物探調(diào)查船艙室噪聲預(yù)報(bào)及控制方案研究

高 處，唐 軍，楊德慶，楊夢(mèng)婕，李方杰

(1.中國(guó)船舶與海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011；2.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州 510075；3.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240)

0 引 言

物探調(diào)查船是一種利用聲吶發(fā)射、接收聲波進(jìn)行海洋地球物理勘探的專用作業(yè)船舶，其上裝備有大量精密勘探設(shè)備。對(duì)于該類型的船舶而言，船上艙室噪聲及水下輻射噪聲過大容易對(duì)勘探工作形成干擾，影響物探調(diào)查船的工作效率及數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，因此此類船型設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)振動(dòng)噪聲控制的要求較高。

物探船的艙室噪聲來源與商船類似，包括輻射空氣噪聲的聲源(動(dòng)力裝置的噪聲、輔助機(jī)械空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的噪聲)以及結(jié)構(gòu)噪聲源(主輔機(jī)的振動(dòng)、波浪沖擊等使船體振動(dòng)的噪聲)。其中，動(dòng)力設(shè)備工作過程中所引起的機(jī)械結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲是艙室噪聲的主要來源。動(dòng)力設(shè)備過大的振動(dòng)不僅會(huì)對(duì)設(shè)備自身性能及壽命造成影響，同時(shí)結(jié)構(gòu)噪聲通過船體傳播至工作、居住艙室降低了船內(nèi)舒適度，并對(duì)長(zhǎng)期駐扎船上人員健康造成影響和危害。所以減小船上艙室噪聲的一個(gè)重要環(huán)節(jié)是控制或減小船舶動(dòng)力裝置引起的結(jié)構(gòu)噪聲。

對(duì)艙室噪聲目前常用的數(shù)值預(yù)報(bào)方法有經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)法、有限元法、能量有限元法和統(tǒng)計(jì)能量分析法等[1]。吳剛等[2]使用SEA法對(duì)大艙室大開口的大型集裝箱船中高頻域振動(dòng)及艙室噪聲數(shù)值計(jì)算的建模方法進(jìn)行了研究。童宗鵬等[3]用SEA方法將水下航行器結(jié)構(gòu)模型簡(jiǎn)化為圓錐殼和圓柱殼，分析了在寬頻帶范圍內(nèi)的水下振動(dòng)和聲輻射規(guī)律。鄧志純等[4]從理論上和試驗(yàn)方面研究了應(yīng)用SEA法對(duì)巡邏艇和游艇類高速艇的噪聲預(yù)測(cè)。

本文利用數(shù)值方法對(duì)某物探調(diào)查船艙室噪聲開展預(yù)報(bào)分析工作，在此基礎(chǔ)上探索適用于該船型的結(jié)構(gòu)降噪設(shè)計(jì)，建立整船有限元模型，以及降噪方案下整船的SEA模型，計(jì)算全船艙室噪聲，驗(yàn)證噪聲傳遞路徑上降噪措施的效果。

1 物探船艙室噪聲評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

一般而言，物探船對(duì)艙室噪聲等級(jí)的要求較普通商船更嚴(yán)格，除了需滿足現(xiàn)行的MSC 337（91）《船上噪聲等級(jí)規(guī)則》的要求，還應(yīng)滿足設(shè)計(jì)規(guī)格書中要求的船級(jí)社舒適性等級(jí)。對(duì)于該船而言，需滿足中國(guó)船級(jí)社（CCS）噪聲舒適度等級(jí)2級(jí)要求，如表1所示。

表1 該物探船噪聲等級(jí)要求dB（A）Tab.1 Sound pressure level criteria dB（A）

從表1可以看出，對(duì)于1 600～10 000總噸的船舶而言，CCS舒適性等級(jí)2的要求相比MSC337（91）更嚴(yán)格，除機(jī)器處所噪聲級(jí)要求相同外，船員工作區(qū)域的噪聲級(jí)要求相比MSC337（91）要高2～5 dB；船員居住區(qū)域的噪聲級(jí)要求高3～8 dB；乘客居住區(qū)域的噪聲級(jí)要求高3～13 dB。高標(biāo)準(zhǔn)的振動(dòng)噪聲要求對(duì)物探船的結(jié)構(gòu)、內(nèi)裝、空調(diào)通風(fēng)設(shè)計(jì)提出了巨大的挑戰(zhàn)。

