艦船艙室環(huán)境噪聲分析與控制

竇松然，張思維，王桂波，王 添，王 勃

(中國船舶信息中心，應(yīng)用聲學(xué)研究中心，北京 100101)

0 引 言

現(xiàn)如今我國艦船在設(shè)計(jì)建造中不斷升級換代，艦載設(shè)備不斷增加，而艙室環(huán)境中的噪聲問題也逐漸顯現(xiàn)出來。艙室空氣噪聲的大小是衡量船舶居住性的一個(gè)重要指標(biāo)，相關(guān)部門對船舶適居性的問題也越來越重視。

早在1986年，我國就頒布了《海洋船舶噪聲級規(guī)定》（GB 5979–1986），對海上船舶內(nèi)的艙室噪聲級的最大限值進(jìn)行了規(guī)定，從而為船舶的設(shè)計(jì)、建造、使用等提供了依據(jù)。在軍用規(guī)范中，我國也于2000年頒布的《艦船通用規(guī)范》（GJB 4000–2000）中，根據(jù)艙室的不同需求和功能對噪聲指標(biāo)進(jìn)行了分類，并對每一類艙室的最高限值進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定。

近年來，國內(nèi)外許多學(xué)者對艙室的噪聲工作進(jìn)行了大量的分析研究，王輝波[1]從艦船通風(fēng)系統(tǒng)噪聲的產(chǎn)生、傳播等因素分析，提出了控制通風(fēng)系統(tǒng)噪聲的設(shè)計(jì)方法和技術(shù)措施。李艷華[2]提出了船舶艙室空氣噪聲的總體綜合控制技術(shù)方案。陳越澎[3]對傳統(tǒng)的控制技術(shù)和主動控制消聲技術(shù)對船舶艙室噪聲控制進(jìn)行了綜述。王在忠[4]對某船空調(diào)系統(tǒng)的噪聲情況進(jìn)行了檢測分析，并針對管路設(shè)計(jì)、布風(fēng)器結(jié)構(gòu)、風(fēng)機(jī)選型等方面進(jìn)行了研究。

雖然近年來在艙室噪聲領(lǐng)域有著深入的研究，但船舶艙室噪聲控制需要考慮的因素較多，噪聲控制工程十分復(fù)雜。從噪聲來源看，主輔機(jī)機(jī)電設(shè)備、空調(diào)通風(fēng)管路系統(tǒng)、水管路系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)振動等都是影響船舶艙室噪聲的一個(gè)不可忽略的因素，而這些設(shè)備遍布全船的各個(gè)角落。因此要控制船舶艙室內(nèi)的空氣噪聲，需在設(shè)計(jì)時(shí)就將聲學(xué)問題考慮在內(nèi)，進(jìn)行聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并結(jié)合相應(yīng)的振動噪聲控制措施，從而達(dá)到最好的噪聲控制效果。

1 艦船艙室環(huán)境噪聲檢測

對某船的艙室噪聲環(huán)境進(jìn)行實(shí)船調(diào)研，測試船上的噪聲數(shù)據(jù)，分析噪聲產(chǎn)生的原因。通過對船上的高噪聲艙室進(jìn)行測試、分析總結(jié)可知，船上艙室環(huán)境噪聲具有如下特點(diǎn)：

1）噪聲艙室分布廣泛

主輔機(jī)機(jī)電設(shè)備、空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)、進(jìn)排氣管路等分布在全船的各個(gè)區(qū)域內(nèi)，而這些是船舶艙室環(huán)境噪聲的主要來源。同時(shí)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)振動還會帶動船體結(jié)構(gòu)振動，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)噪聲。此類噪聲的傳播距離長，可影響周邊的艙室。

2）艙室噪聲值偏高

根據(jù)所調(diào)研的高噪聲艙室情況，艙室噪聲值整體偏高，其中空調(diào)艙室最大可達(dá)到90 dB（A）以上，工作艙室最大可達(dá)到70 dB（A），人員居住艙室平均在60 dB（A）左右。部分艙室還會有嘯叫、結(jié)構(gòu)振動噪聲等，嚴(yán)重影響到人員的正常工作和休息。

