某內(nèi)河高速指揮船的振動(dòng)噪聲控制與分析

摘" " 要：隨著材料和動(dòng)力技術(shù)的發(fā)展，高速船在世界范圍內(nèi)大量應(yīng)用，高速化的同時(shí)也帶來了嚴(yán)重的振動(dòng)與噪聲問題。本文以50m內(nèi)河高速指揮船為例，介紹高速船舶振動(dòng)及噪聲控制的指標(biāo)確定、控制思路和措施，為高速船振動(dòng)噪聲控制技術(shù)研究和工程化應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：高速船；振動(dòng)控制；噪聲控制

中圖分類號：U662" " " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Vibration and Noise Control Analysis of Inland River

High Speed Command Ships

ZHANG Dan1，2，" MAO Binfeng1，" FANG Xianjin1，2，" DENG Xijuan1

（ 1.Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250，" China; 2.Harbin Engineering University， Harbin 150001，" China ）

Abstract： With the development of materials and power technology， the high speed ships are widely used worldwide. At the same time， high-speed ships also bring serious vibration and noise problems. Taking the 50-meter high-speed command boat as an example， this paper introduces the index set， control idea and measures for vibration and noise control of high-speed ships， providing certain reference for the research and engineering application of vibration and noise control technology for high-speed ships.

Key words： high-speed ships;" vibration control;" noise control

1" " 引言

隨著材料和動(dòng)力技術(shù)的發(fā)展，近半世紀(jì)以來，高速船在全世界得到了迅速發(fā)展，然而高速化的同時(shí)也帶來了嚴(yán)重的振動(dòng)與噪聲問題。其主要原因在于：一方面，高速船需嚴(yán)格控制重量，其船體結(jié)構(gòu)較低速船弱，高階振動(dòng)模態(tài)更易被激發(fā)出來；另一方面，高速船通常配置高轉(zhuǎn)速、大功率的推進(jìn)主機(jī)，螺旋槳負(fù)荷高，船尾激振力大，容易引起振動(dòng)。同時(shí)，高速船主尺度一般較小，機(jī)械噪聲更易影響相鄰區(qū)域甚至遍及全船[1]。因此，高速船的振動(dòng)噪聲問題較低速船更為突出，振動(dòng)噪聲控制成為高速船研究的一個(gè)重要方向。

2" " "船舶概況

本船為內(nèi)河高速指揮船，主船體為鋼質(zhì)，上層建筑為鋁質(zhì)，全部采用焊接結(jié)構(gòu)。機(jī)艙布置有2臺主柴油機(jī)，通過齒輪箱減速帶動(dòng)固定螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，為全船提供推力。自下而上布置有3層甲板，依次為：主甲板、上甲板和頂甲板，主要艙室有駕駛室、小會議室、休息室、大會議室、船員住艙、公共區(qū)域等，如圖1所示。

圖1 高速指揮船側(cè)視圖

3" " "船舶振動(dòng)噪聲衡準(zhǔn)

3.1" "振動(dòng)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1）結(jié)構(gòu)振動(dòng)衡準(zhǔn)。CCS《船上振動(dòng)控制指南》（2021）[2]對普通船舶和船長在 35 m 以上的高速船、輕型船與水面艦艇的船體結(jié)構(gòu)振動(dòng)衡準(zhǔn)值進(jìn)行了規(guī)定，一般應(yīng)控制在表1的范圍內(nèi)。

分析以上表格可以看出，CCS對船長在35 m以上的高速船、輕型船與水面艦艇允許的船體結(jié)構(gòu)振動(dòng)較普通船舶小，鋁合金材質(zhì)的船舶較鋼質(zhì)船允許的結(jié)構(gòu)振動(dòng)速度小。也就是說，35 m以上的高速船、輕型船與水面艦艇的船體結(jié)構(gòu)振動(dòng)要求較普通船舶更為嚴(yán)格，而CCS對船長在 35 m 以下的高速船未作規(guī)定。

2）居住性振動(dòng)衡準(zhǔn)。ISO 6954-2000（GB/7452-2007）《機(jī)械振動(dòng)客船和商船適居性振動(dòng)測量、報(bào)告和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[3]給出了船舶不同區(qū)域舒適性評價(jià)準(zhǔn)則，如表2所示。

居住性振動(dòng)衡準(zhǔn)較結(jié)構(gòu)振動(dòng)衡準(zhǔn)要求更為嚴(yán)格。

3.2" "噪聲評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

IMO MSC.337（91）《船上噪聲等級規(guī)則》[4]和GB5980-2009《內(nèi)河船舶噪聲級規(guī)定》[5]對船舶噪聲進(jìn)行了規(guī)定，具體如表3所示。

