豪华邮船洗衣房噪声源测量与舱室噪声分析

2022-09-02沈奕成夏利娟谢晨曦

造船技术 2022年4期

沈奕成，夏利娟*，谢晨曦

(上海交通大学 a.海洋工程国家重点实验室; b.高新船舶与深海开发装备协同创新中心，上海 200240)

0 引言

随着近年来中国经济的快速增长，中国旅游业的发展正在迈入新阶段，其中邮船业的需求日渐旺盛。国际邮船协会(CLIA)《2019年国际邮船旅游业对全球经济贡献报告》[1]显示，2019年中国邮船旅客数量达192万人，位居世界第四。

豪华邮船与常规船舶的设计存在较大差异，在舒适性方面更加关注振动噪声控制[2]。邮船噪声会对船员和乘客的工作和居住环境产生较大影响，甚至危害身心健康，因此世界各大船级社针对邮船不同区域的噪声限值均颁布较为严格的规范。豪华邮船的噪声源种类繁多，除主机和风机等噪声源外，还有大量服务处所与机器处所例如冷库、厨房、洗衣房和垃圾处理间的机器设备噪声源，以及大量随机噪声等。服务处所通常与居住区域接近，其振动噪声会传递至附近舱室，容易对船员及乘客产生较大影响。

目前，国内对于豪华邮船噪声源的研究还处于起步阶段，尚未有文献针对豪华邮船服务处所噪声源进行测量分析，同时也鲜有研究将服务处所噪声源作为对豪华邮船舱室噪声预报的输入。因此，开展针对豪华邮船服务处所噪声源的研究及其舱室噪声的分析与控制十分必要。

以豪华邮船洗衣房主要噪声源为例，提出一种对豪华邮船服务处所稳态噪声源进行声功率测量与舱室噪声分析的方法，建立豪华邮船服务处所稳态噪声源对舱室噪声水平影响的评估流程。

1 声强测量法基本原理

噪声测量可为噪声控制分析与控制措施的评价提供数据支撑，其中噪声源测量是噪声测量的重要一环，噪声测量包括噪声强度及其特性测量[3]。噪声强度一般是指噪声源的声压级及声功率级，噪声源特性一般是指该噪声源发出噪声的时间分布与空间分布，用于对设备噪声源的识别与定位。使用声压级描述噪声源强度是不全面的，声压级测量结果只能描述测点位置与当前所处声学环境下的声波辐射特性，但声功率是声源在单位时间内向外辐射的声能，为独立于环境的客观量，因此在评价噪声辐射水平时需要测量噪声源的声功率。

声功率的测量方法主要包括声压法、声强法和振速法。声压法测量声功率的条件较为苛刻，需要在混响室或消声室中进行测量，对仪器设备的外形尺寸与安装条件有限制，需要布置较多传声器。然而豪华邮船的大型设备难以进入混响室或消声室测量，成本较高且安装条件及尺寸不允许。振速法一般用于背景噪声过大或设备尺寸较大的情况。声强法则对于测试环境的要求相对较低，可在周围环境较复杂及有非测定声源的情况下使用，因此在豪华邮船噪声源声功率的测定中选择使用声强法。

扫描声强法[4]使用1个声强探头沿1条或以上的规定路线连续移动，对垂直于测量面的声强进行采样，在计算各个面元局部声功率后得到噪声源整体声功率级。

声强为通过垂直于声传播方向的单位面积上的平均声能量流[5]，在声场中某点的瞬时声强为矢量，等于该点瞬时声压与瞬时速度的积，在稳态声场中瞬时声强在一定时间内的平均值即为声强I，计算公式如下：

(1)

式中：T为采样时间；I(t)为瞬时声强；t为时间；p(t)为瞬时声压；u(t)为瞬时质点速度。

声强计测量原理一般分为将传声器与检测质点速度的传感器结合的p-u法和同时使用2个传声器的p-p法，其中p-p法较为常用。p-p法原理如图1所示，其中：2个传声器相对布置；Δd为间距；p1和p2为传声器1和传声器2所测得的声压。

图1 p-p法原理示例

当声波沿传声器轴向传播时，声压p1和p2之间存在声压梯度[6]：

(2)

(3)

式(2)和式(3)中：p为声压；x为距离；ρ0为介质密度；u为质点振速。

当2个传声器间距Δd远小于波长λ时，∂p(t)/∂x可近似改写为p1(t)-p2(t)/Δd，同时2个传声器中点的声压可认为是p1(t)与p2(t)的平均值，因此p-p法测得声强为