3）高噪聲艙室多為通風(fēng)系統(tǒng)影響

在實(shí)際調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，風(fēng)機(jī)、空調(diào)艙室分布在全船的各個(gè)區(qū)域，且由于風(fēng)機(jī)本身的振動噪聲較大，產(chǎn)生的噪聲可直接影響到周圍其他艙室。同時(shí)風(fēng)機(jī)室內(nèi)噪聲可沿通風(fēng)管路傳遞到其他艙室，產(chǎn)生噪聲影響。因此要解決艙室環(huán)境噪聲問題，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注通風(fēng)系統(tǒng)的噪聲。

2 通風(fēng)系統(tǒng)噪聲產(chǎn)生原因分析

影響空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)噪聲的原因較多，通常包括空調(diào)風(fēng)機(jī)噪聲、通風(fēng)管路氣流噪聲、末端出風(fēng)口噪聲等[5]。

2.1 空調(diào)風(fēng)機(jī)噪聲

風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，氣流會隨著葉片的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生周期性壓力變化，從而形成旋轉(zhuǎn)噪聲。噪聲的頻率就是葉片在每秒打擊空氣質(zhì)點(diǎn)的次數(shù)，與葉片數(shù)和轉(zhuǎn)速有關(guān)，基本頻率的表達(dá)公式為：

式中：fB為葉片的旋轉(zhuǎn)頻率，Hz；n為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，m/s；N為葉片數(shù)。

風(fēng)機(jī)本身的聲壓級是風(fēng)機(jī)噪聲評價(jià)的基本指標(biāo)，可由比聲壓級，風(fēng)機(jī)風(fēng)量和全壓進(jìn)行估算[6]：

式中：LA為風(fēng)機(jī)進(jìn)氣口（或出氣口）的A聲級，dB（A）；LSA為風(fēng)機(jī)進(jìn)氣口（或出氣口）的比A聲級，dB（A）；Q為風(fēng)量，m3/min；P為風(fēng)機(jī)全壓，mmH2O。

2.2 管道氣流噪聲

在船舶空調(diào)系統(tǒng)中存在著大量的通風(fēng)管道，會產(chǎn)生各種氣流噪聲。通風(fēng)管道的噪聲主要有管道內(nèi)氣流流動噪聲、閥門節(jié)流噪聲以及末端出風(fēng)口噪聲等。

2.2.1 管道氣流流動噪聲

當(dāng)氣流流過空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)各部分時(shí)會產(chǎn)生氣流流動噪聲，當(dāng)氣流流速過高時(shí)，氣流流動噪聲是不可忽視的一項(xiàng)。直管道的氣流流動噪聲聲功率級LW為：

式中：LWC為直管道內(nèi)的比聲功率級，一般為10 dB（A）；v為直管道內(nèi)的氣流流速，m/s；S為直管道的橫截面積，m2。

從公式中可以看出，管道內(nèi)的氣流流動噪聲與管道的氣流流速和管道的橫截面積有關(guān)，且管道的流速占有十分重要的地位。由于受空間影響的限制，實(shí)船中的管道截面積都較小，管道流速很大，根據(jù)實(shí)際調(diào)研情況，風(fēng)機(jī)主管路內(nèi)流速可達(dá)到15 m/s，因此管路氣流流動噪聲在通風(fēng)系統(tǒng)噪聲中有很大的影響。如何合理設(shè)置管路走向，降低管路內(nèi)氣體流動速度，也是現(xiàn)如今通風(fēng)系統(tǒng)降噪急需解決的問題。

2.2.2 閥門節(jié)流噪聲

空調(diào)管路中的調(diào)節(jié)閥是空調(diào)中的主要部件，噪聲值與閥門兩端壓降的3～4次方成正比。閥門的節(jié)流程度越大，噪聲強(qiáng)度越高。節(jié)流噪聲的峰值頻率可由以下公式確定[7]：

