ISO 6954振动评价标准新旧版本的比较研究

吴嘉蒙，夏利娟，金咸定，迟少艳

（1.中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011；2.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240）

振动问题一直是船舶设计领域的前沿课题。为了评价船体的振动程度，在设计阶段应进行船体振动及响应计算，在实船试航时应进行振动响应测量，计算或测量的结果应在一个客观的评价标准的限定范围内。

早在1984年，由国际标准化组织“机械振动与冲击”技术委员会（ISO/TC 108）SC2分技术委员会（机械、车辆和结构的机械振动和冲击的测量和评定）就发布了ISO 6954振动评价标准，即《商船振动综合评估指南》［1］（以下简称“旧版”）。其主要用于评估船体振动，所要求的实船振动测量方法遵循ISO 4867（船舶振动数据测量和报告规程）和ISO 4868（船舶结构和设备局部振动数据测量和报告规程）的要求。基于该标准，许多船级社相继发布了关于振动评估的指导性文件，适用于世界上建造的100 m以上的商船。

旧版规定：人体对船舶适居性的评估应满足SC4分技术委员会（处于振动与冲击下的人体）于1985年制定的ISO 2631/1（机械振动与冲击：人体处于全身振动的评价——第一部分：通用要求）的要求。但旧版ISO 6954与ISO 2631/1存在评价体系的不一致。同时，随着技术进步的推动，在不断融入最新科学研究成果的基础上，历经12年之后，ISO 2631/1的1997年版正式取代了1985年版，对人体舒适性的评价标准作了以下修改和补充［2］：

（1）增加了被测者的姿势及测试部位；

（2）拓宽了分析频率；

（3）采用和增加了新的频率加权曲线；

（4）在峰值系数（峰值与有效值之比）大于9时增加了两个附加评价指标；

（5）修改了各方向振动对人体影响的合成公式。

与之相适应，ISO 6954的2000年版也应运而生，即《客船和商船适居性振动测量、报告和评价准则》［3］（以下简称“新版”），其主要用于评估人体对于船舶的适居性，与旧版相比存在很大不同。新版内容与ISO 2631达成一致，解决了两者争端与不一致。同时，要求测量仪器满足ISO 8041（人体振动反应—测量仪器）的要求。

按照ISO 6954的规定，新版应取代旧版。但实际操作中，由于旧版使用多年，积累了很多数据和经验，而新版与这些数据和经验之间缺乏确定的对应关系，因此工业界对新版的接受显得较为缓慢。同时，无论是船级社关于振动评估的指导性意见还是实船振动测试，目前多存在新旧版混用的情况。

部分船级社和国外文献曾利用实船海试的分析结果来评估新旧版本孰严孰松，但目前国内振动界还未对此有过深入的分析比较。因此，有必要对ISO 6954新旧版的差异性进行比较研究。

1 ISO 6954新旧版本的差异性比较

1.1 旧版ISO 6954的主要内容

在进行ISO 6954新旧版本差异性比较之前，首先来回顾一下旧版的主要内容：

旧版适用于垂线间长不小于100 m的，以透平和柴油机驱动的商船，适用频率范围为1～100 Hz。其主要用于评估船体和上层建筑中正常工作和居住处所的振动，但不作为验收或检验机器设备的振动标准。

针对船舶振动的耦合作用，旧版要求进行垂向、纵向和横向振动的单独振动评估，其规定的可接受的振动水平以最大重复值（Maximum Repetitive Amplitude，简称 MRA）来表示。所谓最大重复值Zmra，如下式定义：

其中：Ztime-rms为基于时间平均的振动响应值的有效值（均方根值），用于反映振动能量大小，有：

其中：z（t）通常是速度或加速度响应值。

旧版给出的评价标准如表1和图1所示。其中，凡实测的振动响应值（速度或加速度）在下限界线以下的为振动轻微，表明船舶振动环境良好；上限界线以上表示振动难以接受，不合格；在上、下限界线之间的带状区域表示一般感受到的并可接受的船上振动环境。

