某綜合指揮船工作環(huán)境噪聲預(yù)報(bào)與控制

歐禮堅(jiān) 朱遠(yuǎn)臻

摘 ? ?要：為了提高船舶工作環(huán)境噪聲舒適度，采用統(tǒng)計(jì)能量法對(duì)船舶工作環(huán)境噪聲進(jìn)行預(yù)報(bào)，并對(duì)噪聲治理措施進(jìn)行分析，提出噪聲治理的優(yōu)化設(shè)計(jì)建議。統(tǒng)計(jì)能量法預(yù)報(bào)值與實(shí)測(cè)值誤差不大于3dB，達(dá)到了工程精度要求，基于統(tǒng)計(jì)能量法的船舶艙室噪聲預(yù)報(bào)是可行的。在設(shè)計(jì)階段，對(duì)船舶工作環(huán)境噪聲進(jìn)行預(yù)報(bào)，對(duì)提高船舶的噪聲舒適度是十分有效的。噪聲預(yù)報(bào)和噪聲治理方法及有關(guān)結(jié)論可供船舶減振降噪設(shè)計(jì)參考。

關(guān)鍵詞：工作環(huán)境，噪聲預(yù)報(bào)，噪聲控制

中圖分類號(hào)：U661.31 ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： In order to improve the noise comfort of ship working environment， the method of statistical energy analysis（SEA） is applied to predict the noise， the measures of noise control are analyzed， and the optimal design suggestions for noise control are put forward. If the deviation between the predicted value by SEA and the actually measured data is not more than 3dB， which satisfies the requirements of the engineering precision， and the noise prediction of the ship cabin based on SEA is feasible. In the design stage， it is very effective to predict the noise of ship working environment to improve the noise comfort of ship. Noise prediction and noise control methods and related conclusions provide a reference for the design of ship vibration and noise reduction.

Key words： Working environment; Noise prediction; Noise control

1 ? ? 前言

國(guó)際海事組織（IMO）海上安全委員會(huì)（MSC）第90次會(huì)議批準(zhǔn)了《船上噪聲等級(jí)規(guī)則》修訂草案，對(duì)1 600 ?GT適用的船型、船舶不同區(qū)域的噪聲限值、艙壁和甲板隔聲指數(shù)、噪聲的測(cè)量?jī)x器和測(cè)量方法等進(jìn)行了修訂，對(duì)船舶的降噪性能提出了更高要求。修訂案已經(jīng)生效執(zhí)行，對(duì)國(guó)際航行船舶的降噪性能也提出了更高要求，對(duì)造船業(yè)產(chǎn)生重大影響[1]。

此外，中國(guó)船級(jí)社《內(nèi)河綠色船舶規(guī)范（以下簡(jiǎn)稱“綠色規(guī)范”）》已于2018年1月1日生效。規(guī)范適用于申請(qǐng)中國(guó)船級(jí)社 “綠色船舶”附加標(biāo)志和第2 章所列其他單項(xiàng)附加標(biāo)志的中國(guó)境內(nèi)內(nèi)河和特定航線江海直達(dá)自航船舶以及境外內(nèi)河自航船舶。規(guī)范旨在倡導(dǎo)發(fā)展和應(yīng)用綠色技術(shù)，促進(jìn)造船業(yè)、相關(guān)制造業(yè)和航運(yùn)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)，促進(jìn)航運(yùn)企業(yè)對(duì)新建船舶和現(xiàn)有船舶采取具有成本效益的技術(shù)和管理措施，提高運(yùn)輸船舶營(yíng)運(yùn)的綠色度，在安全的前提下實(shí)現(xiàn)船舶的高效、綠色、舒適的目標(biāo)。

綠色規(guī)范對(duì)綠色船舶提出了具體的工作環(huán)境的量化指標(biāo)。特別是對(duì)各類艙室噪聲性能提出了更高要求。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在已建造好的船舶上安裝聲學(xué)器材的代價(jià)約為設(shè)計(jì)中預(yù)先采取措施所需費(fèi)用的3倍左右。在設(shè)計(jì)階段對(duì)艙室噪聲進(jìn)行預(yù)報(bào)，使噪聲水平滿足任務(wù)書和相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的要求是很有必要的。在設(shè)計(jì)階段對(duì)艙室噪聲治理提出合理化的改進(jìn)措施對(duì)縮短生產(chǎn)周期，降低成本，提高船舶安全性、舒適性有著非常重要的作用。

在船舶設(shè)計(jì)階段，針對(duì)船舶工作環(huán)境噪聲提出一些治理意見(jiàn)和建議，對(duì)降低船舶工作環(huán)境，提高船舶的噪聲舒適度是十分有效的。

