VLCC上層建筑噪聲分析與控制

張 明，陳惠勤，陳 虹，趙敬德

（1. 東華大學 環(huán)境科學與工程學院，上海 201620；2. 上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

規(guī)范與標準

VLCC上層建筑噪聲分析與控制

張 明1,2，陳惠勤2，陳 虹2，趙敬德1

（1. 東華大學 環(huán)境科學與工程學院，上海 201620；2. 上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

基于MSC.337(91)決議通過的《船上噪聲等級規(guī)則》對船舶不同處所的噪聲級限值提出的新要求，從聲源、傳播途徑及聽者等3個方面對船舶噪聲進行系統(tǒng)分析，提出開展船舶降噪設(shè)計的重點研究方向。結(jié)合某型超大型油船（Very Large Crude-oil Carrier，VLCC）系列船在設(shè)計優(yōu)化前后、在實船試航狀態(tài)下測得的典型位置的噪聲數(shù)據(jù)，重點分析部分位置噪聲超標的原因，提出并實施有針對性的噪聲控制措施，并為未來更有效地進行船舶噪聲控制提供一些建議。

噪聲；分析；控制

0 引 言

1981 年，國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）發(fā)布《船上噪聲級規(guī)則》（A.468(Ⅻ)），并將其作為推薦性文件納入SOLAS公約第Ⅱ-1/36條中。2007年，歐洲27國聯(lián)合向第83屆海上安全委員會（MSC83）提交“船上噪聲防護”提案，以推動船上噪聲控制水平的提高和強制化。該提案的提出主要基于以下5點理由：

1) 船上噪聲涉及人員健康和航運安全問題，具有導致事故發(fā)生的風險；

2) SOLAS公約第II-1/36條中有關(guān)控制機器處所噪聲至可接受水平的規(guī)定較為模糊；

3) 不僅是噪聲最大的機器處所，其他處所的噪聲也會影響船員的健康，而SOLAS公約第II-1/36條中只規(guī)定機器處所的噪聲；

4) A.468(Ⅻ)已制定實施超過25a，隨著船舶設(shè)計和建造水平的不斷提高，該規(guī)則要求也應進一步提高；

5) 國際勞工組織（International Labour Organization，ILO）海事勞工公約也提及控制船上噪聲的要求。

對此，在2012年的IMO第91屆海上安全委員會（MSC91）會上，通過了第338號關(guān)于SOLAS修正案的決議，自2014年7月1日起生效，新增了SOLAS公約第II-1/3-12條，要求船舶建造應符合MSC.337(91)決議通過的《船上噪聲等級規(guī)則》，降低船上噪聲并保護人員免受噪聲傷害。

對比原標準A.468(Ⅻ)，經(jīng)MSC.337(91)修訂的《船上噪聲等級規(guī)則》中部分艙室可接受的噪聲級限值標準有較大幅度的提高，尤其對于≥10000GT的船舶，其規(guī)定的居住艙室、醫(yī)務室、餐廳、娛樂室及辦公室的噪聲級限值在A.468(Ⅻ)標準的基礎(chǔ)上減小5dB(A)，具體見表1[1-2]。

表1 不同處所的噪聲級限值標準 dB(A)

1 船舶噪聲的系統(tǒng)分析

噪聲系統(tǒng)一般由聲源、傳播途徑及聽者等3部分組成[3]，下面從這3個方面對船舶噪聲進行系統(tǒng)分析。

1.1 聲源

1.1.1 螺旋槳和艉部船體的噪聲

在許多場合，螺旋槳是船舶上產(chǎn)生劇烈振動和結(jié)構(gòu)噪聲的根源，其振動部分是由作用于軸承的螺旋槳力和力矩的周期性變化引起的，部分由作用于螺旋槳附近船體上的表面力產(chǎn)生。這2種形式的激振主要源于螺旋槳不均勻的伴流，這同時也是產(chǎn)生螺旋槳噪聲的主要原因[4]。在設(shè)計階段，應進行船模試驗，以檢查流動情況，若需要，可適當改變艉部船體型線，以改善伴流。

