客滚船振动噪声风险管控分析

殷星杰，赵 勇，李宝功，赵彤晖

（招商局邮轮研究院（上海）有限公司，上海200137）

0 引 言

随着航空、铁路运输业的不断发展，以及人们生活节奏的不断加快和生活质量的不断提高，消费者对客滚船的航速和舒适性提出了更高的要求，在高速运营环境下使客滚船具有更高的舒适度变得非常重要。振动和噪声是影响客滚船舒适性的重要因素，因此船舶减振降噪得到了越来越多的关注。船舶的振动与噪声源主要有主机、主推进器（如螺旋桨）、风机和空调等，其中：主机和主推进器是货船噪声的主要来源；风机和空调是客船（特别是乘客居住区）噪声的主要来源。由于客船的振动噪声分析和测量具有工作量大、涉及面广、要求高和风险大等特点，若只是在后期被动减振降噪，不仅会耗费大量资源，而且减振降噪效果不明显，甚至可能因振动噪声无法满足要求而需对船体结构进行调整，进而导致无法按期交船。本文以某客滚船的振动噪声管控过程为例，系统阐述该类型船振动噪声控制的流程和要点。

1 某客滚船振动噪声要求

1.1 舒适度入级符号要求

挪威船级社（Net Norske Veritas，DNV）的COMF附加标志包括噪声与振动要求（COMF V crn）和室内气候要求（COMF C crn）。根据舒适度评级数字（Comfort Rating Number，CRN），COMF（V crn，C crn）标准分为3 档，其中：1 为最高要求；3 为可接受要求。本文所述客滚船满足COMF V2 入级要求。由规范可知，本文所述客滚船的乘客区域应满足COMF V2 的要求，但船员区域只需满足COMF V3 的要求。通过与ISO 6954：2000 和IMO MSC337（91）的要求相对比可知，COMF V2 的要求已完全覆盖ISO 6954：2000 和MSC.337（91）关于振动和噪声的要求。值得注意的是，在一定范围内DNV 规范是允许部分振动噪声测量值超标的，见表1。

表1 COMF V2 最大允许超标情况

1.2 设备振动入级符号要求

船舶发生振动不仅可能损害船上必要机械和设备的正常功能，而且可能使船上的重要结构部件产生疲劳损坏，VIBR附加标志要求包括已测量并评估机械、设备和部件的振动，以及机械、设备和部件附近相关结构的振动，降低过度振动导致船上机械、设备和部件及结构发生故障的风险，从而降低船舶运行中断的风险。本文所述客滚船是国内第一艘取得VIBR船级附加标志的客滚船。根据DNV规范中VIBR 的振动标准表，VIBR包含主机、发电机、轴系、齿轮箱、泵、风机、压缩机、锅炉和管子等大部分船用设备。

1.3 规格书额外要求

由于挂靠的码头靠近居民区，该系列客滚船对外部噪声有严格的要求。同时，考虑到为船上的船员提供更人性化的工作条件，规格书对振动噪声提出了更高的要求，具体如下：

1）装卸货时车辆甲板的噪声不能超过80 dB（A）。

2）距离船舶60 m处的噪声不能超过60 dB（A）（不包括背景噪声）。该要求适用于正常港口条件下，必要的辅机和风机都正常运行的状态，适用于距离船舶60 m处的任何位置。

3）集控室的噪声不超过70 dB（A）（COMF V2 要求不超过75 dB（A））；机修间的噪声不超过80 dB（A）（COMF V2 要求不超过75 dB（A））。

4）考虑到驶离码头时客滚船处于低转速状态，额外增加有害振动测试，通过测量主机在不同转速下的振动，避开艉部结构共振频率，避免有害振动产生。

2 振动噪声风险管控流程

客滚船的振动噪声风险管控从基本设计开始，贯穿设计、建造和验证全过程，是一项复杂的系统工程，根据设计阶段的划分情况可分为3 个阶段5 类内容，流程见图1。

图1 振动噪声风险管控流程

2.1 设计初期阶段

在设计初期，由于输入资料不足，对振动噪声的预报难以做到十分准确，而此时布置结构尚有很大的调整空间，该阶段的振动噪声风险管控的成本最低，但对经验和专业性的要求最高。设计初期阶段振动噪声风险管控的主要内容如下。