2 物探船艙室噪聲分析

2.1 全船噪聲模型及計(jì)算

2.1.1 船型與主尺度信息

目標(biāo)物探調(diào)查船總長(zhǎng)88.00 m，型寬20.40 m，型深8.00 m，設(shè)計(jì)吃水5.60 m。該船采用雙槳電力推進(jìn)，配置4臺(tái)主發(fā)電機(jī)。

圖1 物探調(diào)查船側(cè)視圖Fig.1 Side view of the geophysical survey ship

2.1.2 全船SEA模型參數(shù)

1）全船結(jié)構(gòu)建模參數(shù)

該船在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段依據(jù)CCS《船舶及產(chǎn)品噪聲控制與檢測(cè)指南》（以下簡(jiǎn)稱CCS指南）的要求建立全船SEA噪聲分析模型。甲板、艙壁、縱桁等結(jié)構(gòu)以加筋平板子系統(tǒng)建模，外板采用加筋曲板子系統(tǒng)建模，并考慮加筋方向，艙室空氣采用聲腔子系統(tǒng)建模。子系統(tǒng)劃分時(shí)，子系統(tǒng)的尺寸應(yīng)盡可能大，盡量保證子系統(tǒng)分析帶寬Δω內(nèi)的模態(tài)數(shù)大于5。鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)損耗因子采用CCS建議值，如表2所示。

表2 鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)損耗因子Tab.2 Damping loss factor of steel

2）全船內(nèi)裝建模參數(shù)

物探調(diào)查船的艙室種類較多，包含駕駛室、集控室、儀器房、居住艙室、實(shí)驗(yàn)室、辦公室、餐廳、廚房、娛樂室等各類艙室，防火降噪絕緣要求各不相同。該船內(nèi)裝設(shè)計(jì)時(shí)，采用國(guó)際同型調(diào)查船的設(shè)計(jì)理念，依據(jù)相應(yīng)的要求設(shè)計(jì)了大量艙室降噪措施，包括使用不同規(guī)格及厚度的浮動(dòng)甲板、阻尼涂料、高隔聲內(nèi)裝圍壁等。此外，船上除了鋼結(jié)構(gòu)外，還鋪設(shè)有甲板敷料、防火絕緣材料、門、窗、等各種內(nèi)飾，這些內(nèi)飾材料的存在都將影響船上噪聲的傳遞特性，影響預(yù)報(bào)結(jié)果。為保證噪聲預(yù)報(bào)精度，應(yīng)根據(jù)實(shí)船內(nèi)裝布置圖考慮內(nèi)裝材料對(duì)艙室噪聲的影響，根據(jù)生產(chǎn)廠家提供的材料參數(shù)設(shè)置模型中相應(yīng)的材料屬性，模型中內(nèi)裝材料的建模通過噪聲處理措施（Noise Control Treatment，NCT）的形式模擬。

3）噪聲預(yù)報(bào)考慮的噪聲源

根據(jù)物探調(diào)查船的特點(diǎn)，該船噪聲預(yù)報(bào)所考慮的聲源為：1）主發(fā)電機(jī)空氣/結(jié)構(gòu)聲源；2）齒輪箱結(jié)構(gòu)聲源，3）螺旋槳結(jié)構(gòu)聲源；4）空壓機(jī)空氣聲源。其中，機(jī)艙機(jī)器設(shè)備的聲源使用設(shè)備廠商提供的數(shù)據(jù)，螺旋槳結(jié)構(gòu)聲源采用CCS指南提供的經(jīng)驗(yàn)公式估算。

