超大型集裝箱船的艙室噪聲預報與測試

付 佳，王 銘，張 偉

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

0 引 言

船舶在營運過程中由于設備的使用會產(chǎn)生噪聲，當噪聲過高時會給船上人員的正常生活與工作帶來困擾，嚴重時甚至會影響人們的身體健康。為了使船上人員遠離噪聲的困擾，提高船員的居住舒適性，2012年，國際海事組織（IMO）第91屆海上安全委員會（MSC）通過了關(guān)于SOLAS修正案的決議（MSC. 337（91決議）），該項決議在參考權(quán)衡DE53提案和IMO A468（Ⅻ）噪聲規(guī)范后，制定了新的《船上噪聲等級規(guī)則》，即MSC 337（91）。新的規(guī)范已于2014年7月1日起強制生效，噪聲響應超標的船舶將直接面臨罰款、延期交船、巨資整改、甚至棄船的風險。

以2萬箱級超大型集裝箱船為目標船型，該船型具有明顯的規(guī)模經(jīng)濟性效益，超大型集裝箱船可以有效降低單箱運輸成本，且不會大幅增加船舶的港口費用，因此深受船東與航運公司的追捧。本文采用統(tǒng)計能量分析方法對2萬箱級超大型集裝箱船進行艙室噪聲預報，分析各艙室的噪聲值，并通過標準限值判斷艙室噪聲水平。在海上開展噪聲測量試驗，并將測量值與預報結(jié)果進行對比，判斷預報的精準度。該計算方法與測量結(jié)果可為相似船型的噪聲預報評估提供參考。

1 艙室噪聲預報

1.1 建立統(tǒng)計能量分析模型

選用統(tǒng)計能量分析方法預報超大型集裝箱船的艙室噪聲值，這種方法采用統(tǒng)計的思想，利用能量去分析復雜結(jié)構(gòu)在外載荷作用下的聲振響應。統(tǒng)計能量分析方法相較于有限元計算方法對計算機的計算能力和計算效率要求較低，優(yōu)越性明顯，并且其計算精度也被工程應用所認可，目前已經(jīng)在工程上被廣泛應用。

文中2萬箱級超大型集裝箱船為雙島型船舶，即上層建筑位于船中區(qū)域，機艙棚與煙囪位于船尾區(qū)域。在建立聲學子系統(tǒng)時，為了充分考慮船上人員工作與生活區(qū)域內(nèi)的噪聲，聲學模型范圍應包括船中與船尾部分，而對于通常無人的船首部分，這里予以忽略。此外，從全船結(jié)構(gòu)動力學特性計算結(jié)果分析，該型船的全船扭轉(zhuǎn)1階彎曲振動固有頻率在0.37 Hz附近，垂向1階彎曲振動固有頻率在0.52 Hz附近。船舶整體結(jié)構(gòu)固有頻率與噪聲計算起始頻率（63 Hz）相比較相差較大。因此，全船整體振動并不會對噪聲評估區(qū)域產(chǎn)生較大的影響，這證明了本文所選的聲學模型范圍是合理的。

依照2萬箱級超大型集裝箱船的結(jié)構(gòu)圖紙，建立有限元模型，并生成中間格式文件；將此文件導入到VA One計算軟件中，按照統(tǒng)計能量中對子系統(tǒng)的劃分原則和船舶結(jié)構(gòu)特點，將船舶結(jié)構(gòu)劃分為聲學模型中的平板子系統(tǒng)與聲腔子系統(tǒng)，構(gòu)建基于統(tǒng)計能量分析方法的聲學預報模型。為了在計算中模擬船舶實際吃水工況，模型中定義1個半無限流體子系統(tǒng)，該系統(tǒng)與水線以下船底部和舷側(cè)平板子系統(tǒng)相連接，模擬實船在流體中的聲輻射。2萬箱級超大型集裝箱船統(tǒng)計能量模型如圖1所示。

圖1 2萬箱級超大型集裝箱船統(tǒng)計能量模型Fig. 1 Model of 20,000TEU ultra-large container vessel by statistical energy analysis

1.2 確定模型參數(shù)

