船舶低噪聲建造工藝發(fā)展思考

孫宜強(qiáng)， 王 波， 陶江平， 陳 煒

(上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

0 引 言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭表明，船舶的安靜性在戰(zhàn)斗中往往決定著生死存亡，因此世界各海軍強(qiáng)國在船舶設(shè)計(jì)研究中都不遺余力地發(fā)展聲隱身技術(shù)，把船舶尤其是一些執(zhí)行特殊任務(wù)船舶的安靜性作為重要的戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)。據(jù)有關(guān)資料：美國20世紀(jì)80年代中期水下船的噪聲已經(jīng)降至118 dB，進(jìn)入21世紀(jì)以來，其噪聲級降至90～100 dB，已經(jīng)低于三級海況海洋背景噪聲，成為“淹沒在海洋里的幽靈”；蘇聯(lián)在1975-1985年間使特種船的噪聲降低30 dB，總噪聲低于海洋背景噪聲[1]。

振動噪聲控制技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)船舶水下輻射噪聲降低的重要技術(shù)手段，一直屬于研究的熱點(diǎn)和前沿問題。我國優(yōu)先發(fā)展振動噪聲控制設(shè)計(jì)和材料技術(shù)，經(jīng)過30多年的努力，在基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)、材料和元器件技術(shù)等方面已形成技術(shù)體系。然而，在總裝建造技術(shù)領(lǐng)域由于比國外發(fā)展起步遲，行業(yè)面廣而且船廠多，建造進(jìn)度的壓力較大，作為核心建造技術(shù)的低噪聲建造工藝缺乏體系化發(fā)展，與國外相比還有較大的差距?？傃b建造作為船舶研制的最后一道環(huán)節(jié)，必須從建造工藝角度加快低噪聲建造工藝的發(fā)展，并與設(shè)計(jì)和材料技術(shù)有效融合，從而實(shí)現(xiàn)振動噪聲指標(biāo)控制的穩(wěn)定性和持續(xù)改進(jìn)。

目前，我國船舶總裝建造層面對低噪聲建造工藝還難以形成統(tǒng)一的認(rèn)識：有的認(rèn)為低噪聲是基于船舶減振降噪設(shè)計(jì)的概念，屬于總體設(shè)計(jì)范疇，與建造關(guān)系不大；有的認(rèn)為船舶低噪聲建造很重要但缺乏標(biāo)準(zhǔn)，難以有效實(shí)施。實(shí)踐表明，對于設(shè)計(jì)上完全相同的兩條船，承建單位、建造方式及建造人員的不同都會使船舶振動噪聲水平存在差距。由此可知：低噪聲建造工藝與總體減振降噪設(shè)計(jì)是有區(qū)別的，屬于船舶建造工藝的范疇，其存在是有必然性的，也是實(shí)現(xiàn)船舶低噪聲建造所必需的。

1 低噪聲建造工藝內(nèi)涵與工藝因素

1.1 工藝內(nèi)涵

低噪聲建造工藝是基于建造的目標(biāo)——低噪聲而提出的，是指以貫徹聲學(xué)理論為基礎(chǔ)，以減小建造結(jié)果與設(shè)計(jì)值的離散度為原則，以建造安靜型船舶為目標(biāo)的建造工藝方法、規(guī)則和手段的總稱。因此，低噪聲建造工藝具有下列特點(diǎn)：

(1) 低噪聲建造工藝是聲學(xué)理論在船舶建造中的實(shí)踐，需要通過貫徹聲學(xué)設(shè)計(jì)理念開展工藝研究，建立工藝?yán)碚撝巍?/p>

(2) 低噪聲建造工藝的基本原則是減小建造后的噪聲值與設(shè)計(jì)噪聲值的離散度，船舶噪聲設(shè)計(jì)值是振動噪聲控制的目標(biāo)，建造工藝是實(shí)現(xiàn)途徑，因此需要工藝與設(shè)計(jì)、材料必須充分融合。

