基于“源-路徑-接受點(diǎn)”的精細(xì)化船舶艙室降噪設(shè)計(jì)

顧向彥 ,任奕舟,黃佳錚,孟寧

(1.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院,上海 200011;2.92569部隊(duì),海南 三亞 572000)

某型船(同型共3艘)的1號(hào)船在航行試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)醫(yī)務(wù)室噪聲超標(biāo),實(shí)測(cè)值為60.5 dB(A)。在2號(hào)船的改進(jìn)方案中,增設(shè)以下降噪措施進(jìn)行改進(jìn):①在醫(yī)務(wù)室內(nèi)使用穿孔天花板進(jìn)行吸聲降噪;②在A甲板隔離空艙靠機(jī)艙棚一側(cè)設(shè)置4 mm厚面密度為8 kg/m2的隔音墊進(jìn)行隔聲處理。實(shí)施該方案,2號(hào)船試航發(fā)現(xiàn)該醫(yī)務(wù)室實(shí)測(cè)聲壓級(jí)為57.5 dB(A),仍超過(guò)規(guī)范限制要求。該型船醫(yī)務(wù)室布置A甲板,靠生活樓右舷側(cè)壁與后端壁,醫(yī)務(wù)室左側(cè)與機(jī)艙棚相鄰;醫(yī)務(wù)室下方主甲板的艙室為垃圾間與更衣室;醫(yī)務(wù)室上層對(duì)應(yīng)位置為船員娛樂(lè)室,娛樂(lè)室為非噪聲源艙室,可以認(rèn)為醫(yī)務(wù)室內(nèi)噪聲不受娛樂(lè)室的影響。艙室布置簡(jiǎn)見(jiàn)圖1。

圖1 該船甲板室3層甲板艙室位置布置示意

在設(shè)計(jì)之初,為了盡可能降低艙室噪聲超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn),在醫(yī)務(wù)室與機(jī)艙棚之間已設(shè)置隔離空艙,對(duì)機(jī)艙棚傳入醫(yī)務(wù)室的空氣噪聲進(jìn)行隔聲處理;在醫(yī)務(wù)室所在甲板上表面敷設(shè)由20 mm厚巖棉與30 mm厚甲板敷料組成的浮動(dòng)地板對(duì)地板進(jìn)行隔振處理。但是在1、2號(hào)船試航實(shí)驗(yàn)中該艙室實(shí)測(cè)聲壓級(jí)為60.5 dB(A)與57.5 dB(A),超過(guò)規(guī)范限制要求。為提高降噪設(shè)計(jì)的合理性并保證3號(hào)船不出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象,嘗試通過(guò)計(jì)算模型還原1、2號(hào)船的超標(biāo)現(xiàn)象,分析對(duì)標(biāo)后的計(jì)算模型的中間分項(xiàng),對(duì)不同類型的影響因素有針對(duì)性地采取降噪措施,并由上述過(guò)程總結(jié)出一套精細(xì)化降噪設(shè)計(jì)方法。

1 計(jì)算方法與理論

采用基于“源-路徑-接受點(diǎn)”的系統(tǒng)化半經(jīng)驗(yàn)型計(jì)算方法[1-2]對(duì)該案例進(jìn)行計(jì)算分析。該方法基于房間聲學(xué)理論,在計(jì)算分析中的中間數(shù)據(jù)對(duì)工程師全部透明開放,中間過(guò)程準(zhǔn)確性可控,不需要借助專業(yè)的計(jì)算軟件以及三維計(jì)算模型,適合局部艙室的問(wèn)題分析。大量實(shí)船預(yù)報(bào)案例以及國(guó)內(nèi)外使用情況證明該方法滿足工程精度要求。對(duì)比于統(tǒng)計(jì)能量法,本方法需要大量相對(duì)準(zhǔn)確的各類傳遞損失實(shí)測(cè)或經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為計(jì)算輸入?yún)?shù),并且對(duì)于規(guī)模較大的復(fù)雜模型預(yù)報(bào)建模過(guò)程工作量巨大。

基于“源-路徑-接受點(diǎn)”的系統(tǒng)分析方法可以將內(nèi)部無(wú)噪聲源的艙室的聲壓級(jí)進(jìn)行分解,得到各影響因素及聲學(xué)分項(xiàng),便于后續(xù)計(jì)算分析,因素分解見(jiàn)圖2。