比較IMO MSC.337（91）《船上噪聲等級規(guī)則》和GB5980-2009《內(nèi)河船舶噪聲級規(guī)定》可以看出，船舶主尺度越小或者總噸越小，噪聲限值越大；內(nèi)河高速船的噪聲限值最大，且內(nèi)河高速船僅駕駛室、辦公室和座席客船有噪聲限值要求。

3.3" "本船振動(dòng)噪聲評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

船舶振動(dòng)噪聲要求越嚴(yán)格，所花費(fèi)的代價(jià)將越大，因此船舶振動(dòng)噪聲評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的選擇至關(guān)重要，不僅要滿足船東要求、合同要求、規(guī)范要求、使命任務(wù)要求，還要考慮減振降噪性價(jià)比。

按照內(nèi)河船舶劃分規(guī)定，本船屬于內(nèi)河II類船舶，綜合考慮主尺度、噸位、總體布置、使命任務(wù)、法規(guī)規(guī)范、船東要求和減振降噪性價(jià)比，確定本船的振動(dòng)噪聲評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如下：

1）在巡航速度工況下，大會議室、二層休息室、接待室以及駕駛室（下稱“4個(gè)目標(biāo)艙室”）噪聲不大于60 dB；

2）在最大設(shè)計(jì)航速下，大會議室、二層休息室噪聲不大于62 dB，駕駛室、接待室噪聲不大于65 dB；

3）巡航速度工況下，上述4個(gè)目標(biāo)艙室振動(dòng)值不大于2 mm/s，達(dá)到《ISO 6 954-2000機(jī)械振動(dòng)客船和商船適居性振動(dòng)測量、報(bào)告和評價(jià)準(zhǔn)則》[3]A級客艙標(biāo)準(zhǔn)要求。

4" " 全船振動(dòng)噪聲控制方案

4.1" "振動(dòng)噪聲控制思路

船舶是一種復(fù)雜的組合體結(jié)構(gòu)，振動(dòng)噪聲來源繁雜多樣。經(jīng)分析，本船主要的振動(dòng)噪聲源有主機(jī)、齒輪箱、發(fā)電機(jī)組、水泵、油泵、風(fēng)機(jī)、空調(diào)等機(jī)械設(shè)備以及螺旋槳激勵(lì)引起的尾部激振力，這些機(jī)械設(shè)備主要布置在位于底艙的機(jī)艙和空調(diào)機(jī)艙。

本船需要控制的“4個(gè)目標(biāo)艙室”為大會議室、二層休息室、接待室和駕駛室。大會議室位于主甲板首部，與機(jī)艙間隔一層甲板、3個(gè)艙室，接待室、二層休息室和駕駛室位于上甲板，與機(jī)艙間隔二層甲板。從總體布置來看，4個(gè)目標(biāo)艙室的振動(dòng)噪音主要來源于機(jī)械設(shè)備的空氣噪音和振源傳遞至目標(biāo)艙室的結(jié)構(gòu)噪音。

本船振動(dòng)噪聲控制思路是基于影響目標(biāo)艙室噪聲級的主要振動(dòng)噪聲源及其影響強(qiáng)度，從振動(dòng)噪聲源、傳遞路徑和目標(biāo)艙室三個(gè)方面著手進(jìn)行控制。分為兩步，首先對全船進(jìn)行噪聲控制指標(biāo)的分配，再根據(jù)該指標(biāo)提出噪聲源的聲學(xué)要求和振動(dòng)噪聲控制方案。

4.2" "噪聲控制指標(biāo)分配

1）分配方法

分配方法應(yīng)綜合考慮標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范限值要求、激勵(lì)源、傳遞路徑和減振降噪措施等多個(gè)因素。首先確認(rèn)主要振動(dòng)噪聲設(shè)備的激勵(lì)（結(jié)構(gòu)噪聲和振動(dòng)噪聲）大??；其次根據(jù)全船的艙室布置，確定噪聲的傳遞路徑；再根據(jù)目標(biāo)艙室的噪聲限值，并考慮傳遞路徑中可實(shí)施的減振降噪措施和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對各艙室的噪聲限值，確定傳遞路徑中各艙室的噪聲分配指標(biāo)。

2）指標(biāo)分配

本船的主要振動(dòng)噪聲源為螺旋槳、主機(jī)、齒輪箱、發(fā)電機(jī)組、泵組、空調(diào)和風(fēng)機(jī)，主要集中在尾部舵機(jī)艙、機(jī)艙和空調(diào)機(jī)艙。各設(shè)備的噪聲數(shù)據(jù)和可采取的減振降噪措施如下：