(3) 低噪聲建造工藝涉及的工藝因素復(fù)雜，可變因素多，工藝實(shí)施范圍涵蓋完整的建造過程，因此必須基于過程控制要求，形成完整的工藝體系、技術(shù)方法和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

(4) 低噪聲建造工藝涉及各個建造技術(shù)專業(yè)，需要各專業(yè)配合和遵循，屬于總體工藝范疇。

1.2 工藝因素

由振動和噪聲的傳播理論可知：影響船舶某處振動和噪聲量級的因素有二，即振源(噪聲源)的干擾量級和傳遞路徑的傳遞效率。振源的干擾量級屬于建造工藝不可控的范疇，傳遞效率則在很大程度上依賴于建造工藝的優(yōu)劣。低噪聲建造工藝的目的就在于通過對建造過程中工藝參數(shù)的控制和匹配達(dá)到降低振動和噪聲傳遞效率的目的。

在船舶建造過程中，影響傳遞路徑的工藝因素數(shù)量多且復(fù)雜，還存在多種工藝參數(shù)耦合的現(xiàn)象。圖1 和圖2分別為旋轉(zhuǎn)(往復(fù))型機(jī)械設(shè)備和管系的振動傳遞路徑示例。由圖1和圖2可知：安裝過程中涉及的每個零部件和安裝步驟都需要有相應(yīng)的安裝工藝參數(shù)相匹配，包括對中精度、緊固力矩、阻抗特性、剛度、柔度等。參數(shù)多、范圍廣是傳遞路徑中涉及工藝參數(shù)最大的特點(diǎn)，工藝因素?zé)o處不在，工藝控制與施工工藝方法密切相關(guān)。

2 低噪聲建造工藝發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外現(xiàn)狀

歐美海軍強(qiáng)國在船舶振動噪聲研究過程中十分重視設(shè)計(jì)、材料及工藝一體化發(fā)展，在先進(jìn)的聲學(xué)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，同時開發(fā)低噪聲建造工藝作為保障。在提高船舶總體性能的同時，全面強(qiáng)化聲學(xué)設(shè)計(jì)，并將聲學(xué)設(shè)計(jì)貫穿在船舶設(shè)計(jì)和建造的全過程中。國外聲學(xué)設(shè)計(jì)過程和船舶設(shè)計(jì)同步，如圖3所示，分為5個階段：概念設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、建造、檢測與評估。各階段層次分明、目標(biāo)明確，而且每個階段又自成一個閉環(huán)控制鏈，確保階段目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，最終實(shí)現(xiàn)總體聲學(xué)目標(biāo)[2]。

美國在某型號船舶的建造過程中，特別重視振動噪聲傳遞路徑的控制，采用主動隔振裝置、智能彈簧、主被動聯(lián)合支座等主動控制技術(shù)，有效地降低船舶水下輻射噪聲，量級已與海洋背景噪聲相當(dāng)。法國某型號特種船的建造，在圍繞“安靜”這一概念上幾乎花費(fèi)建造總工作量的80%，才達(dá)到“安靜”目標(biāo)，整個研制過程中所使用的設(shè)備、材料及采用的工藝全都圍繞著“安靜”要求開展工作，如消聲覆蓋層選用、泵噴推進(jìn)裝置的設(shè)計(jì)和安裝、浮筏安裝、大型機(jī)械設(shè)備的安裝、管道的減振安裝連接、電纜的減振安裝連接等。

2.2 國內(nèi)現(xiàn)狀

在船舶減振降噪技術(shù)研究領(lǐng)域，設(shè)計(jì)層面和新材料研發(fā)層面取得較大成就，主要體現(xiàn)在低噪聲設(shè)備的研究、隔振器的研究及新材料的應(yīng)用等方面[3-10]；但設(shè)備安裝工藝研究層面僅有少量關(guān)于某些特性工藝參數(shù)的研究。吳江海等[11-12]、舒禮偉[13]通過試驗(yàn)和仿真分別研究典型工藝參數(shù)(管路介質(zhì)、支撐位置、支撐剛度等)對管系振動噪聲的影響；王鵬等[14]通過仿真研究隔振系統(tǒng)中墊片表面的工藝質(zhì)量與隔振器剛度之間的關(guān)系，并給出墊片表面加工精度的建議值；于李洋等[15]通過試驗(yàn)和仿真，研究設(shè)備基座墊片厚度和接觸面積等工藝參數(shù)對設(shè)備振動傳遞特性的影響。

