艙室通風系統(tǒng)設計中的噪聲控制

，

(上海船舶研究設計院，上海 201203)

船舶艙室的噪聲控制是一個復雜的工程聲學問題，船上噪聲源繁多，產生的噪聲對各個艙室的影響也不盡相同。根據以往多個項目的經驗，在艙室的噪聲控制中，除了需要注意船上各設備的機械噪聲通過空氣輻射和結構傳遞對上建艙室噪聲水平的影響外，空調通風管路噪聲的影響往往也較為突出。

在眾多艙室中，廚房的空調通風系統(tǒng)包含機械送風、機械抽風和空調送風三部分，在艙室通風管路噪聲計算分析和控制方面有一定的代表性，分析以38 800 t智能散貨船的廚房為例，采用統(tǒng)計能量法分析船上各設備的機械噪聲對該艙室噪聲水平的影響，著重分析其通風管路噪聲并進行計算，將兩者疊加計算后的結果與IMO的標準進行對比，制訂合理、經濟的噪聲控制方案。

1 艙室機械噪聲分析

目前，有關噪聲方面的分析計算用到的分析方法主要是有限元法、邊界元法和統(tǒng)計能量法(SEA)。每種方法都有各自的特點和適用范圍。在船舶噪聲預報分析中應用較為廣泛的是統(tǒng)計能量法，主要是因為相比于其他幾種方法而言，統(tǒng)計能量法的模型相對簡單，計算量也較小，適應頻帶相對較寬[3-4]。

根據38 800 t智能散貨船的艙室布置圖、上建結構圖、機艙結構圖等相關圖紙，建立該船上建、機艙及艉部的統(tǒng)計能量分析模型[5]，見圖1。模型由板格和聲腔子模型構成，對一些構件進行簡化處理，以保證足夠的模態(tài)密度。

圖1 統(tǒng)計能量法聲腔模型

38 800 t智能散貨船的機艙和上建均布置于艉部，正常航行時，噪聲源主要位于機艙區(qū)域和上建區(qū)域。機艙區(qū)域的噪聲源主要來自于主機、柴油發(fā)電機和螺旋槳等大型設備，包括各設備運轉時引起船體結構振動所產生的結構噪聲向空氣中輻射的空氣噪聲。上建區(qū)域的噪聲源主要來自于空調機組和風機運行時產生的噪聲。

航行工況下典型艙室的機械噪聲計算結果見圖2。

圖2 航行工況下典型艙室機械噪聲分布

目標艙室廚房的機械噪聲值為61 dB(A)。

2 艙室空調通風管路噪聲分析

噪聲分析過程中，除了聲源，傳聲途徑、接收者也是不可或缺的重要因素，三者共同構成完整的噪聲分析體系。通風系統(tǒng)的噪聲源主要分為兩部分：一部分與空調器、通風機有關，主要是空調等設備運行時發(fā)出的電磁噪聲、機械噪聲和空氣動力噪聲等，另外一部分則是氣流在風管和設備內流動時直接產生的雜亂無規(guī)則的氣動再生噪聲；傳聲途徑主要是風管，此外艙室內吸聲材料的選擇也影響著測量點的最終混響計算。

因此，艙室空調通風管路噪聲的控制主要通過2種途徑：①優(yōu)化系統(tǒng)設計，降低聲源處的噪聲；②從噪聲自聲源傳至接收者的途徑著手，采用適當?shù)拇胧﹣硎菇邮仗幍脑肼曋档玫娇刂?，使之滿足相關要求。

2.1 系統(tǒng)設計選型優(yōu)化

2.1.1 風機選型

風機產生的噪聲大小和頻率分布與風機的結構形式、安裝方式和風量轉速等有著密切關系。離心風機、軸流風機和管道風機作為目前船上常用的幾種風機類型，各自的特性和適用范圍均有所不同。

根據廚房的空間大小以及通風次數(shù)要求，確定風機風量，并預估風機所需靜壓，結合廚房風機所需安裝空間大小及風機成本等因素后，初步選取的風機參數(shù)見表1。

表1 廚房風機參數(shù)

風機選定之后，應盡可能將其安裝在減振器或彈性墊片上[6]，在風機的進出口應盡可能設置軟接頭等。采用上述措施可在一定程度上減少風機運行時產生的噪聲。

2.1.2 風管及通風附件布置

在分析計算通風管路噪聲時，應注意風管及管路上通風附件對噪聲的影響。當風機工作時，一方面，聲波沿著風管傳播時會有一定的自然衰減，衰減量與風管的尺寸與長度相關；另一方面，當氣流通過風管時，因氣流局部受阻而產生渦流或紊流，由此會產生氣流再生噪聲，該噪聲很大程度上與風速相關。但由于船上通風系統(tǒng)的風速一般不會很高，此時氣流再生噪聲對整體噪聲的影響很小，通?？梢院雎訹7]。通風管路上的彎頭、支管、調風門和布風器等通風附件對噪聲的影響與風管的情況類似。