圖2 基于系統(tǒng)分析方法的接受點(diǎn)聲壓級(jí)影響因素分解

2 計(jì)算分析

2.1 問(wèn)題復(fù)現(xiàn)

基于1號(hào)船實(shí)測(cè)的聲源艙室數(shù)據(jù),根據(jù)對(duì)應(yīng)的布置、結(jié)構(gòu)及內(nèi)裝相關(guān)圖紙,對(duì)醫(yī)務(wù)室、垃圾間及機(jī)艙棚進(jìn)行復(fù)算,將計(jì)算結(jié)果與在對(duì)應(yīng)房間內(nèi)不同位置實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,見(jiàn)表1。

表1 1號(hào)船3個(gè)相關(guān)房間聲壓級(jí)對(duì)比 dB

表1中,3個(gè)相關(guān)艙室的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)計(jì)算值全部落在實(shí)測(cè)值范圍內(nèi),并且輸入的噪聲源數(shù)據(jù)是基于試航實(shí)測(cè),計(jì)算模型的輸入輸出均與實(shí)際情況匹配。因此,判斷該計(jì)算模型與1號(hào)船實(shí)際情況相吻合,可以將計(jì)算模型中的數(shù)據(jù)用于降噪方案分析。

2.2 計(jì)算模型分項(xiàng)拆解

2.2.1 空氣噪聲與結(jié)構(gòu)噪聲

根據(jù)計(jì)算模型,影響艙室噪聲的組成從大類上分為空氣噪聲與結(jié)構(gòu)噪聲兩大類。因此,首先對(duì)這兩大類噪聲分項(xiàng)進(jìn)行拆解。

醫(yī)務(wù)室的噪聲在模型中包括以下幾個(gè)部分:船上各類機(jī)器設(shè)備傳入醫(yī)務(wù)室的結(jié)構(gòu)噪聲;垃圾間及機(jī)艙棚這兩個(gè)相鄰艙室經(jīng)艙壁或甲板透射傳入醫(yī)務(wù)室的空氣噪聲;醫(yī)務(wù)室內(nèi)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)口作為艙室內(nèi)部噪聲源引起的空氣噪聲。由于風(fēng)口的實(shí)際聲功率在船上不具備實(shí)測(cè)條件,因此將A計(jì)權(quán)總聲功率及不超過(guò)45 dB(A)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)帶入計(jì)算模型。各部分輸入醫(yī)務(wù)室的聲功率級(jí)見(jiàn)表2,各倍頻程頻帶數(shù)據(jù)均經(jīng)過(guò)A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)處理。

表2 輸入醫(yī)務(wù)室的聲功率級(jí)LW dB

由表2可見(jiàn),結(jié)構(gòu)聲輻射的A計(jì)權(quán)聲功率比空氣噪聲影響因素高10 dB(A)以上,因此判斷機(jī)器設(shè)備沿船體結(jié)構(gòu)傳遞到醫(yī)務(wù)室的結(jié)構(gòu)噪聲占醫(yī)務(wù)室噪聲的主導(dǎo)。

2.2.2 各個(gè)面輻射出的結(jié)構(gòu)噪聲的拆解

為進(jìn)一步探究艙室邊界的各個(gè)面輻射出的結(jié)構(gòu)噪聲對(duì)艙室噪聲的具體影響,對(duì)組成醫(yī)務(wù)室空間的6個(gè)結(jié)構(gòu)面輻射出的噪聲進(jìn)行拆解。

結(jié)構(gòu)噪聲在艙室會(huì)通過(guò)各個(gè)表面輻射到艙室環(huán)境中,影響艙室整體的噪聲水平。醫(yī)務(wù)室6個(gè)圍壁面均由鋼制圍壁組成,從機(jī)器設(shè)備傳遞到每個(gè)面的結(jié)構(gòu)噪聲傳遞路徑都有所不同,根據(jù)實(shí)際船體結(jié)構(gòu)計(jì)算傳遞到醫(yī)務(wù)室各個(gè)圍壁及甲板面的結(jié)構(gòu)噪聲在傳遞路徑上的傳遞損失。

根據(jù)醫(yī)務(wù)室各個(gè)圍壁及甲板的板架結(jié)構(gòu)形式,使用“結(jié)構(gòu)-空氣聲”傳遞函數(shù)[3]計(jì)算鋼板向艙室內(nèi)輻射的聲功率。

TF=10·lg(S)+10·lg(σrad)-20·lg(f)-LLV+20

(1)

