船舶機(jī)艙集控室聲能量分析與降噪設(shè)計(jì)

樊 紅，丁許聰，秦 歡

（武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430063）

目前，由于柴油機(jī)良好的經(jīng)濟(jì)性和寬廣的功率范圍，90%以上船舶推進(jìn)采用的是柴油機(jī)動(dòng)力裝置。但是柴油機(jī)相對(duì)于其它動(dòng)力裝置，一個(gè)明顯的缺點(diǎn)是其振動(dòng)噪聲大。無(wú)論是作為船舶推進(jìn)主機(jī)還是發(fā)電輔機(jī)的柴油機(jī)，大多數(shù)噪聲都超過(guò)100 dB(A)所以大多數(shù)船舶機(jī)艙都設(shè)有集控室。集控室將機(jī)艙內(nèi)的操縱系統(tǒng)、車鐘、各類儀表與報(bào)警系統(tǒng)集中于一室，內(nèi)設(shè)空調(diào)系統(tǒng)。國(guó)際海事組織《船上噪聲等級(jí)規(guī)則》規(guī)定，機(jī)艙內(nèi)噪聲不超過(guò)110 dB(A)，集控室內(nèi)噪聲級(jí)不超過(guò)75 dB(A)[1]。由于集控室聲學(xué)處理不當(dāng)而造成集控室噪聲超標(biāo)的船舶很多，所以集控室往往是船舶最重要的噪聲控制對(duì)象之一。

為減少集控室的噪聲，可供選擇的措施一般包括對(duì)地板進(jìn)行約束阻尼處理或浮筑地板，圍壁采用帶空腔且填充吸聲材料的雙層結(jié)構(gòu)形式的隔聲板[2–3]，隔聲板一般是根據(jù)不同隔聲板隔聲量測(cè)定試驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)來(lái)選擇。但由于不同船舶機(jī)艙內(nèi)主要聲源柴油機(jī)的聲振性能差異大；大多數(shù)船機(jī)艙布置在尾部，螺旋槳激勵(lì)引起的結(jié)構(gòu)噪聲也很大；船體又是鋼結(jié)構(gòu)，其振動(dòng)傳遞損失很小。導(dǎo)致集控室聲能量傳遞途徑復(fù)雜，僅憑經(jīng)驗(yàn)采取減振降噪措施，其措施的有效性與經(jīng)濟(jì)性有時(shí)不能很好兼顧。

因此，本文利用通用聲振軟件VA One，基于統(tǒng)計(jì)能量方法(SEA)，對(duì)某船進(jìn)行艙室噪聲預(yù)測(cè)，并分析集控室聲能量來(lái)源及組成，從而有針對(duì)性地對(duì)集控室進(jìn)行降噪設(shè)計(jì)。

1 船舶艙室噪聲預(yù)報(bào)模型

1.1 研究對(duì)象描述

本文研究對(duì)象為某平臺(tái)工作船，總長(zhǎng)85.0 m，垂線間長(zhǎng)77.75 m，型寬22.0 m，型深8.00 m，設(shè)計(jì)吃水6.3 m，雙機(jī)雙槳推進(jìn)，主機(jī)最大持續(xù)服務(wù)功率(100%MCR)2206 kW，額定轉(zhuǎn)速800 r/min。該船為艏樓型，上層建筑從下往上依次為主甲板、升高甲板、艏樓甲板、艇甲板、辦公甲板和駕駛甲板。機(jī)艙位于58－94號(hào)肋位間。集控室位于機(jī)艙中間甲板85－94號(hào)肋位間，其位置如圖1所示，中間甲板距主機(jī)機(jī)座高度為3.4 m。