（1）本船采用高速主機(jī)，采用合適的單層隔振墊即可大幅度降低結(jié)構(gòu)噪聲；主機(jī)的廠家資料顯示空氣輻射噪聲為106 dBA；

① 發(fā)電機(jī)組空氣輻射噪聲為102 dBA，齒輪箱空氣噪聲約為93 dBA，均遠(yuǎn)小于機(jī)艙主機(jī)空氣噪聲。發(fā)電機(jī)同樣考慮采用單層隔振墊，降低結(jié)構(gòu)噪聲；齒輪箱采用剛性固定，但與主機(jī)的聯(lián)結(jié)軸采用彈性軸，以減少主機(jī)的振動(dòng)傳遞；

② 空調(diào)機(jī)組的空氣噪聲約為85～90 dBA，主要來源于冷水機(jī)組的振動(dòng)鳴音。

③ 根據(jù)以上主要設(shè)備的技術(shù)參數(shù)水平、艙室的布置和噪聲傳遞路徑，再結(jié)合類似船型的艙室噪聲數(shù)據(jù)，對本船的噪聲控制指標(biāo)進(jìn)行分配，如圖2所示。

4.3" 振動(dòng)噪聲源控制方案

1）主機(jī)組

本船機(jī)艙配置有兩臺主柴油機(jī)，通過減速齒輪箱、軸系驅(qū)動(dòng)螺旋槳。每臺主柴油機(jī)額定功率1630 kW，額定轉(zhuǎn)速2 450 r/min，噪聲聲壓級約為103-107 dBA，主柴油機(jī)剛性安裝時(shí)基座振動(dòng)加速度級約為140-150 dB，結(jié)合本船實(shí)際情況，采取下列振動(dòng)噪聲控制方案：

（1）主柴油機(jī)采用單層隔振安裝方式，隔振效果不低于15 dB（10 Hz-10 kHz）；

（2）齒輪箱采用剛性安裝，基座經(jīng)過聲學(xué)設(shè)計(jì)；

（3）主柴油機(jī)和齒輪箱之間采用高彈性聯(lián)軸器；

（4）在主柴油機(jī)排氣口安裝排氣波紋管和阻抗復(fù)合式排氣消聲器，以降低其排氣噪聲，排氣消聲器插入損失≥30 dB（20 Hz～10 kHz）；

（5）主柴油機(jī)和齒輪箱的船體基座敷設(shè)約20mm厚度的阻尼材料，進(jìn)一步降低振動(dòng)向船體傳遞。

主柴油機(jī)隔振裝置包括隔振器、撓性接管和過渡機(jī)腳，如圖3所示。主柴油機(jī)的主要激勵(lì)頻率為 40.8 Hz及其倍頻，要有效隔離其振動(dòng)，需在保證隔振裝置安全的基礎(chǔ)上選取固有頻率較低的隔振器。本船采用8只隔振器作為主柴油機(jī)的支撐，并在柴油機(jī)冷卻水進(jìn)出管各配置一根橡膠雙球撓性接管，以降低主柴油機(jī)振動(dòng)沿管路傳遞。

2）柴油發(fā)電機(jī)組

本船配置兩套進(jìn)口“科勒”柴油發(fā)電機(jī)組，每臺柴油機(jī)的額定功率195 kW；額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，自帶隔音、隔振裝置，噪音約65 dB，減振降噪方案如下：

（1）針對柴發(fā)機(jī)組主要管路接口安裝低剛度撓性接管，并采用帶減振器的彈性橡膠管卡進(jìn)行管路支撐，管路加速度振級隔振效果≥15 dB（10 Hz～10 kHz），以降低柴發(fā)振動(dòng)沿管路傳遞；

（2）在柴發(fā)排氣口安裝排氣波紋管和排氣消聲器，插入損失≥30 dB（20 Hz～10 kHz），以降低柴發(fā)機(jī)組排氣噪聲；

（3）柴發(fā)機(jī)組的船體基座敷設(shè)約 20 mm 厚度的阻尼材料，進(jìn)一步降低振動(dòng)向船體傳遞。

3）機(jī)艙風(fēng)機(jī)及風(fēng)道

機(jī)艙風(fēng)機(jī)由于功率和風(fēng)量大、風(fēng)道流速高，且出風(fēng)口位于上層建筑區(qū)域，是除主柴油機(jī)以外最大的噪聲源，會直接影響船員生活的舒適性。本船采用2臺低噪聲軸流風(fēng)機(jī)，轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，風(fēng)量約為27500m3/h，噪聲水平約100～105 dBA。為有效隔離機(jī)艙風(fēng)機(jī)的振動(dòng)噪聲傳遞，減振降噪方案如下：

