船舶重要舱室噪声预报及防护设计

谷家扬， 韦 琪， 邵武豪， 邓羡椿， 李 扬

(1. 江苏科技大学 a. 海洋装备研究院； b.船舶与海洋工程学院， 江苏 镇江 212003；2. 中国船舶及海洋工程设计研究院， 上海 200011)

0 引 言

在海洋结构物设计初期，重要舱室噪声预报的重要性日益凸显，随着现代船舶的高速发展，船舶舱室噪声已经成为船舶舒适性指标的重点关注对象[1]。在众多噪声预报方法中，对于整船舱室噪声的预报研究考虑经济性、快速性与准确性相结合的要求，目前主要采用统计能量分析(Statistical Energy Analysis，SEA)法[2-3]。

在船舶领域：林嘉欢等[4]、张俊等[5]、黄进安等[6]均基于SEA法预报船舶重要位置声压级，在此基础上通过主要噪声源筛选，对主要激励源采用减振、隔声等方式进行舱室优化，为同类型噪声预报提供参考；吴晓佳等[7]和张启鹏等[8]等采取同样的方法对船舶舱室噪声进行预报，在声学优化过程中分析采用不同厚度矿棉后浮动地板的降噪能力。惠宁等[9]以海洋平台为例，采用SEA法探索海洋平台舱室的噪声特性规律，研究噪声在传递过程中的路径，提出相应的降噪优化设计方案。

在其他领域：LIU[10]等和GONG等[11]在噪声预报中采用有限元与SEA相结合的方法对复合桥梁和驾驶室内部声压进行预报，并与试验数据进行对比，发现实测数值与预报数值趋于吻合，确定采用SEA法进行噪声数值模拟的可靠性；LI等[12]采用SEA法研究高铁隔声屏障的降噪性能，建立2个子模型来估计2个子系统之间的传输损耗，从而对隔声性能和吸声性能进行仿真，对高铁隔声屏障上的噪声分布进行现场测量，验证所采用SEA法的准确性；MIAO等[13]基于SEA法探索加筋圆柱壳结构的噪声特性，研究结果表明SEA法在中高频范围内的计算结果与实测数值结果相吻合，验证该方法具有高度可靠性。

由上述各研究可以发现，SEA法在各大领域的噪声预报中均使用广泛且精确性较高。

本文以某勘探船为例，采用SEA法对船舶舱室中高频段(63～8 000 Hz)噪声进行预报。在噪声预报中考虑噪声激励源、结构损耗因子、声腔吸声因数和噪声频率范围等重要影响参数。根据舱室噪声传播路径和主导分量分别降低结构噪声与空气噪声，使本船重要舱室声压值满足中国船级社(CCS)噪声舒适性附加标识COMF(NOISE 2)的规范要求。

1 声学基本方程

在瞬态声源激励q(r,t)作用下产生的瞬态声场中，声压p(r,t)满足如下波动方程：

(1)

式中：c为流体介质中的声速；t为时间。

(2)

式中：ω为圆频率；k=ω/c，为波数。

2 激励源及计算模型

2.1 噪声激励源

2.1.1 螺旋桨噪声

螺旋桨产生的噪声主要分为2种：一种是激起水流拍打船体外板产生的结构噪声；另一种是其自身工作产生的空气噪声。螺旋桨位于水下，不处于舱室中，产生的空气噪声对船舶舱室噪声的影响微弱，因此仅考虑螺旋桨产生的结构噪声。主推螺旋桨产生的结构噪声La按CCS《船舶及产品噪声控制与检测指南(2013)》中相关公式估算：

La=10lg(MN)+40lgD+30lgne+10

(3)

式中：M为螺旋桨数量；N为螺旋桨叶片数；D为螺旋桨直径，m；ne为螺旋桨额定转速，r/min。

估算得艉部主推螺旋桨激励艉板振动的结构噪声La=105 dB。除主推螺旋桨外，噪声源还包含艏伸缩推、侧推：伸缩推螺旋桨工作时产生的外板结构噪声La=80 dB(A)；侧推螺旋桨激励外板结构振动产生的噪声La=70 dB(A)。这部分噪声数值均为设备厂商提供。