圖1 機(jī)艙縱剖圖

1.2 統(tǒng)計(jì)能量法（SEA）理論

統(tǒng)計(jì)能量法是將一個(gè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的振聲系統(tǒng)分成若干個(gè)相互耦合的子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)在某個(gè)頻率范圍內(nèi)都有若干共振頻率，也可以認(rèn)為這些共振頻率是由多個(gè)振子組成的振子群產(chǎn)生的。在每個(gè)振子群中，能量?jī)?chǔ)存于彈性和慣性元，通過(guò)阻尼元耗散，并且能量可以經(jīng)耦合元傳遞到其他振子群。SEA法的目標(biāo)是根據(jù)系統(tǒng)的各參數(shù)建立各子系統(tǒng)的能量流動(dòng)關(guān)系，最后導(dǎo)出能量平衡方程，通過(guò)求解能量平衡方程可以得到每個(gè)子系統(tǒng)的能量，從而得到所求的振動(dòng)響應(yīng)[4]。運(yùn)用統(tǒng)計(jì)能量法的關(guān)鍵是合理劃分物理子系統(tǒng)，即必須滿足相似性和顯著性條件，相似性條件是指劃分的每個(gè)子系統(tǒng)幾乎具有相等的激勵(lì)和阻尼，或者說(shuō)相等的振動(dòng)能量，顯著性條件是指這些子系統(tǒng)在能量的傳輸、消耗和儲(chǔ)存中起重要作用。另外為保證計(jì)算精度，建立統(tǒng)計(jì)能量模型時(shí)要求單位帶寬內(nèi)的模態(tài)數(shù)≧5。

統(tǒng)計(jì)能量法已成功運(yùn)用于航空航天、汽車和船舶等領(lǐng)域[5]。

1.3 平臺(tái)工作船的SEA模型

采用VAOne軟件進(jìn)行全船建模，其步驟如下：

(1)根據(jù)實(shí)船艙室分布和船體結(jié)構(gòu)，建立全船所有子系統(tǒng)模型，全船劃分為梁(Beam)、加筋板(Ribbed Plates)、聲腔(Acoustic Cavities)和半無(wú)限流體(Semi-infinite Fluids)四類子系統(tǒng)。半無(wú)限流體是考慮舷外水對(duì)船舶振動(dòng)噪聲的影響。為建模和計(jì)算方便，在保證模型精度前提下，將門窗統(tǒng)一建成板。

(2)定義材料屬性和物理屬性：定義模型中用到的材料的物理屬性，如使用的鋼板的密度、彈性模量、泊松比等；定義模型中使用的各種梁、板的結(jié)構(gòu)形式、材料和厚度等。

(3)創(chuàng)建子系統(tǒng)和子系統(tǒng)的連接，確保所有子系統(tǒng)之間完全耦合，能量在子系統(tǒng)間傳遞正常。

(4)計(jì)算和確定激勵(lì)源以及板、聲腔的內(nèi)損耗因子。

(5)求解，輸出結(jié)果。

1.4 激勵(lì)源的確定與計(jì)算

機(jī)艙集控室噪聲由“空氣聲”和“結(jié)構(gòu)聲”組成，并且由于集控室位于機(jī)艙內(nèi)，兩種噪聲能量都很大?？諝饴暿侵鬏o柴油機(jī)等聲源產(chǎn)生的輻射聲，經(jīng)空氣媒質(zhì)等傳播并透過(guò)集控室地板和圍壁進(jìn)入室內(nèi)的；結(jié)構(gòu)聲是主輔柴油機(jī)與螺旋槳等機(jī)械產(chǎn)生的振動(dòng)，經(jīng)過(guò)船體結(jié)構(gòu)傳播至集控室6個(gè)面，并向室內(nèi)輻射的。

艙室噪聲預(yù)測(cè)選取主機(jī)100%MCR航行工況。由于該船輔機(jī)安裝有減振器和標(biāo)稱消減能力為35 dB(A)的消聲器，其振動(dòng)和噪聲激勵(lì)比主機(jī)小很多，對(duì)全船艙室包括集控室的影響可以忽略。集控室內(nèi)雖裝有空調(diào)，但空調(diào)噪聲值小于55 dB(A)。因此該船航行工況下的激勵(lì)源主要是主機(jī)的輻射聲激勵(lì)、主機(jī)作用在船體主機(jī)座上的結(jié)構(gòu)激勵(lì)和螺旋槳的脈動(dòng)壓力對(duì)船底板的激勵(lì)。

