4 000 kW 海洋救助船噪声预报

陈裴，徐丹

（上海船舶研究设计院，上海201203）

0 前 言

船上噪声不仅会导致结构声振疲劳破坏，还会影响舱内各种仪器、设备作用的正常运作，对居住在舱室的人来说， 则影响到居住环境的舒适性，对人体健康有害。因此，国际海事组织（IMO）安全委员会MSC.337（91）决议通过《船上噪声等级规则》，于2014 年7 月1 日生效，为强制性要求。 为更好地配合决议实施，提升我国船舶设计、建造领域的噪声控制水平，中国船级社（CCS）结合我国造船实际，发布了《船舶及产品噪声控制与检测指南》。

4 000 kW 海洋救助船是上海船舶研究设计院自主研发的新型中型海洋救助船，主要用于低海况下沿海水道、 岛礁等浅水区域人命救生和船舶救助，可兼顾高海况下救助任务，具有对遇险船舶进行封舱、堵漏、排水、空气潜水、拖带等救助作业、一级对外消防灭火作业以及海面浮油回收和海面消除油污作业能力， 特别是具有夜间海上搜寻救生、救助的能力。 为了保证船员和专业救助人员在执行任务时具有充沛的体力和良好的精神状态，振动噪声的控制十分必要。 众多的机械设备增大了减振降噪的技术难度， 在设计的各个阶段都要认真评估，避免在船舶建造阶段因采取补救措施而返工，造成船厂在人力和物力上的巨大浪费。

1 船型参数

4 000 kW 海洋救助船主甲板上设有二层首楼，主甲板下设双底和双壳结构， 前倾式船首 （带球首），巡洋舰式船尾。 采用全电力系统+全回转舵桨的推进系统， 在船首设有管隧式侧推装置， 具有DP-2 动力定位能力。 总布置图如图1 所示，主尺度和主要要素如下：

图1 4 000 kW 海洋救助船总图（侧视图）

2 噪声计算

2.1 计算方法

计算方法采用统计能量法 （Statistical Energy Analysis，SEA），将船舶划分成若干子系统，通过建立并求解各子系统的能量平衡方程得到整个船舶系统的舱室噪声，适用于计算中高频舱室噪声。 统计能量法起始于20 世纪60 年代航空航天工业，是计算复杂结构系统中高频动力学环境 （声学和振动）的一种非常有效的方法，如今被广泛用于汽车、航空航天、船舶、铁道等各个领域的声学和振动分析、预测及优化控制。 统计能量法就是用统计的观点，从能量的角度来分析复杂结构在外载荷作用下的响应，能够快速、准确地模拟中、高频段声学特性。 另外，统计能量法在某种程度上忽略了复杂结构的具体细节，同时很好地解决了声场与结构间的耦合问题，因而即使在结构设计之初无法得知具体结构、受力细节的情况下，也能有效地预估产品的结构振动和声学特性。

噪声评估标准按照CCS《船舶及产品噪声控制与检测指南》进行，满足MSC.337（91）决议《船上噪声等级规则》要求。

2.2 计算模型

建立噪声计算模型之前，需要明确主要噪声源的相关信息，包括噪声源设备所处舱室位置、噪声源设备参数，确定模型范围。 在一般情况下，建立完整的船体模型会导致计算量加大， 增加工作耗时。因此，在保证计算精度、不影响能量传递的前提下，较好的简化模型可以缩短计算时间， 提高工作效率。 结合噪声设备所在舱室和需要考察噪声舱室的布置，考虑能量传递的连续性，该船的模型范围为：Fr（-6）～Fr 18 艉部区域及 Fr 18～Fr 97 双层底以上。图2 为该船的结构模型。 图2 标示出主要噪声源的舱室位置，全回转舵桨位于推进器舱内，主柴油发电机组位于主机舱，艏侧推位于侧推舱内，风机位于机舱通风内，机舱棚内主要为主机的排气噪声。

图2 4 000 kW 海洋救助船结构模型

根据实际结构的边界条件和材料介质特性等因素，确定模型相应的结构子系统类型，声腔子系统由封闭的结构子系统生成。 由于能量在船体结构的传递路径为船体结构传到船体结构、船体结构传到声腔系统再传到船体结构这两条途径，因此要将声腔子系统与船体结构相连接， 形成SEA 计算模型。 图3 为该船的SEA 计算模型。

图3 4 000 kW 海洋救助船SEA 计算模型

2.3 计算工况

根据规范要求，选取两种工况进行噪声计算：

1） 航行工况：2 套主柴油发电机组在85%功率下运行，1 台空调处于正常工作状态，2 台全回转舵桨处于正常工作状态，风机等设备处于正常工作状态。

2） 动力定位工况：2 套主柴油发电机组在60%功率下运行，1 台空调处于正常工作状态，2 台全回转舵桨处于正常工作状态，2 台艏侧推在40%功率下运行，风机等设备处于正常工作状态。