圓環(huán)閥

式中：fp為峰值頻率，Hz；V1為閥門開啟圓孔內(nèi)流速，m/s；D為風(fēng)管的直徑，m；d為閥孔的直徑，m。

蝶閥

式中：V2為風(fēng)管與閥板之間的通路平均流速，m/s；B為閥板的寬度，m；α為閥板開啟度與風(fēng)管軸線的夾角，rad。

2.2.3 末端出風(fēng)口噪聲

末端出風(fēng)口噪聲主要為氣流流動產(chǎn)生的湍流噪聲，噪聲直接在房間內(nèi)輻射，出風(fēng)口噪聲與氣流流速有很大關(guān)系。一般來說，為降低出風(fēng)口處噪聲，需在出風(fēng)口處加裝布風(fēng)器。布風(fēng)器為一個(gè)消聲靜壓箱，具有散流、消聲的作用?？烧{(diào)節(jié)出風(fēng)口處的風(fēng)速，并降低出風(fēng)口處的噪聲。

3 艦船艙室噪聲情況分析

不同類型的艙室由于其功能不同，艙室內(nèi)的噪聲源也不盡相同，噪聲情況也有很大的差別。根據(jù)艙室不同的功能屬性不同，可將噪聲艙室分為空調(diào)風(fēng)機(jī)艙室、工作艙室和生活艙室。

3.1 空調(diào)風(fēng)機(jī)艙室

空調(diào)風(fēng)機(jī)艙室作為主要噪聲源艙室，對整船的艙室噪聲水平都有很大的影響?？照{(diào)風(fēng)機(jī)艙室的噪聲主要來自于艙室內(nèi)的風(fēng)機(jī)或空調(diào)器運(yùn)轉(zhuǎn)，噪聲可直接向艙室內(nèi)輻射，同時(shí)噪聲還可通過通風(fēng)管路向其他艙室內(nèi)傳播。

選取某船的典型空調(diào)風(fēng)機(jī)艙室，艙室的噪聲頻譜如圖1所示。從噪聲頻譜的情況可以發(fā)現(xiàn)，空調(diào)風(fēng)機(jī)艙室的噪聲值較大，噪聲的頻帶較寬，在各個(gè)頻率下都具有較高的噪聲值，且在63～400 Hz之間的中低頻噪聲值最大。為此根據(jù)以上分析，針對空調(diào)風(fēng)機(jī)室等高噪聲設(shè)備艙室，需對全頻段的噪聲采取降噪措施，并對中低頻噪聲進(jìn)行重點(diǎn)降噪。

圖1 典型空調(diào)風(fēng)機(jī)艙室噪聲頻譜Fig. 1 The noise spectrum of typical air conditioned cabin

3.2 工作艙室

工作艙室為人員長期停留的艙室，一般艙室內(nèi)不存在直接噪聲源，艙室內(nèi)的噪聲主要來源于周邊其他艙室的噪聲輻射或通風(fēng)系統(tǒng)的管路輻射噪聲或末端噪聲，噪聲值相對較小。

圖2 典型工作艙室噪聲頻譜Fig. 2 The noise spectrum of typical working cabin

圖2為典型工作艙室噪聲頻譜圖。從圖中可以看出，相比空調(diào)風(fēng)機(jī)艙室，艙室內(nèi)的噪聲等級較小。主要噪聲頻段集中在400 Hz以下的中低頻，高頻噪聲則有明顯的下降，這是由于工作艙室中的噪聲源來自于艙室外部，部分噪聲已被艙壁、管壁等隔絕在外，因此噪聲在中高頻有明顯的下降。針對工作艙室的噪聲，應(yīng)重點(diǎn)對艙室內(nèi)的中低頻噪聲進(jìn)行治理。