船體結(jié)構(gòu)材料為鋼結(jié)構(gòu)，材料密度ρ=7 850 kg/m3，彈性模量 E=2.1×1011N/m2，泊松比 μ=0.3。艙室內(nèi)裝材料可根據(jù)設計圖紙在VA One軟件中通過“Noise Control Treatments”模塊進行定義。該模塊優(yōu)勢在于當無法獲得總的材料參數(shù)時，可對該材料分層設置。相較于總的材料參數(shù)而言，單層材料參數(shù)更易獲得。

統(tǒng)計能量分析方法預報精度受3個主要參數(shù)影響，即模態(tài)密度、內(nèi)損耗因子和耦合損耗因子。

根據(jù)統(tǒng)計能量法的精度要求，子系統(tǒng)的模態(tài)密度必須足夠高，分析帶寬內(nèi)模態(tài)數(shù)超過5時，應用統(tǒng)計能量分析方法在此區(qū)間的計算精度是可以保證的。為了驗證本模型的計算精度，確定合適的計算頻率范圍，圖2給出了典型子系統(tǒng)的模態(tài)數(shù)計算結(jié)果。從圖中可以看出，本船聲學模型在63～8 000 Hz頻率范圍內(nèi)，模態(tài)數(shù)基本大于5，因此采用統(tǒng)計能量法進行艙室噪聲計算分析可行。

圖2 典型聲腔子系統(tǒng)模態(tài)數(shù)Fig. 2 Mode density of typical acoustic system

內(nèi)損耗因子是指子系統(tǒng)在單位頻率內(nèi)單位時間損耗能量與平均儲存能量之比。這里平板子系統(tǒng)的內(nèi)損耗因子參考船級社建議值，如表1所示。

表1 鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)損耗因子Tab. 1 Damping loss factor of steel

聲腔子系統(tǒng)的內(nèi)損耗因子η可以通過平均吸聲系數(shù)計算得到：

式中：η為聲腔子系統(tǒng)內(nèi)損耗因子；c0為聲音在艙室中的傳播速度；S為艙室聲腔總表面積；V為艙室體積；f為倍頻程中心頻率；α為壁面平均吸聲系數(shù)。

耦合損耗因子是用來描述耦合的2個子系統(tǒng)在連接處的振動能量損耗，是作為衡量子系統(tǒng)間耦合作用的指標。這里應用VA One軟件自動計算得到。

1.3 噪聲源

2萬箱級超大型集裝箱船的主要噪聲源為主機、發(fā)電機組、螺旋槳、機艙風機和工作生活艙室的通風管路所產(chǎn)生的噪聲。按照傳播途徑分類可分為結(jié)構(gòu)噪聲與空氣噪聲。其中結(jié)構(gòu)噪聲是指設備振動通過機腳傳遞到基座及船體結(jié)構(gòu)的噪聲，以速度（級）或加速度（級）的形式施加在平板子系統(tǒng)中?？諝庠肼暿侵冈O備直接向空氣介質(zhì)輻射的噪聲，以聲壓譜的形式施加在聲腔子系統(tǒng)中。

本船主機位于機艙內(nèi)雙層底與二甲板之間，為剛性安裝，主機型號為MAN B&W S90ME-C10.5-TII，CSR 工況下主機輸出功率為 49 500 kW，轉(zhuǎn)速為 69.5 r/min，主機的噪聲譜如表2所示。

船舶正常航行時，4臺發(fā)電機共同工作，其中2臺發(fā)電機型號為W7L32，另2臺發(fā)電機型號為W9L32，4臺發(fā)電機均位于機艙3層甲板處。由于發(fā)電機在船上安裝時，均采用彈性支座，因此噪聲激勵僅考慮空氣噪聲的影響，發(fā)電機空氣噪聲如表3所示。

螺旋槳為5葉槳，槳葉直徑為10.4 m，CSR工況下轉(zhuǎn)速為69.5 r/min。螺旋槳結(jié)構(gòu)噪聲根據(jù)經(jīng)驗公式計算得到：

表2 主機噪聲譜 dB (A)Tab. 2 Noise spectrum of main engine dB (A)

表3 發(fā)電機噪聲譜 dB (A)Tab. 3 Noise spectrum of main diesel generator dB (A)

