基于聲線法的靠港船舶的港口區(qū)噪聲評估方法

王獻(xiàn)忠,夏瑀,陳頔

（1.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院,武漢 430063；2.中信建筑設(shè)計研究總院有限公司,武漢 430014）

船舶在港口進(jìn)出、停靠數(shù)量不斷增加，所帶來的噪聲問題日益嚴(yán)重。系泊船舶的供電和通風(fēng)系統(tǒng)仍在工作，所產(chǎn)生的輻射噪聲會對港口和港口周圍的居民造成噪聲污染。盡管目前輻射噪聲的數(shù)值預(yù)測模型數(shù)量眾多，但依托現(xiàn)有技術(shù)研究缺乏對特定大型船舶的噪聲源及其輻射噪聲特性的有效測定。目前，國內(nèi)還沒有計算港口環(huán)境下船舶復(fù)雜噪聲場的仿真軟件和預(yù)報方法。開展港口環(huán)境下船舶的聲輻射特性的研究，需將船舶典型結(jié)構(gòu)在不同聲學(xué)邊界條件下的振動和聲輻射問題，拓展為船舶整船噪聲源在港口環(huán)境下的聲輻射特性的工程實際問題。

孟春霞等[1]研究了船舶體積聲源的建模，處理結(jié)果與實測結(jié)果進(jìn)行對比驗證了船舶輻射噪聲源模型的有效性。吳冬[2]介紹了船舶輻射噪聲的產(chǎn)生機(jī)理和基本特性，提出了一種船舶輻射噪聲源的簡化模型，進(jìn)行試驗驗證了該模型計算的有效性。王大海等[3]通過碼頭單機(jī)噪聲測試確定了單臺設(shè)備噪聲特征，進(jìn)行擬合得到噪聲特征表達(dá)式。闡述了數(shù)值擬合和聲源匹配理論，提出了計算方法，對比測量數(shù)據(jù)驗證了計算方法的可行性。Bella等[4]通過聲學(xué)相似性將威尼斯運河上的船舶噪聲源進(jìn)行分類，對系泊船舶和航行船舶的噪聲特征進(jìn)行描述，并繪制了系泊船舶近場聲學(xué)圖和港口測量一周內(nèi)航行船舶的聲壓分布圖。Moro[5]提出了一種預(yù)測港口船舶外場噪聲的計算方法，并對噪聲源聲功率級進(jìn)行合理的修正。通過將實測近場測點聲壓級與Raynoise軟件計算的聲壓級進(jìn)行比較，驗證了計算方法的有效性。該過程中提出聲源聲功率級的修正方法很有參考價值，可以準(zhǔn)確設(shè)置和修正每個噪聲源的聲功率級。Badino等[6]提出了一種實現(xiàn)港口噪聲聲學(xué)預(yù)報的方法，該方法適用于所有船舶。該方法有4個步驟：定義船舶類別；測量船舶噪聲源；建模進(jìn)行環(huán)境噪聲計算與分析；聲學(xué)云圖繪制。并制定了船舶噪聲排放的限值。Bella等[7]參照不同的噪聲測量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對郵輪噪聲輻射問題進(jìn)行了評估。在威尼斯港進(jìn)行現(xiàn)場測量，得到的船舶聲功率級，并利用數(shù)值模型進(jìn)行的聲源反演來改進(jìn)港口區(qū)域停泊郵輪噪聲預(yù)測程序。Marsico等[8]探討了奇維塔韋基亞港停泊船舶所產(chǎn)生的噪聲特性。采用一種新的方法對滾裝渡輪和船舶進(jìn)行短期測量，測量結(jié)果可以表示其輻射噪聲的傳播特性，從頻譜和總噪聲級兩方面對測量結(jié)果進(jìn)行了分析。Badino等[9]提出了一種試驗測量和計算多用途集裝箱船聲學(xué)特性的預(yù)報方法。將整船，港口，水域模型建出進(jìn)行環(huán)境噪聲計算，對碼頭上30個測點和高于碼頭18個測點的預(yù)測聲壓值和試驗值進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)誤差都在3 dB之內(nèi)，驗證了近場聲壓預(yù)測的準(zhǔn)確性。然后建出了遠(yuǎn)處有層次之分的居民區(qū)，顯示出了不同高度水平聲壓云圖和垂向聲壓云圖。