主機(jī)和螺旋槳激勵(lì)大小采用經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)估算[1，6]。模型中分別表現(xiàn)為柴油機(jī)的輻射聲功率級(jí)、柴油機(jī)機(jī)腳處的振動(dòng)加速度級(jí)和螺旋槳振動(dòng)加速度級(jí)，其頻譜如圖2所示。

2 噪聲預(yù)測(cè)結(jié)果及集控室聲能量分析

2.1 噪聲預(yù)測(cè)結(jié)果

圖3為該船艙室的噪聲云圖，預(yù)測(cè)的艙室數(shù)共61個(gè)。

圖2 激勵(lì)力頻譜

圖3 全船噪聲云圖

為驗(yàn)證預(yù)測(cè)結(jié)果的可信性，進(jìn)行了實(shí)船艙室噪聲測(cè)量[7]。測(cè)量?jī)x器選用Larson Davis Model 831一類精密積分聲級(jí)計(jì)。這里僅選取各層甲板上代表性艙室共11個(gè)，列出其A計(jì)權(quán)后噪聲預(yù)測(cè)值與測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。

表1 噪聲實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值對(duì)比表/dB(A)

可以看出，誤差范圍均在5 dB(A)以內(nèi)，預(yù)測(cè)結(jié)果可以接受。除駕駛室由于電子設(shè)備噪聲原因，其實(shí)測(cè)值比預(yù)測(cè)值大以外，實(shí)測(cè)值都比預(yù)測(cè)值略小。

集控室的噪聲預(yù)測(cè)值為81.9 dB(A)，實(shí)測(cè)值78.8 dB(A)，都超出了噪聲限值。表中艙室噪聲預(yù)測(cè)值均考慮了艙室內(nèi)裝材料，原船集控室地板為常規(guī)A60級(jí)防火方案，即甲板上敷設(shè)42 mm厚耐火甲板敷料加5 mm厚橡膠合成地板；圍壁和天花板采用鋼板加微穿孔復(fù)合巖棉板，同時(shí)集控室安裝了隔聲量在30 dB(A)以上的隔聲門與隔聲窗。原船降噪方案集控室仍超標(biāo)3.8 dB(A)。

2.2 集控室聲能量輸入及分析

為了對(duì)集控室進(jìn)行有效的降噪設(shè)計(jì)，采用軟件模擬集控室未加內(nèi)裝材料時(shí)的噪聲值為95.2 dB(A)，頻譜圖如圖4所示。可以看出，在A計(jì)權(quán)后噪聲能量主要集中在200 Hz～3000 Hz頻段，集控室內(nèi)主要為中高頻噪聲。

圖4 無(wú)降噪措施的集控室噪聲頻譜圖

VA One軟件可以查詢相互耦合子系統(tǒng)間的能量輸入關(guān)系[8]，通過(guò)考察集控室和它相連所有子系統(tǒng)的能量關(guān)系，可以知道哪些子系統(tǒng)對(duì)集控室聲能量起主要作用，從而針對(duì)性的采取降噪措施。圖5為無(wú)降噪措施時(shí)集控室能量輸入圖。

圖5 無(wú)降噪措施的集控室聲能量輸入圖

可以看出，由于集控室位于機(jī)艙中間甲板上，通過(guò)船體結(jié)構(gòu)振動(dòng)和輻射進(jìn)入的聲能量都很高。經(jīng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)傳遞入集控室的結(jié)構(gòu)聲，輸入能量最高的子系統(tǒng)為集控室地板，其后依次為后壁板、天花板、前壁板、左壁板和右壁板?？諝饴暠冉Y(jié)構(gòu)聲低一些，輸入能量大的依次是集控室地板，前壁板和左壁板。

3 集控室降噪方案設(shè)計(jì)

集控室的降噪可以采用聲學(xué)包設(shè)計(jì)方法，聲學(xué)包是指減振降噪材料、面板材料及其基體結(jié)構(gòu)材料的組合。不同的材料組合會(huì)導(dǎo)致不同的聲學(xué)包性能或者說(shuō)減振降噪效果，聲學(xué)包設(shè)計(jì)要求根據(jù)不同的噪聲頻譜特性，選擇相應(yīng)的聲學(xué)材料和降噪方法[9]。

