基于声线法的靠港船舶的港口区噪声评估方法

2021-06-16王献忠夏瑀陈頔

噪声与振动控制 2021年3期

王献忠,夏瑀,陈頔

（1.武汉理工大学交通学院,武汉 430063；2.中信建筑设计研究总院有限公司,武汉 430014）

船舶在港口进出、停靠数量不断增加，所带来的噪声问题日益严重。系泊船舶的供电和通风系统仍在工作，所产生的辐射噪声会对港口和港口周围的居民造成噪声污染。尽管目前辐射噪声的数值预测模型数量众多，但依托现有技术研究缺乏对特定大型船舶的噪声源及其辐射噪声特性的有效测定。目前，国内还没有计算港口环境下船舶复杂噪声场的仿真软件和预报方法。开展港口环境下船舶的声辐射特性的研究，需将船舶典型结构在不同声学边界条件下的振动和声辐射问题，拓展为船舶整船噪声源在港口环境下的声辐射特性的工程实际问题。

孟春霞等[1]研究了船舶体积声源的建模，处理结果与实测结果进行对比验证了船舶辐射噪声源模型的有效性。吴冬[2]介绍了船舶辐射噪声的产生机理和基本特性，提出了一种船舶辐射噪声源的简化模型，进行试验验证了该模型计算的有效性。王大海等[3]通过码头单机噪声测试确定了单台设备噪声特征，进行拟合得到噪声特征表达式。阐述了数值拟合和声源匹配理论，提出了计算方法，对比测量数据验证了计算方法的可行性。Bella等[4]通过声学相似性将威尼斯运河上的船舶噪声源进行分类，对系泊船舶和航行船舶的噪声特征进行描述，并绘制了系泊船舶近场声学图和港口测量一周内航行船舶的声压分布图。Moro[5]提出了一种预测港口船舶外场噪声的计算方法，并对噪声源声功率级进行合理的修正。通过将实测近场测点声压级与Raynoise软件计算的声压级进行比较，验证了计算方法的有效性。该过程中提出声源声功率级的修正方法很有参考价值，可以准确设置和修正每个噪声源的声功率级。Badino等[6]提出了一种实现港口噪声声学预报的方法，该方法适用于所有船舶。该方法有4个步骤：定义船舶类别；测量船舶噪声源；建模进行环境噪声计算与分析；声学云图绘制。并制定了船舶噪声排放的限值。Bella等[7]参照不同的噪声测量技术标准，对邮轮噪声辐射问题进行了评估。在威尼斯港进行现场测量，得到的船舶声功率级，并利用数值模型进行的声源反演来改进港口区域停泊邮轮噪声预测程序。Marsico等[8]探讨了奇维塔韦基亚港停泊船舶所产生的噪声特性。采用一种新的方法对滚装渡轮和船舶进行短期测量，测量结果可以表示其辐射噪声的传播特性，从频谱和总噪声级两方面对测量结果进行了分析。Badino等[9]提出了一种试验测量和计算多用途集装箱船声学特性的预报方法。将整船，港口，水域模型建出进行环境噪声计算，对码头上30个测点和高于码头18个测点的预测声压值和试验值进行比较，发现误差都在3 dB之内，验证了近场声压预测的准确性。然后建出了远处有层次之分的居民区，显示出了不同高度水平声压云图和垂向声压云图。

本文基于声线法开展靠港船舶在港口区辐射噪声预报方法研究，通过半消声室设计点声源噪声测试和船舶港口噪声试验测试，验证了声源反演和声线法预报船舶港口辐射噪声的有效性和可靠性。建立了靠港船舶辐射噪声数值计算流程，可为后续大型船舶港口辐射噪声的评估、控制与防护提供技术支撑。

1 理论分析

基于有限元法/边界元法计算结构的声振特性方面已经十分成熟，并且通过了很多理论、实验的验证，但其对计算模型的规模、频率和求解效率有很大的局限性。统计能量分析法适用于舱室噪声，不涉及环境噪声的应用，并且不能显示场点声压云图，不具有优势。声线法基于几何声学，在模块中模型建立需要划分网格，但网格不会要求和边界元计算声辐射一样严格根据波长限制来划分，其计算量和频率无关且计算相对频率越高其计算越准确，适合计算中高频的环境噪声。故本文采用Ray analysis声线法来进行数值计算。