本文基于聲線法開展靠港船舶在港口區(qū)輻射噪聲預(yù)報方法研究，通過半消聲室設(shè)計點聲源噪聲測試和船舶港口噪聲試驗測試，驗證了聲源反演和聲線法預(yù)報船舶港口輻射噪聲的有效性和可靠性。建立了靠港船舶輻射噪聲數(shù)值計算流程，可為后續(xù)大型船舶港口輻射噪聲的評估、控制與防護(hù)提供技術(shù)支撐。

1 理論分析

基于有限元法/邊界元法計算結(jié)構(gòu)的聲振特性方面已經(jīng)十分成熟，并且通過了很多理論、實驗的驗證，但其對計算模型的規(guī)模、頻率和求解效率有很大的局限性。統(tǒng)計能量分析法適用于艙室噪聲，不涉及環(huán)境噪聲的應(yīng)用，并且不能顯示場點聲壓云圖，不具有優(yōu)勢。聲線法基于幾何聲學(xué)，在模塊中模型建立需要劃分網(wǎng)格，但網(wǎng)格不會要求和邊界元計算聲輻射一樣嚴(yán)格根據(jù)波長限制來劃分，其計算量和頻率無關(guān)且計算相對頻率越高其計算越準(zhǔn)確，適合計算中高頻的環(huán)境噪聲。故本文采用Ray analysis聲線法來進(jìn)行數(shù)值計算。

1.1 幾何聲學(xué)原理

幾何聲學(xué)的核心算法是鏡像虛聲源法（亦稱聲像法）和射線追蹤法，針對兩種方法的優(yōu)缺點，又產(chǎn)生了將兩者結(jié)合的圓錐束跟蹤法和三棱錐跟蹤法，混合使用這兩種算法是Ray analysis計算聲場的基本原理。鏡像虛聲源法的基本思想是考慮聲反射，當(dāng)聲波遇到壁面發(fā)生反射時，將反射的聲看作是反射面鏡像聲源后向此端發(fā)射出來的聲。其精度高，但是計算量大，只能模擬鏡面反射，難以模擬漫反射。虛聲源模型適用于平面較少的簡單空間或只考慮二次反射聲的計算模型。對于不規(guī)則的結(jié)構(gòu)，鏡像聲源法并不能很好的適用，但射線跟蹤法在這方面有著明顯的優(yōu)勢。目前在計算聲學(xué)脈沖響應(yīng)和高頻段結(jié)構(gòu)振動的聲場分布時，該方法被廣泛應(yīng)用。在高頻段，聲波波長遠(yuǎn)小于聲場中物體的尺寸，聲波可以近似看作聲線，其類似于幾何光學(xué)。在聲線追蹤法中，假定聲源向周圍區(qū)域輻射的能量是一些聲射線，聲源產(chǎn)生的能量均勻地分布在每一條聲射線上。每條聲線以聲速運動與所接觸的結(jié)構(gòu)碰撞，遵循透射聲、反射聲和繞射聲原理，其能量隨著傳播介質(zhì)和所接觸結(jié)構(gòu)的消耗而降低。聲線追蹤法計算速度快，可以考慮擴(kuò)散影響，但是精度不理想。

1.2 邊界設(shè)置分析

在Ray analysis聲線法模塊中，主要是通過設(shè)置材料吸聲系數(shù)來達(dá)到邊界模擬的效果，港口主要包含的邊界條件有水面、地面和建筑物表面。吸聲系數(shù)[10]設(shè)置如表1所示。

表1 吸聲系數(shù)