3.3 生活艙室

生活艙室為人員休息生活的艙室，對噪聲的要求相對較高。由于船上艙室布局緊湊，現(xiàn)有生活艙室的噪聲不能達(dá)到陸上建筑艙室噪聲指標(biāo)，但絕大多數(shù)艙室可滿足人員的基本需求。

生活艙室由于整體的噪聲水平較低，因此通風(fēng)系統(tǒng)末端的噪聲相對突出，同時(shí)某些住艙還會通過風(fēng)管管壁向外輻射噪聲。

圖3為典型生活艙室的噪聲頻譜。從圖中可以看出，生活艙室的平均噪聲值在65 dB（A）以下，與工作艙室相比，噪聲值更偏向低頻，但由于人耳無法聽到20 Hz以下的噪聲值，因此針對生活艙室內(nèi)的噪聲，應(yīng)重點(diǎn)針對100～1000 Hz的噪聲進(jìn)行治理。

圖3 典型生活艙室噪聲頻譜Fig. 3 The noise spectrum of typical working cabin

4 艦船艙室噪聲控制措施

根據(jù)不同艙室中噪聲產(chǎn)生的原因及噪聲頻譜特性，可采取針對性的降噪措施。目前在實(shí)船中應(yīng)用較多的為一些常規(guī)的被動降噪技術(shù)措施。被動降噪措施的應(yīng)用較早，相關(guān)技術(shù)較為成熟，使用較為方便，已廣泛應(yīng)用于軍船及民船的噪聲控制中。常用的被動降噪措施有隔振、阻尼、消聲、吸聲等。除此以外，主動降噪技術(shù)也開始在艦船上進(jìn)行試驗(yàn)應(yīng)用。

4.1 隔振控制措施

主機(jī)、電機(jī)、風(fēng)機(jī)等一些回轉(zhuǎn)設(shè)備，在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)由于內(nèi)部轉(zhuǎn)子不平衡帶來本身振動。一般在設(shè)備與船體基座之間加裝隔振裝置，減少設(shè)備振動向船體結(jié)構(gòu)的傳遞。根據(jù)設(shè)備振動特性，振動量級以及艙室空間特性等影響，選擇不同的隔振處理措施，包括單級隔振、雙級隔振、浮筏隔振等。但隔振裝置對中高頻的振動抑制更為明顯，對低頻振動的效果控制有限。

設(shè)備振動除向船體結(jié)構(gòu)傳遞外，還可通過進(jìn)排氣管路直接向外傳遞。針對壓力較大的管路，可在設(shè)備與管路之間加裝橡膠撓性接管，針對壓力較小的管路，可加裝硅膠布軟連接或帆布軟連接，以達(dá)到管路隔振的效果。

4.2 阻尼減振控制措施

針對機(jī)艙、泵艙、風(fēng)機(jī)室、空調(diào)器室周邊的工作生活艙室存在的振動和噪聲問題，可采用敷設(shè)阻尼板、阻尼涂料等方式進(jìn)行振動控制。根據(jù)振動級大小和振動基體的厚度，可選用不同厚度的阻尼進(jìn)行敷設(shè)。敷設(shè)阻尼后基體可減振40%左右，噪聲值可降低3～5 dB（A）。但阻尼減振措施針對中高頻的振動具有明顯的抑制作用，對低頻的振動作用效果有限。

4.3 管路噪聲控制措施

某些主機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)排氣管路、空調(diào)系統(tǒng)管路在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會產(chǎn)生噪聲，根據(jù)管路內(nèi)噪聲的成因，可采用不同的控制措施。

1）管路內(nèi)機(jī)械噪聲控制

設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械噪聲沿管路向外界傳遞。通過在管路前端加裝消聲器的方式，在保證原有通風(fēng)量的同時(shí)，降低管路噪聲的傳遞。傳統(tǒng)應(yīng)用較廣的消聲器主要為阻性消聲器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)為“穿孔板+玻璃棉”，在中高頻具有良好的消聲效果，但通風(fēng)管路內(nèi)以中低頻噪聲為主，阻性消聲器效果有限，且阻性消聲器內(nèi)壁為穿孔板結(jié)構(gòu)，內(nèi)壁粗糙，管路內(nèi)的阻力損失較大。同時(shí)加入玻璃棉后，消聲器本身的重量也大大增加。