另外，該船在噪聲預(yù)報(bào)時(shí)不考慮艙室空調(diào)通風(fēng)噪聲源，但這并不表示在設(shè)計(jì)時(shí)不考慮空調(diào)通風(fēng)引起噪聲。對(duì)于空調(diào)通風(fēng)噪聲，本船設(shè)計(jì)時(shí)采用指標(biāo)分配法，要求空調(diào)通風(fēng)設(shè)計(jì)保證艙室空調(diào)通風(fēng)引起的噪聲級(jí)低于所在艙室噪聲限值4 dB。在設(shè)計(jì)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)，除了優(yōu)選相關(guān)設(shè)備，還對(duì)通風(fēng)管路采取了各種降噪方式，如優(yōu)化風(fēng)管回路，避免拐彎過急形成大風(fēng)阻；采用風(fēng)管消音器；將風(fēng)機(jī)安裝于消音箱；空調(diào)冷水機(jī)組或者壓縮冷凝機(jī)安裝彈性基座；使用變風(fēng)量布風(fēng)器等降噪措施，以滿足降噪設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

4）噪聲預(yù)報(bào)的計(jì)算工況：

1）調(diào)查作業(yè)工況

3臺(tái)主發(fā)電機(jī)在100%選定最大持續(xù)功率點(diǎn)（SMCR）下工作，所有的輔機(jī)設(shè)備（風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)、泵組都正常工作）。

2）航行工況

2臺(tái)主發(fā)電機(jī)在80%SMCR下工作，所有的輔機(jī)設(shè)備（風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)、泵組都正常工作）。

3）進(jìn)出港工況

1臺(tái)停泊發(fā)電機(jī)工作，1臺(tái)主發(fā)電機(jī)在80%SMCR下工作，所有的輔機(jī)設(shè)備（風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)、泵組都正常工作）。

本船艙室噪聲評(píng)估3個(gè)工況，

經(jīng)分析，模型在63～8 000 Hz的頻段內(nèi)子系統(tǒng)的模態(tài)數(shù)基本大于5，因此該模型適合在該頻段內(nèi)用統(tǒng)計(jì)能量法進(jìn)行分析求解。根據(jù)以上模型設(shè)置，對(duì)物探船全船艙室噪聲進(jìn)行預(yù)報(bào)分析。圖2為全船的SEA模型圖，其中圖2（a）主要為SEA板梁子系統(tǒng)，圖2（b）主要為SEA聲腔子系統(tǒng)，為該船的所有艙室。

計(jì)算63～8 000 Hz倍頻程下艙室噪聲及總聲壓級(jí)，物探船艙室噪聲分布云圖如圖3所示?？梢钥闯?，船中機(jī)艙處附近的噪聲級(jí)比較高，而駕駛甲板上的駕駛室的噪聲最低。這是因?yàn)樵摯闹饕肼曉醇杏跈C(jī)艙內(nèi)。

全船噪聲預(yù)報(bào)結(jié)果顯示，由于多專業(yè)降噪設(shè)計(jì)的相互配合，全船107個(gè)艙室滿足CCS舒適性等級(jí)2級(jí)的要求，全船噪聲水平總體良好。噪聲超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)較低，超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)可控。

圖2 全船的SEA模型Fig.2 Full ship SEA model

圖3 全船艙室噪聲分布云圖Fig.3 Sound pressure level contour of cabins

表3 不同隔振形式下艙室噪聲的總聲壓級(jí)（dBA）Tab.3 Cabin sound pressure level with different isolation measures

