船舶低噪声设计技术研究

2010-07-23李国刚童宗鹏

船舶与海洋工程 2010年1期

周炎，李国刚，童宗鹏

（711研究所，上海 200090）

0 引言

船舶主要有三大噪声源：机械噪声、水动力噪声和螺旋桨噪声，其中由动力装置引起的机械噪声是影响船舶舒适度、船舶电子设备可靠性、船员工作环境的最主要噪声源，水动力噪声和螺旋桨噪声的影响相对较弱；机械噪声也是船舶水下辐射噪声的主要噪声源。除了海军舰船，一些特殊船舶如科考船、物探船等特种工程船舶，常配备大量测量仪器，对振动噪声信号敏感，船上科研人员众多，舒适性要求较高，更有豪华邮轮、高档车客渡轮等船舶对舒适度的高要求，都需要低噪声环境。为了保护船员及旅客健康和营造舒适的工作、休息的舱室环境，近年来，各国船东对船舶的舒适性要求愈来愈高，世界各船级社也制定了船上振动噪声舒适性评价指标[1]。

多年来，低噪声设计在人们思想意识里通常是依托于设备的辅助专业，船舶低噪声设计缺乏顶层设计，设计技术局限性主要表现在：

1)缺乏振动噪声指标与船舶性能指标之间的匹配性设计技术，难以把振动噪声作为主要指标贯穿于船舶设计的整个流程；

2)通常采用局部声学治理，哪里超标哪里治理，忽视船舶低噪声设计是一个系统控制工程，缺少对整个系统进行全面而又细致入微的工作，无法改善总体声学指标；

3)船舶低噪声设计规范缺失，船舶低噪声指标落后；

4)船舶低噪声设计方法陈旧，往往凭经验进行近似设计，很少在船舶开发阶段进行声学预测设计。

本文提出的船舶低噪声设计技术是一项综合设计技术。该项技术主要从降低动力装置噪声源、切断声传递路径和目标场噪声处理3个技术途径出发，应用现代仿真技术和试验技术，并与船舶的设计、建造、试验的整个过程紧密结合，建立船舶振动噪声预估、指标分配、控制方案、评估、实施和测试一整套船舶低噪声设计流程，显著改善船舶的低噪声性能。

1 船舶低噪声设计方法

1.1 总体思路

船舶低噪声设计的原则是：源头控制、传递途径控制、目标场控制。因此，首先需要进行全船的振动噪声源分析、目标场分析，明确全船所有振动噪声源，分析每一个声源的特性、安装位置、振动噪声的水平。同时，也必须明确有振动噪声指标要求的目标场。

船舶低噪声设计必须与船舶设计、建造和试验三个阶段紧密结合。其中，设计阶段的主要任务是总体指标、指标分解、布置、结构、设备选型、设备振动噪声指标确定、全船噪声指标控制及平衡等；建造阶段的主要任务是确保结构建造中的声学特性要求、装船设备的振动噪声指标验收、设计中减振降噪技术措施的落实、基座减振处理、舱室降噪施工、管路减振降噪施工、局部减振降噪指标的试验、减振降噪整改等；试验阶段的主要任务是完成船舶低噪声设计指标的验收、后续船舶低噪声改进设计建议等。技术难点在于低噪声船舶指标制定、船舶振动噪声评估和控制，当船舶低噪声指标和控制方案确定后，就可以制定全船振动噪声控制大纲，并向船东提交。论文将重点阐述低噪声船舶指标制定、船舶振动噪声评估、动力装置振动噪声控制和舱室噪声治理等方法。

1.2 低噪声船舶指标制定方法

船舶低噪声指标制定方法的关键在于其制定原则，制定原则主要有：

1)满足标准规范要求，与国际先进水平接轨；

2)满足旅客舒适性需要，控制旅客舱室、休息室、甲板开放空间等的振动噪声指标；

3)满足船员工作和生活需要，控制机舱、控制室、驾驶室、工作间等工作与休息舱室的振动噪声指标；

4)满足船舶对振动噪声的特殊需要，如水下辐射噪声的控制、电子设备振动噪声环境需求；

5)考虑船东的要求；

6)拟采取的减振降噪技术的经济性和实施的可行性。

因此，要提高我国船舶低噪声设计技术，首先必须掌握国内外标准要求。目前国内船舶低噪声设计可参考的标准为GB5979《海洋船舶噪声级规定》和GB 7452《机械振动客船和商船适居性振动测量、报告和评价标准》，其中，GB5979《海洋船舶噪声级规定》制定的年代已较久远，指标如表1所示；表2列出的GB 7452振动指标已与国际一般指标要求接轨，与ISO6954∶2000及ABS规范一致。国际上，大部分发达国家对船舶舱室噪声控制较为严格，国外最新标准基本反映了船舶低噪声技术的先进性，如ABS、DNV等制定的规范，特别是DNV规范对船舶振动噪声舒适度设定了分级要求，如表1和表2所示，其中1级为最高舒适度等级，3级为可以接受的舒适度等级。对比国内外标准和规范要求，国内船舶低噪声设计指标（尤其是舱室空气噪声指标）远远落后于国外先进指标，大部分目标区域的振动噪声指标达不到DNV的3级舒适度要求。对于科学考察船、豪华邮轮、高档车客渡等船，国内标准规定的指标已难以满足2)～5)项要求。因此，必须综合考虑1)～6)项要求，制定我国船舶低噪声设计指标。