1.1.2 機器的噪聲

船舶機器的噪聲主要來自主機、發(fā)電機、泵組、液壓設(shè)備和排氣管等設(shè)備，其對船舶噪聲級的主要影響有：

1) 機器直接輻射到空氣中的噪聲決定了機器附近的噪聲級；

2) 空間反射的空氣噪聲及其混響時間決定了離機器一定距離的噪聲級；

3) 相鄰艙室中的噪聲級一般由機器傳遞的結(jié)構(gòu)噪聲確定，也可由安裝在這些艙室中的其他設(shè)備的噪聲確定。

1.1.3 通風系統(tǒng)的噪聲

在確定船上各處所的噪聲級時，各通風系統(tǒng)的噪聲亦是十分重要的影響因素。通風系統(tǒng)的噪聲來源主要包括：

1) 空調(diào)裝置、鍋爐通風機和機艙通風機等裝置的噪聲；

2) 通風機和通風管道傳遞的結(jié)構(gòu)噪聲；

3) 通風管道、消聲器等裝置的空氣噪聲；

4) 進風口和出風口的噪聲。

1.2 傳播途徑

在考慮船舶艙室噪聲的傳播途徑時，通常需考察2種類型的聲音傳播，即空氣噪聲和結(jié)構(gòu)噪聲。

1.2.1 空氣噪聲

已發(fā)射到空氣中的人耳能聽到的振動稱為空氣噪聲。在自由聲場（即在沒有任何屏蔽空間和反射面的情況下），根據(jù)經(jīng)驗公式，與聲源的距離每增加1倍，聲壓級即降低6dB[3]。當聲波在空氣中傳播遇到另一種性質(zhì)不同的媒介時，部分能量或透過媒介傳播過去，或作為媒介結(jié)構(gòu)內(nèi)的摩擦損失而散逸，其余的在邊界面上反射。

1.2.2 結(jié)構(gòu)噪聲

結(jié)構(gòu)噪聲是指在可聽頻率范圍內(nèi)（16～20000Hz）的、在結(jié)構(gòu)中以波動傳播的機械振動[3]，由艙壁、木作等第二噪聲源以空氣噪聲的形式輻射出來。由于船舶結(jié)構(gòu)的主要材料是鋼，其內(nèi)部的阻尼很小，因而導致結(jié)構(gòu)噪聲在傳播時的能量損失非常小。盡量使聲能反射回聲源的方法可有效克服結(jié)構(gòu)噪聲。例如，在傳播途徑中引入阻抗的改變、插入其他媒介及使傳播途徑上的幾何形狀發(fā)生變化等均會引起這種反射。

1.3 聽者

針對聽者（即噪聲接受者），可考慮采取必要的管理機制和防護設(shè)備降低噪聲對聽者的危害。例如，根據(jù)聽覺損害的危險標準和個人的感覺限制工作人員持續(xù)處在噪聲環(huán)境中的時間，并配備耳塞、護耳套和護耳盔等。

2 船舶噪聲的控制

設(shè)計、建造和配套是船舶噪聲控制的3個重要環(huán)節(jié)。在設(shè)計的初始階段就將聲學設(shè)計納入整個船舶的設(shè)計過程中，可極大地降低后期進行噪聲處理的成本，達到事半功倍的效果[5]。通過上述系統(tǒng)分析，可將開展降噪設(shè)計的重點概述為：

1) 設(shè)計伴流均勻的螺旋槳和艉部船體結(jié)構(gòu)；

2) 選用低噪聲的動力裝置和機械設(shè)備，對某些機械設(shè)備/排氣管采取消音隔振的措施；

3) 在總布置設(shè)計中使噪聲敏感處所盡可能地遠離噪聲源；

4) 確定合適的風管靜壓和風速，平穩(wěn)組織通風系統(tǒng)的氣流；

5) 在噪聲敏感處所設(shè)置有效的吸聲隔聲裝置，如高隔音板、浮動地板等。

3 VLCC實船的噪聲控制

3.1 VLCC首制船的噪聲數(shù)據(jù)

在基本設(shè)計階段，為指導詳細設(shè)計和生產(chǎn)設(shè)計采用合理的方案有效控制實船的總體噪聲水平，對某型超大型油船（Very Large Crude-oil Carrier，VLCC）進行噪聲的計算預報。基于統(tǒng)計能量法的噪聲預報結(jié)果（見表2），針對預報中噪聲級不滿足MSC.337(91)標準的艙室（如表2中的醫(yī)務室、健身房和蘇伊士工人間），為避免建造完成后實際噪聲級超標，在前期設(shè)計階段，對靠近機艙區(qū)域的這些主甲板艙室的圍壁和天花板進行防火絕緣及吸聲處理，加裝隔聲效果在42dB(A)以上的隔聲板，并在主甲板結(jié)構(gòu)反面增加敷設(shè)隔聲絕緣（100mm厚巖棉外包玻璃纖維布）。經(jīng)過上述設(shè)計優(yōu)化之后，這3個艙室的實際測量結(jié)果均達到標準要求（具體見表3），且位于上層建筑艏部的健身房的實際噪聲環(huán)境明顯優(yōu)于位于上層建筑艉部、靠近機艙棚的蘇伊士工人間。

