某型艇舱室次声场环境模拟装置的研究

罗志辉，俞悟周，刘李娜

某型艇装具作业时，产生较强的具有脉冲性质的次声波，通过波泳使艇体振动产生二次辐射，作用于人体对作业人员构成危害和损伤［1]。测试数据表明，该艇装具作业时次声级达121.4 dB。由于该艇艇体小，次声波及面广，经初步测定，几乎所有岗位都受到影响。装具作业过程中，多数艇员主诉鼓膜有堵塞或振动感、耳痛、头痛、眩晕、呼吸和心率加快、胸腹背有振感、胸闷、心悸、烦燥不安、精神紧张、出冷汗、作业过程中易疲倦、工作效率明显下降等。体检证明，艇员心电图、肺功能均有不同程度的改变，脑功效低下，血液生化指标改变。参试人员在试验环境中暴露6 h后，2周之内明显感觉精神疲乏，注意力不够集中。

在实战条件下，装具连续工作时间将大大超过6 h，可以预料随着暴露时间的延长，对艇员的影响将会更加明显。目前，我国尚未建立次声对人体生理安全的标准。传统的防次声耳塞对人的听觉器官有一定防护作用，但对次声引起的非听觉效应(人体脏器的损伤，重要的生理和生化指标改变等)的防护没有效果［2]。

据此，改善声环境、减弱并降低次声场对艇员的影响是该型艇必须解决的问题，而实施舱室的部分结构改造是减小对艇员影响的最直接、最经济、最科学的办法。通过对该艇次声场数据的测量和产生原理分析，研制符合实艇次声环境的模拟装置，可为治理措施的制订和治理效果的评估提供基础性支撑。

1 次声场产生原理

某型艇装具工作时，产生连续的脉冲串，通过水、空气等介质传播至舱室和战位，与空压机运转噪声、高压气流噪声混合在一起，形成频谱广泛的宽带噪声。A声级随声源渐远而降低，艇上各舱室、岗位次声场的频谱均呈宽带性质，但主要能量分布在12.5、16、20 Hz，随着传播距离的增加或舱壁隔声后，40 Hz以下能量无明显改变，40 Hz以上能量明显衰减，40～80 Hz衰减7.5～14 dB，100～400 Hz衰减15～22 dB，500～2 000 Hz衰减25～28 dB，2 500～6 300 Hz衰减29～33 dB。

艇上各舱室、岗位的次声波呈混响衰减脉冲波，持续时间在300～400 ms之间。

根据该艇次声场测试结果分析认为:该声场是一种混合型声场。一是由空压机和气流形成的噪声，声响的主观感觉是频率高且吵闹，测量显示的主要频谱在2 000～15 000 Hz。此种噪声在声频的中高频范围，随着距离的渐远衰减较快，可听声波传播强度与距离呈反比规律;二是由装具工作时引起的次声频波，是本研究的主要对象。由于该艇装具浸没在水中，通过水再辐射到空气中的次声能量已衰减无几，分析认为理论上不应直接造成对艇员的危害。通过论证分析认为，现存影响主要是发射的次声波通过水波引起艇体钢板振动产生二次激发形成空气次声频声场，如图1所示。由于实艇试验中未作振动试验与测试，因而对次声波产生时的艇体振动未能获得严密的结论，但可初步断定是一种以艇体尾部为轴心，艇首部上下波动的轴向运动，此种由次声枪发射引起的激励波泳运动为艇体钢板振动奠定了基础。测试结果表明，较强的次声场在各舱室存在是确凿的事实，并且艇的前后甲板、上下舱室的次声波强度变化不大。

图1 次声场形成原理示意图

2 次声场环境模拟实验装置

模拟实验装置由打击机、隔声箱和试验舱3部分组成，声压级与加速度测点见图2。

2.1 打击机 固定在隔声箱顶部，质量400 kg，击锤直接打击隔声箱顶部钢板，按试验要求调节打击速率。

2.2 隔声箱(外箱) 箱体是产生模拟次声场的基础和依据。为获得与实艇相似的声场，计算得到外形尺寸为1 200 mm×1 200 mm×1 600 mm，板材取3.5mm厚度钢板，箱体选用6.3#槽钢作支架，4个侧面和顶部内壁根据试验要求铺设或不铺设100 mm厚吸声玻璃棉毡。试验时隔声箱始终搁置在JT-6型多点式橡胶减振垫上(载荷范围300～600 kg，固有频率±2 Hz)。

图2 模拟装置示意图

表1 不同频率的隔声值(dB)

表2 不同频率隔振值(dB)

2.3 试验舱(内箱) 外形尺寸为500 mm×500 mm×500 mm，计算获得箱体用2 mm厚钢板。试验时试验舱直接搁置在隔声箱底板上。

2.4 试验舱和隔声箱 同一侧各留1个直径为20 mm测试电缆引入孔，2个孔高低错开。测试电缆穿入后用硅橡胶密封。

2.5 噪声测量 采用挪威840型双通道实时分析仪(低频截止0.1 Hz)和1223型低频电容传声器(1～10 000 Hz，±1 dB)。两路传声器经10 m测量电缆分别吊挂在隔声箱和试验舱中间的弹性挂钩上。测量采样时间为10 ms，两路同时测量，比较同一试验工况下试验舱内、外噪声值的差异。测量的声学参数有等效线性声压级、A计权声级、最小值、最大值，并进行1/3倍频程频谱分析。

2.6 振动测量 采用北京东方振动和噪声研究所DLF-3型双通道电荷电压滤波积分放大器和9818型压电加速度传感器。传感器分别置于隔声箱底板上和试验舱底部。将积分放大器的电压输出连接到挪威840型双通道实时分析仪的线性输入端进行1/3倍频程频谱分析。

3 结果

本次实验的目的在于通过建立环境模拟装置，模拟实艇次声频声场，模拟次声频试验中尽管打击机的激发工况重复性比较差，但试验采用了双通道信号同时间记录的方法，弥补了上述不足。不同频率的隔声值和隔振值见表1、2。

试验结果证明，试验舱内的次声是由打击机通过隔声箱产生振动引起的，与前期理论分析证明实艇次声场的产生原理相吻合［3]。

由表1、2可见，模拟次声场的频谱能量主要集中在8～50 Hz，与某型艇装具发生器工作时声场测试结果很接近，符合试验要求。隔声箱铺设的吸声材料在中高频段有一定的降噪作用［4-5]。

4 结论

本研究依据实艇的客观状况，以某型艇次声场物理数据为基础，提出了该艇次声场产生的原理，并研制了实艇次声环境的模拟装置，进而为治理方案的研究提供了技术解决途径并奠定了可信的科学依据。

［1] 谷嘉锦.高声强次声和低频声的研究［J] .噪声与振动控制，1999，19(2):6-8.

［2] Takahashi Y，Yonekawa Y，Kanada K，et al.An infrasound experiment system for industrial hygience［J] .Indust Heal，1997，35(4):480-488.

［3] Alcoverro B，Le Pichon A.Design and optimization of a noise reduction system for infrasonic measurements using elements with low acoustic impedance［J] .J Acoust Soc Am，2005，117(4):1717-1727.

［4] 赵红武，孙晓峰.可控声阻抗声衬控制系统设计及实验研究［J] .声学学报，1998，23(5):430-438.

［5] 李峰.具有低频衰减性能的粘弹阻尼材料［J] .噪声与振动控制，1997，17(5):39-40.