1）布置核查。对初版布置图进行核查，对比规范要求、规格书要求和挂旗国要求，找出振动噪声高风险区域进行评估和修改。

2）振源评估。根据振动噪声要求，对比同类型船相关设备的参数，对初期协议设备参数进行核查，并通过与设备厂商协同合作，进一步优化设备参数。

2.2 设计中期阶段

在设计中期阶段，在输入资料已基本确认的情况下，通过对振动噪声进行定量仿真分析，根据仿真计算结果进行更加合理、更具有数据支撑作用的结构修改和优化。该阶段也是整个振动噪声风险管控中最重要的阶段，设计前期根据经验做出的结构修改和布置优化都会在仿真分析中得到验证，设计后期做出的修改也要进行方案跟踪和验证反馈。

该阶段振动噪声风险管控的主要内容是仿真分析，包括有限元分析（Finite Element Analysis，FEA）、统计能量分析（Statistical Energy Analysis，SEA）和计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）分析。图2 为仿真分析流程。

图2 仿真分析流程

2.3 设计后期和建造阶段

在设计后期阶段，整个船体结构和设备已固化，此时对结构和设备进行更改的成本最高，甚至可能导致交船延期等严重后果。同时，该阶段可对振动噪声进行直接测量，能直接获得实际数据。该阶段振动噪声风险管控的主要内容如下。

1）方案追踪。对于涉及多个专业的振动噪声问题，不仅涉及大量的设备布置，而且涉及结构强度的多专业协同设计问题，从设计初期就要跟踪整个设计方案，随着设计的不断深入，协调解决设计方案存在的问题。对布置核查、振源评估和仿真分析中产生的与修改方案相关的图纸进行专业分类，对所有与振动噪声相关的图纸进行各专业跟踪，并实时更新图纸信息，保证所有专业能协同工作，并达到减振降噪的效果。

2）实船验证。按测试条件对有关振动噪声的所有测试项目进行分类，根据现场情况进行测量安排，并按实际测量结果进行修改。本文所述客滚船的全部测量项目、测量地点、测量工况和预估时间见表2。

表2 本文所述客滚船的全部测量项目、测量地点、测量工况和预估时间

3 振动噪声风险管控要点

3.1 布置核查的要点

3.1.1 舱室布置调整

尽早确认总布置图，并根据规范和规格书的要求对高风险舱室和区域进行调整：

1）将集控室和机修间等噪声标准高的舱室布置到远离主机的位置，或用其他舱室分隔起来，对靠近主机的舱壁做衬板或隔断形成空气间隙；2）对于本身属于噪声源的舱室，比如空调机间，尽可能地将其布置在远离要求较高的居住舱室的位置；3）居住区标准最高的豪华套间尽量避免布置在艉部和风道附近。

3.1.2 支柱结构调整

来自机舱和乘客区的结构性噪声可能通过客舱区域的支柱传播。增加支柱一方面能改变甲板固有频率避免共振，另一方面能直接与甲板连接并传递结构噪声。虽然设计前期无法通过全船振动响应分析评估增加支柱的影响，但根据船级社经验，用短舱壁结构代替支柱能减少结构性噪声的传播，提高舒适度。事实上，支柱的设计应在船舶的结构设计、舱室布置和重量控制上找到合适的平衡点。

3.1.3 舱室单元

为解决房间现场安装质量问题、效率问题和振动噪声问题，采用房间单元的设计制造方案。房间单元在工厂车间制作，施工空间和照明充足，可100%还原噪声测试的工艺条件，施工质量远超过散装房间。房间单元的天花板与甲板无任何连接，能从源头上避免甲板振动带来的结构噪声。

3.2 振源评估的要点

3.2.1 推进器设计优化

为确保船舶的振动和噪声水平可接受，控制螺旋桨的激励是很重要的。必须与推进器厂商紧密合作，从厂商良好的设计出发，对系统的参数进行优化，在达到敞水效率目标函数的情况下优化螺旋桨的激振力，实现对空泡现象的控制。

3.2.2 主机选型和轴系减振

在对船用主机进行选型时，不仅要满足性能参数的要求，而且应考虑振动问题。对主机的不平衡力矩进行评估，根据评估结果考虑是否需要顶部支撑。若需要顶部支撑，则根据减振效果和经济性考虑采用何种方式的顶部支撑。

相比于普通货船，客滚船的艉轴更长，需配置悬臂梁支撑，此种情况下的回转振动对艉部居住处所的舒适性影响较大，严重时会引起船体震颤、轴承磨损和螺旋桨锥部大端折损等。正确的轴系计算非常重要，设计时要考虑轴承间距和基座刚度对计算结果的影响，特别是基座刚度，有些轴承厂商使用无限刚度计算会导致计算结果出现偏差。

