開(kāi)始考慮聲學(xué)問(wèn)題的。聲振設(shè)計(jì)客觀上還基本處于對(duì)已存在結(jié)構(gòu)進(jìn)行聲學(xué)性能評(píng)估的狀態(tài)，尚不具備能力對(duì)船體結(jié)構(gòu)、舾裝結(jié)構(gòu)等的聲學(xué)設(shè)計(jì)提出可操作的建議，如結(jié)構(gòu)形式、尺寸、材料等施工設(shè)計(jì)和工藝。同時(shí)，缺少簡(jiǎn)捷易行且能夠指導(dǎo)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用的計(jì)算方法以及指導(dǎo)施工建造使用的工藝流程[1]。聲學(xué)性能指標(biāo)應(yīng)在實(shí)船上得以真正的實(shí)現(xiàn)，而不僅僅是停留在書(shū)面上的理論方案論證、分析報(bào)告評(píng)估等，這將是對(duì)我國(guó)從事船舶/海工聲學(xué)設(shè)計(jì)工藝工程師技術(shù)水平的一次嚴(yán)峻考驗(yàn)，同時(shí)也將促進(jìn)新材料、新工藝和新技術(shù)在船舶/海工建造上的應(yīng)用，對(duì)海工技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用產(chǎn)生積極有益的作用。

1 相關(guān)規(guī)范空氣聲隔聲標(biāo)準(zhǔn)分析

1.1 挪威北海高端海洋平臺(tái)空氣聲隔聲評(píng)價(jià)

空氣聲隔聲、吸聲系數(shù)及混響時(shí)間的概念均源自建筑聲學(xué)，NORSOK較早將其引入到海工設(shè)計(jì)建造領(lǐng)域，表1為NORSOK海工艙室之間空氣聲隔聲限值，其中隔聲標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)量均為表觀隔聲量R’。

表1 NORSOK海工艙室之間空氣聲隔聲限值 dB

注：嘈雜艙室是指健身房、電視間/電影院、打印室、廚房、餐廳和更衣室；工作艙室是指辦公室、會(huì)議室、廣播室和控制室；安靜艙室是指需要高度隱私的區(qū)域，包括居住間、醫(yī)院/病房、休息室和閱覽室；a為不適合廚房和餐廳的艙壁；b為不適用醫(yī)院和病房的艙壁；c為房間門(mén)的隔聲最小要達(dá)到40 dB；d為≥45 dB的要求僅適用于單人間。

1.2 國(guó)內(nèi)民用建筑空氣聲隔聲評(píng)價(jià)

我國(guó)民用建筑空氣聲隔聲評(píng)價(jià)的主要指標(biāo)有計(jì)權(quán)隔聲量、計(jì)權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化聲壓級(jí)差。所謂計(jì)權(quán)隔聲量是在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)量的，用來(lái)表征建筑構(gòu)件空氣聲隔聲性能的單值評(píng)價(jià)量。用符號(hào)Rw表示，單位:dB。計(jì)權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化聲壓級(jí)差是以接收室的混響時(shí)間作為修正參數(shù)而得到的兩個(gè)房間之間空氣聲隔聲性能的單值評(píng)價(jià)量。用符號(hào)DnT,w表示，單位:dB。頻譜修正量分為粉紅噪聲頻譜修正量C和交通噪聲頻譜修正量Ctr。表2和表3為我國(guó)住宅建筑房間之間和房間隔構(gòu)件的空氣聲隔聲限值[2]。

表2 國(guó)內(nèi)房間之間空氣聲隔聲限值 dB

表3 國(guó)內(nèi)房間各構(gòu)件的空氣聲隔聲限值 dB

1.3 國(guó)際通用噪聲規(guī)范空氣聲隔聲評(píng)價(jià)

《IMO Resolution A.468(Ⅻ)code on noise levels on board ships》是IMO頒布的關(guān)于船舶及海工噪聲控制的一個(gè)規(guī)定，目前大多數(shù)的船舶及海工項(xiàng)目執(zhí)行該標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)于設(shè)備噪聲實(shí)驗(yàn)、最大允許噪聲限值和處身時(shí)間等內(nèi)容，在其它的相關(guān)文獻(xiàn)里已經(jīng)有較詳細(xì)的描述，因此本文僅對(duì)生活區(qū)域艙室之間的空氣聲隔聲標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)量和限值作以下描述。

