基于預(yù)報的客滾船振動和噪聲控制措施分析

唐建偉，徐 昌

應(yīng)用研究

基于預(yù)報的客滾船振動和噪聲控制措施分析

唐建偉1，徐 昌2

（1. 青島中遠(yuǎn)海運國際船舶貿(mào)易有限公司，山東青島 266071；2. 中國船舶與海洋工程設(shè)計研究院，上海 200001）

客滾船的舒適性與乘客的體驗直接相關(guān)，控制作為舒適性重要衡量指標(biāo)的振動和噪聲，是客滾船設(shè)計的重中之重。該文以某型客滾船為例，介紹了基于經(jīng)驗和數(shù)據(jù)庫的振動和噪聲早期預(yù)報以及振動和噪聲的數(shù)值預(yù)報，同時基于上述預(yù)報的建議和結(jié)論采取相應(yīng)的振動和噪聲控制措施。通過試航實測結(jié)果，驗證了預(yù)報和控制措施的有效性，為今后客滾船在設(shè)計和建造過程中振動和噪聲控制提供了可借鑒的經(jīng)驗。

客滾船 振動噪聲 預(yù)報 控制

0 引言

客滾船（Ro-Ro passenger ship，ROPAX）是一種人車兩用運輸船，主要用于裝運卡車、小汽車、集裝箱拖車和游客，并為游客提供住宿和娛樂服務(wù)。因其較高的貨運時效性和乘客舒適性，在經(jīng)濟發(fā)達(dá)地區(qū)的內(nèi)海、海灣、海峽和沿海島嶼間的短途水運中具有一定的競爭優(yōu)勢。

目前我國的客滾船運輸已形成以渤海灣為中心的渤海灣客滾運輸市場，隨著亞洲區(qū)域旅游日益活躍和中韓自貿(mào)區(qū)建設(shè)的推進(jìn)，將進(jìn)一步推動中韓航線客貨運事業(yè)的發(fā)展。

在中韓航線上運營的新造客滾船的快速性均可滿足貨運時效性要求，需要更加注重提高舒適性從而增加客運收入。新造客滾船需要確保能按時交船，若振動噪聲超標(biāo)將導(dǎo)致試航后大面積的結(jié)構(gòu)返工和艙室翻新，使新船和舊船無法正常銜接，給船東帶來經(jīng)濟損失。此外，振動噪聲作為舒適性的重要衡量指標(biāo)，也是客滾船設(shè)計的重中之重，若乘客體驗不佳，將會對船舶給出較多負(fù)面評價，會影響船舶的口碑，從而影響到船舶整個生命周期內(nèi)的經(jīng)濟效益。因此，在設(shè)計和建造階段需要高度重視控制船舶的振動和噪聲。對于有母型船的船型而言，可參考母型船已有措施以及實船反饋進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，有相對明確的方向。而對于全新開發(fā)的船型，振動和噪聲控制難度更大。

本文以中韓航線上全新開發(fā)的某型客滾船（以下簡稱‘本船’）的振動和噪聲控制為例，介紹船舶設(shè)計和建造過程中的振動和噪聲控制方法。

表1 船型主要參數(shù)表

圖1 船型側(cè)視圖

1 基于經(jīng)驗和數(shù)據(jù)庫的振動和噪聲早期預(yù)報和建議

本船為國內(nèi)首艘滿足中國船級社（CCS）COMF(VIB 2) 、COMF(NOISE 2)附加標(biāo)志要求的客滾船，上述船級符號要求乘客高級艙室的最大振動量級不超過2 mm/s、最大噪聲量級不超過47 dB(A)[1-3]。而常規(guī)船舶振動和噪聲僅需要滿足ISO 6954-2000和Resolution MSC.337(91)的要求、對應(yīng)的居住艙室最大振動量級不超過4 mm/s、最大噪聲量級不超過55 dB(A)。

