鉆井船空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的消音降噪

田碩實(shí)，杜曉程，陳育喜

（中滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司 LNG技術(shù)研究所，上海 200120）

0 引言

近年來，隨著船舶與海洋工程領(lǐng)域市場行情走低，船東對船舶的設(shè)計要求愈來愈嚴(yán)苛。船廠在制造船舶產(chǎn)品的過程中，不僅要滿足其功能性，還需要提升其舒適性。噪聲等級作為檢測艙室居住與工作環(huán)境舒適度的一項重要指標(biāo)，正逐漸受到船級社的重視。隨著國際海事組織（International Maritime Organization,IMO）通過MSC337（91）對 IMO.A.468進(jìn)行升級[1]，挪威船級社（DNV GL）、中國船級社（CCS）、法國船級社（BV）與美國船級社（ABS）等各大船級社也先后更新了舒適性的附加符號，以完善對噪聲的相關(guān)要求，見表1。

鉆井船的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)是居住區(qū)域與機(jī)械區(qū)域噪聲的一個重要來源，必須在前期設(shè)計時做好噪聲控制，并在后期調(diào)試時做好消音降噪。為了打好這場沒有硝煙的戰(zhàn)爭，在實(shí)際應(yīng)用中達(dá)到事半功倍的效果，需要先了解一下噪聲的常用概念。

1 噪聲概述

1.1 聲功率

聲功率是指聲源在單位時間內(nèi)向空間輻射聲的總能量，其物理符號為E，單位為W。在噪聲檢測中，聲功率指的是聲源總聲功率。在數(shù)值計算過程中，聲功率可以直接代數(shù)相加。

表1 船級社噪聲符號

1.2 聲功率級

聲功率的表達(dá)式為

式中：W0為基準(zhǔn)聲功率，常用基準(zhǔn)聲功率為W0=10-12W，dB；W為聲功率值，dB。

詳細(xì)的聲功率級數(shù)據(jù)資料會按照不同倍頻帶分開表示。某型號為CK160C的NAV.EQ.RM(E)海洋設(shè)備處理間抽風(fēng)機(jī)的聲功率級資料見表2。通常會選擇中心頻率來代表每個倍頻帶。如：用中心頻率125 Hz來代表90 Hz～180 Hz倍頻帶。倍頻帶的頻率上限是下限的兩倍（180 Hz是90 Hz的2倍）。

表2 風(fēng)機(jī)的聲功率級資料

在計算過程中，聲功率級的疊加公式為

1.3 聲強(qiáng)

聲強(qiáng)是指聲波平均能流密度的大小。

聲源在某點(diǎn)發(fā)出聲波并向外傳播，計算其距聲源r處的聲強(qiáng)為

式中：I為聲強(qiáng)，W/m2；E為聲源在聲音傳播到該球面時的總聲功率，W。

通常，聲強(qiáng)可以理解為單位面積上的聲功率。聲強(qiáng)可以直接代數(shù)相加。

1.4 聲壓

聲音通過空氣振動所產(chǎn)生的壓強(qiáng)稱之為聲壓，單位為Pa。聲壓相當(dāng)于在大氣壓強(qiáng)上疊加一個聲波擾動引起的壓強(qiáng)變化。聲壓的測量在現(xiàn)實(shí)中比較容易實(shí)現(xiàn)。聲壓不能夠直接代數(shù)相加。

聲壓與聲強(qiáng)的換算公式為

式中：p為聲壓，Pa；I為聲強(qiáng)，W/m2；ρ為介質(zhì)密度，kg/m3；C為聲速，m/s。

1.5 聲壓級

聲壓級的表達(dá)式為

式中：Lp為聲壓級，dB；p0為基準(zhǔn)聲壓，2×10-5Pa；p為聲壓值，Pa；I0為基準(zhǔn)聲壓對應(yīng)的聲強(qiáng)，W/m2；I為聲強(qiáng)值，W/m2。

由式(5)可知，聲壓級可以通過公式進(jìn)行代數(shù)求和（疊加）。

1.6 A聲級

A聲級是指具有A計權(quán)特性時測得的計權(quán)聲壓級，符號為Lp(A)，單位為dB(A)。

式中：ΔLi為第i個倍頻帶的A聲級計權(quán)修正值；Lpi為每個倍頻帶的聲壓級數(shù)據(jù)。

人的聽覺對低頻聲音不夠敏感。A聲級對低頻段（500 Hz以下）噪聲進(jìn)行人工衰減，從而盡量做到與人的感覺一致。許多測量噪聲的聲級計可以通過模式選擇直接對A聲級數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，這是當(dāng)今噪聲評判的主要標(biāo)準(zhǔn)。A聲級噪聲修正數(shù)據(jù)見表3。