集控室要獲得好的降噪效果，必須對(duì)其所有面進(jìn)行處理。但經(jīng)不同面進(jìn)入的能量是不同的，這里考慮對(duì)集控室地板主要進(jìn)行阻尼減振和隔聲處理，對(duì)圍壁和天花板進(jìn)行吸聲和隔聲處理。為了消耗振動(dòng)能量，在地板上噴涂一層內(nèi)耗較大的黏彈性高阻尼材料，再貼上薄的鋼板構(gòu)成約束阻尼，其上再敷設(shè)橡膠合成地板。圍壁和天花板的吸聲材料主要選取超細(xì)玻璃棉和礦物棉，同時(shí)設(shè)計(jì)空氣層增加吸聲效果，隔聲材料主要選取薄鋼板和復(fù)合巖棉板，其中復(fù)合巖棉板用兩層薄鋼板中間夾上礦物棉來(lái)模擬。具體方案如表2所示。

VA One軟件中可以定義噪聲控制處理方案(Noise Control Treatment，NCT)，NCT是通過(guò)分層定義的，一個(gè)NCT可以有幾個(gè)層(layer)，表2中這些層表示在船體鋼板上向集控室內(nèi)一層層敷設(shè)的降噪材料。

采用降噪方案1后得到集控室噪聲預(yù)測(cè)值為85.6 dB(A)，降噪量為9.6 dB(A)，未達(dá)標(biāo)。對(duì)比施加NCT前后的頻譜特性，如圖6所示。

可以看到，200 Hz以下的低頻段，在100 Hz和125 Hz降噪量為4 dB(A)，在200 Hz以后，200 Hz～1000 Hz的降噪量在6 dB(A)～10 dB(A)，1000 Hz以后降噪量逐漸增加，從20 dB(A)增加到45 dB(A)，說(shuō)明該方案對(duì)中高頻噪聲具有良好的降噪效果。

再次考察降噪后的的集控室聲能量輸入關(guān)系，如圖7所示。

從圖7可以看到，在進(jìn)行上述降噪處理后，集控室的聲能量主要來(lái)自于集控室地板的結(jié)構(gòu)聲以及由集控室地板透射進(jìn)入的空氣聲，其他面的輸入能量已大幅降低。集控室還超標(biāo)10.6 dB(A)，考慮到降噪方案1的不足，為加強(qiáng)集控室地板的吸聲與減振效果，采用雙層約束阻尼加上吸聲的浮動(dòng)設(shè)計(jì)，方案2如表3所示。

圖6 施加NCT前和方案1集控室噪聲頻譜圖

圖7 降噪方案1的集控室聲能量輸入圖

計(jì)算得到集控室噪聲值為73.1 dB(A)，降噪量為22.1 dB(A)，集控室的噪聲限值是75 dB(A)，采用降噪方案2后的噪聲值滿足規(guī)范要求。圖8是3種情況下的噪聲頻譜圖。

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，頻率200 Hz以下的噪聲減少幅度很少，頻率200 Hz以上的噪聲大幅度減少，說(shuō)明方案2可以非常好地削減中高頻的噪聲，對(duì)于200 Hz以下的低頻噪聲，降噪效果一般。而與方案1相比，方案2只在地板上增加了一層吸聲材料和一層阻尼材料，說(shuō)明對(duì)集控室的地板進(jìn)行降噪處理時(shí)，雙層約束阻尼結(jié)構(gòu)可以使地板振動(dòng)大大衰減。另外不能只考慮減少地板結(jié)構(gòu)聲，空氣聲也大量從地板進(jìn)入集控室，如果增加一層吸聲材料，會(huì)取得很好的效果。