2.1.2 泥浆泵噪声

泥浆泵共有3台，在勘探及钻井作业时使用，详细激励源数据如图1所示。

2.1.3 空调器噪声

空调器共有8台，均位于主要生活区域附近。考虑到空调器结构噪声与空气噪声不在一个数量级上，空调器结构噪声不予考虑，相关空气噪声数据如图1所示。

图1 舱室激励源噪声数据

2.1.4 主机噪声

船舶航行工况下的噪声主要为船舶动力装置噪声，船舶动力装置噪声主要为主机、螺旋桨产生的噪声，其中主机的噪声由结构噪声和空气噪声组成。本项目主机机脚加速度和辐射声功率均由厂家提供。

2.2 SEA模型

SEA模型将主机、主推、伸缩推、侧推等激励源引起的结构噪声采用振动加速度级的方式施加在相应位置的船体板上，主机、泥浆泵和各空调器引起的空气噪声采用声功率谱添加在相应位置的声腔处，详细位置如图2所示。根据SEA模型的建模原则，将每个舱室作为一个声腔，尽可能使声腔的体积足够大，以保证子模态密度大于5。为确保预测结果的精确性，考虑不同流体介质对噪声传递效率的影响，即模拟各舱室流体介质属性，将流体介质施加在相应舱室内。主要舱室内流体介质如图3和图4所示。

图2 激励源施加区域示例

图3 全船声腔模型(侧视图)

图4 全船声腔模型(俯视图)

在船舶航行与作业工况下，舷外水的存在会造成船体与舷外水之间能量的交换与传递，造成能量增加或损失。若不考虑这种耦合作用带来的影响，会直接导致计算结果与实际情况偏差较大，造成计算结果失真。建立半无限流体，采用将水线以下的船体板与半无限流体子系统相连的方式以消除上述影响。具体模型如图5和图6所示。

图5 全船板梁子系统模型

图6 全船板梁子系统离散模型

2.3 船用材料声学特性

SEA法计算模型主要材料参数为密度ρ=7 800 kg/m3、泊松比μ=0.3、弹性模量E=2.1×1011Pa。材料的阻尼是影响结构噪声预报的重要因素，SEA子系统通常使用内损耗因子表示材料的阻尼[14]。依据CCS《船舶及产品噪声控制与检测指南(2013)》，钢材在63～8 000 Hz频率下的内损耗因子取值如表1所示。

表1 钢结构材料的内损耗因子

船舶噪声除结构噪声外还包含空气噪声，考虑到不同舱室存在不同内装结构，并且随着内装形式的复杂化，通常无法用内损耗因子来准确表达内装材料相关属性。为了更加准确地模拟复杂内装舱室的噪声传递，采用CCS相关规范中实测得出的吸声因数来代替内装材料对舱室噪声的影响[15]，详细取值如表2所示。

表2 SEA法吸声因数

在不考虑任何船舶内装情况下，吸声因数均按0.1计算。

3 噪声计算结果分析

3.1 噪声计算结果

对2种典型工况的裸船体(船体只有钢结构，不包括任何装修材料和减振降噪材料的影响)施加相关激励后进行噪声预报。得到各舱室在1/3倍频程各频率下的声压级。裸船体情况下全船舱室钻井作业工况下声压级云图及曲线如图7～图10所示。

图7 全船声腔声压级云图

图8 全船结构噪声传递云图

图9 第一甲板舱室声压级曲线

图10 第二甲板舱室声压级曲线

整个研究预报舱室众多，无法全部列出，仅列出一些重要舱室预报数据，相关数据如表3所示。

表3 部分典型舱室不同工况声压表 dB(A)

经过计算，裸船体的噪声预报均超出COMF(NOISE 2)的标准要求(见表4)。分析噪声传递路径可知：

表4 COMF(NOISE 2)的标准各舱室所允许最大噪声量级 dB(A)

(1) 由各甲板声压级曲线可知，高频段舱室噪声主要集中在空气噪声源的舱室及其附近舱室，并且高频噪声能量在传播过程中不断损耗且损耗迅速，当传递至其余舱室时高频声压已经降至较低值。