表3 A聲級噪聲修正數(shù)據(jù)

2 居住區(qū)域噪聲計算

2.1 噪聲的疊加效果

根據(jù)聲功率級以及聲壓級的疊加式(1)和式(5)可以看出，只有數(shù)值相近的噪聲源疊加，才會有明顯的增益效果。比如2個相同聲壓級的噪聲源疊加，聲壓級增加了 3 dB。但是兩個聲源的聲壓級超過10 dB時，聲壓級只會增加0.4 dB，可以忽略不計。

n個相同聲壓級（Lp1）聲源疊加公式為

同理，n個相同聲功率級（Lw1）疊加公式為

2.2 風(fēng)管中的噪聲衰減與再生噪聲

居住區(qū)域的噪聲要求普遍偏高，有的房間甚至?xí)_(dá)到 55 dB[2]。上層建筑由于鮮有大型設(shè)備的存在，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的噪聲就成為了房間噪聲的主要來源。因此，必須在設(shè)計時做好計算，盡量避免在前期產(chǎn)生不必要的噪聲。

空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的噪聲主要來自于風(fēng)機(jī)以及風(fēng)管內(nèi)的氣流振動。風(fēng)機(jī)的噪聲經(jīng)過直管、彎頭、三通、變徑等的衰減，最后到達(dá)房間內(nèi)部。同時氣流在流經(jīng)直管、彎頭、三通、變徑時均會產(chǎn)生再生噪聲。在進(jìn)行上建區(qū)域計算時，由于設(shè)計風(fēng)速（見表4）普遍偏低，螺旋風(fēng)管或鍍鋅鋼板方風(fēng)管的尺寸與布置比較規(guī)范，所以風(fēng)管內(nèi)因氣流振動導(dǎo)致的再生噪聲很小，與同位置的風(fēng)機(jī)噪聲進(jìn)行疊加的效果可以忽略不計。計算主要著眼于噪聲源（風(fēng)機(jī)）產(chǎn)生的噪聲經(jīng)過風(fēng)管的衰減最終進(jìn)入房間的數(shù)值。

表4 低噪聲空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)建議風(fēng)速

2.2.1 直管噪聲衰減

金屬直管噪聲衰減量與管道截面周長、管長成正比，與截面積成反比。衰減數(shù)據(jù)可以在《噪聲與震動控制工程手冊》[1]上查詢，具體見表5[3]。

表5 金屬直管噪聲衰減量（單位：dB/m）

圓形風(fēng)管De（每米風(fēng)管噪音衰減量）的計算公式為

式中：a為圓形風(fēng)管的長，m；b為圓形風(fēng)管的寬，m；De為圓形風(fēng)管的直徑，m。

經(jīng)過指定風(fēng)管衰減后，各個倍頻帶的噪聲聲功率級為

式中：Lw2為衰減后的聲功率級，dB；Lw1為衰減前的聲功率級，dB；ΔL為聲功率級衰減值，dB。

式(11)對后面彎頭、三通等的噪聲衰減同樣有效。

2.2.2 彎頭噪聲衰減

彎頭噪聲衰減量見表6[3]。彎頭尺寸越大，衰減量越高。

表6 彎頭噪聲衰減量（單位：dB/個）

2.2.3 三通噪聲衰減

風(fēng)管中有管路分叉時，噪聲能量按照支管的斷面積比例分配。衰減量可以按照式(12)計算。

式中：S1為支管的斷面積，m2；S為分叉處全部支管的斷面積，m2。

2.2.4 變徑（突擴(kuò)與突縮）噪聲衰減

管道截面突變也會造成噪聲衰減，公式為

式中：S1為變徑前的風(fēng)管斷面積，m2；S2為變徑后的風(fēng)管斷面積，m2。

2.2.5 通風(fēng)附件噪聲衰減

通風(fēng)附件噪聲衰減主要指空調(diào)布風(fēng)器對噪聲的衰減。不同的產(chǎn)品效果不同，這里以通過同濟(jì)大學(xué)聲學(xué)研究所測試的TAB-250型布風(fēng)器為例，其噪聲衰減量見表7。