式中:S為艙壁表面積,m2;σrad為艙壁輻射效率;f為1/1倍頻程中心頻率,Hz;LLV為振動(dòng)速度級(jí)插入損失,dB。

其中,醫(yī)務(wù)室地板(A甲板)敷設(shè)了主要由巖棉和甲板敷料組合成的浮動(dòng)地板,起到了一定的減振降噪作用,需要考慮浮動(dòng)地板的隔振效果及表面輻射效率對(duì)地板輻射的聲功率級(jí)的影響。將浮動(dòng)地板材料廠家在聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)給出的振動(dòng)速度級(jí)插入損失LLV和10·lg(σrad)帶入計(jì)算,見(jiàn)表3,評(píng)估浮動(dòng)地板對(duì)醫(yī)務(wù)室地板的結(jié)構(gòu)聲輻射的降噪效果。

表3 浮動(dòng)地板的振動(dòng)速度級(jí)插入損失LLV和10·lg(σrad)

由此得到的醫(yī)務(wù)室6個(gè)圍壁面分別向醫(yī)務(wù)室的結(jié)構(gòu)聲輻射在醫(yī)務(wù)室產(chǎn)生的聲壓級(jí),見(jiàn)表4。

表4 各個(gè)圍壁面輸入醫(yī)務(wù)室的結(jié)構(gòu)聲輻射在醫(yī)務(wù)室內(nèi)的產(chǎn)生的聲壓級(jí)LP dB

從表4中A計(jì)權(quán)數(shù)據(jù)可以較明顯看出,在醫(yī)務(wù)室地板敷設(shè)了浮動(dòng)地板的情況下,地板的結(jié)構(gòu)聲輻射對(duì)醫(yī)務(wù)室的影響已經(jīng)不占主導(dǎo),后端壁的結(jié)構(gòu)聲輻射在醫(yī)務(wù)室內(nèi)產(chǎn)生的聲壓級(jí)已經(jīng)高于醫(yī)務(wù)室限值55 dB(A),左、右端壁產(chǎn)生的聲壓級(jí)疊加后也超過(guò)55 dB(A)限制。

根據(jù)以上計(jì)算分析,在當(dāng)前設(shè)計(jì)狀態(tài)下,該型船醫(yī)務(wù)室噪聲超標(biāo)的主導(dǎo)因素是四周鋼制圍壁產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)聲輻射。

2.3 降噪設(shè)計(jì)

考慮在醫(yī)務(wù)室鋼制圍壁內(nèi)側(cè)敷設(shè)阻尼材料(阻尼層加約束層)。但實(shí)際工程項(xiàng)目中,建造方在四周圍壁及醫(yī)務(wù)室天花板共5個(gè)圍壁內(nèi)表面均敷設(shè)阻尼材料,并保留2號(hào)船采用的穿孔吸聲天花板及隔音墊。為了使計(jì)算匹配工程實(shí)際情況,驗(yàn)證降噪措施加載在數(shù)據(jù)模型中的合理性,使得試航數(shù)據(jù)可以與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)照匹配,3號(hào)船預(yù)報(bào)計(jì)算按照實(shí)船狀態(tài)進(jìn)行。

阻尼材料對(duì)于鋼制圍壁的降噪效果主要來(lái)自于3方面。

1)阻尼材料增大了結(jié)構(gòu)噪聲傳遞路徑上的損耗因子,其影響按經(jīng)驗(yàn)公式[4]計(jì)算。

TL=13.6η/λ

(2)

式中:η為普通甲板或敷設(shè)阻尼層甲板的等效損耗因子,計(jì)算中根據(jù)經(jīng)驗(yàn)η取0.02;λ為沿甲板傳遞的結(jié)構(gòu)波的波長(zhǎng),m。

2)在阻尼材料艙室內(nèi)表面,從鋼圍壁傳遞到阻尼材料外表面存在振動(dòng)速度級(jí)插入損失,采用材料廠商實(shí)測(cè)值。

3)阻尼材料表面的輻射效率與鋼圍壁結(jié)構(gòu)不同,采用廠商實(shí)測(cè)的10·lg(σrad)。振動(dòng)速度級(jí)插入損失LLV與10·lg(σrad)的廠商實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5 阻尼材料的振動(dòng)速度級(jí)插入損失LLV和10·lg(σrad)