隨著現(xiàn)有工藝的不斷提升，微穿孔板消聲器開始不斷地產(chǎn)生并應(yīng)用，微穿孔板具有阻性和抗性的復(fù)合效果，與傳統(tǒng)阻性消聲器相比，在中低頻段具有更明顯的消聲效果，內(nèi)部流道更光滑，阻力損失更小，重量也更低，更加符合現(xiàn)有艦船的應(yīng)用環(huán)境。在實(shí)船應(yīng)用中，某空調(diào)管路加入了微穿孔板消聲器后，管路出口處的噪聲降低17 dB（A），艙室內(nèi)噪聲降低12 dB（A）。

2）管路氣流噪聲控制

管路氣流噪聲主要為氣流的流量產(chǎn)生突變（沖擊）或其他外界干擾，導(dǎo)致氣流的流動不均勻，局部流動速度過快，從而產(chǎn)生較大的氣流噪聲，并在管路末端傳出。氣流噪聲屬于可再生噪聲，它可在管路內(nèi)任何流動不均勻處產(chǎn)生。要降低管路氣流噪聲需控制管路內(nèi)的氣流流場，保證氣流流動順暢，因此從設(shè)計(jì)階段就要考慮管路氣流噪聲的影響，對管路走向進(jìn)行優(yōu)化。

管路末端由于氣流流動截面突變，同樣會產(chǎn)生較大的氣流噪聲。傳統(tǒng)消聲器主要考慮消聲和調(diào)節(jié)末端流量的作用，無法較好地控制氣流流動，從而產(chǎn)生氣流噪聲。低流噪布風(fēng)器即考慮到氣流噪聲的影響，在保證原有消聲作用的同時(shí)，穩(wěn)定管路末端的氣流流動，從而降低末端出風(fēng)口的氣流噪聲。與傳統(tǒng)布風(fēng)器相比，低流噪布風(fēng)器的降噪量可比同外形尺寸的布風(fēng)器高 5 dB（A）。

3）管壁輻射噪聲控制

某些管內(nèi)產(chǎn)生的噪聲較大，可直接沿管壁向外輻射。針對此類問題，可直接在原有管壁上加裝復(fù)合約束阻尼結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的約束阻尼結(jié)構(gòu)不同，復(fù)合約束阻尼結(jié)構(gòu)在阻尼層和約束層之間加入了吸聲層，可吸收更多通過管壁透射出的噪聲。同時(shí)起到了減振與隔聲的效果。根據(jù)實(shí)船應(yīng)用的效果，采用復(fù)合約束阻尼結(jié)構(gòu)后，艙室內(nèi)的噪聲降低10 dB（A）。

4.4 艙室隔聲控制措施

艙室隔聲處理是指在噪聲傳播途徑上采取措施，對噪聲進(jìn)行遮擋。通過隔聲控制可降低振動噪聲源對艙室的影響。隔聲處理的效果明顯，使用方便，在噪聲控制中得到廣泛應(yīng)用。

隔聲處理通常有2種方式：一種為在噪聲設(shè)備處進(jìn)行處理，通過加裝隔聲罩、風(fēng)機(jī)箱等措施，將設(shè)備產(chǎn)生的噪聲直接進(jìn)行隔絕，達(dá)到降噪隔聲的目的。該種方式占用空間小，降噪效果明顯，一般可降低15～20 dB（A），但隔聲罩的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，還需要考慮通風(fēng)散熱、安裝拆卸、重量、操作等問題，應(yīng)用范圍相對有限。

