主機排放噪聲對船舶艙室噪聲的影響研究

任 毅，王博涵，單衍賀，龐福振

(1. 中國船舶工業(yè)集團公司第七〇八研究所，上海 200011；

2. 中國船舶重工集團公司第七一四研究所，北京 100012；

3. 哈爾濱工程大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

艙室噪聲是影響船員生活的重要因素，國際海事組織（IMO）MSC.337（91）[1]對船舶艙室噪聲等級提出了嚴格要求，在船舶設(shè)計階段準確預(yù)報船舶艙室噪聲水平已成為關(guān)鍵一步。艙室噪聲組成中中高頻噪聲占主要部分，因此解決如何準確預(yù)報中高頻艙室噪聲問題刻不容緩。

大量學(xué)者在船舶艙室噪聲特性規(guī)律方面做了相關(guān)研究[2-4]。蘇楠[5]基于統(tǒng)計能量法分析了某船振動激勵源和空氣激勵源對于機艙平臺附近居住艙室噪聲特性的影響，研究結(jié)果表明離考核艙室越近的振動激勵源對艙室噪聲的貢獻量越大。溫華兵，馮博等[6-8]應(yīng)用統(tǒng)計能量分析方法對不同類型船舶或海洋平臺進行了艙室噪聲預(yù)報，并針對不滿足艙室噪聲限值的艙室采取降噪措施，使其能夠在設(shè)計階段滿足艙室噪聲限值要求，對實際工程應(yīng)用具有指導(dǎo)作用。張文春[9]對中高頻振聲問題采用統(tǒng)計能量分析（SEA）求解，引入SEA 系統(tǒng)傳遞路徑的概念，并結(jié)合圖論提出了艙室噪聲傳遞的SEA 賦權(quán)圖法，揭示了能量在結(jié)構(gòu)和聲腔中的傳播機理。趙楠[10]結(jié)合在船舶建造中遇到的低頻主機排氣噪聲問題，從排氣噪聲控制角度對船舶柴油機排氣系統(tǒng)設(shè)計提出了建議。

上述研究表明，大量學(xué)者采用統(tǒng)計能量方法進行了船舶艙室噪聲預(yù)報分析，但鮮有學(xué)者探究主機排放噪聲對艙室噪聲的影響；而主機排放噪聲水平往往高于艙室內(nèi)部空調(diào)設(shè)備、風(fēng)機盤管設(shè)備等，且可通過空氣介質(zhì)輻射至附近艙室及上層建筑，從而對船舶噪聲產(chǎn)生影響。為此，本文以某船為例，分析主機排放噪聲對船舶艙室噪聲的影響，給出了主機排放噪聲對船舶典型艙室噪聲的影響規(guī)律，旨在為船舶艙室噪聲控制提供參考。

1 統(tǒng)計能量方法

統(tǒng)計能量法是將一個完整的系統(tǒng)離散成多個子系統(tǒng)，在外界激勵作用下，子系統(tǒng)通過邊界進行能量交換，建立整個系統(tǒng)能量平衡方程，求解得到各子系統(tǒng)響應(yīng)。將船舶復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)離散后，可得各子系統(tǒng)與其相鄰子系統(tǒng)的功率流方程：

由一系列的子系統(tǒng)功率流方程式聯(lián)立，則可得到方程組：

對于結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)而言：

式中：mi為第i個結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)的質(zhì)量；vi為第i個結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)的振動速度。

對于聲腔子系統(tǒng)而言：

求解上述方程即得到子系統(tǒng)的振動響應(yīng)或聲場響應(yīng)。

2 船舶艙室噪聲分析模型

2.1 統(tǒng)計能量模型

本文以某船為研究對象，該船總長88.2 m，型深5.8 m，型寬11.4 m。未考慮主機排放噪聲及考慮主機排放噪聲時船艙噪聲能量傳遞示意圖如圖1所示。依據(jù)船舶結(jié)構(gòu)圖、總布置圖、舾裝圖等資料，建立船舶艙室噪聲預(yù)報模型，如圖2 所示。其中考慮主機排放噪聲模型建立了外部輔助聲腔，模型子系統(tǒng)共2 048 個。

