海洋核动力平台高频舱室噪声预报与治理对策

陈 剑，殷 洪，张 苗，漆琼芳，程用超

(武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064)

0 引 言

海洋核动力平台示范工程是实现我国海洋核动力平台“零”的突破的重大工程项目，该项目是小型核反应堆与船舶工程的有机结合，可为海上油气田开采、海岛开发等领域提供能源供给，可用于船舶和海水淡化，并可以供热等功能。

核动力平台上设备长期运行产生的噪声对人体危害是全身性的，即可以引起听觉系统的变化，也可以对非听觉系统产生影响。这些影响的早期主要是生理性改变，长期接触比较强烈的噪声，不仅可以引起病理性改变，而且作业场所中的噪声还可以干扰语言交流，影响工作效率，甚至引起意外事故。同时由于海洋核动力平台上的固有特性——空间有限（长163 m宽29 m，包括反应堆一、二回路运行在内的工作和休息区域均在此范围内），不可能安装陆上核电站分散布置区间，将噪声区域与工作区完全分开，因此为使平台上各舱室噪声满足中国船级社《船舶及产品噪声控制与检测指南》[1]的要求，必须在方案设计阶段开展对平台舱室噪声进行预报并制定治理对策，此项工作不仅可以缩短建造周期、降低制造成本、提高其舒适性能，而且能确保核动力平台顺利入级，具有十分重要的经济效益和社会效益。

目前主要采用统计能量法对船舶和海洋平台等舱室噪声进行预报，惠宁等[2]对某南海海洋平台生活楼舱室噪声进行预报与控制，认为海洋平台主要舱室噪声为高频噪声。陈攀等[3]等采用VA One 建立海洋平台高频舱室噪声模型，将不满足规范要求的舱室进行传递路径分析，根据能量输入情况确定阻尼材料和吸声材料的敷设位置，得到一种有效的舱室降噪思路。邱斌等[4-6]采用VA One 对高速船的噪声进行预报，并与测试值进行比较，验证了统计能量方法预报舱室噪声的可行性。

本文通过噪声源贡献量分析与噪声控制指标分解方法，考虑噪声的传递与衰减确定各噪声源对目标舱室噪声级的贡献量，并针对影响目标舱室噪声级的主要噪声源及其影响幅度，提出噪声源振动和空气噪声治理的减振降噪措施。根据舱室空气噪声的预估结合核动力平台的实际工作情况，提出行政控制的治理对策。通过对舱室空气噪声采取的技术措施与行政控制的管理措施，提高核动力平台工作处所的空气噪声控制水平，改善工作人员的工作、生活环境，适当提高舒适度，确保核动力平台上各处所的噪声水平达到国际海事组织（IMO）第91 届海安会（MSC91）通过的第338 号关于SOLAS 修正案的决议中规定的噪声指标，确保核动力平台的顺利入级。

1 统计能量分析理论[7]

统计能量法的基本原理为通过建立子系统能量与子系统间功率流的平衡方程，估算子系统的能量分布。根据能量守恒原理，子系统消耗的能量加上传递给其他子系统的能量，应等于输入给该子系统的能量。对于具有k 个子系统的系统，其能量平衡方程为：

式中：Ei，Pi，ni，ηi分别为第i个子系统的能量，输入功率，模态密度及内部损耗因子；ηij为2 个子系统间的耦合损耗因子。

因此，可以看出只要获得激励源输入能量、子系统模态密度、耦合及内损耗因子等分析参数，就可以求出子系统的能量，进而求出实际工程中所需要的声学特性。

统计能量法有以下基本假设：

1）分析模型为保守耦合系统；

2）统计能量分析模型子系统间为弱耦合连接。

2 计算模型建立及仿真计算

2.1 计算模型描述

某型核动力平台采用横向反应堆双堆布置，2 套核动力装置独立运行。平台为平尾单体船型，双舷双壳体船，其主尺度为：船长约163.4 m，型宽29.0 m，型深12.0 m，设计吃水7.2 m；主船体从首至尾分为艏尖舱，输配电舱，动力舱，反应堆舱，过渡电源舱和生活保障舱6 个大舱室，平台布置图详见图1。主结构、上层结构及内壁均为钢结构制造。