2 ? ?內(nèi)河法規(guī)和規(guī)范的噪聲要求

《內(nèi)河船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》（以下簡(jiǎn)稱“法規(guī)”）要求船員艙和客艙應(yīng)盡可能減少噪聲。航行時(shí)間為4h 及超過(guò)4 h 的客船船員艙和客艙的噪聲一般不應(yīng)超過(guò)78 dB（A）。航程小于4 h 的客船船員艙和客艙的噪聲一般不應(yīng)超過(guò)80 dB（A）。10.9.1.2要求駕駛室的最大噪聲一般不應(yīng)超過(guò)75 dB（A），使之能在室內(nèi)通話，并與外部進(jìn)行無(wú)線電通信。

綠色規(guī)范中，對(duì)于申請(qǐng)船舶舒適性（噪聲舒適度1、2、3）附加標(biāo)志客船乘客處所允許的最大噪聲量級(jí)見(jiàn)表1。

3 ? ? 某綜合指揮船工作環(huán)境噪聲治理分析

3.1 ? 船舶主要參數(shù)和要素

某綜合指揮船（以下稱“本船”）為單底、單甲板、縱骨架式結(jié)構(gòu);雙機(jī)雙槳雙舵，柴油機(jī)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的折角型高速船。主船體采用CCSA/B級(jí)鋼制造;上層建筑采用玻璃纖維增強(qiáng)塑料制造。該船外觀威武，布置合理，裝修豪華，技術(shù)先進(jìn)，主要用于內(nèi)河執(zhí)法、公務(wù)接待等。總布置圖見(jiàn)圖1、效果圖見(jiàn)圖2。

總長(zhǎng)33.88 m、水線長(zhǎng)33.73 m、兩柱間長(zhǎng)31.10 m、型寬6.60 m、型深2.40 m、設(shè)計(jì)吃水1.28 m、排水量114.38 t、額度乘客50人、航速約16 kn，航行于內(nèi)河A級(jí)航區(qū)。

主船體設(shè)7道水密橫艙壁，分隔成8個(gè)水密艙室。自尾至首依次為：舵機(jī)艙、機(jī)艙、儲(chǔ)物艙、設(shè)備艙、1號(hào)空艙、2號(hào)空艙、雜物艙和首尖艙。

3.2 ?噪聲治理主要措施分析

3.2.1主要聲源與減振降噪措施

（1）本船主機(jī)2臺(tái);型號(hào)：D13C2-A MP（瑞典 VOLVO）; ?型式：直列6缸、四沖程、直噴、增壓中冷;額度功率/轉(zhuǎn)速：662 kW/2 300 r/min;帶彈性機(jī)腳、帶消聲器。主機(jī)與船體間的連接為彈性安裝，減振降噪。消聲器可以降低主機(jī)的排氣噪聲，并使高溫廢氣能安全有效地排出。在排氣系統(tǒng)中加上消聲器，可使排氣噪聲降低20～30 dB（A）。

（2）齒輪箱 2臺(tái);型號(hào)：ZF550-1（德國(guó)ZF）;功能：減速、離合、換向、承受推力;減速比：3.042：1;控制方式：電控;減速比正倒車相同，齒輪箱與主機(jī)飛輪通過(guò)高彈性聯(lián)軸器連接。高彈性聯(lián)軸器能夠補(bǔ)償主機(jī)彈性支承引起的軸向、徑向和角向位移，衰減主機(jī)通過(guò)軸系傳出船外和螺旋槳傳入船內(nèi)的結(jié)構(gòu)噪音。

（3）發(fā)電機(jī)組 2臺(tái)（1用1備）;型號(hào)：50EF0ZDJ （美國(guó)科勒）;型式：4缸4沖程、水冷、柴油、無(wú)刷交流發(fā)電機(jī);額度發(fā)電功率/電壓：50 kW/400 V/50 Hz;額定轉(zhuǎn)速：1 500 r/min;帶隔音罩。隔音罩可以隔絕機(jī)器設(shè)備向外輻射的噪聲，有效地阻隔噪聲的外傳，減少噪音對(duì)環(huán)境的影響，是在聲源處控制噪聲的有效措施。

（4）軸流風(fēng)機(jī)2臺(tái);型號(hào)：CDZ-60-4/電壓：AC380V/功率：2.2 kW/流量15 000 m3/h;設(shè)在機(jī)艙尾部頂部的出風(fēng)口處。軸流風(fēng)機(jī)具有低噪聲的優(yōu)點(diǎn)。