旧版认为船体振动通常表现为窄带振动，而且波峰系数通常为2.5（对应的CF=1.8），这也是采用最大重复值作为评价标准的主要依据。另外，旧版 ISO 6954要求人体对船舶适居性的评估应满足ISO 2631/1的要求，但同时认为，如振动响应值满足表1的要求，其也基本等效满足ISO 2631/1的要求。

表1 旧版ISO 6954的评价标准［1］Tab.1 Guidelines for the evaluation of old vibration standard ISO 6954 ［1］

图1 旧版ISO 6954的评价标准示意图［1］Fig.1 Diagram of evaluation of old vibration standard ISO 6954［1］（g=10 m/s2）

1.2 旧版ISO 6954存在的不足

从旧版的内容分析，可以发现以下几点不足之处：

（1）旧版未能充分表达人体对于复杂振动的反应，与工业界其它基于人体反应的振动评估标准（如ISO 2631/1）不一致。

如前所述，旧版认为，如振动响应值满足其评估标准，也基本等效满足ISO 2631/1的要求，但反之并不成立，即满足ISO 2631/1的振动并不一定满足旧版的评价标准。究其原因，是两者的评估体系不一致：前者采用最大重复值，而后者采用基于频率加权汇总的有效值作为评价标准。该频率加权是对各振动分量都赋予对应人的振动感觉的加权。

振动对人体的影响程度，除了振动强度以外，还与振动频率、振动方向以及人体承受振动的持续时间（暴露时间）有关。这些内容，除振动强度以外，在旧版中均没有反映。因此，可以说，尽管旧版的评估依据来自现场的观察和体验，也可应用于船员（或乘客）的适居性评估，但该标准未能提供方法来预测人体对于复杂振动的反应。

（2）旧版的评价对象仅针对响应谱上的最大单一峰值，缺乏对其它峰值的考虑。

众所周知，当激励源（如螺旋桨、主机等）的基频或谐振频率与船体结构固有频率接近时，船体结构将发生共振或谐振，引起振动响应值（如速度、加速度等）在响应谱上出现峰值。对应于不同的激振频率，在整个响应谱上可能出现多个峰值。但旧版的评价对象仅针对整个响应谱上的最大单一峰值（应转换为最大重复值），而不考虑响应谱上的其它峰值。

但如果响应谱上出现某个或某几个峰值与最大峰值差别较小时，仅考虑最大峰值显然欠妥当。最大单一峰值可能满足振动标准，但多个激励源的响应值组合有可能超过振动评价标准。这种情况在集装箱船的振动响应谱上较多出现，较大峰值集中在螺旋桨叶频、倍叶频及主机缸频附近，而且峰值数值差别较小。

（3）旧版仅考虑窄带，缺乏对响应谱宽带特性的认识。

如前所述，旧版认为船体振动通常表现为窄带振动。但事实上，响应谱的宽带特性在客船的振动响应谱上较多出现。典型的窄带响应谱和宽带响应谱如图2所示。

对于宽带响应谱，如分别用旧版ISO 6954和ISO 2631/1进行振动评估，评估结果有可能大相径庭。

图2 典型的窄/宽带响应谱Fig.2 Diagram of typical narrow/broad band response spectrums

（4）旧版中的转换系数CF在实际测量中较难确定。

如前所述，旧版采用最大重复值作为评价对象，但如果在实际测量中采用基于时间平均的振幅有效值，则按式（1）进行响应转换。其中，CF应通过测量确定，如不能确定，则按旧版要求应取为1.8。然而，实际测量中不同振源的影响导致振动信号混合在一起难以区分，因此CF难以确定。随着大量实船测试的经验积累，船级社针对不同船型，对CF值有经验值可以借鉴。如德国劳氏船级社（GL）针对集装箱船推荐，由螺旋桨激振频率引起的振动，取CF=1.8；对于由主机激振频率引起的振动，取CF=1.3。