由于本船無母型船，在船舶設(shè)計和建造階段，無法通過實際測量的方式獲得艙室的振動和噪聲值，因此需要對艙室的振動和噪聲進(jìn)行早期預(yù)報，從而指導(dǎo)設(shè)計和設(shè)備選型。本船引入第三方對振動和噪聲進(jìn)行基于經(jīng)驗和數(shù)據(jù)庫的早期預(yù)報，可快速識別振動和噪聲潛在超標(biāo)風(fēng)險。

1.1 振動早期預(yù)報及建議

為便于車輛上下，客滾船車輛艙內(nèi)通常不設(shè)縱艙壁和支柱，因此車輛艙上方的住艙甲板無法得到連續(xù)的垂向支撐，振動問題會較為突出。受限于船旗國對救生艇布置高度的要求，本船救生艇需在5甲板車輛艙兩側(cè)。為方便車輛上下，避免中煙囪與舷側(cè)救生艇凹入處形成行駛路線上的“瓶頸”問題，本船機艙煙囪布置在舷側(cè)。由于沒有中煙囪，甲板梁跨距與船寬相等，對橫向強度和上層甲板的振動不利。在總布置初步確定之后，通過第三方基于數(shù)據(jù)庫的早期預(yù)報。分解振動控制指標(biāo)，如螺旋槳總脈壓和空泡引起的脈壓值、主機單層隔振等。另外，基于經(jīng)驗，認(rèn)為尾部甲板的振動通常較大，建議在7甲板尾部增加縱向艙壁。

1.2 噪聲早期預(yù)報及建議

對于最高等級噪聲要求的船舶（如 NOISE 1），多數(shù)為豪華郵輪，通常采用電力推進(jìn)形式，與常規(guī)推進(jìn)相比有較大的成本增加。而對NOISE 2等級，通過合理的降噪設(shè)計，常規(guī)推進(jìn)也可以達(dá)到要求。歐洲主流豪華客滾船通常為NOISE 2級。本船在設(shè)計初期，在總布置初步確定之后，通過與第三方進(jìn)行基于數(shù)據(jù)庫的早期預(yù)報。分解噪聲源控制指標(biāo)，如主機、排氣管、風(fēng)機、空調(diào)器等；對各層甲板的噪聲值進(jìn)行初步預(yù)報。對浮動甲板布置、隔聲絕緣等提供初步建議。

2 基于早期預(yù)報的振動和噪聲控制措施

振動和噪聲早期預(yù)報的建議基本可以分為兩類，一類是在設(shè)計理念和設(shè)備選型上主動去控制、減少振動噪聲源，另一類是采取各類積極措施去降低振動和噪聲的傳遞。

2.1 振動和噪聲源控制

本船的船用設(shè)備較多，因此振動和噪聲源也多。主要振動和噪聲源包括螺旋槳、柴油機主機、柴油發(fā)電機組、空調(diào)機組、貨艙風(fēng)機、機艙風(fēng)機、機艙空壓機、機艙泵組、液壓泵組、以及各類管道等。因此需要根據(jù)早期預(yù)報對不同振動和噪聲源的控制指標(biāo)來優(yōu)化設(shè)計和設(shè)備選型。

2.1.1 螺旋槳設(shè)計

螺旋槳的各種設(shè)計要素相互制約，因此需從推進(jìn)效率、空泡、振動及強度等方面進(jìn)行權(quán)衡，同時應(yīng)適當(dāng)加大低振動噪音在螺旋槳設(shè)計中的權(quán)重，從而達(dá)到合理的設(shè)計目標(biāo)?？刂坡菪龢恼駝雍驮胍艨梢詮囊幌聨追矫婵紤]：

1）螺旋槳葉片數(shù)的選擇：一般認(rèn)為，若螺旋槳的直徑和葉面積相同，則葉數(shù)少者效率高，但葉數(shù)多對減小振動有利。本船選擇5葉槳，對減小振動有利。