2 噪聲源測試

2.1 測試步驟

根據(jù)Moro[5]、Badino等[9]的研究，在計算船舶港口輻射噪聲時，都將聲源看作是位于煙囪頂部的點聲源，并且實驗測量結(jié)果和數(shù)值仿真結(jié)果吻合較好。英國勞式船級社研究人員[11]研究某艘靠港船舶時發(fā)現(xiàn)船舶在港口會發(fā)出明顯的低頻噪聲，并確定聲源為四臺輔助柴油發(fā)電機(jī)的排氣噪聲，排氣管出口位于煙囪頂部，排氣噪聲脈沖頻率與發(fā)動機(jī)的點火頻率相對應(yīng)。故本文主要考慮的噪聲源是煙囪排氣噪聲，可等效為球面波聲源進(jìn)行設(shè)置。

在聲學(xué)仿真計算中，由于現(xiàn)場很難測得聲源的準(zhǔn)確聲功率級，所以需要對實際測得的聲壓級進(jìn)行反演計算。借鑒交通運輸工程噪聲預(yù)測模式[12]，進(jìn)行船舶噪聲源強(qiáng)度反演。聲源反演原理在于當(dāng)聲源位置一定、邊界條件一定時，在聲場中任意兩點的聲傳遞函數(shù)是一定的，即兩點間的聲壓級差值是一定的，所以能夠根據(jù)兩點間的聲壓級差值來反演實際的聲源聲功率級。

為了探究本文聲源強(qiáng)度反演和聲線法預(yù)報輻射噪聲的可行性，設(shè)計了在半消聲室環(huán)境下的點聲源測量試驗。試驗工況分為半自由聲場和有障礙物存在的聲場兩種情況，將十二面體無指向性聲源作為點聲源。在半自由聲場中測量不同位置測點100 Hz～8 000 Hz的倍頻程中心頻率聲壓級來反演聲源聲功率級并進(jìn)行校核，得到的數(shù)據(jù)作為輸入計算出場點聲壓級。然后在有障礙物存在的聲場中，輸入同樣校核后的聲源聲功率，將各測得的聲壓測量值和計算值進(jìn)行對比，驗證該計算方法的準(zhǔn)確性。

試驗時將聲源放置于半消聲室中心，距離地面高度為1.2 m。從聲源的中心到墻角的直線路徑上等距布置4個接收聲測點，間距1 m，高度也為1.2 m，將這條路徑命名為O-L，測點從距點聲源1 m開始，到4 m結(jié)束。試驗中半自由聲場環(huán)境下測點布置如圖1所示。

圖1 試驗室半自由聲場環(huán)境下測點布置示意圖

在半自由聲場測量的基礎(chǔ)上，在聲源前1 m處設(shè)置一個障礙物，障礙物模型設(shè)置為一長1 m、寬1 m、高1 m的正方體。測量聲源在有障礙物情況下的聲學(xué)傳遞特性。此時聲源附近的聲場不再是完全對稱，而是沿A－B線為軸對稱，故在A-B軸線一側(cè)布置測點即可。聲源在距離地面高度為1.2 m高度處放置，從障礙物邊線到墻面的兩條直線路徑上等距間隔0.5 m布置3個接收聲測點，A-B線與C-D線平行相距0.5 m，測點高度為0.9 m。試驗中障礙物聲場環(huán)境下測點布置如圖2所示。

