外部噪聲船級符號介紹與分析

王 墨，王毅娜

（1. 挪威船級社（中國）有限公司，上海 200336；2. 上海船用柴油機(jī)研究所，上海 201108）

0 引言

船舶外部空氣傳播噪聲（船舶外部噪聲）通常指船舶航行或停泊時因必要的機(jī)械設(shè)備工作而向外輻射的噪聲。對于普通貨船在港口時的外部噪聲源主要有排煙管、機(jī)艙風(fēng)機(jī)進(jìn)/排氣口、冷凍系統(tǒng)、吊機(jī)等；對于油船，位于開敞甲板的管路也會向外輻射噪聲；對于客船或滾裝船，其生活區(qū)或貨艙風(fēng)機(jī)的進(jìn)/排氣口也對外部噪聲產(chǎn)生重要影響[1]。常見海船的外部噪聲源見圖1。

圖1 船舶停泊時外部噪聲源示意圖

船舶過大的外部噪聲排放將會干擾港口及港口附近的住宅、工作區(qū)域，對港口區(qū)域環(huán)境的影響較大。近年來，船舶的噪聲排放已逐漸成為港口重點(diǎn)考慮的環(huán)境問題。減少船舶噪音排放以改善環(huán)境質(zhì)量的需求不斷增加。如歐盟的船舶減振降噪創(chuàng)新解決方案項(xiàng)目制定了船舶外部噪聲的測量方法。此外世界港口可持續(xù)發(fā)展計(jì)劃（World Ports Sustainability Program，WPSP）決定自 2020年起將船舶外部噪聲納入船舶環(huán)境指數(shù)（Environmental Ship Index，ESI）公式，對較為安靜的船只其港口費(fèi)用可予以折減。

外部噪聲的要求常見于中小型游艇，針對游艇的外部噪聲測量已有國際標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)供參考[2-3]。近幾年國內(nèi)新造的客滾船上常見有外部噪聲要求，但主要因?yàn)榇饲皼]有可參照的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，外部噪聲的具體技術(shù)指標(biāo)均由船東進(jìn)行指定。有些指標(biāo)要求相對比較嚴(yán)格，如船廠早期沒有對外部噪聲的要求進(jìn)行評估，后期可能要花費(fèi)較大的成本以滿足這項(xiàng)要求。

為衡量和把控船舶外部噪聲的水平，截至2021年底已有3家主流的船級社發(fā)布了針對船舶外部噪聲的志愿性船級符號。按發(fā)布時間的先后順序?yàn)橛鴦谑洗壣纾↙loyd’s Register，LR）的ABN[4]、挪威船級社（Det Norske Veritas，DNV）的QUIET[5]及美國船級社（American Bureau of Shipping，ABS）的AIRN/AIRN+/AIRN-M(a, b)[6]。本文主要對這3個船級符號的相關(guān)要求的特點(diǎn)進(jìn)行介紹和對比，為相關(guān)技術(shù)人員把控船舶的外部噪聲水平提供參考。

1 LR外部噪聲船級符號ABN

LR的ABN符號發(fā)布于2019年1月，是各大船級社中第一個面向船舶外部噪聲的船級符號[7]。截至 2021年底該符號的相關(guān)要求暫未進(jìn)行更新。ABN符號針對不同的船型（主要區(qū)別海船與內(nèi)河船）定義了5個外部噪聲大小的等級，從最嚴(yán)格至最寬松依次為ABN(SQ)、ABN(Q)、ABN(S)、ABN(IW)和ABN(C)，見表1。船只需同時滿足港內(nèi)停泊和5節(jié)低速航行2種工況下的全船聲功率及對應(yīng)距離的聲壓級共四項(xiàng)指標(biāo)時方可獲得該入級符號。值得一提的是，LR的ABN是3家船級社中唯一對航行工況進(jìn)行考核的符號。

表1 LR ABN符號衡準(zhǔn)

