海工舱室之间隔声效果的现场实验及计算方法探讨

2014-06-27仁锋

船海工程 2014年6期

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(1.中集海洋工程研究院，山东烟台 264670；2. 中集来福士海洋工程有限公司，山东烟台 264000；3. 威海白云船舶制造有限公司烟台分公司，山东烟台 264000)

在以往，船舶或海工舱室的噪声与振动往往只是船东关心的舒适性问题，并不是船级社所关心的主要性能指标，近期，国际海事组织(IMO)将主要的生活舱室的噪声标准由60 dB(A)控制到55 dB(A),同时将其纳入强制执行的范畴。挪威是全球海工设计建造最先进的国家之一，其工业协会(NORSOK)更是将主要的生活舱室的噪声标准控制到45 dB(A),同时NORSOK还将舱室之间的隔声量、舱室内部的吸声系数、语音清晰度、空调系统噪声等声学性能参数，一并纳入到海洋平台的重要技术指标内。

我国船舶或海工行业在声学上对振动结构的减振降噪，往往是针对已存在的问题进行后处理，包括在设备与结构之间加装减振结构、在船体结构表面敷设阻尼材料等，很少有在结构设计初期就开始考虑声学问题的。声振设计客观上还基本处于对已存在结构进行声学性能评估的状态，尚不具备能力对船体结构、舾装结构等的声学设计提出可操作的建议，如结构形式、尺寸、材料等施工设计和工艺。同时，缺少简捷易行且能够指导工程结构设计使用的计算方法以及指导施工建造使用的工艺流程[1]。声学性能指标应在实船上得以真正的实现，而不仅仅是停留在书面上的理论方案论证、分析报告评估等，这将是对我国从事船舶/海工声学设计工艺工程师技术水平的一次严峻考验，同时也将促进新材料、新工艺和新技术在船舶/海工建造上的应用，对海工技术的创新应用产生积极有益的作用。

1 相关规范空气声隔声标准分析

1.1 挪威北海高端海洋平台空气声隔声评价

空气声隔声、吸声系数及混响时间的概念均源自建筑声学，NORSOK较早将其引入到海工设计建造领域，表1为NORSOK海工舱室之间空气声隔声限值，其中隔声标准评价量均为表观隔声量R’。

表1 NORSOK海工舱室之间空气声隔声限值 dB

注：嘈杂舱室是指健身房、电视间/电影院、打印室、厨房、餐厅和更衣室；工作舱室是指办公室、会议室、广播室和控制室；安静舱室是指需要高度隐私的区域，包括居住间、医院/病房、休息室和阅览室；a为不适合厨房和餐厅的舱壁；b为不适用医院和病房的舱壁；c为房间门的隔声最小要达到40 dB；d为≥45 dB的要求仅适用于单人间。

1.2 国内民用建筑空气声隔声评价

我国民用建筑空气声隔声评价的主要指标有计权隔声量、计权标准化声压级差。所谓计权隔声量是在实验室中测量的，用来表征建筑构件空气声隔声性能的单值评价量。用符号Rw表示，单位:dB。计权标准化声压级差是以接收室的混响时间作为修正参数而得到的两个房间之间空气声隔声性能的单值评价量。用符号DnT,w表示，单位:dB。频谱修正量分为粉红噪声频谱修正量C和交通噪声频谱修正量Ctr。表2和表3为我国住宅建筑房间之间和房间隔构件的空气声隔声限值[2]。

表2 国内房间之间空气声隔声限值 dB

表3 国内房间各构件的空气声隔声限值 dB

1.3 国际通用噪声规范空气声隔声评价

《IMO Resolution A.468(Ⅻ)code on noise levels on board ships》是IMO颁布的关于船舶及海工噪声控制的一个规定，目前大多数的船舶及海工项目执行该标准。