图1 某型海洋核动力平台总体布置示意图Fig.1 General layout of an offshore nuclear power platform

采用Catia 建立核动力平台的几何模型，采用Hypermesh 将几何模型划分为有限元网格。在VA One 里导入有限元模型，建立统计能量模型。采用半无限流场来模拟舷外水的作用，建立的统计能量模型如图2所示。设计阶段不考虑加筋板对结构传递过程的影响，建立板子系统5 435 个，声腔子系统1 138 个，如图2 所示，各子系统之间的连接如图3 所示。

图2 海洋核动力平台SEA 模型Fig.2 SEA model of offshore nuclear power platform

图3 SEA 模型连接形式Fig.3 SEA model connection form

2.2 激励源分析

海洋核动力平台主要噪声振动源通常有3 类，一是机械设备噪声，二是推进系统噪声，三是通风空调系统噪声。由于该型核动力平台长期单点系泊于作业海域，推进系统大部分时间不工作，所以在仿真计算时对推进系统噪声不予考虑，只对机械设备和通风空调系统组成的主要噪声源进行重点分析，主要噪声源设备如表1 所示。

表1 海洋核动力平台主要噪声源设备及主要参数Tab.1 Main noise source equipment and main parameters of offshore nuclear power platform

2.3 激励源参数[8]

1）动力设备噪声源信息

主汽轮发电机组、辅汽轮发电机组、柴油发电机组及电动给水泵的振动噪声数据来源于样机陆上联调试验的实测结果，振动加速度数据如图4 所示，空气噪声数据如图5 所示。将设备机脚振级以约束的形式施加在设备所在处所的板子系统上，将设备辐射噪声以混响声场的形式施加在设备所在处所的声腔子系统上。

2）通风空调系统噪声源信息

风机的声功率级估算公式：

图4 主噪声源设备机脚振级Fig.4 Vibration level of main noise source equipment

图5 主噪声源设备辐射噪声Fig.5 Noise of main noise source equipment

式中：LW为通风机的辐射声功率级，dB；参考声功率w0=10－12W；Q 为通风机的流速，m3/min；T为通风机的压力，Pa；Cw为通风机空气噪声的倍频程修正值，dB。如表2 所示。

表2 通风机空气噪声修正值Tab.2 Corrected values of fan air noise

因此，根据估算公式及选取风机的技术指标计算得各型风机辐射声功率级如表3 所示。将该激励以辐射声场的形式施加到对应的风机所在位置的声腔子系统上。

表3 风机辐射声功率级/dBTab.3 Sound power level of fan/dB

3）空调机组噪声源信息

空调设备缺少相关数据，按照中国船级社《船舶及产品噪声控制与检测指南》振动加速度级、辐射声功率级分别如表4 和表5 所示。

表4 空调设备的加速度级Tab.4 Acceleration level of air conditioning equipment

表5 空调设备的辐射声功率级Tab.5 Radiated sound power level of air conditioning equipment

3 舱室噪声预报计算结果

3.1 模态密度

为满足统计能量法应用的计算条件，建立的大部分子系统需满足单位频带内模态数大于5 的基本条件。求解各子系统模态数如图6 所示。可以看出，主要舱室的模态数在计算频率63～8 000 Hz 内满足计算要求。

图6 子系统模态数Fig.6 Modal number of subsystems

3.2 船用材料的声学特性[9–10]

3.2.1 内损耗因子的确定

船体材料密度为7 8 0 0 k g/m3，弹性模量为2.1e+11Pa，剪切模量为8.0E+10Pa。钢结构内损耗因子如图7 所示。

图7 钢结构内损耗因子Fig.7 Internal loss factor of steel structure

3.2.2 耦合损耗因子

耦合损耗因子表征了子系统之间耦合作用的大小，描述子系统之间能量传递过程的损耗特性。子系统之间的耦合连接关系保证了能量的传递，被激励的子系统通过耦合作用，将激励力传递到没有直接受到激励作用的相邻子系统。能量通过点、线、面方式的连接传递实现子系统之间的耦合，这些结构与结构、结构与声场直接的耦合损耗因子由VA One 软件计算获得。

3.3 计算结果

将噪声源激励分别以对应的噪声类型施加在计算模型对应的子系统上，选择分析类型为倍频程，计算频率范围为63～8 000 Hz。计算舱室噪声，得到平台舱室声压云图如图8 所示，主要舱室噪声值结果如表6所示。

图8 舱室噪声级云图（声腔）Fig.8 Cloud chart of cabin noise level (acoustic cavity)