2.2 損耗因子

圖 1 艙室噪聲能量傳遞示意圖Fig. 1 Diagram of cabin noise energy transfer

結(jié)構(gòu)損耗因子包括內(nèi)損耗因子及耦合損耗因子。結(jié)構(gòu)內(nèi)損耗因子采用經(jīng)驗公式計算[11]，計算結(jié)果如圖3 所示。結(jié)構(gòu)耦合損耗因子采用仿真軟件計算結(jié)果。聲腔內(nèi)損耗因子采用經(jīng)驗公式/(4Vω)計算[12]，其中，c 為介質(zhì)中聲速；S 為聲腔表面積；為艙壁平均吸聲系數(shù)，一般取0.01；V 為聲腔體積。以房間206 為例，聲腔內(nèi)損耗因子計算結(jié)果如圖4 所示。

圖 2 某船統(tǒng)計能量模型Fig. 2 Statistical energy model of ship

圖 3 結(jié)構(gòu)內(nèi)損耗因子Fig. 3 Structure's internal loss factor

圖 4 聲腔內(nèi)損耗因子Fig. 4 Acoustic cavity's internal loss factor

2.3 激勵載荷

引起船艙噪聲的激勵載荷按激勵類型可分為空氣激勵載荷及振動激勵載荷?？諝饧钶d荷以聲功率的形式加載于設(shè)備處聲腔子系統(tǒng)，其中主機排放噪聲載荷加載于煙囪位置；振動激勵載荷以振動加速度的形式加載于設(shè)備基座處。圖5 和圖6 分別給出了部分噪聲源設(shè)備聲功率級頻譜曲線及振動加速度級頻譜曲線。

圖 5 設(shè)備聲功率級曲線Fig. 5 Equipment's sound power level curve

圖 6 設(shè)備振動加速度級曲線Fig. 6 Equipment's vibration acceleration level curve

2.4 計算工況

本文為分析主機排放噪聲對艙室噪聲的影響，共設(shè)置5 種計算工況，如表1 所示。工況1、工況3 計算模型中聲腔建立如圖2（c）所示，工況2 和工況4 及工況5 計算模型中聲腔建立如圖2（d）所示。

表 1 計算工況表Tab. 1 Calculation condition

3 船舶艙室噪聲計算分析

3.1 主機排放噪聲對艙室噪聲計算結(jié)果的影響

計算工況1、工況2 下全船艙室噪聲水平，并與實船試驗測試結(jié)果對比，部分艙室噪聲總級計算結(jié)果如表2 所示。結(jié)果表明，工況2 計算結(jié)果更接近測試值，且結(jié)果差異小于3 dB，即考慮主機排放噪聲及外部輔助聲腔的計算結(jié)果更真實合理。部分房間艙室噪聲響應(yīng)曲線如圖7 所示。

表 2 典型艙室噪聲預(yù)報及測試結(jié)果對比Tab. 2 Comparison of typical cabin noise prediction and test results

圖 7 艙室噪聲變化曲線Fig. 7 Curve of cabin noise

由圖7 可以看出，主機排放噪聲對艙室噪聲有影響，特別是對高頻段噪聲影響較大，頻點噪聲差值最大達到6 dB 以上。因此，開展船舶艙室噪聲預(yù)報分析時應(yīng)考慮主機排放噪聲的影響。

3.2 主機排放噪聲對艙室空氣噪聲的影響

船舶艙室噪聲組成包括結(jié)構(gòu)噪聲及空氣噪聲，準確分析艙室噪聲組成及主導(dǎo)分量是進行艙室聲學(xué)防護設(shè)計的關(guān)鍵一步，而主機排放噪聲是引起船舶艙室空氣噪聲的成分之一，為此分析主機排放噪聲對船舶艙室空氣噪聲的影響。計算工況3 與工況4 下船舶艙室噪聲水平，得到典型艙室空氣噪聲水平如圖8 所示。結(jié)果表明，考慮主機排放噪聲相比不考慮排放噪聲艙室噪聲較高，部分艙室噪聲總級相差3 dB 以上。