為獲得LR的ABN符號，規(guī)范建議船舶在早期設(shè)計(jì)階段即對外部噪聲水平進(jìn)行建模計(jì)算預(yù)報(bào)。其目的是盡早判斷船上各噪聲源對外部噪聲的影響并在設(shè)計(jì)階段規(guī)避超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。LR在規(guī)范中已對計(jì)算的過程提出具體要求及建議，模型和計(jì)算結(jié)果可參考圖2和圖3，此處不再進(jìn)行贅述。

圖2 LR建議的3D計(jì)算模型

圖3 噪聲云圖

值得注意的是，LR要求計(jì)算時應(yīng)至少覆蓋31.5～8 000.0 Hz頻率范圍的倍頻程噪聲水平，而通常的設(shè)備商提供的噪聲數(shù)據(jù)可能為63～8 000 Hz的倍頻程噪聲數(shù)據(jù)，31.5 Hz處的噪聲數(shù)據(jù)有可能缺失。此外，一些商業(yè)噪聲計(jì)算軟件也僅可設(shè)置63～8 000 Hz倍頻程噪聲水平，對計(jì)算工具/軟件的選擇應(yīng)額外注意。規(guī)范建議設(shè)計(jì)階段的預(yù)報(bào)結(jié)果與限值間應(yīng)保持至少3 dB余量。

對于交船前的驗(yàn)證性測量LR允許2種測量方法：

1）近場測量（Near-Field Method）

LR規(guī)定近場測量的流程首先要對各噪聲源近場測量其聲功率，然后將測量的聲功率數(shù)據(jù)代入到前期預(yù)報(bào)計(jì)算時所使用的3D模型中重新計(jì)算分析以得到要求的聲功率級及聲壓級。如由第三方認(rèn)證公司進(jìn)行的計(jì)算，其計(jì)算過程也要得到LR的批準(zhǔn)/認(rèn)可。

2）遠(yuǎn)場直接測量（Direct Measurements）

LR也接受遠(yuǎn)場直接測量指定距離的聲壓級和全船聲功率。聲壓級須根據(jù)ISO 2922進(jìn)行測量，聲功率須根據(jù)ISO 8297進(jìn)行測量。LR要求的考核點(diǎn)見圖4，圖4中d為水平方向測點(diǎn)與船體外板間的距離；H為海面以上船舶高度（含煙囪、排氣管及吊機(jī)）。對于聲壓級的測量，LR允許測量倍頻程聲壓級，但要求對于港內(nèi)停泊工況測量要在至少3個高度測量，即3.5 m、H/2及H處，且同一高度相鄰兩測點(diǎn)間距不能大于5 m。這意味著對于尺寸稍大的船舶其要求的測點(diǎn)數(shù)量將非常多，并且需要特殊的工具或設(shè)備以在較高的高度進(jìn)行聲壓級的測量，這可能對直接測量帶來較大的挑戰(zhàn)。

圖4 LR要求的考核點(diǎn)示意圖

2 DNV外部噪聲船級符號Quiet

DNV的Quiet符號最初于2019年7月正式發(fā)布。自DNV發(fā)布該符號以來，國內(nèi)外已有數(shù)條船獲得或申請?jiān)摲?。初版?guī)范中該符號的目的主要為了體現(xiàn)船舶實(shí)際的外部噪聲水平，而沒有規(guī)定限值。這意味任何船只在進(jìn)行了外部噪聲測量后均可能獲得該符號。Quiet符號的要求于2021年7月進(jìn)行較大范圍的更新，與之前版本相比最主要變化為新版規(guī)范制定了不同等級的衡準(zhǔn)。為與另外兩家船級社的外部噪聲符號進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，本文僅討論2021年7月版Quiet符號的要求。

DNV的Quiet符號適用于2個停泊工況，即停泊空閑工況和停泊工作工況。符號給出了3個等級的衡準(zhǔn)要求，每個等級需同時滿足3個指標(biāo)，2工況可匹配不同的等級符號，見表2。

表1 DNV Quiet符號衡準(zhǔn)

表2 ABS AIRN/AIRN+符號衡準(zhǔn)