近年來，國內(nèi)各總裝船廠越來越重視低噪聲建造工藝的研究，少數(shù)船廠還成立專門的減振降噪工藝研究室，但總體而言，低噪聲建造工藝的發(fā)展存在不平衡、不充分的現(xiàn)象。主要表現(xiàn)在下列4個方面：

(1) 建造工藝與設(shè)計(jì)、材料技術(shù)發(fā)展不平衡。建造上主要依據(jù)設(shè)計(jì)和材料的技術(shù)要求進(jìn)行，大多依賴經(jīng)驗(yàn)，定性為主，工藝有效性難以測評，而且限于局部，缺乏體系性研究。針對噪聲預(yù)報，主流商業(yè)軟件及一些行業(yè)特殊軟件比較適合于設(shè)計(jì)層面，尚未有效開展針對建造工藝參數(shù)對噪聲的影響預(yù)報，缺乏有效數(shù)據(jù)積累，工藝參數(shù)的設(shè)置也較為模糊。

(2) 水面與水下發(fā)展不平衡。除了工藝本身外，低噪聲建造工藝還牽涉許多生產(chǎn)管理意識問題，總體來看，由于水下船舶噪聲指標(biāo)要求更嚴(yán)，水面、水下造船單位在工藝意識和施工要求上還有一定差距。

(3) 工藝研究的條件和數(shù)據(jù)積累不充分。國內(nèi)船舶建造行業(yè)能夠開展減振降噪工藝試驗(yàn)的專業(yè)設(shè)施不足，難以有效支撐工藝試驗(yàn)研究。工藝試驗(yàn)、實(shí)船建造的數(shù)據(jù)積累不充分，難以對船舶的工藝狀態(tài)與振動噪聲水平建立對應(yīng)關(guān)系，難以剖析工藝參數(shù)的影響水平。

(4) 建造行業(yè)技術(shù)交流和專業(yè)技術(shù)人才培養(yǎng)不充分。從事低噪聲建造工藝的研究人員主要是輪機(jī)專業(yè)兼職，一般依靠經(jīng)驗(yàn)積累，缺乏對低噪聲建造工藝的系統(tǒng)性分析、研究，亟需加強(qiáng)低噪聲工藝技術(shù)人才隊(duì)伍的培養(yǎng)。

另外，由于低噪聲建造工藝是核心工藝，國外資料難搜索，國內(nèi)船廠都視為工藝法寶，有限的工藝數(shù)據(jù)難以實(shí)現(xiàn)技術(shù)共享，甚至有的工藝問題沒有得到有效的甄別。

3 低噪聲建造工藝的發(fā)展思路

結(jié)合我國船舶行業(yè)低噪聲建造工藝現(xiàn)狀，為加快低噪聲建造工藝發(fā)展，提高建造工藝對型號研制的技術(shù)貢獻(xiàn)度，對低噪聲建造工藝的發(fā)展做出下列思考：

(1) 建立完善低噪聲建造工藝技術(shù)體系。噪聲主要包括水下輻射噪聲和艙室噪聲2個方面，結(jié)合船舶的建造流程[16]，可從5個方面建立船舶低噪聲建造工藝技術(shù)體系，包括船體建造、機(jī)械設(shè)備安裝、管路安裝、艙室內(nèi)裝及減振消聲元器件安裝等。技術(shù)體系框架如圖4所示。

圖4 船舶低噪聲建造工藝技術(shù)體系框架

(2) 分步分階段建立試驗(yàn)條件。低噪聲建造工藝研究必須有足夠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。目前行業(yè)內(nèi)相關(guān)的工藝研究試驗(yàn)條件仍很匱乏，嚴(yán)重制約低噪聲工藝技術(shù)的研究，后續(xù)需逐步建立減振降噪工藝試驗(yàn)室，為低噪聲建造工藝研究提供保障。