在設計通風管路時，管內的風速需根據末端風量的分配需求合理選擇，風速的選取范圍參照表2[8]。

此外，在保證管路入口風速與通風量相同的情況下，船上通風管路采用圓管時其氣動噪聲特性要好于方管，圓管產生的氣動噪聲低于方管[9]，因此，優(yōu)先使用圓管。

表2 風管及風口的推薦流速 m/s

對廚房初步的風管布置圖進行簡化處理，得到如圖3所示的廚房通風噪聲計算模型。

通過經驗公式計算得到風管和各通風附件的聲衰減量(其中布風器的聲衰減量由布風器廠家提供)，見表3。

2.2 噪聲計算和結果分析

考慮最不利情況，選取離聲源最近的抽風頭或布風器作為終端，對該通風管路的噪聲進行計算。當沿風管傳遞的噪聲到達抽風頭或布風器末端時，有一部分噪聲能量將在末端發(fā)生反射而產生衰減，衰減值與該風口的形狀、大小有關，通過經驗公式可以估算廚房各風口由于末端反射引起的聲衰減量，結果見表4(其中送風風口一行數(shù)據由布風器廠家提供)。

在計算廚房通風噪聲時，還需考慮室內的直達聲與混響聲的疊加情況[10]。

(1)

圖3 廚房通風噪聲計算模型

頻率/Hz631252505001 0002 0004 0008 000送風系統(tǒng)風管/dB0.120.170.190.270.370.370.370.37抽風口/dB22222222頻率/Hz631252505001 0002 0004 0008 000抽風系統(tǒng)風管/dB3.203.202.401.601.151.151.151.15彎頭/dB00584330頻率/Hz631252505001 0002 0004 0008 000風管/dB0.450.500.750.801.551.551.551.55空調系統(tǒng)彎頭/dB00001356支管/dB33333333布風器/dB111103140393737

表4 各風口由于末端反射引起的聲衰減量 dB

式中：Lp為受聲點各倍頻帶聲壓級，dB；Lwk為聲源各倍頻帶聲壓級，dB；Q為聲源指向性因數(shù)，本例中聲源位于室內某一角落，Q=8；r為受聲點至聲源的距離，m，本例中取r=1 m；Rr為聲學環(huán)境的房間常數(shù)，m2。

(2)

由此計算得到廚房的送風、抽風及空調送風系統(tǒng)噪聲分別為76 dB(A)、79 dB(A)和51 dB(A)。

將上述計算結果與前述通過統(tǒng)計能量法估算得到的廚房背景噪聲進行疊加[11]。

(3)

計算得到廚房的最終噪聲為81 dB(A)，而IMO對廚房的噪聲要求為75 dB(A)[12]，因此需要通過一定的降噪措施對通風系統(tǒng)進行優(yōu)化，比如選擇噪聲更低的風機，在風管內鋪設吸聲材料等。但本例中，廚房送風機已選用了噪聲較低的管道風機，空調內部的風機出于使氣流更均勻的目的一般都選擇離心風機，而所需的抽風機風量大，靜壓高，管道風機不適用；至于在風管內鋪設吸聲材料，則會給船廠增加較大的施工量和人力成本，所以一般也不會優(yōu)先選取此類方案。

綜合考慮艙室內的布置、施工可行性以及成本等因素，比較經濟、有效且易于實現(xiàn)的方法是增配消聲器。

3 選配消聲器

消聲器按照消聲原理的不同，主要可分為抗性消聲器、復合式消聲器和阻性消聲器。

3.1 氣流對消聲器的影響

需要注意的是，氣流方向會引起消聲器內噪聲傳播和衰減規(guī)律產生變化，對于不同消聲原理的消聲器，其影響也是不同的。

1)對于阻性消聲器，氣流方向對噪聲的影響主要體現(xiàn)在改變聲波的彎曲方向。當氣流與聲傳播方向一致時，聲波按折射原理向管壁彎曲，聲波與吸聲材料接觸面增大，有利于消聲降噪。反之，則不利于消聲。

2)對于抗性消聲器，氣流方向對噪聲的影響主要體現(xiàn)在改變聲波波長。抗性消聲器的聲衰減系數(shù)隨著氣流方向與聲傳播方向間夾角大小的變化而變化，當夾角為零時，聲衰減系數(shù)最小，抗性消聲器消聲效果最好。

無論阻性還是抗性消聲器，因為船上通風系統(tǒng)中氣流速度都不是很大，氣流對消聲器性能的影響比較小(約1～2 dB)，通?？梢院雎浴５诳紤]消聲器安裝位置時還是應優(yōu)先將其安裝在流速較低的管段處，盡可能減小氣流對消聲性能的影響。

3.2 最終計算及實船驗證

考慮到船上安裝空間有限，尺寸較大的抗性消聲器和成本較高的復合式消聲器一般不予以考慮，而且船上空調通風系統(tǒng)產生的噪聲主要集中在中頻段，噪聲分布的頻帶范圍也較寬，所以最終選擇阻性消聲器作為主要的消聲手段。消聲器參數(shù)見表5。

表5 廚房通風消聲器聲衰減量 dB

在廚房通風管路適當位置加裝阻性消聲器后，噪聲計算結果為67 dB(A)。

試航實測廚房噪聲值為68.1 dB(A)，比計算值高1.1 dB(A)。對比IMO噪聲標準的要求值75 dB(A)，廚房噪聲滿足要求。

對船上其他艙室采用類似的計算分析方法進行計算，計算值與實測值均基本相符，誤差也均在可接受范圍內。