科考船水下輻射噪聲的控制措施分析與應(yīng)用

陸小科， 鄒麗榕， 陳曉彬， 李江波

(中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東 廣州510715)

0 引 言

作為科考船核心能力，水下輻射噪聲指標是科考船至關(guān)重要的性能指標之一，影響科考船水下定位、測量設(shè)備的使用和測量結(jié)果。以某型科考船為載體，從船廠建造施工角度出發(fā)，研究如何建造水下輻射噪聲性能優(yōu)良的科考船。

水下輻射噪聲控制是一個系統(tǒng)性工程，包含設(shè)備選型、型線與結(jié)構(gòu)設(shè)計、噪聲計算、建造過程中的減振降噪工藝措施落實等。在整體上提升船舶振動噪聲控制的技術(shù)水平，一方面應(yīng)深入分析噪聲源的特點，根據(jù)噪聲成因提出有針對性的解決措施，另一方面應(yīng)綜合考慮環(huán)境、工程應(yīng)用背景及成本等因素[1]。船廠從工程項目施工的角度考慮，主要應(yīng)在措施有效性、施工便利性、成本可控性等關(guān)鍵要素的組合與互補方面，整合建造階段的控制措施，整體控制全船水下輻射噪聲水平。

1 水下輻射噪聲源分析

水下輻射噪聲按常規(guī)的“振動源強度估算-傳遞路徑分析-接受點能量計算”方法分析[2]，該型科考船水下輻射噪聲源包含機械噪聲、推進器噪聲和水動力噪聲等，傳遞路徑為船體結(jié)構(gòu)、空氣介質(zhì)和海水介質(zhì)。為預(yù)報11 kn自由航行工況下的全船水下輻射噪聲，需要分別計算水動力噪聲、機械噪聲、推進器噪聲及艙室空氣噪聲，上述4個分量的噪聲通過能量疊加得到全船水下輻射噪聲，結(jié)果如表1和圖1所示。

圖1 聲壓譜源級與限值線對比

表1 某型科考船全船水下輻射噪聲總級 dB

由表1可知：在11 kn工況下，16 Hz～10 kHz帶寬內(nèi)的水下輻射噪聲部分頻段計算值與限值線比較接近。影響全船水下輻射噪聲的主要噪聲源是推進器(見圖2)，其次是機械噪聲(見圖3)，機械噪聲主要噪聲源為3 000 kW柴油發(fā)電機組。具體的推進器噪聲和機械噪聲控制點需要從相應(yīng)噪聲源的水下輻射噪聲分量風險區(qū)方面進行分析。

圖2 推進器噪聲分量

圖3 機械噪聲分量

由推進器水下輻射噪聲分析可看出：該船推進器輻射噪聲分量主要來自推進器直接輻射噪聲，該部分噪聲主要由推進器本身的水動力性能決定，推進器振動引起的噪聲分量主要風險點在250 Hz以下區(qū)域；機械噪聲水下輻射噪聲分量在800 Hz以下接近或超過140 dB，是對全船水下輻射噪聲影響較大的風險區(qū)，應(yīng)該重點對該頻段進行有效控制。

2 減振降噪措施分析

在實際項目執(zhí)行過程中，設(shè)計方根據(jù)該船水下輻射噪聲指標要求和噪聲源的分析結(jié)果，對推進器噪聲、機械噪聲、水動力噪聲、空氣噪聲等提出全面的控制措施?？刂品秶m較全面，但施工量較大，工作重點不夠明確，不利于船廠的進度和成本管控及整個項目資源的合理調(diào)配。因此，有必要分析該型科考船整個減振降噪工作的重點和要點，整合項目資源，有效降低全船水下輻射噪聲水平。

2.1 推進器噪聲控制措施分析

根據(jù)推進器噪聲源分析，推進器噪聲主要由槳葉旋轉(zhuǎn)運動引起的直接輻射噪聲及推進器激勵艉部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的噪聲。具體控制措施分析如下：