各甲板典型艙室噪聲總聲壓級(jí)如表3所示。從表3可以看出，全船艙室中，按甲板從上到下的順序，有系泊甲板水手2人間、首樓甲板餐廳及主甲板主廚臥室3個(gè)艙室的噪聲值位于CCS噪聲舒適性等級(jí)2限值邊界處，這些艙室位于最接近機(jī)艙的3層甲板上。經(jīng)艙室噪聲貢獻(xiàn)率分析，結(jié)果顯示這3個(gè)噪聲位于限值邊界處的艙室，主機(jī)結(jié)構(gòu)噪聲源對(duì)這些艙室的噪聲能量貢獻(xiàn)率超過90%，如圖4所示。原因在于該船居住區(qū)域主要分布于船中和船首位置，而螺旋槳及3臺(tái)空壓機(jī)則靠近船尾位置，距離居住區(qū)較遠(yuǎn)。發(fā)電機(jī)艙位于居住區(qū)下方，由于位于機(jī)艙與居住區(qū)間的中間甲板對(duì)機(jī)艙空氣噪聲的傳播起到一定的隔離作用，因此居住區(qū)艙室噪聲的主要能量貢獻(xiàn)來源于機(jī)艙發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)聲。

圖4 不同噪聲源對(duì)各艙室噪聲的噪聲貢獻(xiàn)率Fig.4 Energy contribution of different noise sources

3 結(jié)構(gòu)降噪方案設(shè)計(jì)

分析噪聲傳播機(jī)理，船舶艙室噪聲控制可從噪聲源控制，傳遞路徑控制和受聲者3個(gè)方面考慮。其中噪聲源控制室噪聲控制最有效的方法，即降低艙室噪聲的最根本方法是選用低噪聲與振動(dòng)級(jí)的機(jī)械設(shè)備。由于物探調(diào)查船總統(tǒng)布置的特點(diǎn)，主甲板以上中后區(qū)域一般為物探作業(yè)區(qū)域，中前為生活艙室，因此，位于尾部的螺旋槳噪聲源產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)噪聲相對(duì)于機(jī)艙內(nèi)的動(dòng)力設(shè)備較低，距離生活艙室區(qū)較近的機(jī)艙內(nèi)機(jī)械設(shè)備噪聲則為控制重點(diǎn)。如選用低噪聲柴油機(jī)，從根源上消除噪聲，但這種方法也最昂貴。圖5為可供本船選用功率相近的A，B兩型主機(jī)的空氣/結(jié)構(gòu)噪聲級(jí)，A型主機(jī)的空氣/結(jié)構(gòu)噪聲級(jí)高于B型主機(jī)。單臺(tái)A型主機(jī)的合成空氣聲級(jí)為108.4 dB（A），B型主機(jī)的合成空氣聲級(jí)為105.8 dB（A），若機(jī)艙內(nèi)3臺(tái)A型主機(jī)工作，則機(jī)艙內(nèi)的合成聲級(jí)為113.6 dB（A），超出了機(jī)器處所的噪聲限值110 dB（A）要求，因此在機(jī)器選型時(shí)，不僅要考慮單臺(tái)機(jī)器的聲級(jí)，還應(yīng)考慮機(jī)艙內(nèi)多臺(tái)機(jī)器同時(shí)工作時(shí)的聲級(jí)。對(duì)噪聲控制要求高的船舶，盡可能選用振動(dòng)噪聲指標(biāo)好的機(jī)器。

圖5 不同主機(jī)噪聲源級(jí)對(duì)比Fig.5 Noise source level of different engines

除了選用低噪機(jī)器，還可在振動(dòng)與噪聲的傳播途徑上想辦法，采用消振、隔振、消音、隔音的方法增加聲振能量在傳遞路徑上的損耗。一般來說消振、隔振措施越靠近聲源效果越好。

經(jīng)上文分析，該物探船船上艙室噪聲的主要貢獻(xiàn)源為機(jī)艙內(nèi)4臺(tái)主發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)噪聲，根據(jù)該特點(diǎn)，考慮機(jī)艙內(nèi)主要噪聲源集中布置的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種負(fù)泊松比蜂窩浮筏隔振系統(tǒng)[5～7]，如圖6所示，4臺(tái)主發(fā)電機(jī)彈性安裝在蜂窩筏架上，筏架安裝于船體結(jié)構(gòu)上。該浮筏長(zhǎng)8 960 mm，寬9 000 mm，高540 mm。

圖6 負(fù)泊松比蜂窩浮筏系統(tǒng)Fig.6 Floating raft system with negative poisson’s ratio effect