关于设备噪声实验、最大允许噪声限值和处身时间等内容，在其它的相关文献里已经有较详细的描述，因此本文仅对生活区域舱室之间的空气声隔声标准评价量和限值作以下描述。

舱室之间的隔声舱壁和甲板结构以计权隔声量Rw为评价量，限值共分为3个等级。

1)R30，舱壁和甲板结构计权隔声量：

30 dB≤Rw<35 dB。

2)R35，舱壁和甲板结构计权隔声量：

35 dB≤Rw<45 dB。

3)R45，舱壁和甲板结构计权隔声量：

Rw≥45 dB。

隔声量越高隔声性能越好，高隔声等级的结构可以替代低隔声等级的结构，例如，R45可以替代R35、R30使用，R35可以替代R30使用。用于走廊到居住舱室以及居住舱室到带有交通门的居住舱室区域的舱壁和甲板结构应至少满足R30要求；用于居住舱室之间的舱壁和甲板结构应至少满足R35要求；用于从餐厅、娱乐室、公共处所和娱乐区域到居住舱室和医疗室的舱壁和甲板结构应满足R45要求。

2 海工舱室舾装隔声结构的特点

海工舱室舾装隔声结构属于轻型隔声构件，是由天花板、壁板(包括单层壁板和双层壁板)、防火隔声门、水密隔声窗、地板及弹性安装件等部件组成，其中均质单层壁板的隔声性能主要由质量定律决定[3]，海工舱室舾装壁板则是一种复合夹心板，通过弹性安装件安装在船体钢结构上，其计权隔声量Rw通常在32 dB左右，典型节点形式见图1[4]。

图1 单层壁板

双层壁板中间为空气夹层，其隔声量要比单层壁板大得多[5]，两层单层壁板之间可以填充纤维类吸声材料，因而使得双层壁板计权隔声量Rw可以提高到50 dB左右，其典型节点形式见图2。

图2 双层壁板

天花板、防火隔声门主体等同样采用单层复合夹心板，其隔声性能类似于单层壁板。

通常情况下，对于民用建筑两个相邻房间之间无门窗的共用墙壁结构，共用墙壁的厚度、材质和面密度决定了房间之间空气声隔声的性能，与民用建筑空气声隔声不同的是：海工舱室舾装结构的总体隔声性能不仅仅是由共用单层壁板或双层壁板所决定的，同样天花板、防火隔声门、空调通风系统管道、共用卫生单元、水密隔声窗、地板等部件的作用也是至关重要的，有时甚至可以影响并决定海工舱室实际上的声学性能。

3 海工舱室之间隔声的现场实验

在海工舱室进行隔声、混响时间及吸声系数等声学实验与在民用建筑房间里进行实验有所不同，由于海洋平台舱室的空间相对狭窄、传声途径复杂、布点布线困难、工况及干扰等具体问题的客观存在，造成该行业不能完全满足相关规范对实验环境、条件和方法的细节要求，这就势必要根据现场条件来对实验程序和处理方法进行一定的优化，同时也要满足工程精度的需要。

通常情况下，海工舱室现场声学实验选择在系泊状态下进行，接通使用岸电，仅运行必须开启的设备，同时停止有可能影响实验精度的施工作业，要选择风平浪静的天气，为了减少其他因素对海洋平台周围环境的不利影响，实验可以安排在夜间。