表1 船舶舱室空气噪声限值* dB(A)

表2 振动限值* mm/s

1.3 船舶振动噪声评估方法

船舶振动噪声评估包括：全船模态计算、振动响应计算、舱室噪声计算，并从振动噪声方面对船体结构设计提出改进措施，为船体结构设计和全船振动噪声控制提供依据。目前，国内外最常用的船舶振动噪声评估方法主要是基于数值计算的有限元法[6,7]、边界元法和统计能量法。在建立动力装置及船体结构详细模型的基础上，采用数值计算方法进行机械噪声预报和减振降噪措施性能评估，具有较高的准确性。

1.4 动力装置振动噪声控制方法

根据振动和噪声源分析，针对不同振级和噪声级的设备，需要采取不同的减振降噪措施，该措施主要包括两方面内容，一是总体的布置位置，在设备布置时需要充分考虑振动噪声源与目标场的距离和中间隔离物的布置，充分利用结构和物理隔断的优势，减少振动和噪声能量的传递；二是对振动噪声指标较高、且在现有布置位置条件下不能满足要求的设备，采取必要的减振降噪措施。在隔振装置方面，有单层、双层或多层隔振装置，有各式各样的浮筏减振装置；在噪声控制方面，可以采用隔声罩和进、排气消声器，如柴油机进排气消声器，风机进气消声器；随着动力装置的模块化发展，柴油机和电站等动力装置可采用箱装体技术；管路进出口间加挠性接管，隔离振动噪声传递。该工作的前提条件是需要对现有位置布置的设备传递特性进行必要的评估，不能仅仅基于设备本身的振动噪声指标的高低和绝对值的大小。

1.5 舱室噪声治理方法

舱室噪声控制主要采用全浮式舱室降噪结构，所有噪声控制层与舱壁之间采用隔振器连接构成弹性声桥。舱室围壁根据隔声要求不同，采用加装阻尼层、吸声层、空气层和隔声层等措施，天花板采用轻质吸声层和隔声层吊顶，地板采用在铺设甲板敷料层上再铺设浮动地板层构成，同时对所有进行噪声治理舱室舱门加装隔声门，防止壁面小缝隙造成大量声泄漏情况的发生。不同的舱壁噪声治理措施如下：

1)直射声舱壁。直射声舱壁是指与主要噪声源－主机舱相邻的舱壁。直射声舱壁具体声学处理方法包括阻尼层、吸声层、空气层和隔声层等措施。

2)非直射声舱壁。除与主机舱相邻的舱壁以外的舱壁为非直射声舱壁。非直射声舱壁的声学处理方法包括布置吸声层、空气层和隔声层等措施。

3)舱室天花板。舱室天花板的声学处理方法包括吸声层、空气层和隔声层等措施。由于吊顶的特殊性和激励噪声相对舱壁要小，故各声学处理层与舱壁处理时有所不同。

4)舱室地板。对于噪声指标要求高的舱室，以及主机舱上层甲板的舱室地板，应隔绝1次和2次激励噪声，声学处理方法包括布置甲板敷料层，并在其上面铺设浮动地板层。

5)隔声门和隔声窗。进行噪声控制隔声门，特别是集控室与机舱的进出门，隔声量在 30dB(A)以上，必要时这些舱室窗户也应该选用隔声窗，以避免部分舱壁的声泄漏引起隔声量大幅度下降。

2 船舶低噪声设计技术应用案例

图 1所示是我国自行研制的新一代低噪声船舶，主要用于海洋水下声学研究和试验考察，该船采用全电力推进、动力定位等先进技术。由于该船安装了大量高精尖试验和探测设备，要求全船的振动噪声水平低，以避免对试验和探测设备的干扰；同时，也要求最大限度地减小船体结构噪声辐射，减小船自噪声对测量区域被探测目标的影响；另外，提高全船的舒适性，减轻动力设备产生的振动噪声对船上作业的科学家和研究人员身体、心理、情绪的影响。

图1 某新型低噪声船舶

表4 某新型低噪声船舶舱室空气噪声测试结果 dB（A）

采用以上建立的船舶低噪声设计方法，从总体上统筹兼顾，在设计、设备选型、建造、试验检验等各个环节把握关键的振动噪声控制点，在经济、高效的前提下取得良好的效果。表3给出了综合某型船舶低噪声设计采用的方法和制定的技术指标，表4给出了船舶低噪声设计后主要舱室的噪声实测值。由实船测试结果可见，船舶低噪声设计后主要舱室的噪声满足技术指标的要求，达到了DNV 3级以上舒适度的要求。实测结果验证了船舶低噪声设计方法的正确、可靠和规范，并且具有较好的经济性。