2.4 噪声源数据

船上噪声以结构噪声和空气噪声两种方式传播，主要是主机、辅机、推进器和空调、通风管路等机械设备、流体和空气动力源噪声。 结构噪声主要是机械设备运动部件通过机座的振动传到船体结构，传播性好；空气噪声主要在距噪声源较近或者含有噪声源的舱室中传播，较易衰减。 在4 000 kW海洋救助船噪声计算时， 主要考虑柴油发电机组、机舱风机、推进器、空调等为激励源，噪声数据根据设备厂商提供的实测数据，若没有实测数据，则按照CCS《船舶及产品噪声控制与检测指南》中的经验公式进行推算，如表1 所示。

表1 主要噪声源设备数据

3 结果分析

3.1 主要舱室计算结果

该船分别在航行工况和动力定位工况下，叠加了主柴油发电机组、全回转舵桨装置、艏侧推、空调以及通风机的噪声源之后，各舱室A 计权噪声级云图可见图4 和图5。从云图可以看出，艉部推进器舱距离居住舱室和工作舱室较远，对其噪声计算结果影响较小。 在主机舱及侧推舱的邻近舱室，噪声值是比较容易超出规范要求的。 因此，在设计舱室木作板布置图及绝缘布置图等舾装专业图纸时，对靠近主机舱及侧推舱并需要考察噪声的舱室，在舱室围壁四周敷设减振阻尼、吸声岩棉等吸声材料，以达到减振、降噪的效果。 主要舱室的计算结果见表2。

表2 主要舱室噪声计算结果 单位：dB（A）

图4 航行工况三维声腔A 计权噪声级云图

图5 动力定位工况三维声腔A 计权噪声级云图

3.2 计算结果分析

在航行工况下，医务室的噪声计算值61 dB（A）略高于60 dB（A），不能满足限值要求。 医务室的噪声主要是受位于医务室下方的主机舱的空气噪声辐射，以及机舱通风的空气噪声辐射，最有效的降噪效果就是采用吸声岩棉板来吸收空气噪声，因此将舱室天花板原先使用的30 mm 铝蜂窝夹心板改用30 mm 复合岩棉板，改进后其计算值为55 dB（A），满足限值要求。

在航行工况下，驾驶室的噪声计算值67 dB（A）略高于65 dB（A），不能满足限值要求。 这是由于机舱棚设在驾驶室里，受其空气噪声辐射的影响，因此将驾驶室天花板的30 mm 铝蜂窝吸声板改为30 mm复合岩棉板，改进后其计算值为65 dB（A），刚好满足限值要求。

从图4 及图5 可以看出：艉部推进器舱位于船尾，距离上层建筑较远，对居住舱室和工作舱室的影响有限；在主机舱及侧推舱的邻近舱室，噪声值是比较容易超出规范噪声限值的，特别是主机舱位于上层建筑的下方，主机舱的噪声对上层建筑的舱室有直接的影响； 机舱棚从主机舱贯通至驾驶室顶，驾驶室主要受其噪声影响。 因此，在进行舱室布置时，邻近主要噪声源舱室的区域，应尽量避免布置居住舱室、工作舱室等人员密集活动处所，以降低噪声计算超标的风险。 对于像主机舱这种有较多噪声设备或者噪声较大的舱室，可以采用隔离空舱将噪声源舱室与目标舱室分隔开；对于机舱棚这样上下贯通的舱室，可以采用走廊将其与目标舱室隔开，或者将机舱棚与生活区域分开布置，避免居住舱室直接与机舱棚成为相邻舱室。

为了分析主要噪声源舱室中结构噪声、空气噪声对舱室计算结果的影响，选取航行工况下的主机舱作为考察对象，分别计算添加结构噪声、添加空气噪声、 添加结构噪声+空气噪声作为噪声源这3种情况，计算结果见表3。 从表3 可以看出，添加空气噪声的计算结果与添加结构噪声+空气噪声的计算结果一样，并且远远大于仅添加结构噪声时的计算结果，说明主机舱的舱室噪声中空气噪声比结构噪声影响更大。

表3 舱室噪声计算结果对比（航行工况）

4 结 语

在噪声计算中，对计算结果具有决定性作用的除了噪声源数据以外，噪声控制材料的模拟也是十分重要的环节， 不同材料的声学特性对噪声有吸声、隔声等不同的作用。 由于上层建筑的居住舱室基本上都是用内装板分隔而成的，所以内装板的材料特性对舱室噪声的影响较大。 舾装专业在设计舱室木作板布置图、甲板敷料布置图及绝缘布置图等图纸时，对与主机舱、侧推舱等噪声设备相邻的舱室，需要着重考虑减振、吸声的措施，采用减振阻尼、吸声岩棉等材料，在舱室围壁、地板等处进行敷设，以达到减振、降噪的效果。

内装材料的声学参数主要由生产厂商提供数据或者查阅相关资料，这些参数获取的渠道比较有限，生产厂商也往往不能提供完整的参数。 设计人员应注意积累计算数据，形成材料数据库，以便提高噪声预报的精确性。