2）螺旋槳直徑的選擇：考慮與船體尾部型線的配合，保持足夠的間隙，避免產(chǎn)生過大的激振力。通常情況下，該間隙不得小于船級社規(guī)范所要求的值。一般在相同推進(jìn)功率下，螺旋槳直徑越大，激振力越小。在滿足規(guī)范對槳葉梢與船體間隙要求下，本船將螺旋槳直徑適當(dāng)加大至4.8 m。

3）螺旋槳空泡：螺旋槳葉梢產(chǎn)生的梢渦空泡對螺旋槳剝蝕無直接影響，但梢渦空泡在船體表面崩潰時會導(dǎo)致船體尾部的劇烈振動，還會引起不必要的噪聲問題。云狀空泡不僅對螺旋槳剝蝕最為嚴(yán)重，而且也是強烈的噪聲源，危害最大[4]。本船對螺旋槳空泡性能進(jìn)行了設(shè)計優(yōu)化，通過空泡試驗驗證，設(shè)計槳未出現(xiàn)導(dǎo)致螺旋槳剝蝕的面空泡和云狀空泡，梢渦空泡也在正常范圍內(nèi)。

4）螺旋槳引起的激振力：本船在線型設(shè)計階段，著重對尾部線型和軸支架形式和剖面進(jìn)行優(yōu)化，從而使螺旋槳的伴流場更加均勻。在半流場無法進(jìn)一步改善的情況下，還可增加螺旋槳的側(cè)斜角來降低激振力。本船采用的是中側(cè)斜槳。通過脈動壓力試驗驗證，本船設(shè)計槳的脈動壓力試驗值為2.1 kPa，在早期預(yù)報的限制范圍內(nèi)。

2.1.2設(shè)備選型

振動和噪聲源設(shè)備選型主要取決于成本，本船在預(yù)算造價范圍內(nèi)對主要振動和噪聲源設(shè)備選型考慮如下：

1）主機和發(fā)電機：主機和發(fā)電機要求廠家提供優(yōu)良的錐形減振器，以及采用單層彈性隔振安裝來降低振動和噪聲。

2）主機和發(fā)電機的消音器：主機和發(fā)電機的排氣管需向上穿過生活和娛樂區(qū)，排氣噪聲與上述需控制振動噪聲的艙室較近，需重點關(guān)注。本船主機排煙管出口需滿足在不同頻率段噪聲低于90 dB(A)，為滿足上述排煙管出口噪聲要求，為每臺主機的排煙管各布置了1臺火星熄滅式通用消音和1臺低頻消音器。主發(fā)電機組排氣管上布置火星熄滅式消音器，消音量為35 dB(A)，消音量高于貨船25 dB(A)的消音量。

3）主空壓機：主空壓機采用單層彈性隔振塊安裝，振動噪聲優(yōu)于常規(guī)的鋼墊安裝。

4）機艙風(fēng)機：機艙風(fēng)機采用彈性隔振安裝，振動噪聲優(yōu)于常規(guī)的鋼法蘭直接安裝。本船由于風(fēng)機室層高限制無法布置風(fēng)機消音器，因此將消音器方案改為風(fēng)機室整體消音方案。

5）空調(diào)系統(tǒng)：空調(diào)風(fēng)機選用低噪聲高效風(fēng)機，并且風(fēng)機安裝采用減震器等減振措施?？照{(diào)箱與艙室之間的圓供風(fēng)風(fēng)管采用消音風(fēng)管，回風(fēng)管和矩形風(fēng)道采用消音器以減小噪聲的傳遞。

6）貨艙風(fēng)機：選用低噪聲高效風(fēng)機，并且風(fēng)機安裝采用減震器等減振措施。同時風(fēng)機基座預(yù)留空間，將根據(jù)后續(xù)評估結(jié)果適當(dāng)刷阻尼約束結(jié)構(gòu)降低振動傳遞。貨艙風(fēng)機與室外之間設(shè)置消音器，減小百葉窗出口的噪聲。