空調(diào)通風管路處噪聲根據(jù)已有相似船型的測量數(shù)據(jù)作為輸入值。

1.4 計算結(jié)果評估

對上述模型進行求解，得到各聲腔子系統(tǒng)在各個頻率下的聲壓級預報結(jié)果。圖3為聲腔子系統(tǒng)的能量云圖。

圖3 聲腔子系統(tǒng)能量云圖Fig. 3 Energy propagates of acoustic system

對2萬箱級超大型集裝箱船典型艙室噪聲計算結(jié)果進行綜合評價，表4為典型艙室總聲壓級與MSC337（91）中的噪聲限值的對比結(jié)果。從表中可以看出，原始聲學設計下的居住艙室與辦公區(qū)域噪聲情況良好，總聲壓級均小于MSC337（91）中的噪聲限值。

表4 艙室總聲壓級評價Tab. 4 Evaluation of total sound pressure level of cabins

2 艙室噪聲測試

船舶建造完工后，船廠安排開展海上噪聲測試工作。測試時應依據(jù)MSC337（91）中第3部分進行測量。

2.1 測量工況

本船測量時選擇在壓載吃水工況下進行，船舶在正常運營航速下保持直線航行狀態(tài)，主機功率為CSR下功率（不小于80%最大持續(xù)運轉(zhuǎn)功率）。

2.2 測量條件

在進行噪聲測量時，保證測量環(huán)境不致影響測量結(jié)果，即風力應不超過4級，波高應不超過1 m，同時水深應大于5倍船舶吃水。

2.3 測點位置

聲級計應放在甲板以上1.2 m（坐著的人員高度）和1.6 m（站著的人員高度）之間的高度處。測量位置應距離墻壁至少0.5 m，避免墻壁的反射影響。對形成聲源的機器進行測量時，應距此機器1 m處進行測量。

2.4 測量儀器

測量儀器為BK2250型多功能聲級計，如圖4所示，測量前后應用聲級校準器進行校準。

圖4 BK2250 型多功能聲級計Fig. 4 BK2250 multi-function sound level meter

2.5 注意事項

船上通常使用的所有機械、航行儀器、無線電、雷達裝置以及機械通風、加熱、空調(diào)等設備，在整個測量期間內(nèi)均應正常工作。

除個別航行中必須開啟的門窗外，艙室門窗應予以關(guān)閉。

外部聲源，如娛樂、建造和修理工作所產(chǎn)生的噪聲，不致影響到測量位置處的船上噪聲級。

3 噪聲預報與測試結(jié)果對比分析

測量結(jié)果反映該船艙室噪聲測量結(jié)果滿足《船上噪聲等級規(guī)則》的噪聲限值要求。圖5為應用聲學軟件計算得到的噪聲預報值與船舶海上試驗測量值的對比結(jié)果。

從表中可以看出，該船大多數(shù)房間預報值要高于實測值，且誤差在4 dB范圍內(nèi)。針對引起預報與實測結(jié)果產(chǎn)生的誤差，初步判斷主要原因如下：

圖5 預報值與測量值對比圖Fig. 5 Comparison chart of predicted value and measured value

1）艙室噪聲預報分析中，通風管路進出口噪聲激勵載荷輸入存在誤差，實際測量時空調(diào)保持正常運行狀態(tài)，空調(diào)噪聲大小與使用者使用狀態(tài)有著直接關(guān)系。

2）房間內(nèi)布置有具有吸聲性能的家具，例如床、沙發(fā)、窗簾等吸聲系數(shù)較高的材料，而在噪聲預報時這部分吸聲系數(shù)并沒有進行考慮。

3）聲學建模時沒有考慮窗戶、門對艙室噪聲的影響，而事實上窗戶、門的材料屬性與密封性均會對艙室噪聲帶來一定影響。

4 結(jié) 語

本文對2萬箱級超大型集裝箱船的艙室噪聲進行分析，并應用專業(yè)噪聲測量設備完成海上噪聲測試工作，將艙室噪聲預報結(jié)果與測量結(jié)果進行對比，預報總聲壓級與測量總聲壓級差值在4dB范圍內(nèi)，本船預報結(jié)果與測試結(jié)果可為同類型船舶艙室噪聲預報與測試提供參考。

經(jīng)實測發(fā)現(xiàn)，本船原始設計艙室噪聲情況良好，滿足MSC.337（91）《船上噪聲等級規(guī)則》中的噪聲標準限值要求。