(4)

声强法测算声功率需要假定一个包络待测噪声源的测量面，在此测量面内除待测噪声源外，无其余声源，通常使用半球面或六面体面作为待测噪声源的测量面[7]。因此，由声强法测算得到的声功率W[8]表示为

W=∬SIn(x,y)ds

(5)

式中：S为测量面；In(x,y)为坐标点(x,y)处法向声强；s为二次积分中微分部分。

(6)

式中：In(x,y,z)为坐标点(x,y)处瞬时声强，即为声强探头实测值。

2 声强法测试

2.1 测试环境、仪器与待测设备

测试位于噪声源设备生产测试车间。声强探头为丹麦GRAS公司50GI型声强探头；数据采集器由NI 公司的9231型C系列声振输入模块与9171型紧凑型数据采集器机箱组成；信号采集和储存分析使用SignalPad测控软件。

相关文献与设备厂家实地调研结果表明，洗衣房主要振动噪声源为洗脱机与烘干机，因此主要将某型全自动工业洗脱机与某型工业烘干机作为测量研究对象，额定容量均为50 kg。

2.2 扫描相关参数

常见的家用/工业洗涤设备多为形状规则的六面体设备，且由于进出水管道布置要求，一般安装于贴近砖石结构墙的位置，其背面靠近墙体反射面可不予测量，因此选择将设备正、左、右、上共4面作为测量面。以工业洗脱机为例，测量面划分如图2所示，并将洗脱机的每个测量面划分为2×2的网格，每个网格扫描时间为20 s；测量频带为1/3倍频程50～6 300 Hz；声强探头扫描路径为Z字形，该路径在收敛速度上优于ISO 9614-2推荐的方形及直线加圆弧的扫描路径[8]，扫描路径如图3所示。

图2 待测设备测量面示例

图3 扫描路径示例

2.3 测试结果与声功率计算

在扫描后得到设备各测量面的声强级，后续计算转换为噪声源整体声功率。工业洗脱机典型工况主要分为水洗过程与高速脱水过程，2个过程中的声功率级频谱图如图4所示。工业烘干机辐射声功率级频谱图如图5所示。噪声源总体辐射声功率级结果如表1所示。

表1 噪声源总体辐射声功率级计算结果 dB(A)

由图4可知：洗脱机高速脱水过程中的空气辐射噪声显著高于水洗过程，这与常识及主观感受一致；水洗过程中的噪声峰值位于400～800 Hz的中频带；高速脱水过程中的噪声峰值位于2 000～3 150 Hz的中高频带。由图5可知：烘干机噪声峰值位于中心频率为800 Hz的频带，噪声主要成分为中高频噪声。

图4 工业洗脱机声功率级频谱图

图5 工业烘干机声功率级频谱图

国内与工业洗涤设备相关的规范并未设定噪声限值，但根据GB 19606—2004《家用和类似用途电器噪声限值》[9]，家用洗衣机的脱水噪声声功率级限值为72 dB(A)，显然相较于家用洗衣机，工业洗脱机在高速脱水过程中的噪声较大，同时豪华邮船洗衣房日处理量较大，主洗衣房通常集中设置多台工业设备，噪声较大。洗衣房通常安排在居住区域附近，其噪声传递至附近舱室，会影响船员与乘客的工作和居住体验，因此有必要研究豪华邮船主洗衣房噪声源对舱室噪声的影响。

3 舱室噪声预报计算

3.1 统计能量分析原理

统计能量分析(Statistical Energy Analysis，SEA)主要应用于航空航天、船舶和车辆等交通运输工具的复杂系统动力响应。SEA使用统计模态概念，将振动能量作为描述振动的基本参数，根据振动波与模态间的内在联系，建立分析声场和结构的耦合动力学方程，适用于分析含有高频和高模态密度的复杂系统。

统计是指研究对象是由随机变量组成的统计总体，其结果并非为模型某一部位的精确动力响应，而是统计意义上某一子系统空间的平均动力学响应[10]；能量是指研究对象子系统间的耦合作用使用能量方程描述，通过联立求解所有子系统的能量方程组，得到各系统的频域能量响应结果，再转换为声压级与振动加速度的预报值。