2.2 振動和噪聲傳播途徑控制

早期預(yù)報對振動和噪聲源的控制需要考慮到技術(shù)和成本的限制，在振動和噪聲源因上述原因無法進(jìn)一步降低情況下，可考慮采取控制傳播途徑的措施來降低振動噪聲轉(zhuǎn)化或者消耗振動噪聲能量。同時還可優(yōu)化艙室布局，將振動和噪聲要求高的房間布置在遠(yuǎn)離振動和噪聲源處。

2.2.1 船體方面

參照振動噪聲的早期預(yù)報報告，合理優(yōu)化全船結(jié)構(gòu)布置，保證結(jié)構(gòu)連續(xù)性，形成橫縱向連續(xù)的強框架。合理布置支柱，盡可能將支柱布置在艙壁的同一平面內(nèi)，增加船體結(jié)構(gòu)剛性。采用高橫梁預(yù)開孔形式，增加甲板板架的整體剛度。主機座與船體縱桁供面布置，盡量向兩端延伸，并設(shè)置橫向支撐。優(yōu)化船體結(jié)構(gòu)固有頻率，避開主要激振源的工作頻率，以避免共振。

同時有針對性地對7甲板尾部區(qū)域布置進(jìn)行修改，增加了2個縱向艙壁，以期減少7甲板振動。另外，對7～9甲板，在設(shè)計中，盡量保證主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連續(xù)性，在合理位置增加立柱和局部艙壁，保證一定程度上的垂向連續(xù)性，雖然結(jié)構(gòu)重量略有增加，但減少了振動風(fēng)險。

2.2.2 內(nèi)裝方面

參照振動噪聲的早期預(yù)報報告，對噪聲較高的區(qū)域布置浮動地板和阻尼。在產(chǎn)生噪聲的地方如空調(diào)器室，刷阻尼約束結(jié)構(gòu)并敷設(shè)隔音絕緣，以減小噪聲對外界的影響。布風(fēng)器、靜壓箱、抽風(fēng)頭等采用撓性連接，減小振動、噪聲的傳遞。天花板、壁板系統(tǒng)采用彈性構(gòu)件，減小振動和噪聲的傳播。

2.2.3 電氣方面

配電板、集控臺、駕控臺等大型落地式設(shè)備增加減震橡膠墊。機械設(shè)備控制箱按廠家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備設(shè)置減震器。

機艙區(qū)及機3甲板機械區(qū)燈具采用掛鉤式，以便減少震動的影響。車輛艙內(nèi)燈具采用減震器。室外燈外采用減震盤。

2.2.4 機裝方面

排煙管吊架：為降低排煙管的振動噪聲，本船排煙管將采用靜音型吊架，且對排煙管支撐和吊架的布置位置進(jìn)行全面的計算。

貨艙風(fēng)機室內(nèi)圍壁敷設(shè)隔音絕緣減小噪聲的傳遞。

3 基于數(shù)值預(yù)報控制振動和噪聲

在結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后，基于廠商提供振動和噪聲源數(shù)據(jù)對振動和噪聲進(jìn)行數(shù)值分析?？梢詾檫_(dá)到振動和噪聲要求提供更精確的技術(shù)保障，減少船舶后期修改，保證交船期。

3.1 振動數(shù)值計算的結(jié)論

7甲板跨層的登船大廳，8甲板尾部餐廳、第二主豎區(qū)內(nèi)艙房和VIP套間位置，9甲板冷庫、第二主豎區(qū)兩舷房間和第一主豎區(qū)高級船員住艙超標(biāo)。

圖2 9甲板第一輪振動數(shù)值計算結(jié)果云圖

3.2 基于數(shù)值計算的振動控制

通過分析結(jié)論，得出大梁高度降低的區(qū)域，振動問題比較突出，典型如9甲第四主豎區(qū)空調(diào)器室頂部，8甲廚房頂部，5甲尾部裝高車區(qū)域；立柱對減小振動有一定的效果，典型如8甲板和9甲板第一主豎區(qū)，立柱范圍內(nèi)均有效降低了振動水平。