表2 某型VLCC的噪聲計算預報結(jié)果節(jié)選 dB(A)

但是，上述噪聲預報亦不可避免地存在部分誤差，導致預報結(jié)果滿足標準要求（如上表2中的水手B臥室和服務員臥室）的艙室實際測量結(jié)果仍然超標（見表3）。此外，由于上述統(tǒng)計能量法不適用于露天開敞位置的駕駛甲板兩舷，而此處通常是船舶噪聲控制的難點，因此在實際設(shè)計過程中，亦不可單純依靠計算預報的結(jié)果，而應在前者的指導下，綜合多方面的因素進行評估考慮。

表3 某型VLCC試航狀態(tài)的噪聲測量表 dB(A)

續(xù)表3 dB(A)

對表3中的實測數(shù)據(jù)與A.468(Ⅻ)標準和MSC.337(91)標準進行比較可知：該型VLCC的噪聲級水平均滿足A.468(Ⅻ)標準的要求；除了駕駛甲板左/右舷及B甲板的水手B臥室、服務員臥室的實測噪聲級超過MSC.337(91)標準限值之外，其他位置的噪聲級水平均滿足MSC.337(91)標準的要求。

下面對上述超過MSC.337(91)標準限值的噪聲控制方案進行重點分析。

3.2 VLCC后續(xù)船駕駛甲板兩舷的噪聲控制

駕駛甲板左/右舷的噪聲測量點位于室外露天位置（見圖1），其噪聲級的大小主要取決于海面的風浪、機艙的風機和煙囪的排氣口等3個因素。

由于海面的風浪屬于不可控的自然環(huán)境因素，故僅對機艙風機和煙囪排氣口的噪聲影響做進一步的分析。通過在 VLCC首制船試航期間使其主機按試驗狀態(tài)正常運行及先后短暫關(guān)閉機艙棚前部左/右舷的機艙風機，對應測得駕駛甲板左/右舷的噪聲數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)這2處的噪聲級仍超標，且與表3中的測量數(shù)據(jù)接近。因此，針對后續(xù)船的駕駛甲板兩舷的噪聲控制，應對煙囪排氣口進行優(yōu)化。

圖2和圖3為VLCC首制船的煙囪排氣管布置圖，位于舷側(cè)的鍋爐排氣口的末端變徑部分遮擋了主機排氣口（見圖 3中的陰影部分），導致主機排氣在鍋爐排氣管彎頭處加劇了氣流擾動和空氣噪聲向上層建筑駕駛甲板的反射。為改善后續(xù)船的主機排氣，降低從煙囪向上層建筑輻射的空氣噪聲，適當加大主機排氣口與鍋爐排氣口之間的高度差，并更換排氣管末端防火網(wǎng)的型式（見圖4）。

經(jīng)設(shè)計優(yōu)化之后，后續(xù)船測得的駕駛甲板兩舷的噪聲級均達標，具體見表4。

表4 VLCC后續(xù)船駕駛甲板兩舷的噪聲測量 dB(A)

3.3 VLCC后續(xù)船B甲板艙室的噪聲控制

為查找B甲板的服務員臥室和水手B臥室噪聲級偏高的原因，選取相鄰的船員備員1臥室和水手C臥室進行比較分析。相關(guān)的上層建筑B甲板噪聲測試位置見圖5。實地勘察發(fā)現(xiàn)，機艙棚C甲板的風機室是附近比較大的一個噪聲源（見圖 6），為確定其對前述噪聲敏感艙室的具體影響，在該型 VLCC拋錨狀態(tài)下再次對上述4個艙室的噪聲進行試驗測量，得到的相關(guān)噪聲數(shù)據(jù)見表5。

表5 VLCC上層建筑B甲板艉部典型艙室噪聲測量 dB(A)