考慮阻尼材料作用,計(jì)算醫(yī)務(wù)室各圍壁面結(jié)構(gòu)聲輻射在醫(yī)務(wù)室內(nèi)的產(chǎn)生的聲壓級(jí),見(jiàn)表6。

表6 敷設(shè)阻尼材料后醫(yī)務(wù)室各圍壁面的結(jié)構(gòu)聲輻射在醫(yī)務(wù)室內(nèi)的產(chǎn)生的聲壓級(jí)LP dB

從表6可見(jiàn),醫(yī)務(wù)室地板的結(jié)構(gòu)聲輻射不受阻尼材料影響,維持初始狀態(tài);其余各圍壁板在醫(yī)務(wù)室內(nèi)產(chǎn)生的聲壓級(jí)均降低至40 dB(A)以下,同時(shí)低于地板的結(jié)構(gòu)聲輻射在醫(yī)務(wù)室內(nèi)的產(chǎn)生的聲壓級(jí)10 dB(A),不會(huì)對(duì)醫(yī)務(wù)室整體噪聲水平產(chǎn)生主要影響。此時(shí),結(jié)構(gòu)聲輻射的是醫(yī)務(wù)室地板占主導(dǎo)因素。

結(jié)合機(jī)艙棚與垃圾間傳入醫(yī)務(wù)室的空氣噪聲以及醫(yī)務(wù)室內(nèi)空調(diào)布風(fēng)器產(chǎn)生的空氣噪聲,計(jì)算當(dāng)前狀態(tài)下醫(yī)務(wù)室的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)見(jiàn)表7。

表7 3號(hào)船各分項(xiàng)在醫(yī)務(wù)室內(nèi)產(chǎn)生的聲壓級(jí)以及醫(yī)務(wù)室的總聲壓級(jí)LP dB

計(jì)算過(guò)程中,考慮了由于醫(yī)務(wù)室左端壁敷設(shè)了阻尼材料,進(jìn)一步提高了隔離空艙的隔聲效果,對(duì)機(jī)艙棚傳入的空氣噪聲有更高的隔聲量。

3號(hào)船試航實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)由測(cè)試公司及建造方反饋,醫(yī)務(wù)室實(shí)測(cè)值為50.7 dB(A),與預(yù)報(bào)值相差僅1.1 dB,說(shuō)明預(yù)報(bào)計(jì)算與試航實(shí)測(cè)的情況基本吻合。表明使用本方法評(píng)估降噪措施可行。

3 降噪方案精簡(jiǎn)

由于3號(hào)船實(shí)測(cè)值為50.7 dB(A),比規(guī)范限值低4.3 dB,結(jié)合已有的各分項(xiàng)因素的計(jì)算分析,可判斷實(shí)際工程中采用的降噪方案相對(duì)保守,在今后的設(shè)計(jì)中可以精簡(jiǎn)不必要的降噪措施,降低建造成本,減少空船重量并降低重心,提高降噪方案的費(fèi)效比。

3.1 結(jié)構(gòu)噪聲與阻尼材料

依據(jù)表4中數(shù)據(jù),醫(yī)務(wù)室天花板的輻射聲壓級(jí)明顯低于四周圍壁,并且四周圍壁敷設(shè)阻尼后,在結(jié)構(gòu)噪聲從聲源到天花板的傳遞路徑路徑上又增加了阻尼損耗,天花板的結(jié)構(gòu)聲輻射的聲壓級(jí)可隨之降低。另外,天花板的阻尼材料敷設(shè)在B甲板下方,從工藝角度看屬于背面施工工藝,現(xiàn)場(chǎng)施工難度較大,且有結(jié)構(gòu)加強(qiáng)筋的阻礙,施工難度加大。因此嘗試在計(jì)算模型中取消天花板阻尼,測(cè)試其對(duì)最終結(jié)果的影響。計(jì)算結(jié)果,取消天花板阻尼后,天花板結(jié)構(gòu)聲輻射產(chǎn)生的聲壓級(jí)為42.0 dB(A),相比于1號(hào)船完全不使用阻尼材料的情況下天花板的輻射聲壓級(jí)48.2 dB(A)已經(jīng)有6.2 dB的降低,并且從絕對(duì)值上不會(huì)影響醫(yī)務(wù)室整體噪聲水平。因此,認(rèn)為可以取消醫(yī)務(wù)室天花板的阻尼材料。