SEA法主要参数如下：

(1)外界输入功率

外界输入功率为振动噪声源对子系统的激励输入，主要包括各类机械设备形成的振动噪声等，通常使用1/3倍频程进行外界输入功率的试验测量或理论计算。

(2)模态密度

模态密度用于描述系统存储能量能力大小，为子系统在带宽范围内Δf的模态数N：在N≤1时，定义为低频区；在1

(3)内损耗因子

内损耗因子描述子系统阻尼损耗特性，为子系统在单位频率内单位时间损耗的能量与平均储存能量之比。

(4)耦合损耗因子

耦合损耗因子为功耗从子系统i至子系统j的一种测量，表示2个子系统间的耦合作用大小，类比于热力学中的热传导系数，分为结构与结构间、声场与声场间和结构与声场间的耦合。

对于N个子系统组成的复杂结构系统，其能量平衡方程可写成如下形式[11]：

(7)

式中：ω为分析频率；ηi为内损耗因子；ni为模态密度；ηij为耦合损耗因子；Ei为子系统能量；Pi为外界输入能量；i为子系统编号，i=1，2，3，…，N。SEA在定义上述参数后，可根据能量平衡方程求出各子系统能量，进一步求出各项声学参数。

3.2 舱室预报模型

使用声振分析软件VA One进行豪华邮船舱室噪声预报。研究对象为大型豪华邮船AIDA ASIA号，该船主要参数如表2所示。

表2 豪华邮船主要参数

为反映洗衣房噪声的传播过程，同时提高计算效率，在试算后将舱室模型范围确定为沿型深方向从双层底至DECK 3，沿船长方向从FR224横舱壁至FR280横舱壁，沿型宽方向为左舷外板至右舷外板，模型如图6所示，其中：主洗衣房舱室范围为DECK B至DECK A、FR248至FR264、左舷至右舷。使用有限元分析软件Patran建立舱室有限元模型，在建模时将部分小尺度舱室与附近结构合并，进行必要的简化，而后导入VA One划分子系统，建立统计能量模型。舱室噪声预报模型共计292个加筋板子系统、43个声腔子系统，使用半无限长流体模拟舷外水质量对船体的影响，与湿表面子系统相连。根据SEA方法原理，子系统在单一频带下需要满足模态数N≥5的要求，因此在计算模态数后，将计算频带划分为1/3倍频程下125～8 000 Hz。

图6 舱室噪声预报模型

根据该型豪华邮船舱室布置，主洗衣房内部设置4台工业洗脱机与4台工业烘干机，考虑噪声最大的情况，以所有设备开启、工业洗脱机均处于高速脱水状态作为计算工况，将第2节的噪声源1/3倍频程下声功率级加载于主洗衣房声腔子系统。

3.3 舱室噪声预报结果

舱室噪声预报结果如图7所示。由于水中的参考声压与空气中的参考声压不同，且噪声预报不关注液舱噪声水平，因此在云图中隐藏液舱声腔子系统。由于在模型中其余与主洗衣房较远的舱室噪声水平较低，因此仅列出主洗衣房及相邻舱室声压级，如表3所示。

图7 舱室噪声预报结果

表3 主洗衣房及其相邻舱室声压级 dB(A)

由表3可知：在主洗衣房单一舱室噪声源的影响下，主洗衣房及其周围舱室声压值均未超过中国船级社(CCS)《钢质海船入级规范》[12]噪声限值。但主洗衣房自身舱室及其相连走廊噪声较大，主洗衣房声压级达62.97 dB(A)，船员长时间在内工作对身体会有一定程度损伤，同时与噪声上限值接近，因此同样需要对舱室噪声进行控制。

3.4 内装材料对舱室噪声影响

豪华邮船需要在船体结构上敷设内装材料，一般分为结构材料与绝缘材料，可在一定程度上改善船体结构的吸声能力，影响舱室噪声的声压级水平。豪华邮船内装材料敷设如图8所示。VA One中的内装材料模拟通过Noise Control Treatment实现。结合AIDA ASIA号的实际情况，确定舱室内装材料如表4所示，其中：Layer 1～Layer 5多层材料从钢结构侧至舱室声腔流体侧按顺序布置，Layer 1为绝缘材料，Layer 3～Layer 5为内装舱壁或天花板结构各层材料。浮动地板敷设于各层甲板上方，防火舱壁与防火天花板敷设于具有防火分隔要求的舱室内，除液舱等部分舱室外，其余舱室布置隔声舱壁与隔声天花板。添加内装材料的舱室噪声预报结果如图9和表5所示。由表5可知：豪华邮船内装材料对噪声的吸收与阻隔效果明显，与表3未添加内装材料的舱室噪声相比，主洗衣房声压级降低6.15 dB(A)，上层船员舱室声压级降低均达12 dB(A)以上。