（1）在風(fēng)機(jī)進(jìn)口安裝進(jìn)風(fēng)消聲器，消聲器的消聲量不低于10 dB（A）；

（2）風(fēng)道采用吸隔聲處理：四周涂5 mm厚阻尼，再覆蓋吸聲層（吸聲材料+防銹穿孔板），總厚度約75 mm；天花板吸聲層總厚度約75 mm。

確保百葉窗外1米處噪聲聲壓級不超過80 dB（A）。

4）空調(diào)系統(tǒng)

空調(diào)系統(tǒng)是上建比較突出的噪聲源。本船空調(diào)系統(tǒng)包含1套船用冷水機(jī)組（制冷量：480000Btu/h），2臺空調(diào)冷媒水泵（流量：40 m3/h，揚(yáng)程22m水壓頭），每個(gè)房間設(shè)置1套風(fēng)機(jī)盤管。為了達(dá)到較好的隔振降噪效果，空調(diào)冷媒水泵采用輕型浮筏/雙層隔振方案，可達(dá)到 35 dB 以上的振動(dòng)衰減量，冷水機(jī)組采用單層隔振方案，可達(dá)到15 dB 以上的隔振量；風(fēng)機(jī)盤管選用低噪音或靜音風(fēng)機(jī)，確保出風(fēng)口位置噪聲低于相應(yīng)艙室噪聲標(biāo)準(zhǔn)5 dBA以上，對于出風(fēng)口噪聲大于對應(yīng)艙室噪聲要求5 dBA以上的，采取低噪音布風(fēng)器或其它消聲處理，確?？照{(diào)出風(fēng)口噪聲低于相應(yīng)艙室噪聲標(biāo)準(zhǔn)5 dBA。

5）其它輔機(jī)隔振

除主柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)組、機(jī)艙風(fēng)機(jī)、空調(diào)系統(tǒng)以外，泵組、空壓機(jī)、其它風(fēng)機(jī)等輔助設(shè)備也是本船的重要振動(dòng)噪聲源。根據(jù)考核工況下的設(shè)備開啟情況，并結(jié)合不同設(shè)備振動(dòng)噪聲水平的差異，本船對功率和流量較大的水泵、油泵、空壓機(jī)、風(fēng)機(jī)等采用單層隔振安裝方式，所有彈性安裝的設(shè)備連接管路也采用彈性安裝，隔振器采用橡膠隔振器。

4.4" "機(jī)艙和舵機(jī)艙艙室阻尼減振方案

本船機(jī)艙、舵機(jī)艙會產(chǎn)生較強(qiáng)的振動(dòng)并向船體其他部分傳遞，將會對目標(biāo)艙室產(chǎn)生振動(dòng)噪聲干擾。為了抑制振動(dòng)的傳遞，本船在機(jī)艙和舵機(jī)艙部分區(qū)域敷設(shè)阻尼材料進(jìn)行減振。

阻尼材料主要用于產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲的部位及振動(dòng)傳遞途徑中的相關(guān)部位，主要分為自由阻尼和約束阻尼兩種形式。自由阻尼材料一般敷設(shè)在結(jié)構(gòu)件表面，當(dāng)發(fā)生彎曲和振動(dòng)時(shí)，通過阻尼層的拉伸、彎曲形變來消耗能量，從而達(dá)到抑制振動(dòng)降低噪聲的效果。約束阻尼材料是在阻尼層上再粘附一層高模量的剛性約束層材料，當(dāng)結(jié)構(gòu)件發(fā)生彎曲時(shí)，通過阻尼層的剪切形變來消耗能量，從而達(dá)到減振降噪的目的。力學(xué)中剪切形變作用力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于彎曲形變的作用力。因此，約束型阻尼的減振降噪效果要好于自由型阻尼[6]。

本船選用減振性能優(yōu)異的復(fù)合型高性能約束型阻尼涂料對機(jī)艙、舵機(jī)艙區(qū)域的艙室地板和墻壁進(jìn)行減振處理。復(fù)合型高性能約束型阻尼以聚醚氨酯及填充料為阻尼層，以無溶劑環(huán)氧樹脂固化體系為約束層。其敷設(shè)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