(2) 本船配备6台主机，机舱位于上层建筑正下方，距离生活区域较近，主机振动激励对上层建筑的影响较大。

(3) 上层建筑空调器较多，分布广泛，距离生活区域较近，噪声源激励较大，空调器噪声是影响本船舱室噪声的重要因素。

3.2 降噪设计

在确定舱室噪声主要激励源后，将各舱室内装材料折合为吸声因数，进行舱室噪声预报，结果显示仍有大部分舱室超出规范要求，需要对本船进行降噪方案设计。

船舶上降低围壁声辐射的主要器材是隔声衬板。

上建外围壁采用隔声内壁木作衬板，将其固定在加固围壁的骨材上，而不是壁板上，可见面贴不锈钢；上建内围壁、卫生间、试验区等采用内装隔声木作衬板，双面贴PVC；储备室、电气设备间等采用镀锌木作衬板。

对于生活居住区：船员舱室间的隔板采用带结构钢壁木作衬板，双面贴PVC；船员舱室与通道之间的隔板采用带结构钢壁木作衬板，双面贴PVC；厨房、餐厅等配餐间隔板采用带结构钢壁木作衬板，可见面贴不锈钢，不可见面为镀锌钢板。

船员舱室、医务室、办公室、休息室、健身房等舱室天花板采用复合岩棉天花板，可见面贴镀锌钢板并烤漆；厨房、餐厅等配餐间舱室采用复合岩棉天花板，可见面贴不锈钢板。

由主导传递路径分析可知，虽然居住舱室与生活舱室距离机舱、泥浆泵等舱室较远，传递至该舱室的能量仍然较大，这主要是由于结构振动产生结构噪声，此现象在遇到共振时尤为严重。在生活舱室甲板，机舱的主机座、副机座等结构附近，采用耐火甲板敷料进行减振降噪。

主要木作衬板及甲板敷料等降噪材料隔声量如表5所示。

表5 降噪材料隔声量 dB

对于主机的结构振动产生的噪声，在噪声源头处采取减振降噪措施，在主机基座增加弹簧减震器，使其由刚性基座转化为弹性基座，从而降低航行及作业工况下结构噪声的传递。

模型求解降噪设计后声压曲线及云图如图11～图14所示。

图11 钻井工况第一甲板舱室声压级曲线

图13 钻井作业工况第一甲板声压级云图

图14 钻井作业工况第二甲板声压级云图

在考虑舱室内装材料并结合降噪设计后，勘探船生活区舱室和工作区舱室噪声都明显降低，部分声压降低较多的舱室如表6所示，其中主甲板与下甲板在第一甲板与第二甲板之下，距离主船体较近。

表6 部分声压降低较多的舱室 dB(A)

在采用降噪材料与减振措施进行优化设计后，勘探船选取的重要舱室预报值均达到CCS规范噪声舒适性附加标识COMF(NOISE 2)衡准值，满足人员适居性要求。

4 结 论

基于SEA法详细介绍噪声源、结构损耗因子、舱室吸声因数等影响噪声预报的关键参数，采用VA One对某勘探船重要位置开展噪声预报，分析典型工况噪声传播路径及主导分量。从空气噪声和结构噪声两方面对船舶进行降噪设计，结论如下：

(1) 由各甲板声压曲线可知：高频段舱室噪声主要集中在空气噪声源的舱室及其附近舱室，高频噪声能量在传播过程中损耗迅速，当传递至较远舱室时高频声压已降至较低值。

(2) 由结构噪声路径传递云图可知：主推、艏伸缩推和侧推螺旋桨完全浸没水中且与上层建筑舱室相距甚远，结构噪声一部分传递入水未进入船体结构中，剩下部分在庞大的船体结构中长途跋涉后，受到结构阻尼作用不断衰减，能影响主要生活区域的噪声微弱。

(3) 本船有6台主机且每台主机自身激励较大，机舱位于上层建筑正下方，与艏伸缩推、侧推等激励所处位置相比，机舱距离生活区域较近，主机激励远超艏伸缩推、侧推等设备的激励。本船上层建筑空调器较多，分布广泛，距离生活区域较近，噪声源激励较大，空调器噪声是影响本船舱室噪声的重要因素之一。

(4) 在噪声降低过程中不仅需要考虑空气噪声，而且需要兼顾由结构振动产生的噪声，这部分噪声通过隔声材料难以控制，对激励源周边舱室影响较大，需要从噪声源入手，改变激励源基座的刚度从而达到降低噪声的效果。