(1)對艉部型線進行優(yōu)化。通過優(yōu)化外艉部型線，控制來流的均勻性，減少水流變化造成的推進器直接輻射噪聲。工作重點是基本設(shè)計階段的船型設(shè)計，在船廠建造階段主要是保證船體結(jié)構(gòu)制作滿足設(shè)計要求，船廠優(yōu)化空間較小。

(2)保證推進器在聲學考核工況運轉(zhuǎn)時不出現(xiàn)空泡。通過選擇合適的推進器和對螺旋槳進行優(yōu)化設(shè)計，控制推進器直接輻射噪聲，工作重點是基本設(shè)計階段的推進器選型及螺旋槳優(yōu)化設(shè)計，在船廠建造階段主要是保證推進器的安裝滿足設(shè)計要求，船廠優(yōu)化空間較小。

(3)基座結(jié)構(gòu)和局部結(jié)構(gòu)強度設(shè)計。通過設(shè)備基座和船體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，優(yōu)化船體結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量和阻尼特性等動力學參數(shù)，提升設(shè)備支持結(jié)構(gòu)的阻振質(zhì)量。該措施的輸入條件是推進器運行的振動特性，根據(jù)推進器的振動特性，在詳細設(shè)計階段設(shè)計基座的型式和阻抗，在船廠建造階段需要重點保證結(jié)構(gòu)裝配和設(shè)備安裝精度。

由推進器噪聲控制措施分析可看出：在推進器噪聲控制措施方面，建造階段核心是提高基座區(qū)域的阻抗值，即在允許的條件下盡可能提高推進器基座及周邊區(qū)域結(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)量，同時通過安裝精度的控制盡可能保證推進器在設(shè)計狀態(tài)下運行。

2.2 機械振動噪聲控制措施分析

機械噪聲源包括推進電機、柴油發(fā)電機組、大功率海水泵、機艙風機等動力設(shè)備，集中在機艙、輔機艙、推進電機艙、風機室等艙室，通過基座與非支撐件激勵船體振動并向水下輻射噪聲。根據(jù)噪聲源分析，該型科考船機械振動噪聲對水下輻射噪聲影響較大，同時是船廠可有效控制的重要水下輻射噪聲源。機械設(shè)備的種類和數(shù)量較多，對水下輻射噪聲的影響差別較大，因此針對機械噪聲的控制措施較多。具體控制措施分析如下：

(1)振源設(shè)備指標分解。振源設(shè)備振動特性是機械噪聲根源，選擇合適設(shè)備可有效降低減振降噪方案難度。振源設(shè)備指標分解是根據(jù)水下輻射噪聲限值指標要求，將振動噪聲指標分解至每項設(shè)備振動噪聲要求的過程。但在實際操作過程中，過高的指標要求會帶來訂貨成本大幅增加及設(shè)備技術(shù)談判過程艱難等問題，不合理分解可能得不償失。船廠采購原則是選擇在市場上振動噪聲性能較好的設(shè)備，并根據(jù)同型號設(shè)備振動噪聲經(jīng)驗數(shù)據(jù)對設(shè)備制造質(zhì)量進行要求，根據(jù)設(shè)備的振動噪聲經(jīng)驗數(shù)據(jù)及振動噪聲分解指標進行相應(yīng)的隔振設(shè)計，而不是糾結(jié)于不切實際的要求。

(2)振源設(shè)備隔振設(shè)計。在振源設(shè)備指標分解后，需要根據(jù)振源設(shè)備對水下輻射噪聲的貢獻程度選擇和設(shè)計振源設(shè)備隔振方式，常規(guī)的有單層隔振、雙層隔振及浮筏隔振等。發(fā)電機組正常選擇雙層隔振，在有條件的情況下可選擇隔振性能更好的浮筏隔振；其他大功率水泵等可選擇浮筏隔振；功率和影響較小的設(shè)備選擇單層隔振。以往研究表明：單層隔振效率一般在10～20 dB；雙層隔振效率優(yōu)于單層隔振裝置，可達30～40 dB；浮筏隔振效率略低于通常的雙層隔振，但其可以較輕的質(zhì)量換取合適的隔振效果。由于該型科考船空間緊湊、質(zhì)量控制要求高，因此選擇浮筏隔振可進一步減小船舶振動噪聲。船廠在隔振設(shè)計中應(yīng)平衡質(zhì)量和成本，選擇綜合成本和效果較好的方案。