表6 主要舱室预报结果与设计指标值对比分析Tab.6 Comparison and analysis of forecast results and design index values of main cabins

表6 数据表明，核动力平台上的舱室噪声如果不进行治理，不仅工作区域的机械舱室（除辅机舱外）噪声较高，而且生活区域的舱室噪声也存在大范围超标的事实。噪声超标不仅直接影响工作人员的休息以及工作指令的传达，对人员的身心也会造成极大的损害。因此，应对超出限值的舱室进行分析，制定有针对性的降噪措施，以满足指标要求，将噪声对人员身心的损害降到最低，甚至可以达到舒适性的级别十分必要。

4 核动力平台舱室空气噪声的治理对策研究

噪声控制包括工程控制的技术措施与行政控制的管理措施。在本章分别针对这两方面进行论述分析。

4.1 减振降噪控制方案

在此以居住舱室为例，分析244 号舱室的噪声能量输入的主要来源（见图9），可以有针对性地对其进行噪声控制，提高效率，达到事半功倍的效果。从图9 可以看出，244 号舱室的噪声能量来源主要为结构噪声。结合设备舱室噪声超标情况，控制噪声源及其结构振动传递是最经济有效的降噪方法。

4.1.1 噪声源设备振动的控制技术方案

4.1.1.1 噪声源设备的主动控制技术

设备开展振动噪声指标分配与考核，对设备的空气噪声、振动烈度、振动加速度等设备噪声限值进行分配与考核。

4.1.1.2 噪声源设备振动的被动控制技术

1）隔振技术控制措施

结构噪声由机械设备运转产生，沿着船体结构向外传递，最有效的控制方法是采取隔振技术，本文针对噪声源贡献的大小，综合运用单层隔振、整体隔振、双层隔振和集成减振措施，具体措施与设备简介如下：

①单层隔振——柴油发电机；

②整体隔振——给水泵；

图9 居住舱室能量输入Fig.9 Energy input of living cabin

③双层隔振——辅汽轮发电机；

④集成减振——主汽轮发电机组及其辅助系统设备。

2）噪声源设备基座阻尼及阻振质量的设置。

①基座阻尼敷设——核动力平台主要噪声源设备（给水泵、循环水泵、辅汽轮发电机和主汽轮发电机）基座进行阻尼敷设优化设计。

②设置阻振质量——对主、辅汽轮发电机的基座设置阻振质量块。

经过隔振技术处理后，核动力平台重点控制的3 个区域——综合指控中心和核控室的噪声级有明显下降，居住舱室噪声级略有下降，但3 个部位均未满足指标要求，为此继续开展空气噪声的治理措施。

4.1.2 噪声源设备空气噪声的降噪控制技术方案

1）总体声学设计原则

针对空气噪声，总体舱室布置的基本原则是居住舱室和工作场所等应尽可能远离噪声源；按声学特性布置声源和舱室，尽可能把高噪声源集中布置便于采取隔离措施；将船员的居住舱室与工作舱室尽可能不布置于主甲板区域；设置独立的机舱集控室使得船员免受高噪声伤害。

2）接受者防护

①工作处所（房间）的吸隔声处理

舱室降噪措施，根据工作部位的不同采取的降噪方案也有所差异，如综合指挥中心和核控室需重点治理，其他房间的通用降噪设计措施：对天花板、围壁及地板上同时进行吸声设计，如在天花版上加装铝蜂窝板；在围壁上严格控制隔舱壁结构上的开孔、留洞、穿管，并敷设强吸声材料；在下方地板上敷设浮动地板等。

②机舱处所的降噪方案

根据全频段舱室噪声预报结果，机舱处噪声指标符合标准化要求，但对于区域噪声级大于85 dB（A）的工作场所，除了对设备基座开展声学结构设计、设置阻振质量块、敷设阻尼以及舱室设置隔音门、窗等措施外，在舱室入口处设置以船舶工作语言及英文描述的符号和补充标志所组成的警告牌，并对进入的工作人员配戴适当的听力保护器，可有效防护噪声的危害。

4.1.3 噪声控制技术方案评估

通过综合采用4.1.1 噪声源设备振动的控制技术方案和4.1.2 空气噪声的降噪控制技术方案，对核动力平台全船舱室噪声进行预估，得到平台舱室声压云图如图10 所示，主要舱室噪声值结果如表7 所示。