由表7可知：布風(fēng)器內(nèi)風(fēng)量越小，消音效果越好。所以一般在進(jìn)行布風(fēng)器的選型時，可按照它最大風(fēng)量的80%來進(jìn)行風(fēng)量分配，以達(dá)到良好的消音效果。

表7 TAB-250型布風(fēng)器噪聲衰減量（單位：dB/個）

2.2.6 風(fēng)口末端反射噪聲衰減

當(dāng)噪聲到達(dá)風(fēng)管送風(fēng)口時，一部分能量由于反射而衰減。風(fēng)口末端反射損失與風(fēng)口尺寸、風(fēng)口位置有關(guān)。小風(fēng)口末端反射損失效果強(qiáng)于大風(fēng)口，房間平頂或者墻面中部且局部突出的風(fēng)口末端噪聲損失最大。具體數(shù)據(jù)可以通過查閱圖1[3]獲得。

圖1 末端反射噪聲損失列線圖

2.2.7 房間內(nèi)噪聲求值

根據(jù)房間內(nèi)測量距離及聲源位置不同，聲壓級可以通過聲功率級算出。其轉(zhuǎn)換公式為[2]

式中：Lw為風(fēng)口傳入房間的聲功率級，dB；Q為聲源位置指向性因子，數(shù)值可以根據(jù)圖2[4]?。≦實(shí)際上是一個與風(fēng)口尺寸有關(guān)的函數(shù)，因為船舶設(shè)計中風(fēng)口尺寸差別不會太大，這里為了簡化計算統(tǒng)一取值）；r為聲源與測量點(diǎn)之間的距離，m；R為房間常數(shù)，m2，由房間大小及吸聲能力決定。

圖2 指向性因子

2.3 聲功率級與聲壓級的應(yīng)用

聲功率級是能量，在整個噪聲計算過程中，采用的物理量統(tǒng)一為聲功率級。聲壓級在管路衰減中不能直接用來計算。聲波在風(fēng)管中傳播可以看作平面波，聲壓級與聲功率級關(guān)系為[5]

式中：S為管道的截面積，m2。

由此可見，相同位置的聲壓級會因風(fēng)管尺寸的不同而改變。所以只在計算到最終結(jié)果時，才將聲功率級轉(zhuǎn)換為聲壓級。

2.4 噪聲計算舉例

噪聲源：管道風(fēng)機(jī)；風(fēng)機(jī)參數(shù)：接口DN 160，全壓300 Pa，風(fēng)量800 m3/h。倍頻帶中心頻率與聲功率級的關(guān)系見表8。

表8 倍頻帶中心頻率與聲功率級的關(guān)系

管路系統(tǒng)中有4個支路通向4個布風(fēng)器。為了簡化計算，只計算距離風(fēng)機(jī)最近、噪聲衰減量最小的布風(fēng)器產(chǎn)生的噪聲。假定4個布風(fēng)器噪聲相同，以式(8)和式(9)進(jìn)行疊加計算。

為了簡化計算，在設(shè)計之初對風(fēng)管內(nèi)所有的再生噪聲均進(jìn)行統(tǒng)一考慮。假設(shè)再生噪聲聲功率級與風(fēng)機(jī)一致（此數(shù)值已經(jīng)很大，一般情況下不會達(dá)到），則噪聲的疊加根據(jù)式(8)和式(9)為每個頻帶增加3 dB，見表9。

直管分為2部分，一部分為DN 200，管長13 m；一部分為DN 100，管長1 m。2部分同屬于管徑0.075 m～0.2 m范圍內(nèi)的金屬直管，其消音量見表10。

系統(tǒng)中有一個突擴(kuò)變徑，即DN 160突變?yōu)镈N 200。根據(jù)公式(12)可求得每個頻帶噪聲衰減3.4 dB，具體數(shù)值如表11所示。

表9 噪聲源的修正

表10 金屬直管的消音量

表11 突擴(kuò)變徑的消音量

系統(tǒng)中有1個彎頭，管徑DN 200，彎頭的消音數(shù)值見表12。系統(tǒng)中有1個三通，支管1為DN 100，支管2為DN 180。根據(jù)公式(12)求得每個頻帶消音為6.3 dB，見表13。每個布風(fēng)器分配200 m3/h的風(fēng)量，采用TAB-250消音數(shù)據(jù)，見表14。

