長江上游航道散裝貨船水下噪聲聲源特性分析及生態(tài)防控措施

邸凌杰 重慶交通大學(xué)國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心

三峽庫區(qū)蓄水175m后，長江上游涪陵至豐都航道的通航條件逐年改善、船舶通過量不斷增長，在顯著發(fā)揮長江黃金水道經(jīng)濟效益的同時，船舶噪聲也愈加密集，船舶噪聲對生態(tài)環(huán)境的影響日益突出，航道船舶噪聲污染已經(jīng)成為急需解決的社會焦點問題。

早在20世紀中期，世界各國就針對低噪聲水下輻射噪聲展開監(jiān)測及研究。其中，以美國為代表的各大軍事強國率先研究出兩種監(jiān)測方式——噪聲測量場固定化和采用臨時布放與回收的活動式噪聲測量系統(tǒng)。后來，伴隨矢量水聽器的出現(xiàn)，水下噪聲測量開始有了新的進展，較好地解決了以往靠信號處理和提高陣增益來提高信噪比的問題。對于實船的測量技術(shù)，很少有相關(guān)領(lǐng)域的文獻對此作出詳盡的描述。高守勇提出潛艇近程分布式聲源模型，計算近遠場聲場分布，依據(jù)亥姆霍茲方程進行了近‐遠場變換。Wu提出了帶航速三維水彈性力學(xué)理論。鄒明松利用Pekeris水聲波導(dǎo)模型，建立了有限水深海洋聲學(xué)環(huán)境中的船舶三維聲彈性理論及分析方法。洪我世對長江航道武漢、上海等航段各種船舶實施定點監(jiān)測，確定內(nèi)河航道上各類船舶的輻射噪聲均會在不同程度上造成噪聲污染。但大部分研究都是在淺海中進行，內(nèi)河船舶輻射噪聲的相關(guān)研究鮮有開展，因此擬開展接下來的研究。

本文首先通過某散裝貨船航行時進行現(xiàn)場監(jiān)測實驗及數(shù)據(jù)分析，得到不同船速下該船舶水下噪聲聲壓值及噪聲聲源特性；之后依據(jù)魚類聽力閾值范圍，對該船舶噪聲的生態(tài)影響進行判別，并提出控制噪聲控制措施，從而為后續(xù)生態(tài)航道建設(shè)研究提供一定的理論基礎(chǔ)。

1.現(xiàn)場監(jiān)測及分析

1.1 現(xiàn)場監(jiān)測實驗概況

長江上游涪陵至豐都河段航道全長約為48公里，江面寬度符合測量距離要求。

本文綜合實驗河域、實驗設(shè)備、被測船舶等信息，參照ISO標準于2020年12月在長江上游航道涪陵至豐都河段對如圖2所示散裝貨船的輻射噪聲進行了測量，被測船舶基本參數(shù)如表1所示。開展輻射噪聲測量期間，船舶自動識別系統(tǒng)（Automatic Identification System,AIS）數(shù)據(jù)表明潛標周圍五海里內(nèi)沒有其他船舶干擾，測量河域具有良好的船舶水下輻射噪聲測量條件。

表1 被測船舶基本參數(shù)

圖2 被測船舶

1.2 現(xiàn)場監(jiān)測方案

本次現(xiàn)場監(jiān)測采用R H S A-10水聽器，工作頻率范圍采樣頻率20Hz～200kHz，低頻接收靈敏度大于-210dB（不含前放增益），頻帶內(nèi)起伏范圍為±2d B，最大使用深度500米。水聽器外形如圖3所示，其它配套監(jiān)測設(shè)備（數(shù)據(jù)采集儀、電腦、線纜、電源等）如圖4所示，監(jiān)測布置方案如圖5所示。實驗內(nèi)容為船舶行進過程中，分別對6km/h、8km/h、10km/h、13km/h四種不同航速下的船舶輻射噪聲進行監(jiān)測。

圖3 水聽器及連接線

圖4 監(jiān)測設(shè)備

圖5 測量系統(tǒng)布放示意圖

1.3 監(jiān)測結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

通過現(xiàn)場監(jiān)測實驗，得到不同航速下的多組原始聲學(xué)信號。為對船舶噪聲聲源特性進行準確研究，首先通過小波分析對噪聲信號進行環(huán)境背景聲削減，并依據(jù)相關(guān)標準進行數(shù)據(jù)分析整理得到不同船速下的船舶噪聲信號，如圖6所示?？梢钥闯鲈摯肼曌畲蠓翟诖贋?km/h、8km/h、10km/h、13km/h時，分別為0.02234、0.02599、0.04434、0.05087，由此可知，對于同一船舶，其行駛速度越大，船舶輻射噪聲信號的幅值越大，即船舶輻射噪聲與船速成正相關(guān)。