1.1 几何声学原理

几何声学的核心算法是镜像虚声源法（亦称声像法）和射线追踪法，针对两种方法的优缺点，又产生了将两者结合的圆锥束跟踪法和三棱锥跟踪法，混合使用这两种算法是Ray analysis计算声场的基本原理。镜像虚声源法的基本思想是考虑声反射，当声波遇到壁面发生反射时，将反射的声看作是反射面镜像声源后向此端发射出来的声。其精度高，但是计算量大，只能模拟镜面反射，难以模拟漫反射。虚声源模型适用于平面较少的简单空间或只考虑二次反射声的计算模型。对于不规则的结构，镜像声源法并不能很好的适用，但射线跟踪法在这方面有着明显的优势。目前在计算声学脉冲响应和高频段结构振动的声场分布时，该方法被广泛应用。在高频段，声波波长远小于声场中物体的尺寸，声波可以近似看作声线，其类似于几何光学。在声线追踪法中，假定声源向周围区域辐射的能量是一些声射线，声源产生的能量均匀地分布在每一条声射线上。每条声线以声速运动与所接触的结构碰撞，遵循透射声、反射声和绕射声原理，其能量随着传播介质和所接触结构的消耗而降低。声线追踪法计算速度快，可以考虑扩散影响，但是精度不理想。

1.2 边界设置分析

在Ray analysis声线法模块中，主要是通过设置材料吸声系数来达到边界模拟的效果，港口主要包含的边界条件有水面、地面和建筑物表面。吸声系数[10]设置如表1所示。

表1 吸声系数

2 噪声源测试

2.1 测试步骤

根据Moro[5]、Badino等[9]的研究，在计算船舶港口辐射噪声时，都将声源看作是位于烟囱顶部的点声源，并且实验测量结果和数值仿真结果吻合较好。英国劳式船级社研究人员[11]研究某艘靠港船舶时发现船舶在港口会发出明显的低频噪声，并确定声源为四台辅助柴油发电机的排气噪声，排气管出口位于烟囱顶部，排气噪声脉冲频率与发动机的点火频率相对应。故本文主要考虑的噪声源是烟囱排气噪声，可等效为球面波声源进行设置。

在声学仿真计算中，由于现场很难测得声源的准确声功率级，所以需要对实际测得的声压级进行反演计算。借鉴交通运输工程噪声预测模式[12]，进行船舶噪声源强度反演。声源反演原理在于当声源位置一定、边界条件一定时，在声场中任意两点的声传递函数是一定的，即两点间的声压级差值是一定的，所以能够根据两点间的声压级差值来反演实际的声源声功率级。

为了探究本文声源强度反演和声线法预报辐射噪声的可行性，设计了在半消声室环境下的点声源测量试验。试验工况分为半自由声场和有障碍物存在的声场两种情况，将十二面体无指向性声源作为点声源。在半自由声场中测量不同位置测点100 Hz～8 000 Hz的倍频程中心频率声压级来反演声源声功率级并进行校核，得到的数据作为输入计算出场点声压级。然后在有障碍物存在的声场中，输入同样校核后的声源声功率，将各测得的声压测量值和计算值进行对比，验证该计算方法的准确性。

试验时将声源放置于半消声室中心，距离地面高度为1.2 m。从声源的中心到墙角的直线路径上等距布置4个接收声测点，间距1 m，高度也为1.2 m，将这条路径命名为O-L，测点从距点声源1 m开始，到4 m结束。试验中半自由声场环境下测点布置如图1所示。

图1 试验室半自由声场环境下测点布置示意图

在半自由声场测量的基础上，在声源前1 m处设置一个障碍物，障碍物模型设置为一长1 m、宽1 m、高1 m的正方体。测量声源在有障碍物情况下的声学传递特性。此时声源附近的声场不再是完全对称，而是沿A－B线为轴对称，故在A-B轴线一侧布置测点即可。声源在距离地面高度为1.2 m高度处放置，从障碍物边线到墙面的两条直线路径上等距间隔0.5 m布置3个接收声测点，A-B线与C-D线平行相距0.5 m，测点高度为0.9 m。试验中障碍物声场环境下测点布置如图2所示。