（5）螺旋槳：2只;直徑1 060 mm、螺距1 032 mm、盤面比1.18、葉型：B型、后傾角3度、槳葉數(shù)：5。采用較多槳葉數(shù)的螺旋槳，可以有效降低船體表面力及螺旋槳聲輻射水平，有利于降低艙室減振與降噪。

3.2.2艙室隔聲、吸聲處理

在機(jī)艙前壁、機(jī)艙棚圍壁及天花設(shè)置 50 mm隔音板+25 mm（甲板）或38 mm（圍壁）鋁箔包覆防火陶瓷棉板，采用沖孔熱鍍鋅板或鋁板保護(hù)。在客艙及駕駛室圍壁，上甲板露天部分天花、頂棚天花均設(shè)置50 mm隔音棉。

本船的主要聲源基本上集中在機(jī)艙內(nèi)，因此，對(duì)機(jī)艙的艙壁、圍壁和天花采用隔聲處理，減少噪聲穿透到相鄰艙室。此外，客艙及駕駛室的圍壁和天花采用隔聲處理，可以減少外界噪聲穿透進(jìn)入艙室。

3.3 ? 噪聲治理優(yōu)化設(shè)計(jì)建議

機(jī)艙屬于船舶的主要聲源艙室，為了阻斷機(jī)艙空氣聲向外輻射和向其它艙室輻射，提高機(jī)艙橫艙壁、舷側(cè)板架和甲板板架的隔聲量是十分重要的。隔聲量又稱透聲損失，把具有門、窗和其它開(kāi)口的板架稱為組合板架，組合板架的平均透射系數(shù) ? ?為：

本船機(jī)艙前端設(shè)有2個(gè)進(jìn)風(fēng)口，機(jī)艙尾部頂部設(shè)有2個(gè)出風(fēng)口。機(jī)艙尾部頂部設(shè)有2個(gè)出風(fēng)口，尺寸為φ600 mm;機(jī)艙前端設(shè)有2個(gè)進(jìn)風(fēng)口，尺寸為700400 mm。機(jī)艙甲板4個(gè)進(jìn)出風(fēng)口的總面積為1.13 m3，占機(jī)艙區(qū)域主甲板面積的2.84%。4個(gè)風(fēng)口均沒(méi)有經(jīng)過(guò)消聲處理。

根據(jù)估算，機(jī)艙區(qū)域甲板板架隔聲、吸聲處理后，其平均隔聲量 ? ?大約為40 dB（A）。由于進(jìn)出風(fēng)口不做消聲處理，具有進(jìn)、出風(fēng)口的組合甲板板架則的平均透射系數(shù) ? 為0.003 87，平均隔聲量 ? ?為24 dB（A）。進(jìn)、處風(fēng)口導(dǎo)致平均隔聲量減少了16 dB（A），隔聲量顯著下降。

3.4 ? 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案艙室噪聲預(yù)報(bào)結(jié)果

運(yùn)用全頻振動(dòng)噪聲仿真分析軟件VAOne進(jìn)行建模計(jì)算分析。首先，采用 ANSYS 建立幾何模型，將幾何模型劃分為有限元網(wǎng)格;其次，在 VAOne 里導(dǎo)入網(wǎng)格，生成 SEA 模型（見(jiàn)圖3），定義各種材料的屬性及各種加筋板，將它們賦予給對(duì)應(yīng)的子系統(tǒng);最后，定義各類設(shè)備的空氣噪聲和結(jié)構(gòu)噪聲，輸入或約束到對(duì)應(yīng)子系統(tǒng)。

建立好SEA模型后，進(jìn)行噪聲預(yù)報(bào)時(shí)，需要設(shè)置一些參數(shù)，像內(nèi)損耗因子、耦合損耗因子和噪聲源激勵(lì)等。內(nèi)損耗因子是指單位頻率單位時(shí)間內(nèi)損耗的能力與平均存儲(chǔ)的能力的比值。主要包括三個(gè)部分：因摩擦形成的內(nèi)損耗因子、因振動(dòng)向環(huán)境進(jìn)行聲輻射的阻尼形成的內(nèi)損耗因子、因邊界連接阻尼形成的內(nèi)損耗因子。這三個(gè)部分是互相獨(dú)立的，可以線性疊加得到總內(nèi)損耗因子。耦合損耗因子是指兩個(gè)系統(tǒng)振動(dòng)時(shí)能量流的關(guān)系，表征被直接激勵(lì)的子系統(tǒng)的能量傳到被間接激勵(lì)的子系統(tǒng)的量。