圖6 不同航速下船舶噪聲信號

基于降噪后的船舶水下噪聲信號，利用傅里葉變換對聲音信號進行頻譜分析，得到圖7所示不同船速下船舶水下噪聲頻譜圖。由圖7可知，該散裝貨船不同船速下船舶輻射噪聲頻率都主要集中在低頻，主頻在300Hz～1000Hz之間，且船舶水下噪聲峰值頻率與船舶行駛速度間無明顯關(guān)系。

圖7 不同航速下船舶噪聲聲源頻譜分析

為研究該散裝貨船噪聲聲壓，根據(jù)電壓——聲壓轉(zhuǎn)換公式（見公式（1））計算得到不同船速下船舶輻射噪聲聲壓級，如圖8所示。

圖8 不同航速下船舶噪聲聲壓級

式中：SPL為聲壓級，dB；U為電壓，V；M為靈敏度系數(shù)。

由圖8 可知，不同航速下該散裝貨船輻射噪聲聲壓級區(qū)間均為150dB～180dB，但高聲壓級與低聲壓級占比不同。對不同航速下的聲壓進行均值計算，得到船舶平均聲壓級與航速間的關(guān)系，如圖9所示。

圖9 船舶航速與平均聲壓級關(guān)系

結(jié)果顯示，在船速為6 k m/h、8 k m/h、10 k m/h、13 k m/h時，散裝貨船噪聲平均聲壓分別為148.46dB、150.40dB、151.62dB和154.84dB，由此可知，對于同一艘船，船舶行駛速度越大，船舶輻射噪聲聲壓級則越大。

利用小波分析方法中特征能量向量計算，對該散裝貨船的聲音信號進行分解重構(gòu)，小波基函數(shù)為“db5”，分解尺度J取6。求取該船的能量特征向量，得到部分數(shù)據(jù)形式如表2所示。對數(shù)據(jù)整合歸納，并轉(zhuǎn)換成柱狀圖，如圖10所示，其中縱坐標為能量百分比，橫坐標為Ea～Ed6等7個頻段帶，以便更直觀明顯的看到能量分布及能量占比。

圖1 測量河段位置圖

表2 該散裝貨船的能量特征向量

圖10 不同船速下聲源信號的能量分布特征

對比表格中四種不同船速下聲源信號的能量特征向量以及能量分布特征圖可發(fā)現(xiàn)，不同船速下噸位3279散裝貨船的能量分布相差不大，能量主要集中在2～4階高頻帶上，3階高頻帶上占比最多，其余頻帶的能量分量則很少；并且隨著船舶行駛速度的增大，3階高頻帶上能量占比逐漸增大。

2.船舶噪聲生態(tài)防控措施

2.1 散裝貨船水下噪聲生態(tài)影響判別

諸多研究者研究了魚類的聽力閾值，并給定了敏感范圍。邢彬彬研究得到鯽魚最敏感頻率為800Hz，最低閾值為76±0.90dB。劉猛等研究得出胭脂魚的敏感頻率為800Hz，最低聽閾為69.8dB。Lovell等研究發(fā)現(xiàn)鰱的最低聽閾為104.2dB，鳙的最低聽閾為105.7dB，敏感頻率為750-1500Hz。經(jīng)現(xiàn)有文獻中對鯉科魚類聽力閾值研究匯總得知，多數(shù)鯉科魚類對300-3000Hz頻率比較敏感，聽力閾值最低大約為58dB。

本文所測散裝貨船水下噪聲的聲壓級超過航道內(nèi)典型魚類的聽力閾值，初步推斷航道內(nèi)多數(shù)船舶輻射噪聲聲壓值均有可能超過魚類的聽力閾值，很有可能會對魚類等水生生物產(chǎn)生不利影響，因此有必要采取一些有效措施來控制和消弱船舶噪聲，從而對長江上游航道內(nèi)魚類進行保護，為生態(tài)航道建設(shè)提供有力的支撐。

2.2 散裝貨船水下噪聲生態(tài)防控措施

船舶水下噪聲的控制，主要從噪聲源、噪聲傳遞、接收器噪聲防控等三個方面進行。

2.2.1 控制噪聲源

從源頭控制噪聲是最根本有效的手段。通過在設(shè)計階段（包括理論計算和模型實驗）計算發(fā)動機的激勵力、結(jié)構(gòu)的響應(yīng)能力、振動限值標準等，并分析它們間的相互影響，在選用裝船設(shè)備時，從船型、螺旋槳、發(fā)動機及軸系等方面嚴格把控。