1.3 新版ISO 6954的主要内容

2000年，新版ISO 6954正式发布，对旧版进行了全面修改，包括理论体系和实际测量方面。

1.3.1 人体对于复杂振动反应的表述

如前所述，旧版的评估仅是针对垂向、纵向和横向振动的单独振动评估，主要用于船体振动评估，其依据虽然来自现场的观察和体验，也可应用于船员（或乘客）的适居性评估，但该标准未能提供方法来预测人体对于复杂振动的反应。

而新版主要用于评估人体对于船舶的适居性，内容与ISO 2631达成一致。新版规定的评价标准并不只限于单项振动，而是采用全面的量化数据来限制船上的振动水平。其使用的评价对象是基于频率加权汇总的有效值，即考虑了1/3倍频程中所有介于1～80 Hz的激励源的总和。这些频率加权曲线是基于人体对振动的敏感度曲线得到的，反映了人体对不同频率振动的反应，如图3所示。

1.3.2 理论体系方面的修改

ISO 6954新旧版本在理论体系上的最大差异就是评价对象和评价指标。

如前所述，旧版采用最大重复值作为评价对象。而新版考虑了人体对不同频率振动的反应，采用基于频率加权汇总的有效值Zfreq-rms作为评价对象。Zfreq-rms的定义如下：

其中：wi为针对第i个1/3倍频带的权重系数。包括以加速度为输入量的Wa和以速度为输入量的Wv，具体数值可参见新版的频率加权曲线［3］或由表2查得。zi为在1～80 Hz全频带内1/3倍频程的第i个频带的响应 r.m.s.值（速度或加速度）。

从表2可以看到，新版要求的振动评估是针对整个响应谱的，而不是如旧版所要求的单一峰值频率。因此，新版在理论上既考虑了响应谱上的最大单一峰值，又考虑了其它峰值的影响，其评价值是表征船体整个振动情况的一个单一值。

图3 人体对振动的敏感度曲线［3］Fig.3 Human sensitivity curve in new ISO 6954 ［3］

表2 新版ISO 6954要求的1/3倍频程频率加权系数［3］Tab.2 Combined frequency weighting of new ISO 6954 in one-third-octave band［3］

基于式（3）的计算结果，新版给出了船舶上不同区域适居性的评估标准，如表3所示，高于上限值认定为有害振动，低于下限值为无害振动，介于上下限值间的船上振动环境，通常是认为可以接受的。其中A类区代表乘客居住处所，B类区代表船员生活处所，C类区代表工作处所。

表3 新版ISO 6954对船上不同区域适居性的指南［3］Tab.3 Guidelines of new ISO 6954 for the habitability of different areas on a ship ［3］

同时，新版也考虑了响应谱频带宽度的影响。如图2所示的某典型窄带响应谱和某典型宽带响应谱，其针对速度的评价对象Zfreq-rms均为2.1 mm/s，表明：基于新版的评估标准，这两种响应谱代表的区域的适居性相同。但如果采用旧版的评估标准，显然两者响应谱中的最大重复值差别较大。

除此之外，新版的评估体系中已不再使用“最大重复值”、“波峰系数”、“转换系数CF”等概念。

1.3.3 实际测量方面的差异

旧版在实际测量时多采用快速傅里叶（FFT）信号仪器，可采集到如前所述的所谓“平均波幅值”，然后通过测量或经验得到的转换系数CF，按式（2）计算得到最大重复值用以振动评估。而新版采用的测量设备多为振级计，即考虑频率加权功能（由模拟器或数值计算完成），这些设备在汽车等机械振动测量方面已有较广泛的使用［2］。这是ISO 6954新旧版本在实际测量方面的最大差异。

除此之外，旧版的数据测量遵循ISO 4867和ISO 4868的要求。而新版要求用以测量和记录的设备，包括分析仪、数字化仪、谱分析或时间记录仪等，应满足ISO 8041关于人体对于振动响应的要求。新版规定了测量设备的频率上限为80 Hz，如仪器的频率指示大于80 Hz，则其滤波器特性应满足ISO 2631-2的加权规定。如果需要进行数据后续分析，则新版要求测量数据需用永久性记录设施，如磁带或电脑硬盘。