表12 彎頭的消音量

表13 三通的消音量

表14 布風(fēng)器的消音量

空調(diào)布風(fēng)器在進(jìn)行消音數(shù)據(jù)采集的時候，已經(jīng)將末端反射消音效果包括在內(nèi)了。如果出風(fēng)口不是空調(diào)專用布風(fēng)器，而是格柵或一般的散流器，需要根據(jù)圖1進(jìn)行末端反射損失計算。

經(jīng)過以上一系列的數(shù)值計算，出風(fēng)口聲功率級總結(jié)見表15。

表15 出風(fēng)口聲功率級

一般測量點(diǎn)距離布風(fēng)器出風(fēng)口1 m，房間體積為100 m3，指向性因子Q一般取值為2。房間性質(zhì)選擇普通房間，R取27 m2。根據(jù)式(13)計算可得出單個布風(fēng)器在房間內(nèi)的聲壓級，見表16。將4個出風(fēng)口噪聲疊加，相當(dāng)于每個頻帶增加6 dB噪聲，結(jié)果見表17。

轉(zhuǎn)換為A聲級，見表18。

表16 單個布風(fēng)器在房間內(nèi)的聲壓級

表17 四個出風(fēng)口噪聲疊加

表18 四個出風(fēng)口A聲級噪聲疊加

再將不同頻帶噪聲進(jìn)行疊加處理，可得總噪聲值為 49.6 dB(A)，而房間噪聲要求不得高于55 dB(A)，所以此房間噪聲符合標(biāo)準(zhǔn)。

如果最終計算所得結(jié)果超出房間的噪聲要求，那么需要將3個數(shù)據(jù)：A聲級數(shù)據(jù)（頻帶表）、房間要求的噪聲標(biāo)準(zhǔn)和噪聲源數(shù)量發(fā)給消音器廠家，供其進(jìn)行消音器選型。當(dāng)然還要綜合考慮消音器所接風(fēng)管的尺寸以及消音器的長度要求等。

3 施工過程的降噪方案

船上的施工環(huán)境復(fù)雜，尤其在機(jī)械區(qū)域，空間的限制、風(fēng)管穿艙形式的不規(guī)則、結(jié)構(gòu)風(fēng)道的采用等因素均會使風(fēng)管中的氣流很難保持低速低噪聲的工況。那么具體到調(diào)試階段，如何處理某些噪聲超標(biāo)的通風(fēng)區(qū)域呢？這里進(jìn)行一些簡單的總結(jié)。

1）風(fēng)管支架的加固與減振

噪聲與振動是緊密相關(guān)的。在現(xiàn)場勘查時，如果發(fā)現(xiàn)噪聲源主要來自于某段風(fēng)管的振動，那么可以通過加粗風(fēng)管支架、為風(fēng)管支架增加減振墊材等手段來減振降噪。

2）風(fēng)機(jī)電機(jī)或葉片更換

此方法主要應(yīng)用于軸流風(fēng)機(jī)。許多風(fēng)機(jī)的電機(jī)噪聲偏大，改用能效高、質(zhì)量好的電機(jī)可以降低噪聲。另外，風(fēng)機(jī)在設(shè)計時普遍全壓余量過大，風(fēng)管阻力并沒有與風(fēng)機(jī)全壓相匹配，風(fēng)機(jī)過高的壓頭就會導(dǎo)致噪聲產(chǎn)生。此時根據(jù)管路的實(shí)際阻力損失，調(diào)整風(fēng)機(jī)電機(jī)與葉片以改變風(fēng)機(jī)的特性曲線，使風(fēng)機(jī)在最佳工況附近運(yùn)行，即可有效降低風(fēng)機(jī)噪聲。

3）風(fēng)機(jī)底座增加減振器

此方法主要應(yīng)用于離心風(fēng)機(jī)。離心風(fēng)機(jī)的平臺式底座上可以增加減振器。如果離心風(fēng)機(jī)振動是噪聲主要來源，可以采用此方法解決。