組織船廠、設(shè)計院、船檢一起討論、研究解決方案；修改方案以增加甲板板架剛度為主，在部分區(qū)域增加局部艙壁、立柱和縱桁，兼顧減振要求和實際放樣可行性。

通過二次振動評估結(jié)果，大部分區(qū)域的振動幅值得到了顯著降低，僅8、9甲板在第一主豎區(qū)有個別住艙幅值偏大。在核查模型后進(jìn)行了修改，并將第二輪發(fā)現(xiàn)的部分超標(biāo)艙室進(jìn)行了修改，增加了局部縱桁。并進(jìn)行了第三次振動評估，評估結(jié)果滿足要求。本船經(jīng)試航振動實測，振動測量結(jié)果均在COMF(VIB 2)舒適性衡準(zhǔn)限值內(nèi)。

圖3 9甲板第三輪振動數(shù)值計算結(jié)果云圖

3.3 噪聲數(shù)值計算的結(jié)論

基于提供的設(shè)備噪聲數(shù)據(jù)和隔聲設(shè)計方案，主要艙室內(nèi)的噪聲預(yù)報值可以滿足CCS船級符號COMF(NOISE 2)的要求。

3.4 基于數(shù)值計算的噪聲控制

表2 典型位置噪聲計算值與實測值對比

組織船廠、船級社和設(shè)計院在召開噪聲專題討論會，就噪聲計算報告中的材料屬性、安裝節(jié)點要求、等效措施等進(jìn)行了溝通和澄清。

主要結(jié)論如下：7甲板尾部部分艙室需采取浮動地板，以達(dá)到規(guī)范要求，船廠提供與振動噪聲報告中等效的節(jié)點形式，得到船級社的確認(rèn)，可滿足規(guī)范要求；并對部分設(shè)備安裝和工藝節(jié)點提出了要求，如排氣管彈性安裝，內(nèi)裝板與振動較大的鋼圍蔽之間的彈性連接等，船廠確認(rèn)將在施工時注意；對于部分船廠擬采用的等效節(jié)點，如7甲板尾部浮動地板、集控室地板，經(jīng)與船級社確認(rèn)，船廠的方案可以達(dá)到相似的降噪效果。本船試航噪聲實測結(jié)果滿足CCS 附加標(biāo)志COMF(NOISE 2)的要求。

4 結(jié)論

本文介紹了客滾船在不同設(shè)計建造階段控制振動和噪聲的措施。同時，簡述了基于經(jīng)驗和數(shù)據(jù)庫的早期振動和噪聲預(yù)報以及基于數(shù)值計算的振動和噪聲預(yù)報對客滾船振動和噪聲控制的作用。旨在為業(yè)界內(nèi)客滾船的振動和噪聲控制提供一些合理建議。

[1] 中國船級社. 鋼質(zhì)海船入級規(guī)范[M]. 北京: 中國人民交通出版社, 2016.

[2] 中國船級社. 船上振動控制指南[M]. 北京: 中國人民交通出版社, 2012.

[3] 中國船級社. 船舶及產(chǎn)品噪聲控制與檢測指南[M]. 北京: 中國人民交通出版社, 2013.

[4] 船舶工業(yè)集團總公司. 船舶設(shè)計實用手冊[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2013．

Forecast-based analysis of vibration and noise control measures for Ro-Ro passenger ship

Tangjianwei1；Xuchang2

（1. COSCO Ship(Qingdao) Co., Ltd., Qingdao 266071, China; 2. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200001, China)

U664

A

1003-4862（2022）07-0011-05

2021-09-26

唐建偉（1975-），男，碩士，輪機長/工程師。研究方向：新造船監(jiān)造及技術(shù)應(yīng)用。E-mail:tang.jianwei@coscoshipping.com