艙室之間的隔聲艙壁和甲板結(jié)構(gòu)以計(jì)權(quán)隔聲量Rw為評(píng)價(jià)量，限值共分為3個(gè)等級(jí)。

1)R30，艙壁和甲板結(jié)構(gòu)計(jì)權(quán)隔聲量：

30 dB≤Rw<35 dB。

2)R35，艙壁和甲板結(jié)構(gòu)計(jì)權(quán)隔聲量：

35 dB≤Rw<45 dB。

3)R45，艙壁和甲板結(jié)構(gòu)計(jì)權(quán)隔聲量：

Rw≥45 dB。

隔聲量越高隔聲性能越好，高隔聲等級(jí)的結(jié)構(gòu)可以替代低隔聲等級(jí)的結(jié)構(gòu)，例如，R45可以替代R35、R30使用，R35可以替代R30使用。 用于走廊到居住艙室以及居住艙室到帶有交通門(mén)的居住艙室區(qū)域的艙壁和甲板結(jié)構(gòu)應(yīng)至少滿足R30要求； 用于居住艙室之間的艙壁和甲板結(jié)構(gòu)應(yīng)至少滿足R35要求； 用于從餐廳、娛樂(lè)室、公共處所和娛樂(lè)區(qū)域到居住艙室和醫(yī)療室的艙壁和甲板結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足R45要求。

2 海工艙室舾裝隔聲結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

海工艙室舾裝隔聲結(jié)構(gòu)屬于輕型隔聲構(gòu)件，是由天花板、壁板(包括單層壁板和雙層壁板)、防火隔聲門(mén)、水密隔聲窗、地板及彈性安裝件等部件組成，其中均質(zhì)單層壁板的隔聲性能主要由質(zhì)量定律決定[3]，海工艙室舾裝壁板則是一種復(fù)合夾心板，通過(guò)彈性安裝件安裝在船體鋼結(jié)構(gòu)上，其計(jì)權(quán)隔聲量Rw通常在32 dB左右，典型節(jié)點(diǎn)形式見(jiàn)圖1[4]。

圖1 單層壁板

雙層壁板中間為空氣夾層，其隔聲量要比單層壁板大得多[5]，兩層單層壁板之間可以填充纖維類(lèi)吸聲材料，因而使得雙層壁板計(jì)權(quán)隔聲量Rw可以提高到50 dB左右，其典型節(jié)點(diǎn)形式見(jiàn)圖2。

圖2 雙層壁板

天花板、防火隔聲門(mén)主體等同樣采用單層復(fù)合夾心板，其隔聲性能類(lèi)似于單層壁板。

通常情況下，對(duì)于民用建筑兩個(gè)相鄰房間之間無(wú)門(mén)窗的共用墻壁結(jié)構(gòu)，共用墻壁的厚度、材質(zhì)和面密度決定了房間之間空氣聲隔聲的性能，與民用建筑空氣聲隔聲不同的是：海工艙室舾裝結(jié)構(gòu)的總體隔聲性能不僅僅是由共用單層壁板或雙層壁板所決定的，同樣天花板、防火隔聲門(mén)、空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)管道、共用衛(wèi)生單元、水密隔聲窗、地板等部件的作用也是至關(guān)重要的，有時(shí)甚至可以影響并決定海工艙室實(shí)際上的聲學(xué)性能。

3 海工艙室之間隔聲的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

在海工艙室進(jìn)行隔聲、混響時(shí)間及吸聲系數(shù)等聲學(xué)實(shí)驗(yàn)與在民用建筑房間里進(jìn)行實(shí)驗(yàn)有所不同，由于海洋平臺(tái)艙室的空間相對(duì)狹窄、傳聲途徑復(fù)雜、布點(diǎn)布線困難、工況及干擾等具體問(wèn)題的客觀存在，造成該行業(yè)不能完全滿足相關(guān)規(guī)范對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境、條件和方法的細(xì)節(jié)要求，這就勢(shì)必要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件來(lái)對(duì)實(shí)驗(yàn)程序和處理方法進(jìn)行一定的優(yōu)化，同時(shí)也要滿足工程精度的需要。