通過分析表5中的噪聲測量數(shù)據(jù)可知：

1) 在上述3種試驗狀態(tài)下，舷側(cè)艙室的噪聲級均顯著高于鄰近艙室；

2) 在關(guān)閉機艙棚C甲板上的1#和3#機艙風機后，4個測量點的噪聲數(shù)據(jù)均大幅下降。

由上述試驗結(jié)果可進一步確認：上層建筑B甲板艉部艙室的噪聲受到機艙風機的影響較大；由于上層建筑C甲板與機艙棚之間由結(jié)構(gòu)過橋直接相連，機艙風機通過結(jié)構(gòu)傳遞的噪聲要遠大于空氣噪聲。

為降低機艙風機結(jié)構(gòu)噪聲的影響，對VLCC后續(xù)船進行以下降噪設(shè)計優(yōu)化：

1) 在機艙風機室內(nèi)部鋼圍壁增加隔音絕緣（50mm厚的巖棉外包玻璃纖維布、外貼鋁箔）；

2) 舷側(cè)艙室的木作圍壁采用厚度為50mm的高隔音板，代替原厚度25mm的木作圍壁板。

經(jīng)過后續(xù)船的實際效果測試，上述艙室的噪聲級最終均＜55dB(A)，滿足MSC.337(91)的要求。雖然通過提高艙室隔聲性能的方法可解決上述問題，但若能在總圖設(shè)計階段將靠近機艙棚的B甲板舷側(cè)住艙與靠前部的儲藏室互換位置，或改變上層建筑C甲板與機艙棚之間的結(jié)構(gòu)過橋的整體剛性連接，則可更好地改善居住艙室的環(huán)境，同時降低施工成本。

4 結(jié) 語

船舶噪聲控制是一項復雜的系統(tǒng)工程，應在項目的基本設(shè)計階段就予以足夠的重視。此外，為更有效地進行噪聲控制，對艙室噪聲水平影響較大的關(guān)鍵設(shè)備，應盡可能地在其技術(shù)協(xié)議中明確相關(guān)的工作噪聲要求。此外，在建造施工的過程中，應嚴格執(zhí)行工藝規(guī)范，保障施工質(zhì)量，以達到控制噪聲的總目標。

[1]國際海事組織. 船上噪聲級規(guī)則：A.468(Ⅻ)[S].

[2]國際海事組織. 船上噪聲等級規(guī)則：MSC.337(91)[S].

[3]GHERING W L. 噪聲控制參考手冊[M]. 上海：上?？茖W技術(shù)文獻出版社，1982.

[4]PETTERSEN J W E, STORM J F. 船舶噪聲控制[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，1983.

[5]吳剛. 船舶降噪狠抓設(shè)計、建造、船配環(huán)節(jié)[J]. 廣東造船，2014 (3): 14-15.

[6]吳文偉，殷學文. 大型油船艙室噪聲評估與控制[J]. 船舶力學，2014 (12): 1524-1533.

[7]李艷華，鄭超凡，崔曉兵，等. 船舶艙室噪聲總體綜合控制技術(shù)[J]. 艦船科學技術(shù)，2015 (8): 85-89.

Noise Analysis & Control in VLCC Superstructure

ZHANG Ming1,2, CHEN Hui-qin2, CHEN Hong2, ZHAO Jing-de1

（1. College of Environmental Science and Engineering, Donghua University, Shanghai 201620, China；2. Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Co., Ltd., Shanghai 200137, China）

Based on the new requirements on noise limits at different locations on board the ship according to the Code on Noise Levels on Board Ships, adopted by the Resolution of MSC.337(91), this paper carries out a general systematic analysis on ship noises from three aspects including the noise source, the noise transmission route and the recipients, so as to propose the key research directions for ship noise reduction design. Considering the noise measurement data of a series of Very Large Crude-oil Carriers (VLCCs) at some typical locations during sea trial both before and after design optimization, the reasons behind excessive noises at certain locations are analyzed, and some corresponding noise control measures are proposed, along with some suggestions for more effective ship noise control in the future.

noise; analysis; control

U662.1

A

2095-4069 (2017) 06-0059-07

2017-05-08

張明，男，工程師。1985年生。2007年本科畢業(yè)于武漢理工大學熱能與動力工程專業(yè)，東華大學工程碩士在讀，現(xiàn)從事船舶設(shè)計工作。

10.14056/j.cnki.naoe.2017.06.013