图2 试验室有障碍物声场环境下布置测点示意图

该障碍物设置目的在于模拟建筑物表面对声线的反射，并且声线无法从内部穿过。参考建筑声学中的缩尺模型试验[13-14]，可知在制造建筑缩尺模型时常用高密度板或玻璃纤维加强石膏板（简称GRG板）来模拟建筑主体的地面、墙面及顶面，要求材料面密度大于50 kg/m2。试验采用高密度板模拟建筑物表面，该材料板面密度为78 kg/m2，满足要求，在试验前先进行打磨，使得表面光滑平整。高密度板作为模型制作材料的优点在于能逼真地再现建筑墙壁界面对声音的反射和扩散，且尺寸控制更为精准。障碍物模型设置为一长1 m、宽1 m、高1 m的正方体，以搭成的2.5 mm厚的硬纸箱为外形主体。将10 mm厚的高密度板分别固定在五个硬纸板面上（底部不作处理），在硬纸板内壁敷设厚度为10 mm的吸声棉。保证声线只在高密度板表面产生全反射，而无法从障碍物中穿透，更加真实地模拟实体建筑物对声线的反射效果。

2.2 结果分析

在半自由声场中，首先根据试验测量值得出声源声功率级的估算值，大约比1 m处声压值大0 dB～10 dB，设为90 dB，则声源声功率级的实际值为（90+X）dB，其中X为测量点计算预测值和实际测量值之差。根据试验测点布置情况，测点1与声源距离较近，中间无障碍物遮挡，且受到反射声后声压叠加的影响最小，故选择测点1为校核参考点。在仿真模型中，设置声源声功率级为90 dB后进行计算，得到测点1的预测声压级值，计算后结果如表2所示。

表2 测点1测量值和计算值比较

经过计算，通过测点1的声压级计算值和测量值可以算出每个倍频程中心频率声压级差值X，然后计算出声源的实际声功率级。差值X如表3所示。

表3 倍频程中心频率的差值X

通过计算得到各频率下差值，与声源声功率级最初估计值90 dB相加，得到校核后的声源声功率级，声源声功率级如表4所示。

表4 声源倍频程中心频率声功率级

为了验证校核过后的声源声功率级的有效性和数值计算的可靠性，还需要另外取几个测量点考查声压级计算值和测量值之差。经声源校核仿真计算后测点2、3、4的声压级计算值和测量值分别如图3所示。

图3 半自由声场各测点声压级测量值和计算值对比

有障碍物声场设置同上，计算后各测点对比结果如下图4所示。对各测点测量值和计算值进行A计权声级：

图4 有障碍物声场各测点声压级测量值和计算值对比

式中：n为总的倍频带数；ΔAi为第i倍频带的A计权网络修正值。

将各测点测量值和计算值的A声压级进行比较，误差=测量值-计算值，误差如图5所示。

图5 各测点误差

结果表明：半自由声场中测点2、3、4，现场测量值和仿真计算值A声级结果非常接近，误差在1.8 dB(A)以内。有障碍物声场中6个测点的现场测量值和仿真计算值A声级的结果非常接近，但障碍物存在时测量声压值都要低于计算值，误差在2.0 dB(A)以内。该方法只适用于声线波长远小于空间尺寸的情况，即适用于中高频段的噪声计算。数值计算结果和试验测量结果频谱曲线在整体变化趋势上具有一致性。本方法适用频率范围为声波的波长λ＜L/6，L为港口计算空间最小尺寸，该方法的适用频段为10 Hz～8 kHz。误差在于实际近场测量时声音是通过声波传递，而数值计算时把噪声当作声线传递，忽略了噪声源的波动性导致的数值计算误差，证明了设置声源声功率级反演的准确性和声线法计算环境噪声的可行性。

3 靠港船舶噪声测量

3.1 测试步骤

港口测量船舶噪声对象为重庆集海航运所属的208箱船“集海渝”。为了在软件模块中建立一个有效参与计算的船舶模型，需要对外形进行简化，因此在船舶外形模型建立过程中需要对曲面进行选择性的建立，只重点建立那些离声源较近、尺寸较大的曲面，可忽略建立某些舱壁开口或门窗。

测量地点位于武汉阳逻港一期码头，该码头分为三层平台，从下往上称为第一层、第二层、第三层。第一层为登船平台，第二层与该船烟囱高度几乎相同，第三层比该船船艏的上层建筑略高。该船和港口分别如图6所示。