圖2 試驗室有障礙物聲場環(huán)境下布置測點示意圖

該障礙物設(shè)置目的在于模擬建筑物表面對聲線的反射，并且聲線無法從內(nèi)部穿過。參考建筑聲學(xué)中的縮尺模型試驗[13-14]，可知在制造建筑縮尺模型時常用高密度板或玻璃纖維加強(qiáng)石膏板（簡稱GRG板）來模擬建筑主體的地面、墻面及頂面，要求材料面密度大于50 kg/m2。試驗采用高密度板模擬建筑物表面，該材料板面密度為78 kg/m2，滿足要求，在試驗前先進(jìn)行打磨，使得表面光滑平整。高密度板作為模型制作材料的優(yōu)點在于能逼真地再現(xiàn)建筑墻壁界面對聲音的反射和擴(kuò)散，且尺寸控制更為精準(zhǔn)。障礙物模型設(shè)置為一長1 m、寬1 m、高1 m的正方體，以搭成的2.5 mm厚的硬紙箱為外形主體。將10 mm厚的高密度板分別固定在五個硬紙板面上（底部不作處理），在硬紙板內(nèi)壁敷設(shè)厚度為10 mm的吸聲棉。保證聲線只在高密度板表面產(chǎn)生全反射，而無法從障礙物中穿透，更加真實地模擬實體建筑物對聲線的反射效果。

2.2 結(jié)果分析

在半自由聲場中，首先根據(jù)試驗測量值得出聲源聲功率級的估算值，大約比1 m處聲壓值大0 dB～10 dB，設(shè)為90 dB，則聲源聲功率級的實際值為（90+X）dB，其中X為測量點計算預(yù)測值和實際測量值之差。根據(jù)試驗測點布置情況，測點1與聲源距離較近，中間無障礙物遮擋，且受到反射聲后聲壓疊加的影響最小，故選擇測點1為校核參考點。在仿真模型中，設(shè)置聲源聲功率級為90 dB后進(jìn)行計算，得到測點1的預(yù)測聲壓級值，計算后結(jié)果如表2所示。

表2 測點1測量值和計算值比較

經(jīng)過計算，通過測點1的聲壓級計算值和測量值可以算出每個倍頻程中心頻率聲壓級差值X，然后計算出聲源的實際聲功率級。差值X如表3所示。

表3 倍頻程中心頻率的差值X

通過計算得到各頻率下差值，與聲源聲功率級最初估計值90 dB相加，得到校核后的聲源聲功率級，聲源聲功率級如表4所示。

表4 聲源倍頻程中心頻率聲功率級

為了驗證校核過后的聲源聲功率級的有效性和數(shù)值計算的可靠性，還需要另外取幾個測量點考查聲壓級計算值和測量值之差。經(jīng)聲源校核仿真計算后測點2、3、4的聲壓級計算值和測量值分別如圖3所示。

圖3 半自由聲場各測點聲壓級測量值和計算值對比

有障礙物聲場設(shè)置同上，計算后各測點對比結(jié)果如下圖4所示。對各測點測量值和計算值進(jìn)行A計權(quán)聲級：

圖4 有障礙物聲場各測點聲壓級測量值和計算值對比

式中：n為總的倍頻帶數(shù)；ΔAi為第i倍頻帶的A計權(quán)網(wǎng)絡(luò)修正值。

將各測點測量值和計算值的A聲壓級進(jìn)行比較，誤差=測量值-計算值，誤差如圖5所示。

圖5 各測點誤差

結(jié)果表明：半自由聲場中測點2、3、4，現(xiàn)場測量值和仿真計算值A(chǔ)聲級結(jié)果非常接近，誤差在1.8 dB(A)以內(nèi)。有障礙物聲場中6個測點的現(xiàn)場測量值和仿真計算值A(chǔ)聲級的結(jié)果非常接近，但障礙物存在時測量聲壓值都要低于計算值，誤差在2.0 dB(A)以內(nèi)。該方法只適用于聲線波長遠(yuǎn)小于空間尺寸的情況，即適用于中高頻段的噪聲計算。數(shù)值計算結(jié)果和試驗測量結(jié)果頻譜曲線在整體變化趨勢上具有一致性。本方法適用頻率范圍為聲波的波長λ＜L/6，L為港口計算空間最小尺寸，該方法的適用頻段為10 Hz～8 kHz。誤差在于實際近場測量時聲音是通過聲波傳遞，而數(shù)值計算時把噪聲當(dāng)作聲線傳遞，忽略了噪聲源的波動性導(dǎo)致的數(shù)值計算誤差，證明了設(shè)置聲源聲功率級反演的準(zhǔn)確性和聲線法計算環(huán)境噪聲的可行性。