3.2.3 机器弹性支座

在订购机器设备时，应将VIBR的振动标准告知制造厂商，以保证具有良好的振动基础。为减少机械传到船舶结构上的振动，可将机械安装在尽可能软的弹性支架上。重型和高噪声机械（如柴油发电机）应安装在弹性支座的双级上。机械+弹性支座系统的自然频率要小于机械运行频率的2 倍。

3.3 仿真分析的要点

3.3.1 参数假定

输入资料的难点基本上集中在设备输入资料方面，因为前期受设备订货周期的影响，加上对设备参数进行调整优化需要相当长的时间，前期通过主要参数假定进行仿真计算是切实可行的提高效率的方法。如客滚船螺旋桨的脉动压力可取2.5 kPa；主机不平衡力根据主机选型，采用经验载荷计算；风机转速可按通风量预估。

3.3.2 模型简化

虽然合理地简化模型能节约大量工作时间，但考虑到上层建筑的模态计算中甲板与甲板之间的耦合效应会影响计算结果的准确性，在进行上层建筑局部模态分析时尽可能地采用比强度分析范围更大的模型，对分析位置的建模范围应至少向上和向下分别延伸2 层甲板。

3.4 方案追踪要点

3.4.1 烟囱布置

烟囱出口是主机传播噪声的主要出口，也是船体结构的重要组成部分，不仅涉及轮机专业的主机排气管、脱硫脱氮设备和消音器，而且涉及总体烟囱布置、烟囱结构强度问题和振动噪声问题。烟囱的布置空间关系到消音器的布置，影响烟囱高度，会对COMF V2 振动噪声和外部噪声产生很大的影响。

3.4.2 轴系布置

轴系布置涉及螺旋桨、主机、轴基座和结构支架等一系列设备的设计，以及空泡试验、台架试验、轴系对中问题和回转振动问题，不仅影响总体布置和结构强度，而且对COMF V2 振动噪声、有害振动和VIBR有很大影响。

3.4.3 豪华间布置

豪华间作为乘客区对振动噪声要求最高的舱室，本身存在很大风险，其中总体布置、内装设计、结构加强和空调通风设计都会对COMF V2 振动噪声水平产生影响。

3.4.4 风机布置

风机作为贯穿全船的通风设备，是客滚船的主要噪声源，其布置不仅涉及风机本身的设计问题，比如通风量、压降等，而且关系到总体布置、结构风道设计和消音片布置，更与最多的噪声问题相关，关系到外部噪声、车辆甲板噪声和COMF V2 要求。

3.5 实船验证要点

3.5.1 码头测试

码头测试包括停船时的测量和动车时的测量。系泊动车虽然不是正常的营运工况，但对振动风险排查有一定的参考价值。码头测试内容主要包括：

1）码头动车后的上层建筑风险排查（栏杆、桅杆、灯和甲板的振动问题）；

2）码头动车后的机舱设备风险排查（管子和支架的振动问题）；

3）码头停船时的隔声测量和外部噪声测量（房间门和家具是否安装到位，冲击声试验采用甲板敷料测试，和车辆甲板风机噪声问题）。

3.5.2 预试航测试

因客滚船自身的复杂性和规范对客滚船的特殊要求，应对其首制船进行一次预试航，以尽可能地降低风险。在预试航过程中使船舶潜在的风险暴露出来，以便在正式试航前完成相应整改。

4 结 语

客滚船建造是一项复杂的系统工程，其舒适性要求对振动与噪声的技术参数提出了严格的要求。噪声振动的专业性较强，引发噪声振动的因素非常复杂。前期设计要求考虑的内容较多，设计初期更多地考虑开展振动噪声风险改善布置，设备厂商进行参数优化，从而有可能用较低的成本避免很多风险，但这对设计能力有很高的要求。在设计中期，在输入信息具备的条件下，通过专业的振动噪声仿真预报，能给出非常好的建设性意见。在设计后期和建造阶段，虽然能通过直接对船上的设备和处所进行振动噪声测量得到实际的数据，但该阶段一旦振动噪声不满足要求，进行修改的代价非常大。近年来，船体振动和噪声问题一直困扰着船厂和船东，有时甚至会出现严重的后果影响交船，本文梳理了全设计周期内的振动噪声风险管控经验，总结了设计各阶段降低振动噪声风险的重点和具体措施，形成了一套行之有效的振动噪声风险管控流程，可供同类型客滚船或豪华邮轮的设计建造参考。