某型艇艙室次聲場(chǎng)環(huán)境模擬裝置的研究

羅志輝，俞悟周，劉李娜

某型艇裝具作業(yè)時(shí)，產(chǎn)生較強(qiáng)的具有脈沖性質(zhì)的次聲波，通過波泳使艇體振動(dòng)產(chǎn)生二次輻射，作用于人體對(duì)作業(yè)人員構(gòu)成危害和損傷［1]。測(cè)試數(shù)據(jù)表明，該艇裝具作業(yè)時(shí)次聲級(jí)達(dá)121.4 dB。由于該艇艇體小，次聲波及面廣，經(jīng)初步測(cè)定，幾乎所有崗位都受到影響。裝具作業(yè)過程中，多數(shù)艇員主訴鼓膜有堵塞或振動(dòng)感、耳痛、頭痛、眩暈、呼吸和心率加快、胸腹背有振感、胸悶、心悸、煩燥不安、精神緊張、出冷汗、作業(yè)過程中易疲倦、工作效率明顯下降等。體檢證明，艇員心電圖、肺功能均有不同程度的改變，腦功效低下，血液生化指標(biāo)改變。參試人員在試驗(yàn)環(huán)境中暴露6 h后，2周之內(nèi)明顯感覺精神疲乏，注意力不夠集中。

在實(shí)戰(zhàn)條件下，裝具連續(xù)工作時(shí)間將大大超過6 h，可以預(yù)料隨著暴露時(shí)間的延長(zhǎng)，對(duì)艇員的影響將會(huì)更加明顯。目前，我國(guó)尚未建立次聲對(duì)人體生理安全的標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)的防次聲耳塞對(duì)人的聽覺器官有一定防護(hù)作用，但對(duì)次聲引起的非聽覺效應(yīng)(人體臟器的損傷，重要的生理和生化指標(biāo)改變等)的防護(hù)沒有效果［2]。

據(jù)此，改善聲環(huán)境、減弱并降低次聲場(chǎng)對(duì)艇員的影響是該型艇必須解決的問題，而實(shí)施艙室的部分結(jié)構(gòu)改造是減小對(duì)艇員影響的最直接、最經(jīng)濟(jì)、最科學(xué)的辦法。通過對(duì)該艇次聲場(chǎng)數(shù)據(jù)的測(cè)量和產(chǎn)生原理分析，研制符合實(shí)艇次聲環(huán)境的模擬裝置，可為治理措施的制訂和治理效果的評(píng)估提供基礎(chǔ)性支撐。

1 次聲場(chǎng)產(chǎn)生原理

某型艇裝具工作時(shí)，產(chǎn)生連續(xù)的脈沖串，通過水、空氣等介質(zhì)傳播至艙室和戰(zhàn)位，與空壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲、高壓氣流噪聲混合在一起，形成頻譜廣泛的寬帶噪聲。A聲級(jí)隨聲源漸遠(yuǎn)而降低，艇上各艙室、崗位次聲場(chǎng)的頻譜均呈寬帶性質(zhì)，但主要能量分布在12.5、16、20 Hz，隨著傳播距離的增加或艙壁隔聲后，40 Hz以下能量無明顯改變，40 Hz以上能量明顯衰減，40～80 Hz衰減7.5～14 dB，100～400 Hz衰減15～22 dB，500～2 000 Hz衰減25～28 dB，2 500～6 300 Hz衰減29～33 dB。

艇上各艙室、崗位的次聲波呈混響衰減脈沖波，持續(xù)時(shí)間在300～400 ms之間。

根據(jù)該艇次聲場(chǎng)測(cè)試結(jié)果分析認(rèn)為:該聲場(chǎng)是一種混合型聲場(chǎng)。一是由空壓機(jī)和氣流形成的噪聲，聲響的主觀感覺是頻率高且吵鬧，測(cè)量顯示的主要頻譜在2 000～15 000 Hz。此種噪聲在聲頻的中高頻范圍，隨著距離的漸遠(yuǎn)衰減較快，可聽聲波傳播強(qiáng)度與距離呈反比規(guī)律;二是由裝具工作時(shí)引起的次聲頻波，是本研究的主要對(duì)象。由于該艇裝具浸沒在水中，通過水再輻射到空氣中的次聲能量已衰減無幾，分析認(rèn)為理論上不應(yīng)直接造成對(duì)艇員的危害。通過論證分析認(rèn)為，現(xiàn)存影響主要是發(fā)射的次聲波通過水波引起艇體鋼板振動(dòng)產(chǎn)生二次激發(fā)形成空氣次聲頻聲場(chǎng)，如圖1所示。由于實(shí)艇試驗(yàn)中未作振動(dòng)試驗(yàn)與測(cè)試，因而對(duì)次聲波產(chǎn)生時(shí)的艇體振動(dòng)未能獲得嚴(yán)密的結(jié)論，但可初步斷定是一種以艇體尾部為軸心，艇首部上下波動(dòng)的軸向運(yùn)動(dòng)，此種由次聲槍發(fā)射引起的激勵(lì)波泳運(yùn)動(dòng)為艇體鋼板振動(dòng)奠定了基礎(chǔ)。測(cè)試結(jié)果表明，較強(qiáng)的次聲場(chǎng)在各艙室存在是確鑿的事實(shí)，并且艇的前后甲板、上下艙室的次聲波強(qiáng)度變化不大。