3 靠港船舶噪聲測量

3.1 測試步驟

港口測量船舶噪聲對象為重慶集海航運所屬的208箱船“集海渝”。為了在軟件模塊中建立一個有效參與計算的船舶模型，需要對外形進(jìn)行簡化，因此在船舶外形模型建立過程中需要對曲面進(jìn)行選擇性的建立，只重點建立那些離聲源較近、尺寸較大的曲面，可忽略建立某些艙壁開口或門窗。

測量地點位于武漢陽邏港一期碼頭，該碼頭分為三層平臺，從下往上稱為第一層、第二層、第三層。第一層為登船平臺，第二層與該船煙囪高度幾乎相同，第三層比該船船艏的上層建筑略高。該船和港口分別如圖6所示。

圖6 “集海渝”輪及陽邏港一期碼頭

測點主要布置在該港口的第二層和第三層的最外沿，上下對稱布置。在港口碼頭進(jìn)行測點布置時要求測點高于每層地面1.2 m，距離任意反射面距離不小于1 m。測點14與煙囪連線垂直于船舷，該線段距離為9 m，每層之間高度為6.8 m。第三層從船艉到船艏測點編號依次為P.1～P.11，第二層從船艉到船艏測點編號依次為P.12～P.22，每個測點之間相隔10 m，測點布置示意圖如圖7所示。船舶靠碼頭平臺上其它吊機(jī)停止工作和沒有貨車通行時，在港口碼頭每個測點依次進(jìn)行測量。試驗測試時要考慮到停泊在碼頭的船舶運行狀況，在測量時間內(nèi)要求兩個主機(jī)打開，輔機(jī)關(guān)閉，每個測點的測量時間持續(xù)為1分鐘。

圖7 碼頭測點布置示意圖

3.2 結(jié)果分析

聲源設(shè)置位于煙囪口下方0.5 m，以測點14為校核參考點，聲源強(qiáng)度反演過程與半消聲室中的方法一致，由于篇幅原因不在此詳細(xì)推導(dǎo)過程。測點8～11、19～22這8個測點因為不滿足信噪比要求，故測量數(shù)據(jù)無效，不參與分析。將其他14個測點修正后的計算值和測量值進(jìn)行比較，部分測點結(jié)果如圖8所示。

將各測點測量值和計算值的A聲壓級進(jìn)行比較，誤差=修正測量值-計算值，結(jié)果如圖9所示。

結(jié)果表明：以測點14為校核點，該點校核后數(shù)值準(zhǔn)確。對于其它測點，測量聲壓頻譜曲線在變化趨勢上都基本一致，符合點聲源輻射噪聲在在一定范圍內(nèi)沒有遮擋的情況下到達(dá)各測點頻譜特性相同的特點。而測點4、5、6的計算聲壓頻譜曲線波動較大，這是聲源經(jīng)過煙囪邊緣衍射造成這種結(jié)果。14個有效測點現(xiàn)場測量值和仿真計算值的A聲級的結(jié)果非常接近，1個測點誤差較大達(dá)到了4 dB(A)～5 dB(A)，2個測點誤差達(dá)到了3 dB(A)～4 dB(A)，其余11個測點誤差在2.0 dB(A)以內(nèi)。測點多數(shù)是測量值小于計算值，距離煙囪處越遠(yuǎn)聲壓誤差值越大。這是因為測量距離越遠(yuǎn)，測得聲壓級更接近于背景噪聲，導(dǎo)致誤差更大。修正模型后計算得到的船舶港口A聲級聲壓云圖如圖10所示。

在戶外測量環(huán)境噪聲由于外界影響較大，誤差相比實驗室條件下更大。戶外測量帶來的誤差除了人為操作和測量儀器本身的誤差還包括氣象條件帶來的誤差，溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速、強(qiáng)電場、強(qiáng)磁場等均會影響測量結(jié)果。氣象條件引起的誤差一般可視為0.5 dB。而在計算中點聲源設(shè)置的高度和位置也會帶來一定的誤差。但聲壓級測量和計算的頻譜曲線變化趨勢較為一致，每個測點的A聲級誤差在可接受范圍內(nèi)，故驗證了聲線法在計算船舶在港口輻射噪聲的有效性。