(3) 加強(qiáng)合作進(jìn)行數(shù)據(jù)積累。建立低噪聲建造工藝數(shù)據(jù)庫，需要測試數(shù)據(jù)支撐。測試包括實(shí)船測試和試驗(yàn)室測試兩部分。

實(shí)船測試包括建造階段測試和服役階段測試。建造階段測試可由相關(guān)船廠與工藝所聯(lián)合實(shí)施，測試數(shù)據(jù)作為建造工藝分析改進(jìn)的依據(jù)；服役階段測試主要依靠船舶裝備自帶的噪聲振動監(jiān)測設(shè)備和維修廠測試，從而形成完整的測試數(shù)據(jù)，便于總體所、工藝所、船廠等單位開展數(shù)據(jù)分析。

試驗(yàn)室測試分為3個方向：一是針對實(shí)船測試僅能獲取既定狀態(tài)下振動和噪聲數(shù)據(jù)的局限性，試驗(yàn)室開展關(guān)重設(shè)備的復(fù)原和擴(kuò)展測試，挖掘更優(yōu)化的工藝參數(shù)區(qū)間；二是針對實(shí)船測試不能持續(xù)進(jìn)行但對整船的振動噪聲持續(xù)有貢獻(xiàn)的設(shè)備，在試驗(yàn)室開展測試，研究其持續(xù)運(yùn)行過程中的振動和噪聲量級的變化并總結(jié)變化規(guī)律；三是針對一些特征比較簡單的設(shè)備，直接研究其低噪聲安裝工藝，用所獲取的參數(shù)指導(dǎo)船廠的工作實(shí)施。

(4) 成立組織加強(qiáng)技術(shù)交流。低噪聲建造工藝技術(shù)是一項(xiàng)綜合技術(shù)，須加強(qiáng)設(shè)計(jì)、建造工藝團(tuán)隊(duì)之間的技術(shù)交流合作、充分溝通，及時發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，促進(jìn)工藝技術(shù)與設(shè)計(jì)技術(shù)、材料技術(shù)的融合，共同推進(jìn)振動噪聲控制技術(shù)的突破，為我國建造新一代安靜型船舶共同發(fā)揮作用。

(5) 結(jié)合建造需求加快制訂工藝標(biāo)準(zhǔn)。依托型號需求，重點(diǎn)圍繞振動噪聲較大的動力設(shè)備及相關(guān)系統(tǒng)，研究編制如動力設(shè)備基座、隔振器、管路系統(tǒng)等低噪聲安裝工藝規(guī)程，并結(jié)合實(shí)船建造進(jìn)行反饋驗(yàn)證，形成低噪聲建造工藝及檢驗(yàn)驗(yàn)收系列標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范后續(xù)船實(shí)施低噪聲建造。

(6) 基于數(shù)據(jù)分析開發(fā)工藝研究工具。建立低噪聲建造工藝模型和工藝數(shù)據(jù)庫，通過對工藝方法和數(shù)據(jù)分析，獲取低噪聲建造的工藝規(guī)律，進(jìn)而開發(fā)低噪聲工藝研究數(shù)值仿真工具。利用數(shù)值仿真工具預(yù)測更優(yōu)化的工藝參數(shù)，制訂新的工藝措施，指導(dǎo)船廠的工作實(shí)施，從本質(zhì)上提高低噪聲建造工藝技術(shù)水平。

4 結(jié) 語

船舶振動噪聲控制是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，主要涉及設(shè)計(jì)、材料、建造等3個方面。隨著現(xiàn)代船舶對靜音要求越來越高，作為振動噪聲系統(tǒng)工程最后一道環(huán)節(jié)，低噪聲建造的重要性日益凸顯。提煉低噪聲建造的工藝內(nèi)涵和工藝因素，分析國內(nèi)外低噪聲建造工藝的發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合我國船舶總裝建造方面的技術(shù)基礎(chǔ)，對加快船舶低噪聲建造工藝的發(fā)展有一定借鑒作用。