表2 集控室降噪方案1

表3 集控室降噪方案2

圖8 施加NCT前、方案1和方案2的集控室噪聲頻譜圖

需要注意的是，建立船舶SEA模型時(shí)，為滿足絕大多數(shù)子系統(tǒng)的模態(tài)數(shù)≧5的要求，應(yīng)盡可能少拆分面，所以門窗都統(tǒng)一為建成的板。為了滿足艙室隔聲量要求，集控室必須采用隔聲量一致的隔聲門與隔聲窗，并且要做好門窗的縫隙處理。

4 結(jié)語(yǔ)

基于某平臺(tái)工作船，利用VA One軟件，建立其統(tǒng)計(jì)能量模型，進(jìn)行了包括集控室在內(nèi)的艙室噪聲預(yù)測(cè)，分析了集控室聲能量輸入途徑及排序，根據(jù)集控室噪聲頻譜特性及軟件NCT功能，采用聲學(xué)包設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了降噪設(shè)計(jì)，結(jié)論如下：

（1）船舶機(jī)艙集控室距離激勵(lì)源近，聲能傳遞途徑復(fù)雜，結(jié)構(gòu)聲和空氣聲對(duì)集控室的影響都非常大，必須高度重視集控室的噪聲控制，為輪機(jī)人員創(chuàng)造一個(gè)相對(duì)安靜舒適的工作環(huán)境。

（2）在船舶設(shè)計(jì)階段如果能進(jìn)行艙室噪聲預(yù)報(bào)，可以大大節(jié)省由于事后發(fā)現(xiàn)噪聲超標(biāo)而進(jìn)行改造的費(fèi)用。在艙室噪聲預(yù)測(cè)時(shí)，可以根據(jù)集控室的噪聲頻譜特性和聲能量組成，選擇不同材料組合，利用VA One的NCT功能進(jìn)行聲學(xué)包的優(yōu)化設(shè)計(jì)，比如最優(yōu)的材料組合形式和材料厚度。這種方法同樣也適用于其他艙室的噪聲控制，特別是聲源復(fù)雜，降噪處理難度大的艙室。這樣可以較好解決僅憑經(jīng)驗(yàn)選擇降噪材料時(shí)，由于聲源特性不同和聲能量傳遞途徑復(fù)雜、降噪效果不理想的問(wèn)題，并且能兼顧降噪成本。

（3）集控室地板往往是噪聲能量最大輸入者，要同時(shí)做好減振和隔聲吸聲處理，采用雙層約束阻尼結(jié)構(gòu)可以使地板振動(dòng)獲得很大衰減。集控室圍壁和天花板可以采用帶空氣層且填充吸聲材料的雙層結(jié)構(gòu)。隔聲門與隔聲窗的隔聲量要與圍壁一致。

（4）由于集控室位于機(jī)艙內(nèi)，選擇降噪材料時(shí)要考慮機(jī)艙防火等級(jí)要求。

[1]中國(guó)船級(jí)社.船舶及產(chǎn)品噪聲控制與檢測(cè)指南[S].中國(guó)船級(jí)社，2013.

[2]陳小劍.艦船噪聲控制技術(shù)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2012.

[3]梁炳南，于洪亮，蔡延年.浮動(dòng)艙室設(shè)計(jì)對(duì)船舶機(jī)艙艙室振聲性能的影響[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2015，37(2)：24-29.

[4]姚德源，楊福家，王其政.統(tǒng)計(jì)能量分析原理及其應(yīng)用[M].北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，1995.

[5]李峰，徐芹亮，滕瑤，等.統(tǒng)計(jì)能量法在船舶噪聲與振動(dòng)控制中的應(yīng)用[J].噪聲與振動(dòng)控制，2011，31(6)：152-155.

[6]尼基福羅夫.船體結(jié)構(gòu)聲學(xué)設(shè)計(jì)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1998.

[7]張春宇，樊紅，盛玉夢(mèng).85 m平臺(tái)工作船噪聲分析[J].船海工程，2015，44(6)：69-72.

[8]夏代波，季振林，劉洋，李卓亮.三體高速船艙室噪聲預(yù)報(bào)與控制[J]. 噪聲與振動(dòng)控制，2014，34(2)：119-122.

[9]高處.船舶艙室聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論與方法研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2015.