①船型，在理論計算和模型實驗時應(yīng)著重注意改善船尾殼體的形狀，避免船尾伴流造成空化。且船尾殼體應(yīng)與螺旋槳保持恰當距離。

②螺旋槳，在設(shè)計時應(yīng)選用強度較高的材料，保證螺旋槳葉梢速度低、槳葉固有頻率避開渦旋振蕩頻率（以消除槳鳴）、伴流均勻等。

③發(fā)動機及其軸系，選用弱振動低噪聲設(shè)備，合理布置噪聲源，加裝消聲器等。

由于在實際工程中，如果考慮在船舶已經(jīng)建造完成時對船舶噪聲加以控制，從經(jīng)濟性和可行性等多方面考慮，可以采用的控制方法主要為“加裝消聲器”和“安裝隔聲裝置”。目前，很多城市已經(jīng)強制要求營運船舶安裝了舷外排氣管消聲器，因此“安裝隔聲裝置”的方式較為可行。

2.2.2 控制噪聲傳遞

控制噪聲的傳遞途徑是最為常用的方法。主要措施為以下四種。

①吸收振動，通過消耗振動較嚴重部件的能量來降噪?？删植坎捎糜性凑駝涌刂萍夹g(shù)，如：管道彎頭和/或變截面處，插接柔性阻尼管或加裝脈沖壓力衰減器等。

②隔絕振動，是控制船舶噪聲的主要措施。通常是通過在振動較嚴重的設(shè)備與其安裝基礎(chǔ)之間加裝隔振裝置，來避免振動傳遞到船體外殼。如：主機、副機等與其基礎(chǔ)之間加裝隔振器；管道與船體之間加裝柔性隔振結(jié)構(gòu)。通常，對于低頻（幾十赫茲）振動，插入隔振器即可滿足需要；對于較高頻率，若插入隔振器不能滿足需要，可采用多層（復(fù)合）隔振器，或再增加寬頻帶范圍具有較大插入損失的復(fù)合結(jié)構(gòu)平臺。

③吸聲措施，如：機器處所采用吸聲結(jié)構(gòu)、敷設(shè)吸聲材料或懸掛吸聲體等；發(fā)動機，內(nèi)部安裝吸聲襯里，減弱經(jīng)空氣輻射到船殼的噪聲；發(fā)動機進/排氣口加裝消聲器，通海管道開口處增加水下消聲器等。

④隔聲措施，指將噪聲隔離在船舶內(nèi)部，減少和減弱傳導(dǎo)到船殼的噪聲。如，用剛性且不吸聲的鋼板、鋁板等做成隔聲的船殼板（包括底板、側(cè)板和頂板）。

2.2.3 接收器噪聲防控

接收器噪聲防護設(shè)備也是降低噪聲危害的重要措施，在降低機器噪聲不現(xiàn)實或不經(jīng)濟的情況下，噪聲防護設(shè)備所提供的被動保護就顯得更實際更重要些。當然，最根本有效的方式就是在船舶設(shè)計階段將船舶降噪的因素考慮進去，并在船舶建造過程中實施降噪設(shè)計工藝。

3.結(jié)論

本文計算得出長江上游航道某散裝貨船船舶輻射噪聲聲壓級值，初步確定該船不同航速下船舶噪聲聲壓級區(qū)間范圍，并提出控制船舶噪聲的幾種有效途徑。

（1）該散裝貨船船舶輻射噪聲聲壓級區(qū)間為150dB～180dB，且隨船速的增大，船舶水下噪聲聲壓級也逐漸增大，船舶水下噪聲聲壓級與船舶行駛速度呈正相關(guān)。

（2）船舶水下噪聲聲源信號幅值隨船舶行駛速度的增大而增大，即船舶水下噪聲聲源信號與船舶行駛速度呈正相關(guān)。

（3）分析所有頻率，可以看到船舶輻射噪聲頻率主要集中在低頻，主頻在300Hz～1000Hz間，船舶水下噪聲聲源頻率與船舶行駛速度無明顯相關(guān)關(guān)系。

（4）計算得到的船舶噪聲超過魚類的噪聲閾值，說明噪聲會對航道內(nèi)魚類等水生生物產(chǎn)生不利影響，因此需要從噪聲源、噪聲傳遞、接收器噪聲防控等三個方面對船舶水下噪聲進行控制。有效的從被動降噪變?yōu)橹鲃咏翟?，不僅經(jīng)濟省事，且效果顯著，事半功倍。