3.2 穿孔吸聲內(nèi)飾天花板

穿孔吸聲內(nèi)飾天花板能夠在艙室內(nèi)部產(chǎn)生吸聲效果,對(duì)艙室內(nèi)降噪產(chǎn)生有利影響。根據(jù)廠商提供的實(shí)驗(yàn)室吸聲系數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù),計(jì)算表明,穿孔吸聲內(nèi)飾天花板對(duì)于該醫(yī)務(wù)室僅產(chǎn)生2.6 dB的降噪量。但是由于醫(yī)務(wù)室對(duì)于環(huán)境清潔要求的特殊性,穿孔吸聲天花板內(nèi)部填充的巖棉層相對(duì)不易清潔消毒,對(duì)醫(yī)務(wù)室的實(shí)際使用的衛(wèi)生清潔條件可能產(chǎn)生不利影響,故考慮取消穿孔吸聲天花板。

3.3 隔音墊與隔離空艙

從機(jī)艙棚傳入的空氣噪聲經(jīng)隔離空艙隔聲后相比于其他分項(xiàng)明顯是小量,因此不需要在此處額外敷設(shè)噪聲隔音墊。并且,在醫(yī)務(wù)室左端壁敷設(shè)的阻尼材料本身就可進(jìn)一步提高鋼板對(duì)空氣噪聲的隔聲量。隔離空艙的主要降噪原理與隔音墊基本類似,區(qū)別在于隔離空艙對(duì)結(jié)構(gòu)噪聲的傳遞有小幅度的衰減作用,去掉隔離空艙將左端壁改為單層圍壁敷設(shè)阻尼材料,結(jié)構(gòu)聲輻射相比有隔離空艙時(shí)略有提高。另外,考慮實(shí)際船舶需要滿足醫(yī)務(wù)室與機(jī)艙棚之間A60防火要求,可在機(jī)艙棚內(nèi)做A60防火絕緣,同時(shí)起到防火和機(jī)艙棚內(nèi)吸聲的效果。

綜合以上分析,在計(jì)算模型中取消隔音墊及隔離空艙,醫(yī)務(wù)室左端壁改為單層鋼制圍壁,內(nèi)側(cè)為敷設(shè)阻尼材料,機(jī)艙棚一側(cè)使用常規(guī)吸聲絕緣材料。經(jīng)計(jì)算,左端壁結(jié)構(gòu)聲輻射在醫(yī)務(wù)室產(chǎn)生的聲壓級(jí)為38.6 dB(A),空氣噪聲仍為一個(gè)小量,對(duì)醫(yī)務(wù)室整體的聲壓級(jí)仍不產(chǎn)生主要影響。因此,可以取消該處隔離空艙及隔音墊。

基于聲學(xué)計(jì)算精簡(jiǎn)降噪措施后,該船醫(yī)務(wù)室的聲壓級(jí)預(yù)報(bào)值為52.3 dB(A),能滿足55 dB(A)的規(guī)范限制要求,且有2.7 dB的設(shè)計(jì)余量。

4 結(jié)論

區(qū)別于以往降噪設(shè)計(jì)主要依據(jù)預(yù)報(bào)計(jì)算中艙室聲壓級(jí)最終結(jié)果給出經(jīng)驗(yàn)性降噪措施,提出一種根據(jù)聲學(xué)分項(xiàng)貢獻(xiàn)量指導(dǎo)降噪措施設(shè)計(jì)的精細(xì)化降噪設(shè)計(jì)方法。本方法基于各聲學(xué)分項(xiàng)因素的計(jì)算結(jié)果,清晰地找到引起整體艙室噪聲超標(biāo)的主要矛盾,進(jìn)行針對(duì)性精準(zhǔn)降噪設(shè)計(jì)。在保證達(dá)到規(guī)范要求的前提下,精細(xì)化降噪設(shè)計(jì)方法通過(guò)“對(duì)癥下藥”的方式選取最合適的降噪措施,給出成本更低,施工工藝更簡(jiǎn)單,重量更輕的精細(xì)化降噪設(shè)計(jì)方案。

對(duì)于“源-路徑-接受點(diǎn)”方法中涉及的各聲學(xué)分項(xiàng)貢獻(xiàn)的研究,在今后還需跟進(jìn)實(shí)驗(yàn),如各圍壁面板的全頻段振動(dòng)測(cè)試、圍壁結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)聲輻射衰減測(cè)試等,以便更明確地驗(yàn)證聲學(xué)分項(xiàng)貢獻(xiàn)研究的可靠性與準(zhǔn)確性。