根據(jù)預(yù)報(bào)結(jié)果，經(jīng)過(guò)消聲處理后，機(jī)艙進(jìn)風(fēng)口附近主甲板處噪聲水平為80 db（A），下降了3db（A）;機(jī)艙出風(fēng)口附近主甲板處噪聲水平為83 db（A），下降了7 db（A）。因此，為了降低機(jī)艙進(jìn)、出風(fēng)口聲輻射水平，建議對(duì)其進(jìn)行消聲處理。此外，建議會(huì)議室、乘員艙、駕駛室及貴賓艙兩側(cè)移窗應(yīng)提高密封性，避免出現(xiàn)聲短路現(xiàn)象，主要艙室噪聲量級(jí)云圖見(jiàn)圖4。

在艙室的門和窗關(guān)閉情況下，主要艙室的噪聲預(yù)報(bào)結(jié)果如表2所示。

3.5 ?預(yù)報(bào)值與實(shí)船測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析

2019年4月22日，在主機(jī)額定轉(zhuǎn)速2 300 r/min時(shí)，100%功率，平均航速19.6 kn，主要艙室的噪聲測(cè)試結(jié)果如表3。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，噪聲量級(jí)雖然滿足《法規(guī)》要求，但是距離綠色船舶的要求還有較大的差距。實(shí)船測(cè)試值與統(tǒng)計(jì)能量法預(yù)報(bào)值比較，預(yù)報(bào)誤差在3 dB（A）以內(nèi)，滿足了工程應(yīng)用的精度要求，統(tǒng)計(jì)能量法預(yù)報(bào)艙室噪聲是可行的。實(shí)船試航見(jiàn)圖5。

4 ? ?結(jié)語(yǔ)與展望

本船為用于內(nèi)河執(zhí)法和公務(wù)接待的公務(wù)船，對(duì)減振降噪要求較高，設(shè)計(jì)方案選取采用彈性安裝方式的低噪聲主機(jī)和帶隔聲罩的發(fā)電機(jī)組，并對(duì)機(jī)艙進(jìn)行有效隔聲和吸聲處理，對(duì)降低艙室噪聲是十分有效的，主要艙室的噪聲水平滿足《法規(guī)》的要求。

統(tǒng)計(jì)能量法預(yù)報(bào)艙室噪聲的精度可滿足工程要求。在設(shè)計(jì)階段采用統(tǒng)計(jì)能量法進(jìn)行艙室噪聲預(yù)報(bào)，并提出噪聲治理優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，可以有效降低船舶艙室噪聲，提高船舶噪聲舒適度，增加船舶的綠色度。

參考文獻(xiàn)

[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]. 2013.

[2]邱斌，吳衛(wèi)國(guó)，劉愷.高速船全頻段艙室噪聲仿真預(yù)報(bào)[J].中國(guó)艦船? ? ? 研究.2011，6（6）： 49-53.

[3]李峰，姜效瑜，李元元.豪華游艇的噪聲與振動(dòng)控制[J].噪聲與振動(dòng)? ? ? 控制.2005（2）： 18-20.

[4]徐偉.游艇艙室中高頻噪聲預(yù)報(bào)與控制研究[J].中國(guó)水運(yùn). 2015， 15 （11）：?? ? ? 8-10.

[5]王充，劉月琴，陳超核.100ft豪華游艇典型艙室噪聲預(yù)報(bào)與控制[J].? ? ?船海工程.2016， 45（1）： 26-31.

[6]范明偉，祝玉梅，陳雯，等.船舶典型艙段全頻段空氣噪聲預(yù)報(bào)[J].船? ? ? 海工程. 2015， 44（3）： 6-10.

[7]馮博.船舶上層建筑艙室噪聲預(yù)報(bào)及控制技術(shù)研究[D].哈爾濱工業(yè)大? ? ? 學(xué).2017.

[8]劉錕，潘溜溜，徐智言.油船居住艙室噪聲預(yù)報(bào)分析[J]. 噪聲與振動(dòng)? ? ?控制. 2016， 36（5）： 94-98.

[9]張桂臣，車馳東，楊勇，等.船舶振動(dòng)與噪聲“源-路徑-接受點(diǎn)”[J].? ? ?中國(guó)航海. 2014（03）： 108-111.

[10]歐禮堅(jiān)，紀(jì)傳鵬，李帆，徐海汐.經(jīng)驗(yàn)法和統(tǒng)計(jì)能量法預(yù)報(bào)游艇艙室? ? ? 噪聲的對(duì)比分析[J].廣東造船. 2017（5）： 37-41.