以4 人間207 為例，其附近主要空氣噪聲源設(shè)備有主機、發(fā)電機組、主機排放噪聲及風(fēng)機盤管，對其進行單機噪聲分析，得到各設(shè)備對4 人間207 艙室噪聲貢獻量如圖9 所示。可以看出，主機排放噪聲對4 人間207 艙室噪聲貢獻量較大，僅次于主機噪聲。

圖 9 單機貢獻量對比圖Fig. 9 Comparison of Single machine contribution

由圖8 和圖9 可知，主機排放噪聲在距離較近艙室空氣噪聲中占比較高，進行艙室聲學(xué)防護設(shè)計時，應(yīng)考慮主機排放噪聲對艙室噪聲的影響。

3.3 主機排放噪聲激勵下艙室噪聲水平

部分船級社對船舶艙室噪聲限值設(shè)定如圖10 所示?？梢钥闯?，噪聲標準對居住室、醫(yī)務(wù)室要求較高，其中DNV COMF-C1 等級或ABS HAB++(WB)等級對人員居住室艙室噪聲限值要求為50 dB。為此，探究僅主機排放噪聲單獨作用時全船艙室噪聲分布規(guī)律以及需要考慮主機排放噪聲的艙室大致范圍。

計算工況5 下全船艙室噪聲，得到僅主機排氣噪聲激勵時全船噪聲分布，其中250 Hz 下全船艙室噪聲分布如圖11 所示?？梢钥闯?，距離主機艙室越近，由主機排放噪聲引起的艙室噪聲越大。

船上設(shè)置人員主要活動艙室共26 間，其中艙室噪聲總級大于50 dB 的艙室共9 個，達到全船艙室數(shù)量的1/3 以上，部分艙室噪聲響應(yīng)如圖12 所示。以主機艙所在甲板為例，計算艙室噪聲水平沿船長方向的分布情況，如圖13 所示（設(shè)船首方向為正向）。可以看出，在距離主機艙25 m 內(nèi)的艙室噪聲均大于50 dB，超出部分噪聲限值標準。因此，對該區(qū)域的居住艙室、醫(yī)務(wù)室進行聲學(xué)防護設(shè)計時主機排放噪聲不可忽略。

圖 10 艙室噪聲限值Fig. 10 Limit of cabin noise

圖 11 250 Hz 艙室噪聲分布圖Fig. 11 Distribution of cabin noise in 250 Hz

圖 12 艙室噪聲響應(yīng)曲線Fig. 12 Curve of cabin noise response

4 結(jié) 語

本文以某船為例，建立艙室噪聲預(yù)報模型，基于統(tǒng)計能量法分析了主機排放噪聲對艙室噪聲計算結(jié)果的影響，并探究主機排放噪聲對艙室噪聲的影響規(guī)律，得出如下結(jié)論：

1）考慮主機排放噪聲的艙室噪聲計算結(jié)果相較于未考慮其影響的計算結(jié)果，更接近實船測試值，且誤差小于3 dB。

2）距離主機艙越近，由主機排放噪聲引起的艙室噪聲越大，且主機排放噪聲造成的艙室空氣噪聲僅次于主機引起的艙室空氣噪聲，在進行聲學(xué)防護設(shè)計時應(yīng)加以考慮。

3）對于居住室、醫(yī)務(wù)室等對噪聲限值要求較嚴格的艙室而言，需考慮主機排放噪聲的影響。就本文所研究船舶而言，距主機艙25 m 內(nèi)的居住室及醫(yī)務(wù)室應(yīng)考慮主機排放噪聲的影響。

圖 13 艙室噪聲分布曲線Fig. 13 Curve of cabin noise distribution