图6 “集海渝”轮及阳逻港一期码头

测点主要布置在该港口的第二层和第三层的最外沿，上下对称布置。在港口码头进行测点布置时要求测点高于每层地面1.2 m，距离任意反射面距离不小于1 m。测点14与烟囱连线垂直于船舷，该线段距离为9 m，每层之间高度为6.8 m。第三层从船艉到船艏测点编号依次为P.1～P.11，第二层从船艉到船艏测点编号依次为P.12～P.22，每个测点之间相隔10 m，测点布置示意图如图7所示。船舶靠码头平台上其它吊机停止工作和没有货车通行时，在港口码头每个测点依次进行测量。试验测试时要考虑到停泊在码头的船舶运行状况，在测量时间内要求两个主机打开，辅机关闭，每个测点的测量时间持续为1分钟。

图7 码头测点布置示意图

3.2 结果分析

声源设置位于烟囱口下方0.5 m，以测点14为校核参考点，声源强度反演过程与半消声室中的方法一致，由于篇幅原因不在此详细推导过程。测点8～11、19～22这8个测点因为不满足信噪比要求，故测量数据无效，不参与分析。将其他14个测点修正后的计算值和测量值进行比较，部分测点结果如图8所示。

将各测点测量值和计算值的A声压级进行比较，误差=修正测量值-计算值，结果如图9所示。

结果表明：以测点14为校核点，该点校核后数值准确。对于其它测点，测量声压频谱曲线在变化趋势上都基本一致，符合点声源辐射噪声在在一定范围内没有遮挡的情况下到达各测点频谱特性相同的特点。而测点4、5、6的计算声压频谱曲线波动较大，这是声源经过烟囱边缘衍射造成这种结果。14个有效测点现场测量值和仿真计算值的A声级的结果非常接近，1个测点误差较大达到了4 dB(A)～5 dB(A)，2个测点误差达到了3 dB(A)～4 dB(A)，其余11个测点误差在2.0 dB(A)以内。测点多数是测量值小于计算值，距离烟囱处越远声压误差值越大。这是因为测量距离越远，测得声压级更接近于背景噪声，导致误差更大。修正模型后计算得到的船舶港口A声级声压云图如图10所示。

在户外测量环境噪声由于外界影响较大，误差相比实验室条件下更大。户外测量带来的误差除了人为操作和测量仪器本身的误差还包括气象条件带来的误差，温度、湿度、气压、风速、强电场、强磁场等均会影响测量结果。气象条件引起的误差一般可视为0.5 dB。而在计算中点声源设置的高度和位置也会带来一定的误差。但声压级测量和计算的频谱曲线变化趋势较为一致，每个测点的A声级误差在可接受范围内，故验证了声线法在计算船舶在港口辐射噪声的有效性。

4 柴油机辐射噪声修正

将柴油机反演声源结果与船级社提供的经验公式[15]进行比较。“集海渝”轮主机型号为2台CW6200ZC-12Z船用柴油机，六缸直列式发动机，四冲程，额定功率450 kW，额定转速为750 r/min，工作转速为500 r/min。柴油机的排气噪声声功率级Lw（参考声功率w0=1×10-12W），dB，估算经验公式如下：

式中：Pe表示柴油机的额定功率，kW；ne表示发电机的额定转速，r/min；n表示发电机的工作转速，r/min；fr表示发火率，Nc是气缸数，S是冲程数。

表5是根据经验公式计算出柴油主机的排气噪声声功率级。

从表5可见，主机排气的声功率级主要强烈噪声在31.5 Hz处，随着频率增加排气噪声逐渐降低。但这是发动机未衰减排气噪声的声功率级，实际情况中排气管会设置消声器，以及噪声沿管道传递产生的损失，使发动机的排气噪声产生衰减[11]。反演值是根据实际测量数据修正而来，而实际测量结果是存在排气管道的衰减作用影响。将声源声功率级的反演值与经验公式计算得到的数值进行对比，两个值之间的差值随着频率增加变的更大，最大衰减量达到20 dB。所以为了根据公式直接设置船舶声源强度参与计算预报，则需要考虑排气噪声传递到烟囱口的衰减效应，在公式（2）基础上还应该添加一个空气噪声的倍频程中心频率修正值Cw，该修正数值必须是基于大量试验测量而来。本文采用声线法数值计算和试验测量相结合的方法，研究大型船舶港口辐射噪声特性，提出大型船舶辐射噪声数值计算流程如图11所示。