通常情況下，海工艙室現(xiàn)場(chǎng)聲學(xué)實(shí)驗(yàn)選擇在系泊狀態(tài)下進(jìn)行，接通使用岸電，僅運(yùn)行必須開(kāi)啟的設(shè)備，同時(shí)停止有可能影響實(shí)驗(yàn)精度的施工作業(yè)，要選擇風(fēng)平浪靜的天氣，為了減少其他因素對(duì)海洋平臺(tái)周?chē)h(huán)境的不利影響，實(shí)驗(yàn)可以安排在夜間。

3.1 典型艙室選擇

綜合考慮海洋平臺(tái)船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、設(shè)備布置、舾裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和艙室布置等因素，選取以下幾類(lèi)典型艙室進(jìn)行隔聲、混響時(shí)間及吸聲系數(shù)等聲學(xué)實(shí)驗(yàn)。

1)單人生活艙室-雙層舾裝壁板結(jié)構(gòu)(共用衛(wèi)生單元)-單人生活艙室。

2)單人生活艙室-雙層舾裝壁板結(jié)構(gòu)-單人生活艙室。

3)單人生活艙室-單層舾裝壁板結(jié)構(gòu)-船體結(jié)構(gòu)鋼艙壁-單層舾裝壁板結(jié)構(gòu)-單人生活艙室。

4)單人生活艙室-防火隔聲門(mén)-走廊或樓梯。

5)辦公室或會(huì)議室-推拉門(mén)-走廊或樓梯。

其中第一種類(lèi)型在海洋平臺(tái)生活區(qū)中數(shù)量較多，也是問(wèn)題的關(guān)鍵所在，將其作為重點(diǎn)，其平面布置見(jiàn)圖3。

圖3 聲源室和接收室的平面布置

3.2 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備

針對(duì)海工艙室現(xiàn)場(chǎng)聲學(xué)實(shí)驗(yàn)的特殊情況，在實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的選擇配置上主要考慮攜帶方便和高效率數(shù)據(jù)采集，所用主要實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備如下。

1)波蘭產(chǎn)BSWA801噪聲振動(dòng)分析儀一套，屬精密型儀器，包括附件和BSWA801數(shù)據(jù)處理分析軟件。

2)BSWA十二面體聲源一臺(tái)，是球形無(wú)指向性聲源，有多個(gè)揚(yáng)聲器同相輻射。

3)BSWA100 W功放一臺(tái)，有兩路輸入及輸出。

4)瑞士產(chǎn)Minirator MR2信號(hào)發(fā)生器一臺(tái)，手持式儀器，便于單手操作，可發(fā)生白噪聲信號(hào)和粉紅噪聲信號(hào)等。

3.3 采樣點(diǎn)、聲源及傳感器布置

考慮到海洋平臺(tái)艙室的空間相對(duì)狹窄，無(wú)法滿足距離要求，所以采用單只十二面體聲源，將其分別放在兩個(gè)位置發(fā)聲，在每個(gè)位置發(fā)聲時(shí)，使用手持便攜式可移動(dòng)傳感器(波蘭產(chǎn)BSWA801噪聲振動(dòng)分析儀)進(jìn)行均勻移動(dòng)采樣。聲源室和接收室的平面布置見(jiàn)圖3。

3.4 隔聲評(píng)價(jià)量及其影響參數(shù)選擇

以工作于挪威北海的某半潛式海洋鉆井平臺(tái)為例，其噪聲振動(dòng)指標(biāo)均按NORSOK標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)，其中規(guī)定艙室之間空氣聲隔聲采用表觀隔聲量R’為評(píng)價(jià)量，表觀隔聲量R’也叫表觀傳聲損失，在海工艙室現(xiàn)場(chǎng)聲學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用以下源自建筑聲學(xué)的公式進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算處理。

R′=D+10 lg(S/A) dB

D=L1-L2

式中：D——聲壓級(jí)差，dB；

L1——聲源室的平均聲壓級(jí)值，dB;

L2——接收室的平均聲壓級(jí)值，dB;

S——公共艙壁的面積，m2;

A——接收室的吸聲量，m2。

由上式可見(jiàn)，直接決定表觀隔聲量R’的影響因素有D、S和A。其中：A由艙室容積、總內(nèi)表面積和內(nèi)表面吸聲系數(shù)等客觀評(píng)價(jià)量所決定。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