图10 核动力平台舱室声压云图Fig.10 Sound pressure nephogram of nuclear power platform cabin

表7 主要舱室预报结果与设计指标值对比分析Tab.7 Comparison and analysis of forecast results and design index values of main cabins

表7 数据表明，通过噪声源设备振动的控制和空气噪声的降噪控制、工作区域的综合指控中心和核控室以及机械设备舱室（主机舱、辅机舱、柴发机舱）噪声级进一步降低，生活区域的厨房舱室噪声也得到有效控制，上述舱室噪声均达到了设计指标，只有居住舱室和船员餐厅（位于厨房对面）的空气噪声略高于指标。

4.2 减振降噪的行政控制

表7 数据表明，通过技术措施——对噪声源的振动和空气噪声的综合治理之后，工作区域的舱室空气噪声得到了有效的控制，并取得预期的效果，满足船级社的技术指标要求。但由于上述措施主要是针对工作区域的噪声源设备制定的，生活区域的通风、空调设备在进行噪声源指标分配时兼顾了经济性，取得了一定的降噪效果，但仍存在居住舱室和餐厅的舱室空气噪声估算结果比指标略高，在此情况下可通过适当使用行政控制的管理措施加以补充。

具体措施如下:生活区域的噪声主要来源于厨房的空调和2 台通风机，根据仿真计算发现，单开厨房空调时餐厅舱室噪声为56.8 dB（A），单开1 台通风机时餐厅的噪声为53.8 dB（A），因此当船员在餐厅就餐或在居住舱室休息时，可通过管理措施控制厨房只开1 台风机和空调，则此时餐厅的舱室噪声则为58.6 dB（A），居住舱室的噪声为50.7 dB（A），这样生活区域的所有舱室空气噪声分别满足了60 dB（A）和55 dB（A）指标要求，这样就不必对设备提出过高的指标要求，从而节约成本。

5 结 语

本文通过基于VA One 的统计能量法对海洋核动力平台德舱室噪声预报，通过分析噪声源贡献量分析与噪声控制指标分解方法，考虑噪声的传递与衰减确定各噪声源对目标舱室噪声级的贡献量，并针对影响目标舱室噪声级的主要噪声源及其影响幅度，先提出噪声源振动和空气噪声治理的减振降噪技术措施；在采用技术措施成果的基础上，根据核动力平台生活区域的舱室噪声的预估结果和实际工作情况，提出行政控制的治理对策。在核动力平台上综合运用舱室噪声治理的工程控制的技术措施与行政控制的管理措施，提高核动力平台工作及生活区域的舱室空气噪声控制水平，改善工作人员的工作、生活环境，适当提高舒适度，确保核动力平台上各处所的噪声水平达到国际海事组织（IMO）第338 号关于SOLAS 修正案的决议中规定的噪声指标，主要工作及结论如下:

1）海洋核动力平台示范工程是实现我国海洋核动力平台“零”的突破的重大工程项目。在设计阶段对舱室噪声进行预报并提出声学降噪设计方案不仅可以缩短建造周期、降低制造成本、提高其舒适性能，而且能确保核动力平台顺利入级，此项研究十分必要，具有十分重要的经济效益和社会效益。

2）统计能量法是目前进行船舶系统级全频段舱室噪声分析的主流手段，VA One 是市场上唯一在公共环境包括完整频谱振动噪声分析方法的仿真软件，应用全频段振动噪声分析软件VA One 开展海洋核动力平台全频段舱室噪声预报是可行的。

3）本文对核动力平台舱室噪声在噪声源的激励下进行预估，根据噪声源贡献的特性进行针对性的噪声控制，采用不同的隔振技术（单层隔振、整体隔振、双层隔振及集成减振平台）对结构振动传递进行有效控制；采用总体声学设计和接受者的防护措施对工作处所及舱室（居住舱室、综合指控中心和核控室）进行噪声源的空气噪声治理，通过对噪声控制技术方案的评估，可以实现核动力平台工作区域舱室噪声的预期治理效果；对生活区域的舱室空气噪声，可以在技术措施的基础上，根据部分舱室工作或休息的实际情况，通过适当使用行政控制的管理措施加以补充，最终实现了核动力平台工作区域和生活区域的舱室空气噪声得到有效控制，使舱室噪声预估结果满足中国船级社《船舶及产品噪声控制与检测指南》的指标要求，为核动力平台的顺利入级提供了技术支撑。