支撐于船體板架的負(fù)泊松比蜂窩浮筏隔振系統(tǒng)有限元模型見圖6。浮筏的上下面板尺寸均為10 mm。如圖7所示，浮筏的筏架上下面板之間分布式填充有內(nèi)六角蜂窩結(jié)構(gòu)，區(qū)別于常規(guī)正六角蜂窩面內(nèi)受力在宏觀力學(xué)性能上的正泊松比變形，即受拉截面變細(xì)，受壓截面變粗，內(nèi)六角蜂窩面內(nèi)受力在宏觀力學(xué)性能上其變形屬于負(fù)泊松比材料變形，即受拉截面變粗，受壓截面變細(xì)。

圖7 負(fù)泊松比蜂窩筏架截面Fig.7 Profile of honeycomb mounting

浮筏下設(shè)有基座，基座的面板腹板及肘板的厚度均為10 mm。該物探船船裝備的4臺(tái)主發(fā)電機(jī)沿船中對(duì)稱分布，機(jī)組橫跨船體14個(gè)肋位，重心高度為1 280 mm。為研究此負(fù)泊松比浮筏結(jié)構(gòu)是否具有足夠的承載強(qiáng)度，單個(gè)發(fā)電機(jī)的重量為19 t，本文運(yùn)用MSC/Nastran軟件計(jì)算了浮筏在柴油機(jī)組靜載荷作用下的靜變形及靜應(yīng)力，浮筏結(jié)構(gòu)的最大Von-Mises應(yīng)力為33.5 MPa，最大垂向位移為8.33 mm。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足使用要求。

將該浮筏系統(tǒng)應(yīng)用于此物探船，全船有限元模型及其主發(fā)電機(jī)-浮筏-基座-船體系統(tǒng)的有限元模型如圖8和圖9所示。主發(fā)電機(jī)激振力為運(yùn)行工況為滿載出港工況下，給定的激勵(lì)頻率范圍為10～100Hz（1/3倍頻程）的主發(fā)電機(jī)通過隔振器傳遞到機(jī)腳的振動(dòng)加速度級(jí)。其中，機(jī)腳號(hào)#1～#10為每臺(tái)柴油機(jī)的左右2排對(duì)稱的10個(gè)機(jī)腳，機(jī)腳位置如圖10所示。

圖8 全船的有限元模型Fig.8 Full ship finite element model

圖9 浮筏-基座-船體系統(tǒng)Fig.9 Floating raft-foundation-hull system

圖10 主發(fā)電機(jī)機(jī)腳位置Fig.10 Mounting points of diesel-powered generator sets

根據(jù)所給振動(dòng)加速度級(jí)轉(zhuǎn)化后，得到所施加的主發(fā)電機(jī)機(jī)腳的激振加速度如表4所示。

在對(duì)應(yīng)浮筏的機(jī)腳處施加上述加速度激勵(lì)，系統(tǒng)模態(tài)阻尼取0.02，對(duì)浮筏的振動(dòng)性能與原船基座進(jìn)行對(duì)比研究。減振性能評(píng)估采用振級(jí)落差衡量。為防止部分局部點(diǎn)振動(dòng)帶來的誤差，船底板的評(píng)價(jià)點(diǎn)全部取在船底板骨材上，加速度參考級(jí)為a0=10-6m/s2。

圖11給出了船底板加速度振級(jí)，相對(duì)于原船主發(fā)電機(jī)彈性安裝于剛性基座上，除了在20 Hz附近的振動(dòng)強(qiáng)度接近以外，10 Hz以下船底板的振動(dòng)都有6～10 dB的減小。而隨著頻率的增大，在100 Hz處，船底板加速度振級(jí)有35 dB的削減，體現(xiàn)出負(fù)泊松比蜂窩浮筏的高隔振性能。

表4 主發(fā)電機(jī)機(jī)腳激振加速度數(shù)據(jù)表（mm/s2）Tab.4 Data sheet of main engine foot exciting acceleration（mm/s2）