另一種方式是在艙壁上采取隔聲措施，降低噪聲源艙室向目標(biāo)艙室的噪聲傳遞。傳統(tǒng)方式為在艙室艙壁上直接貼附隔聲礦棉，該種方式設(shè)計(jì)安裝簡單，適用范圍廣泛，一般可降低5～7 dB（A）。針對空間較大的艙室，還可通過安裝隔聲板的方式進(jìn)行隔聲。隔聲板與艙壁之間留有一定的空腔，形成隔聲夾層結(jié)構(gòu)，可降低聲波的傳遞，該種方式的隔聲量可達(dá)到10 dB（A）以上。

4.5 艙室吸聲控制措施

艙室吸聲處理是在噪聲源艙室的艙壁上加裝吸聲材料，將艙室內(nèi)的聲能部分吸收，減小噪聲的反射，從而降低艙室內(nèi)的混響噪聲。常用的船用吸聲材料為玻璃棉、礦棉等多孔吸聲材料。試驗(yàn)測試表明，多孔材料對中高頻噪聲具有良好的吸收效果，而對低頻噪聲的效果有限。微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)通過局域共振原理耗散聲能，相比于多孔吸聲材料，對中低頻噪聲具有更好的效果，且均為金屬結(jié)構(gòu)，重量更輕，可更好地適應(yīng)船上安裝環(huán)境。一般情況下，需根據(jù)艙室內(nèi)的混響噪聲頻譜對吸聲措施進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)，以達(dá)到最佳的吸聲效果。通常對艙室的四壁采取吸聲措施后，噪聲可降低 3～5 dB（A）。

4.6 主動降噪技術(shù)

傳統(tǒng)的被動降噪措施均為無源控制措施，該種方式的設(shè)計(jì)簡單，可靠性高，對中高頻噪聲有較好的效果。但由于低頻噪聲的波長較長，往往會繞過相應(yīng)的降噪措施直接向外透射，因此被動降噪措施針對中低頻噪聲的降噪效果有限。

主動降噪技術(shù)與被動降噪措施不同，采用有源控制，通過傳聲器接收噪聲源的波形信息，并經(jīng)過控制器對波形進(jìn)行處理，產(chǎn)生與原有噪聲源波形相反的次級聲源，以抵消原有噪聲，從而實(shí)現(xiàn)降噪的效果。主動降噪技術(shù)適用于降低低頻噪聲為主的設(shè)備噪聲，最多可降低25 dB（A）以上。目前主動降噪技術(shù)仍處于發(fā)展中，在艦船上的應(yīng)用相對較少，僅在點(diǎn)區(qū)域及線區(qū)域有相關(guān)的產(chǎn)品應(yīng)用，如主動降噪耳機(jī)、主動降噪頭枕、主/被動復(fù)合式消聲器等。由于大空間區(qū)域的噪聲環(huán)境更為復(fù)雜，對控制器及算法程序的要求更高，因此后期還需加強(qiáng)對該技術(shù)的實(shí)船試驗(yàn)研究。

5 結(jié) 語

本文對艦船艙室的噪聲情況進(jìn)行了總結(jié)，并針對通風(fēng)系統(tǒng)對艙室噪聲的影響進(jìn)行了深入分析，同時(shí)結(jié)合噪聲產(chǎn)生的原因和特點(diǎn)，提出了不同的控制措施，并對每種控制措施的特點(diǎn)進(jìn)行了具體闡述。

在實(shí)船的噪聲控制設(shè)計(jì)中，需根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境采取針對性的測量、計(jì)算及分析工作，才能得到有效的解決方案。同時(shí)由于某些設(shè)備本身會產(chǎn)生較大的噪聲，且降噪措施受空間、重量等限制因素較多，艙室噪聲問題無法得到根本性的解決。因此未來需加強(qiáng)對人員接受高噪聲時(shí)間的監(jiān)控，定期對人員的聽力進(jìn)行檢測，以保護(hù)人員的聽力不受高噪聲環(huán)境的影響。