4.5" "四大目標(biāo)艙室減振降噪方案

指揮船大會議室、二層休息室、小會議室以及駕駛室等4個(gè)目標(biāo)艙室的振動(dòng)噪聲要求較高，為了滿足其振動(dòng)噪聲指標(biāo)要求，采用浮動(dòng)地板以降低相關(guān)艙室內(nèi)的振動(dòng)及噪聲。

本船選用輕質(zhì)、高性能的浮動(dòng)地板，其結(jié)構(gòu)由三明治鋁蜂窩復(fù)合板加厚泡沫減震層構(gòu)成，面密度不大于12 kg/m2，隔聲量達(dá)到25 dB，其結(jié)構(gòu)示意如圖5所示。

在上述艙室的四壁均鋪設(shè)吸聲隔音板。吸聲隔音板由鋁質(zhì)阻尼復(fù)合板加多孔吸聲材料組成，面密度不大于12 kg/m2，隔聲量不低于28 dB。艙壁吸聲隔音板結(jié)構(gòu)如圖6所示。

上述艙室設(shè)置吸聲吊頂，由鋁穿孔護(hù)面板+多孔吸聲材料+玻璃布+組成，面密度不大于5 kg/m2，在400Hz～5000Hz 頻率帶內(nèi)吸聲系數(shù)不低于0.8。吸聲吊頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

4.6" "其它區(qū)域減振降噪方案

為了船員有較好的休息環(huán)境，確保船舶的安全駕駛，也對船員區(qū)進(jìn)行減振降噪處理。對于船員居住艙室區(qū)，除了不采用浮動(dòng)地板外，艙室的減振降噪要求和四大目標(biāo)區(qū)的方案基本一致，同規(guī)劃同設(shè)計(jì)同建造。

5" " "全船振動(dòng)噪聲實(shí)船測試

本船在巡航航速13.5 kn和設(shè)計(jì)航速20 kn時(shí)，分別對全船振動(dòng)噪聲進(jìn)行測試。將船上4個(gè)目標(biāo)艙室的振動(dòng)噪聲實(shí)測值與本船設(shè)計(jì)目標(biāo)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)限值進(jìn)行對比，如表4所示。

可以看出：在巡航航速13.5 kn時(shí)，4個(gè)目標(biāo)艙室的噪聲實(shí)測值均小于限值60 dB，振動(dòng)實(shí)測值均小于限值2 mm/s；在設(shè)計(jì)航速20 kn時(shí)，大會議室、二層休息室的噪聲實(shí)測值均小于限值62 dB，接待室和駕駛室的噪聲實(shí)測值均小于限值65 dB，滿足設(shè)計(jì)要求?？梢姡敬恼駝?dòng)噪聲控制措施是可行和有效的。

6" " 結(jié)論

高速船大多存在較突出的振動(dòng)噪聲問題，由于主尺度限制，如果所有艙室均達(dá)到較好的振動(dòng)噪聲效果，需付出較大代價(jià)，且不切實(shí)際。本高速指揮船，綜合考慮各方面因素，采取的振動(dòng)噪聲控制措施主要有：1）主柴油機(jī)組、泵組、空壓機(jī)、冷水機(jī)組等采用單層隔振；2）選用自帶隔音隔振效果的發(fā)電機(jī)組和低噪聲風(fēng)機(jī)；3）主機(jī)、發(fā)電機(jī)組設(shè)置消音量大的排氣消音器；4）機(jī)艙進(jìn)風(fēng)口設(shè)置進(jìn)風(fēng)消音器；5）空調(diào)艙室出風(fēng)口采用消聲器或其他消聲處理；6）機(jī)艙、舵機(jī)艙部分區(qū)域涂敷阻尼材料；7）目標(biāo)控制艙室鋪設(shè)浮動(dòng)地板，四壁鋪設(shè)吸聲隔音板，頂部設(shè)置吸聲吊頂；8）其他船員居住艙室的四壁鋪設(shè)吸聲隔音板，頂部設(shè)置吸聲吊頂。采取以上措施后，取得了較好的控制效果，實(shí)船測試達(dá)標(biāo)。

隨著船舶技術(shù)的不斷發(fā)展和阻尼、吸聲等新材料的研發(fā)應(yīng)用，船舶的振動(dòng)噪聲控制措施將會更加多樣化，我們需要根據(jù)船東要求、合同要求、規(guī)范要求、使命任務(wù)要求等，綜合考慮造價(jià)、重量和振動(dòng)噪聲效果，引導(dǎo)船東制定適宜的振動(dòng)噪聲控制目標(biāo)，通過振動(dòng)噪音指標(biāo)分配法及軟件計(jì)算分析，選擇性價(jià)比高的振動(dòng)噪聲控制方案。

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