DNV沒有要求船舶早期設(shè)計(jì)時預(yù)報(bào)船舶的外部噪聲。判斷船舶是否滿足Quiet符號的要求完全取決于驗(yàn)證性測量的結(jié)果。對于驗(yàn)證性測量 DNV同樣允許2種方式：

1）遠(yuǎn)場測量（Far Distance Measurements）

遠(yuǎn)場測量須測量距離船舶舷側(cè)100 m處的聲壓級水平。此外也需要測量船上影響外部噪聲的各局部噪聲源的聲功率，用于疊加計(jì)算得到全船聲功率。

DNV對指定距離測量聲壓級的具體要求可參照具體的指導(dǎo)文件[8]。相比LR，DNV對指定距離處直接測量聲壓級的要求相對寬松一些，如：DNV僅要求測點(diǎn)需要高于海面3.5 m，而未要求更高位置的測量結(jié)果；相鄰兩側(cè)點(diǎn)間距不高于10 m，也更為寬松。DNV允許船舶于碼頭停泊時進(jìn)行測量，但也明確要求了測點(diǎn)位置須在海面上而不能選擇在陸地/碼頭上，且船舶的左、右舷側(cè)的外部噪聲均須進(jìn)行測量和記錄。測點(diǎn)的布置可參考圖 5。其中，D1為測點(diǎn)與船體外板的距離，應(yīng)介于50～150 m；D2為每2個相鄰測點(diǎn)的間距，不大于10 m；H1為舶水平面以上的高度（含排煙管結(jié)構(gòu)）；H2為測點(diǎn)與海面間的高度，不低于3.5 m。

圖5 DNV Quiet遠(yuǎn)場測量外部噪聲的測點(diǎn)示意圖

測量的聲壓級水平應(yīng)至少比背景噪聲高4 dB，否則應(yīng)適當(dāng)縮短測點(diǎn)與船體間的距離，但不能低于50 m。測量結(jié)果應(yīng)根據(jù)實(shí)際的距離換算成100 m的聲壓級。

值得注意的是，DNV對記錄數(shù)據(jù)的要求為25 Hz～10 kHz的1/3倍頻程數(shù)據(jù)，這對測量設(shè)備及其設(shè)置有一定要求。

2）近場局部噪聲源聲功率測量（Individual Source Levels）

近場測量的工作量相對較少，僅須測量各局部噪聲源的聲功率，之后通過后續(xù)建模計(jì)算得到船側(cè)100 m處的聲壓級；同樣需要對各局部聲源的聲功率疊加計(jì)算得到全船聲功率。

對于近場局部噪聲源聲功率測量，DNV要求后續(xù)建模計(jì)算所用的模型須體現(xiàn)船體外殼、上層建筑及船舶附近的水面的影響。噪聲源要求以點(diǎn)聲源的形式體現(xiàn)到模型中，并要考慮其指向性。DNV的指導(dǎo)文件列出了排煙管排氣噪聲的指向性系數(shù)供參考。

3 ABS外部噪聲船級符號AIRN/AIRN+和AIRN-M(a, b)

ABS的外部噪聲符號于2021年5月發(fā)布。符號給出了兩個等級的限值，當(dāng)滿足相應(yīng)限值時可授予AIRN或AIRN+符號。此外對于按照ABS規(guī)范進(jìn)行外部噪聲測量但未與其限值進(jìn)行比對的也可授予AIRN-M(a, b)符號，其中a表示31.5～8 000 Hz范圍的全頻段A計(jì)權(quán)聲壓級，b表示31.5～160 Hz低頻范圍聲壓級。

與DNV的要求類似，ABS也未要求設(shè)計(jì)階段的計(jì)算及預(yù)報(bào)，符號的授予取決于后期實(shí)船測量的結(jié)果。ABS要求的測量工況為碼頭停泊工作工況，但其要求的限值衡準(zhǔn)較為簡單，即僅需比對距離船體100 m處測量的聲壓級水平，見表3。