針對(duì)單人生活艙室-雙層舾裝壁板結(jié)構(gòu)(共用衛(wèi)生單元)-單人生活艙室典型艙室的布置設(shè)計(jì)特點(diǎn)，在其中安裝完成幾件家具，同時(shí)關(guān)閉門(mén)窗，然后分別將十二面體聲源置于兩個(gè)發(fā)聲位，得到平均聲壓級(jí)差D，同時(shí)考慮不同的自變量參數(shù)，從而得到不同的評(píng)價(jià)量數(shù)值。以下對(duì)海工艙室空氣聲隔聲的計(jì)算評(píng)價(jià)作以分析說(shuō)明。

4.1 表觀隔聲量R’和規(guī)范化聲壓級(jí)差Dn的異同

表觀隔聲量R’的概念源自建筑聲學(xué)，在民用建筑空氣聲隔聲評(píng)價(jià)時(shí)，對(duì)兩相鄰房間隔墻面積S有著比較確切的定義，在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室里可以準(zhǔn)確得出隔聲構(gòu)件的表觀隔聲量R’，同樣在民用建筑現(xiàn)場(chǎng)利用表觀隔聲量R’評(píng)價(jià)兩相鄰房間的聲學(xué)性能也同樣具有實(shí)際意義。在進(jìn)行海工艙室空氣聲隔聲評(píng)價(jià)時(shí)，民用建筑兩相鄰房間隔墻面積S可以理解為艙室公共艙壁的面積，然而同時(shí)由于海工艙室舾裝隔聲結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，決定了參與隔聲的不僅僅是艙室公共艙壁，還有天花板、防火隔聲門(mén)、空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)管道、共用衛(wèi)生單元、水密隔聲窗、地板等，而艙室公共艙壁的隔聲量往往還高于其他隔聲構(gòu)件，這樣在客觀上就形成了民用建筑隔墻面積S在海工艙室里的不確定性，因此，在海工艙室隔聲實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，表觀隔聲量R’也就顯現(xiàn)出主觀評(píng)價(jià)量的特征。

規(guī)范化聲壓級(jí)差Dn與聲壓級(jí)差D、接收室的吸聲量A相關(guān)，對(duì)參考吸聲量Ao也有著明確的定義，因此無(wú)論是在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室里還是在民用建筑現(xiàn)場(chǎng)，均可對(duì)隔聲構(gòu)件或隔聲結(jié)構(gòu)的聲學(xué)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。在海工艙室現(xiàn)場(chǎng)，決定規(guī)范化聲壓級(jí)差Dn的自變量也是惟一的，因此，規(guī)范化聲壓級(jí)差Dn在理論上也就具備了準(zhǔn)確客觀評(píng)價(jià)海工艙室隔聲結(jié)構(gòu)性能的可能性。

4.2 在表觀隔聲量R’計(jì)算方法中隔墻面積S對(duì)結(jié)果的影響

從表4可見(jiàn)，在海工艙室空氣聲隔聲實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，在其他實(shí)驗(yàn)條件及環(huán)境因素保持不變的前提下，采用同一計(jì)算方法，不同的隔墻面積S對(duì)表觀隔聲量R’的影響結(jié)果。

表4 某半潛式海洋平臺(tái)不同的隔墻面積S對(duì)表觀隔聲量R’的影響

由此可見(jiàn)，在進(jìn)行海工艙室空氣聲隔聲評(píng)價(jià)時(shí)，由于隔墻面積S的非惟一性，造成同一條件的海工艙室，其隔聲性能評(píng)價(jià)量數(shù)值的多重性。

5 結(jié)論

1)NORSOK規(guī)范中，直接將表觀隔聲量由民用建筑引用到海工艙室，不能準(zhǔn)確表達(dá)或說(shuō)明海工艙室的空氣聲隔聲性能。

2)建議采用一種更為合理和客觀的數(shù)據(jù)處理及評(píng)價(jià)方式，來(lái)去除非客觀的因素影響，使用規(guī)范化聲壓級(jí)差來(lái)評(píng)價(jià)海工艙室空氣聲隔聲性能。

3)鑒于海工艙室之間隔聲效果現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)及計(jì)算方法的行業(yè)特點(diǎn)，建議國(guó)內(nèi)盡快開(kāi)展隔聲部件和海工總體聲學(xué)性能的進(jìn)一步研究。

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