圖1 次聲場(chǎng)形成原理示意圖

2 次聲場(chǎng)環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)裝置

模擬實(shí)驗(yàn)裝置由打擊機(jī)、隔聲箱和試驗(yàn)艙3部分組成，聲壓級(jí)與加速度測(cè)點(diǎn)見圖2。

2.1 打擊機(jī) 固定在隔聲箱頂部，質(zhì)量400 kg，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。

2.2 隔聲箱(外箱) 箱體是產(chǎn)生模擬次聲場(chǎng)的基礎(chǔ)和依據(jù)。為獲得與實(shí)艇相似的聲場(chǎng)，計(jì)算得到外形尺寸為1 200 mm×1 200 mm×1 600 mm，板材取3.5mm厚度鋼板，箱體選用6.3#槽鋼作支架，4個(gè)側(cè)面和頂部?jī)?nèi)壁根據(jù)試驗(yàn)要求鋪設(shè)或不鋪設(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300～600 kg，固有頻率±2 Hz)。

圖2 模擬裝置示意圖

表1 不同頻率的隔聲值(dB)

表2 不同頻率隔振值(dB)

2.3 試驗(yàn)艙(內(nèi)箱) 外形尺寸為500 mm×500 mm×500 mm，計(jì)算獲得箱體用2 mm厚鋼板。試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)艙直接擱置在隔聲箱底板上。

2.4 試驗(yàn)艙和隔聲箱 同一側(cè)各留1個(gè)直徑為20 mm測(cè)試電纜引入孔，2個(gè)孔高低錯(cuò)開。測(cè)試電纜穿入后用硅橡膠密封。

2.5 噪聲測(cè)量 采用挪威840型雙通道實(shí)時(shí)分析儀(低頻截止0.1 Hz)和1223型低頻電容傳聲器(1～10 000 Hz，±1 dB)。兩路傳聲器經(jīng)10 m測(cè)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(cè)量采樣時(shí)間為10 ms，兩路同時(shí)測(cè)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(cè)量的聲學(xué)參數(shù)有等效線性聲壓級(jí)、A計(jì)權(quán)聲級(jí)、最小值、最大值，并進(jìn)行1/3倍頻程頻譜分析。

2.6 振動(dòng)測(cè)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)艙底部。將積分放大器的電壓輸出連接到挪威840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 結(jié)果

本次實(shí)驗(yàn)的目的在于通過建立環(huán)境模擬裝置，模擬實(shí)艇次聲頻聲場(chǎng)，模擬次聲頻試驗(yàn)中盡管打擊機(jī)的激發(fā)工況重復(fù)性比較差，但試驗(yàn)采用了雙通道信號(hào)同時(shí)間記錄的方法，彌補(bǔ)了上述不足。不同頻率的隔聲值和隔振值見表1、2。

試驗(yàn)結(jié)果證明，試驗(yàn)艙內(nèi)的次聲是由打擊機(jī)通過隔聲箱產(chǎn)生振動(dòng)引起的，與前期理論分析證明實(shí)艇次聲場(chǎng)的產(chǎn)生原理相吻合［3]。

由表1、2可見，模擬次聲場(chǎng)的頻譜能量主要集中在8～50 Hz，與某型艇裝具發(fā)生器工作時(shí)聲場(chǎng)測(cè)試結(jié)果很接近，符合試驗(yàn)要求。隔聲箱鋪設(shè)的吸聲材料在中高頻段有一定的降噪作用［4-5]。

4 結(jié)論

本研究依據(jù)實(shí)艇的客觀狀況，以某型艇次聲場(chǎng)物理數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，提出了該艇次聲場(chǎng)產(chǎn)生的原理，并研制了實(shí)艇次聲環(huán)境的模擬裝置，進(jìn)而為治理方案的研究提供了技術(shù)解決途徑并奠定了可信的科學(xué)依據(jù)。

［1] 谷嘉錦.高聲強(qiáng)次聲和低頻聲的研究［J] .噪聲與振動(dòng)控制，1999，19(2):6-8.

［2] Takahashi Y，Yonekawa Y，Kanada K，et al.An infrasound experiment system for industrial hygience［J] .Indust Heal，1997，35(4):480-488.

［3] Alcoverro B，Le Pichon A.Design and optimization of a noise reduction system for infrasonic measurements using elements with low acoustic impedance［J] .J Acoust Soc Am，2005，117(4):1717-1727.

［4] 趙紅武，孫曉峰.可控聲阻抗聲襯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究［J] .聲學(xué)學(xué)報(bào)，1998，23(5):430-438.

［5] 李峰.具有低頻衰減性能的粘彈阻尼材料［J] .噪聲與振動(dòng)控制，1997，17(5):39-40.