4 柴油機(jī)輻射噪聲修正

將柴油機(jī)反演聲源結(jié)果與船級社提供的經(jīng)驗公式[15]進(jìn)行比較?！凹Ｓ濉陛喼鳈C(jī)型號為2臺CW6200ZC-12Z船用柴油機(jī)，六缸直列式發(fā)動機(jī)，四沖程，額定功率450 kW，額定轉(zhuǎn)速為750 r/min，工作轉(zhuǎn)速為500 r/min。柴油機(jī)的排氣噪聲聲功率級Lw（參考聲功率w0=1×10-12W），dB，估算經(jīng)驗公式如下：

式中：Pe表示柴油機(jī)的額定功率，kW；ne表示發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，r/min；n表示發(fā)電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速，r/min；fr表示發(fā)火率，Nc是氣缸數(shù)，S是沖程數(shù)。

表5是根據(jù)經(jīng)驗公式計算出柴油主機(jī)的排氣噪聲聲功率級。

從表5可見，主機(jī)排氣的聲功率級主要強(qiáng)烈噪聲在31.5 Hz處，隨著頻率增加排氣噪聲逐漸降低。但這是發(fā)動機(jī)未衰減排氣噪聲的聲功率級，實際情況中排氣管會設(shè)置消聲器，以及噪聲沿管道傳遞產(chǎn)生的損失，使發(fā)動機(jī)的排氣噪聲產(chǎn)生衰減[11]。反演值是根據(jù)實際測量數(shù)據(jù)修正而來，而實際測量結(jié)果是存在排氣管道的衰減作用影響。將聲源聲功率級的反演值與經(jīng)驗公式計算得到的數(shù)值進(jìn)行對比，兩個值之間的差值隨著頻率增加變的更大，最大衰減量達(dá)到20 dB。所以為了根據(jù)公式直接設(shè)置船舶聲源強(qiáng)度參與計算預(yù)報，則需要考慮排氣噪聲傳遞到煙囪口的衰減效應(yīng)，在公式（2）基礎(chǔ)上還應(yīng)該添加一個空氣噪聲的倍頻程中心頻率修正值Cw，該修正數(shù)值必須是基于大量試驗測量而來。本文采用聲線法數(shù)值計算和試驗測量相結(jié)合的方法，研究大型船舶港口輻射噪聲特性，提出大型船舶輻射噪聲數(shù)值計算流程如圖11所示。

表5 主機(jī)排氣聲功率級

圖8 港口各測點聲壓級測量值和計算值對比

圖9 各測點誤差

圖10 “集海渝”輪靠港聲壓云圖

5 結(jié)語

本文設(shè)計實驗室環(huán)節(jié)和港口實測環(huán)節(jié)的測試試驗驗證了聲線法計算船舶港口輻射噪聲的可行性?；诼暰€法，建立了大型船舶輻射噪聲數(shù)值計算流程。得到如下結(jié)論：

（1）借鑒交通噪聲中的聲源反演方法來確定船舶煙囪噪聲源強(qiáng)度是可行的。

（2）采用Virtual.Lab中Ray analysis模塊計算船舶港口噪聲是可行的，滿足噪聲預(yù)報與實測結(jié)果誤差不超過5 dB(A)。

（3）在船舶激勵輸入時，經(jīng)驗公式只能計算得到發(fā)動機(jī)未衰減排氣噪聲和聲源頻譜曲線變化趨勢。如果聲源強(qiáng)度設(shè)置按照設(shè)備型號和經(jīng)驗公式進(jìn)行計算，需要對每個頻段的噪聲進(jìn)行修正，該修正數(shù)值必須是基于大量試驗測量而來。

圖11 大型船舶輻射噪聲數(shù)值計算流程