4）風(fēng)管外部包裹巖棉隔熱層以隔聲

如果風(fēng)管內(nèi)氣體的振動是主要噪聲源，而風(fēng)管僅僅穿過測量區(qū)域而不服務(wù)于該區(qū)域，那么可以使用此方式，利用厚度為30 mm左右的隔熱層隔離風(fēng)管內(nèi)傳出的噪聲。此方案的弊端在于，噪聲并沒有被消解，僅是被隔離無法傳出。如果風(fēng)管內(nèi)氣流噪聲本已很大，那么困在風(fēng)管內(nèi)的噪聲會彼此疊加，進(jìn)而在出風(fēng)口處產(chǎn)生更為強(qiáng)烈的噪聲甚至喘振。所以此方案一般與方案 8）配合使用，將噪聲集中在管路末端統(tǒng)一吸收。

5）軟聯(lián)結(jié)

此方案通過減少振動的傳遞來降低風(fēng)管上的噪聲，主要應(yīng)用于離心風(fēng)機(jī)或空調(diào)進(jìn)出風(fēng)口。但是一定要注意，這種方法不能應(yīng)用于本身噪聲非常大的設(shè)備。如圖3所示，此軸流風(fēng)機(jī)為主要噪聲源，使用軟聯(lián)結(jié)雖然減少了風(fēng)機(jī)傳遞給風(fēng)管的振動，但是帆布軟接頭太薄，聲波通過軟接頭直接傳入室內(nèi)，反而使噪聲加大。有效的解決方案是將軟接頭改為3 mm的厚鋼管聯(lián)結(jié)，并在風(fēng)機(jī)、風(fēng)管外面包裹絕熱層隔音，最后在風(fēng)管末端使用消音器吸收噪聲。

圖3 軟聯(lián)結(jié)

6）風(fēng)管內(nèi)部鋪設(shè)消音棉

如果風(fēng)管尺寸足夠大，且旁邊正好有可拆卸的設(shè)備，如風(fēng)機(jī)、風(fēng)柵等，那么在風(fēng)管內(nèi)鋪設(shè)厚度為25 mm左右的消音棉是最經(jīng)濟(jì)、有效的消音降噪方式。由于消音棉在風(fēng)管內(nèi)部的固定需要有足夠的施工空間，所以此方案對現(xiàn)場操作環(huán)境的要求比較高。

7）增加靜壓箱

風(fēng)管內(nèi)的靜壓箱起到穩(wěn)定氣流、增加氣體靜壓和減少動壓的作用。在此過程中也有消音效果。一般將方法6）與方法7）相結(jié)合，制成消音靜壓箱，降噪效果就會很明顯，可達(dá)到6 dB以上。

8）增加消音器

在風(fēng)機(jī)附近、風(fēng)管中間或者出風(fēng)口處增加消音器是最簡單、直接的消音降噪手段。但是此方案主要用于減少風(fēng)管內(nèi)的氣流噪聲，如果噪聲是由設(shè)備或者風(fēng)管的振動導(dǎo)致的，那么效果不會特別理想。消音器的主要類型有管道式消音器、消音風(fēng)口、插片式消音器等。

管道式消聲器一般適用于中小型風(fēng)管（圓形風(fēng)管的直徑以及矩形風(fēng)管的長邊在1 m以下，風(fēng)量在5 000 m3/h以內(nèi)）。風(fēng)管截面面積與周長比越?。L(fēng)管長寬比必須在合理范圍內(nèi)，一般不超過 3∶1），消音效果越好。

消音風(fēng)口位于風(fēng)管末端，尺寸偏小，安裝簡便。90°彎頭型風(fēng)口的消音效果強(qiáng)于直筒型風(fēng)口。

插片式消音器一般適用于空間大的風(fēng)箱或大型風(fēng)道（風(fēng)量在5 000 m3/h以上）。其消聲效果與消聲插片的片厚（越厚消低頻噪聲效果越好）、間距（越小消高頻噪聲效果越好）以及長度有關(guān)。在增加片厚、減小片距以提升消音效果的同時，要注意防止氣體阻力上升太多而產(chǎn)生再生噪聲。

4 結(jié)束語

空調(diào)通風(fēng)專業(yè)的消音降噪是一個系統(tǒng)性工程，不僅僅要做好前期的噪聲預(yù)防設(shè)計，還要能夠在安裝調(diào)試階段處理掉超標(biāo)的振動噪聲源。兩個方面的工作都不能忽視，做到理論與實(shí)際相結(jié)合，才能設(shè)計出合格的船舶海工HVAC系統(tǒng)。