另外，新版对实船测量条件也进行了明确规定：

① 直线航程下的自由航行测试，即船舶在一定速度下，且舵角在正负2°范围内；② 主机运行为额定转速或营运转速；③ 海况应不大于3级；④ 螺旋桨完全浸没；⑤ 水深不小于船舶吃水的5倍。

1.4 新版ISO 6954存在的不足

虽然，新版考虑了人体对不同频率振动的反应，在理论体系和实际测量方面进行了全面修改，但仍然存在以下几点不足：

（1）新版要求的评估涉及到整个响应谱的分析，不利于有限元分析，而且不能从响应谱中直接读取；而旧版提供的评估方法较为直观，能将峰值直接与振源联系起来，而且通过有限元分析有可能计算出最合适的修正数据；

（2）虽然新版考虑了响应谱的宽带特性，但对于响应谱峰值较小、频带较宽且振动能量集中在中、高频段（16～65 Hz）的情况（如图4所示），新版给出的振动评估可能不真实。图4给出了某居住处所垂直振动的速度响应谱，其最大峰值为1.28 mm/s。按旧版，考虑转换系数为1.8，则最大重复值为2.3 mm/s，小于4 mm/s的下限值，表明该振动良好，体现出较高的舒适度水平。但按新版的要求，考虑频率加权，由于响应谱峰值集中在中、高频段，权重较大，因此最终计算得到的基于频率加权汇总的有效值较大，远大于新版给出的A类区域（旅客居住区）的下限值2 mm/s，则表明该区域舒适度较差。但实际情况则是该居住舱室很舒适。

图4 某客船居住处所垂直振动的速度响应谱Fig.4 A typical spectra of vertical vibration on a cruise ship

1.5 国外文献对ISO 6954新旧版本的比较结果

作为设计者而言，在分析比较完ISO 6954新旧版本的差异性后，最关心的就是新版是否提高了振动标准。但由于国内对ISO 6954新旧版本的比较较少，缺乏实船测试数据；同时由于新旧版本的信号处理方法完全不同，因此针对理论波形的比较分析结果也无直接的对应关系。以下仅给出部分国外船级社及国外文献的比较结果：

英国劳氏船级社（LR）曾针对5艘船的不同位置，分别按旧版和新版进行过振动评估［4］。这5艘船中包括4艘客船（2艘渡船和2艘邮船）和1艘LNG船，垂线间长从104 m到320 m不等。按旧版进行振动评估时取转换系数CF=1.8。评估的结果如图5所示。

从图5中可以看到：如按旧版评估，有2个评估对象的评估值大于旧版要求的下限标准（4 mm/s），但还在可接受范围内（小于9 mm/s）。如按新版评估，有7个评估对象的评估值大于新版要求的A类区域的下限标准（2 mm/s），但还在可接受范围内（4 mm/s）；如按B类区域，则有2个评估对象的评估值大于其要求的下限标准（3 mm/s）；如按C类区域，则所有评估对象的评估值均在其要求的下限标准（4 mm/s）内。由此可见，ISO 6954新旧版本的评估结果基本一致。

图5 LR针对5艘船不同位置进行的ISO 6954新旧版本的振动评估比较［4］Fig.5 Comparison of shipboard measurements on 5 vessels analyzed to the new and old ISO 6954 by LR ［4］

Biot等［5］针 对邮船进行了 ISO 6954新旧版本的对比研究，采用无因次化的方法，即分别将新旧版的下限值作为标准值，将实船测试得到的数据按标准值进行化无因次处理，得到如图6所示的对比图，从中发现，对于窄带的响应谱，新旧版本的振动评估结果比较一致，但新版的要求略高一些。但同时指出，针对类似图4所示响应谱进行振动评估时，新旧版本的评估结果正好相反——新版的结果不真实。