3.1 典型舱室选择

综合考虑海洋平台船体结构设计、设备布置、舾装结构设计和舱室布置等因素，选取以下几类典型舱室进行隔声、混响时间及吸声系数等声学实验。

1)单人生活舱室-双层舾装壁板结构(共用卫生单元)-单人生活舱室。

2)单人生活舱室-双层舾装壁板结构-单人生活舱室。

3)单人生活舱室-单层舾装壁板结构-船体结构钢舱壁-单层舾装壁板结构-单人生活舱室。

4)单人生活舱室-防火隔声门-走廊或楼梯。

5)办公室或会议室-推拉门-走廊或楼梯。

其中第一种类型在海洋平台生活区中数量较多，也是问题的关键所在，将其作为重点，其平面布置见图3。

图3 声源室和接收室的平面布置

3.2 实验仪器设备

针对海工舱室现场声学实验的特殊情况，在实验仪器设备的选择配置上主要考虑携带方便和高效率数据采集，所用主要实验仪器设备如下。

1)波兰产BSWA801噪声振动分析仪一套，属精密型仪器，包括附件和BSWA801数据处理分析软件。

2)BSWA十二面体声源一台，是球形无指向性声源，有多个扬声器同相辐射。

3)BSWA100 W功放一台，有两路输入及输出。

4)瑞士产Minirator MR2信号发生器一台，手持式仪器，便于单手操作，可发生白噪声信号和粉红噪声信号等。

3.3 采样点、声源及传感器布置

考虑到海洋平台舱室的空间相对狭窄，无法满足距离要求，所以采用单只十二面体声源，将其分别放在两个位置发声，在每个位置发声时，使用手持便携式可移动传感器(波兰产BSWA801噪声振动分析仪)进行均匀移动采样。声源室和接收室的平面布置见图3。

3.4 隔声评价量及其影响参数选择

以工作于挪威北海的某半潜式海洋钻井平台为例，其噪声振动指标均按NORSOK标准来进行评价，其中规定舱室之间空气声隔声采用表观隔声量R’为评价量，表观隔声量R’也叫表观传声损失，在海工舱室现场声学实验时，采用以下源自建筑声学的公式进行数据计算处理。

R′=D+10 lg(S/A) dB

D=L1-L2

式中：D——声压级差，dB；

L1——声源室的平均声压级值，dB;

L2——接收室的平均声压级值，dB;

S——公共舱壁的面积，m2;

A——接收室的吸声量，m2。

由上式可见，直接决定表观隔声量R’的影响因素有D、S和A。其中：A由舱室容积、总内表面积和内表面吸声系数等客观评价量所决定。

4 实验结果及数据分析

针对单人生活舱室-双层舾装壁板结构(共用卫生单元)-单人生活舱室典型舱室的布置设计特点，在其中安装完成几件家具，同时关闭门窗，然后分别将十二面体声源置于两个发声位，得到平均声压级差D，同时考虑不同的自变量参数，从而得到不同的评价量数值。以下对海工舱室空气声隔声的计算评价作以分析说明。

4.1 表观隔声量R’和规范化声压级差Dn的异同

表观隔声量R’的概念源自建筑声学，在民用建筑空气声隔声评价时，对两相邻房间隔墙面积S有着比较确切的定义，在标准实验室里可以准确得出隔声构件的表观隔声量R’，同样在民用建筑现场利用表观隔声量R’评价两相邻房间的声学性能也同样具有实际意义。在进行海工舱室空气声隔声评价时，民用建筑两相邻房间隔墙面积S可以理解为舱室公共舱壁的面积，然而同时由于海工舱室舾装隔声结构的特点，决定了参与隔声的不仅仅是舱室公共舱壁，还有天花板、防火隔声门、空调通风系统管道、共用卫生单元、水密隔声窗、地板等，而舱室公共舱壁的隔声量往往还高于其他隔声构件，这样在客观上就形成了民用建筑隔墙面积S在海工舱室里的不确定性，因此，在海工舱室隔声实验现场，表观隔声量R’也就显现出主观评价量的特征。

规范化声压级差Dn与声压级差D、接收室的吸声量A相关，对参考吸声量Ao也有着明确的定义，因此无论是在标准实验室里还是在民用建筑现场，均可对隔声构件或隔声结构的声学性能进行评价。在海工舱室现场，决定规范化声压级差Dn的自变量也是惟一的，因此，规范化声压级差Dn在理论上也就具备了准确客观评价海工舱室隔声结构性能的可能性。