圖11 船底板加速度振級(jí)/dBFig.11 Acceleration level of stern bottom plate

在船舶各層甲板選取典型艙室，分析比較負(fù)泊松比蜂窩浮筏以及原始基座下各艙室噪聲總聲壓級(jí)（見表2）。

通過對(duì)比原始基座與負(fù)泊松比蜂窩浮筏隔振下各艙室噪聲的噪聲值，除了機(jī)艙附近艙室噪聲總聲壓級(jí)均較為接近，船上其他艙室噪聲級(jí)在使用負(fù)泊松比蜂窩浮筏后，相比于原始基座安裝方式，噪聲級(jí)有著3～15 dB的削減。此時(shí)，原船噪聲級(jí)位于CCS噪聲舒適性等級(jí)2限值邊界處的艙室聲級(jí)均得到了有效的降低。結(jié)果顯示船上應(yīng)用負(fù)泊松比蜂窩浮筏具有較好的隔振效果，可以顯著減小因結(jié)構(gòu)聲引起的艙室噪聲。圖12與圖13分別給出了最上層駕駛甲板駕駛室與機(jī)艙內(nèi)集控室在10～10 000 Hz（1/3倍頻程）下的艙室噪聲級(jí)。

該船主發(fā)電機(jī)組利用負(fù)泊松比蜂窩浮筏隔振后，可有效隔離200 Hz以下的結(jié)構(gòu)噪聲從而改善船上艙室的中低頻艙室噪聲，但對(duì)200 Hz以上頻段的艙室噪聲沒有顯著的改善。

圖12 駕駛室艙室噪聲/dBAFig.12 Sound pressure level of navigation room

圖13 集控室艙室噪聲/dBAFig.13 Sound pressure level of engine control room

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)某型物探調(diào)查船結(jié)構(gòu)及機(jī)器布置特點(diǎn)，建立全船噪聲預(yù)報(bào)數(shù)值模型，考慮合適的噪聲源，對(duì)全船艙室噪聲開展預(yù)報(bào)分析工作。針對(duì)該船艙室噪聲中結(jié)構(gòu)噪聲貢獻(xiàn)率高的特點(diǎn)，探討了負(fù)泊松比蜂窩浮筏在該船艙室噪聲控制上的應(yīng)用，結(jié)論如下：

1）該船整體噪聲水平控制良好，經(jīng)數(shù)值模型預(yù)報(bào)，船上所有艙室噪聲等級(jí)滿足中國(guó)船級(jí)社（CCS）噪聲舒適度等級(jí)2級(jí)要求，部分艙室噪聲水平位于標(biāo)準(zhǔn)邊界處，有噪聲超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)，但風(fēng)險(xiǎn)可控。后續(xù)實(shí)船測(cè)試該船振動(dòng)與噪聲實(shí)際達(dá)到中國(guó)船級(jí)社（CCS）舒適度等級(jí)2級(jí)要求，處于國(guó)內(nèi)調(diào)查船舒適度領(lǐng)先水平。

2）利用統(tǒng)計(jì)能量分析模型對(duì)物探調(diào)查船上艙室開展噪聲源貢獻(xiàn)率分析。分析發(fā)現(xiàn)，由于物探調(diào)查船聲源及總體布置有其特點(diǎn)，船上多數(shù)艙室噪聲的主要噪聲貢獻(xiàn)源的主發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)噪聲。

3）針對(duì)主要噪聲貢獻(xiàn)來源為船舶動(dòng)力機(jī)械結(jié)構(gòu)噪聲的艙室，應(yīng)用負(fù)泊松比蜂窩浮筏能夠?qū)ε撌以肼暜a(chǎn)生3～15 dB的削減，但對(duì)于主要噪聲貢獻(xiàn)來源非船舶動(dòng)力機(jī)械結(jié)構(gòu)噪聲的艙室，負(fù)泊松比蜂窩浮筏降噪作用不明顯，應(yīng)采取其他方法降低艙室噪聲。