也有文献认为［6］，与旧版相比，新版要求的振动限制规定并无实质性提高。同时，建议继续使用旧版ISO 6954，原因是认为旧版提供的评估方法有效且直观，而且也有多年的经验积累，并且数值分析计算结果能作为有效的预测依据。

松本等［7］对ISO 6954新旧标准进行了比较，同时阐述了在应用过程中的体会。另外，为了进行定量比较，还推导了从感觉量变换为物理量的变换公式。并通过实船测试，针对单一振动频率的情况，得到20艘船的平均数据为最大单一频率速度值的1.23倍。因此认为，新标准的要求略高，但基本上与旧标准保持在相同水平上。

图6 ISO 6954新旧版本无因次化比较结果［5］Fig.6 Dimensionless comparison of shipboard measurements analyzed to new and old ISO 6954 ［5］

通过以上文献的比较结果看，ISO 6954新版的振动评估结果基本上与旧版保持在相同水平上。

2 如何使用ISO 6954振动评估标准

从上述分析结论，可以看到：新版内容与ISO 2631达成一致，充分表达人体对于复杂振动的反应，而且解决了旧版的孰多不足之处，虽然针对个别响应谱（如图4所示）评估结果有问题以外，新版给出的评估结果与旧版基本保持在相同水平上。

考虑到旧版的使用时间较长，积累了大量的实测数据和经验，而且其评估表达形式较为直观，有利于设计初期的数值预报，而新版涉及到整个响应谱的分析，不利于数值预报。

因此，在实际使用ISO 6954振动评估标准时，建议采用如下方法：

（1）在签订规格书阶段，船厂应与船东明确采用ISO 6954的何种版本，如采用新版，应按新版的建议确定采用何种评估区域（A、B或C类区域）以及相应的振动响应值限制标准（通常可取较低的指标，即上限要求）；

（2）在设计阶段，无论规格书采用ISO 6954的何种版本，作振动预报时，均可采用旧版进行数值分析，振动标准建议按旧版的下限要求（即较高的指标），其中转换系数CF按积累的经验值或船级社的推荐值；

（3）在实船测试阶段，按规格书确定的ISO 6954版本以及明确的振动响应限制值进行振动评估；如采用旧版，则按要求应将所谓平均波幅值（频谱仪上通常可直接读取的峰值）转换为最大重复值，才能进行相应振动评估；

（4）对于如图4所示的响应谱（响应谱峰值较小、频带较宽且振动能量集中在中、高频段），建议采用旧版进行振动评估。

3 结论

本文对ISO 6954新旧版本进行了差异性比较，并介绍了国外文献对此的分析比较结果，同时给出了在实船项目中如何使用ISO 6954的几点建议。但本文的分析比较多局限在规范条款及背景知识的对比，缺乏实船的测试数据比较，希望今后能有更多的国内文献来讨论这方面的问题。

［1］ ISO.Mechanical vibration and shock-Guidelines for the overall evaluation of vibration in merchant ships［S］.ISO 6954：1984（E），Switzerland：ISO，1984-12-15.

［2］黄 建，胡冰乐.振动评价标准的变化及数字式振级计［J］.江苏理工大学学报（自然科学版），1999，20（6）：90-92.

［3］ ISO.Mechanical vibration-Guidelines for the measurement，reporting and evaluation of vibration with regard to habitability on passenger and merchant ships［S］.ISO 6954：2000（E）.Switzerland：ISO，2000-12-15.

［4］ Carlton J S，Vlasic D.Ship vibration and noise：Some topical aspects［A］.1stInternational Ship Noise and Vibration Conference［C］//London，2005，June，20-21.

［5］ Biot M，Lorenzo F D.Noise and vibration on board cruise ships：are new standards effective［A］.2ndInternational Conference on Marine Research and Transportation［C］//ICMRT＇07 Ischia（Naples），Italy，2007，28-30：93-100.

［6］高广卿.舒适度标准的改进［J］.船艇，2006（257）：36-40.

［7］傅文昌，译.《日本造船学会志》864号.船体振动设计的研究动向［J］.国外舰船工程，2003，291（5）：11-15.