ABS也接受2種測量方法：

1）遠(yuǎn)場直接測量

ABS對遠(yuǎn)場測量的要求較為簡單，測點(diǎn)高度須為水面上至少 3.5 m，距離船體前、后、左、右100 m各布置一個測點(diǎn)，共4個測點(diǎn)位置，見圖6。

圖6 ABS AIRN/AIRN+及AIRN-M(a, b)遠(yuǎn)場測量外部噪聲的測點(diǎn)示意圖

測量的聲壓級應(yīng)高于背景噪聲至少3 dB，否則可適當(dāng)縮短測點(diǎn)與船體間的距離，最短可為80 m，然后對測量結(jié)果根據(jù)距離換算成100 m的聲壓級水平。

2）近場測量

與其他兩家船級社的要求相似，ABS對近場測量的要求為測量局部噪聲源聲功率，根據(jù)測量的聲功率數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算得到距船100 m處的聲壓級。

4 3個船級社的外部噪聲船級符號橫向?qū)Ρ?/h2>

各船級社對外部噪聲的測量流程及細(xì)節(jié)要求均有所區(qū)別。但其中有一些近似內(nèi)容可以進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，對比結(jié)果見表4。

表4 3家船級社外部噪聲船級符號對比

根據(jù)表格的橫向?qū)Ρ瓤傻靡恍﹨R總信息：

1）ABS對測量工況的要求最簡單，僅一個系泊工作工況。LR對測量工況要求更多，且是唯一要求對低速航行工況測量的船級社。

2）DNV在規(guī)范中明確說明姊妹船也須測量方可獲得符號。其他2家船級社對姊妹船測量的要求沒有具體說明。

3）LR更傾向于通過近場測量和3D模型計(jì)算模擬來反映船舶的外部噪聲水平，并建議在設(shè)計(jì)早期需預(yù)報(bào)船舶的外部噪聲水平。DNV與ABS也接受基于局部噪聲源的聲功率測量數(shù)據(jù)通過3D模型計(jì)算距離船舶指定距離的聲壓級，但同時也提出了較為實(shí)際的直接測量聲壓級的方法。

4）對于近場測量后的建模計(jì)算，3家船級社均要求考慮聲源的指向性，但只有DNV在其指導(dǎo)文件中給出了排氣噪聲的指向性系數(shù)建議。

5）ABS對遠(yuǎn)場測量的要求最為簡單，測點(diǎn)也最少。LR允許遠(yuǎn)場測量，但在H/2及H高度測量會比較困難。

6）LR及DNV除了要求指定距離的聲壓級，還對全船聲功率級有所要求。ABS僅要求對比100 m處的聲壓級。

7）3家船級社外部噪聲的測量參數(shù)不同，但根據(jù)可橫向?qū)Ρ鹊膮?shù)即100 m處最大A計(jì)權(quán)聲壓級，3個符號所有等級中限值最寬松的為DNV的3級，即63 dB(A)，限值最嚴(yán)格的為LR的SQ，等效換算值約36 dB(A)。但需注意的是，ABS要求的測點(diǎn)較少，測點(diǎn)位置距離主要噪聲源的位置也可能較遠(yuǎn)。這意味著存在測量數(shù)據(jù)滿足ABS的AIRN但不滿足DNV的Quiet(W-1)的可能性。

8）3家船級社均對建模計(jì)算所使用的數(shù)據(jù)有所要求，其中DNV要求最高，為25 Hz～10 kHz的1/3倍頻程數(shù)據(jù)。

9）如都選擇遠(yuǎn)場測量方法，3個符號中 ABS要求的測量工作量最少，LR的工作量最大。

5 結(jié)論

人們對環(huán)境的舒適度越來越重視，船舶的外部噪聲問題預(yù)計(jì)也會逐漸由新興變得流行。本文對現(xiàn)有船級符號的相關(guān)要求進(jìn)行了匯總和對比，歸納了不同船級社對其外部噪測量或計(jì)算的要求的特點(diǎn)，可為相關(guān)技術(shù)人員節(jié)省信息搜集的時間成本，也可為船東、船廠和標(biāo)準(zhǔn)制定單位提供一定參考。