(3)基座結(jié)構(gòu)阻尼處理?；Y(jié)構(gòu)阻抗是設(shè)備減振基礎(chǔ)，設(shè)備安裝區(qū)域的結(jié)構(gòu)在設(shè)計上固有頻率必須與激勵頻率錯開，避免發(fā)生共振；提高設(shè)備基座結(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)量，可提高其機械阻抗，減少設(shè)備振動能量向船體傳遞。船廠在施工過程中可在結(jié)構(gòu)聲傳遞路徑上設(shè)置不連續(xù)以抑制結(jié)構(gòu)聲傳遞的方法[3]，提高結(jié)構(gòu)阻抗。船舶機電設(shè)備主激勵頻率通常在1 kHz以下[3]，而阻尼對振動能量的吸收效果往往正比于振動速度，在振動速度不明顯區(qū)域基本不起效果。大面積敷設(shè)阻尼不僅會額外增大船舶質(zhì)量及影響艙容，同時大幅增加建造成本。根據(jù)噪聲源分析，高頻噪聲傳遞特性及其他國外機構(gòu)如挪威船級社(DNV)關(guān)于水下輻射噪聲的建議措施，阻尼基本在距離設(shè)備較近位置，一般在設(shè)備基座處敷設(shè)基本可達到較好效果，大面積阻尼敷設(shè)不利于水下輻射噪聲控制的費效比。

(4)設(shè)備隔振安裝。設(shè)備隔振安裝是減振降噪措施的落實，具體包括設(shè)備和材料驗收、設(shè)備基座檢驗、支架檢查、隔振器布置和安裝等，整個措施的核心是必須嚴格執(zhí)行設(shè)備隔振的施工工藝，防止與其他設(shè)備、管路和船體短路，同時保證隔振裝置性能。

(5)管路隔振安裝。管路振動多為中高頻振動，來源于管內(nèi)流體空化[4]。中高頻噪聲傳播距離較小，對船舶總體輻射噪聲雖有一定影響，但其衰減較快且多呈現(xiàn)為船體局部振動聲輻射現(xiàn)象，對船舶總體輻射噪聲的貢獻較為有限。由于具有中高頻特征及分布范圍廣泛的特點，管路振動噪聲是船舶自噪聲的主要來源，為保證聲學設(shè)備正常工作，管路振動噪聲控制是重要的工作內(nèi)容。機械振動激勵傳遞可通過撓性接管進行有效控制，而由流體激勵產(chǎn)生的中高頻噪聲可通過少安裝閥門、加大彎管半徑、降低管路內(nèi)介質(zhì)流速及合理確定布設(shè)閥門位置等措施進行有效控制。管路振動噪聲通過固定管路碼腳傳遞，在全頻段范圍，碼腳振動加速度級比基座高7～10 dB；在中高頻段，碼腳振動加速度級比基座高15 dB以上[5]。根據(jù)該特性，對應(yīng)的減振措施包括碼腳設(shè)計應(yīng)具備足夠的剛度、帶隔振效果的管碼、合理的管路結(jié)構(gòu)等。需要在前期制訂正確的管路設(shè)計原則和正確的施工工藝，并在建造施工中嚴格實施。

由機械振動噪聲控制措施分析可看出：機械噪聲控制是船廠在整個水下輻射噪聲控制工作中的重點，無論是設(shè)備采購、基座設(shè)計還是設(shè)備和管路安裝，涉及范圍、流程、工藝均較廣，尤其是阻尼材料施工范圍可能與設(shè)計方存在較大分歧，對全船質(zhì)量和成本影響較大。

2.3 水動力噪聲控制措施分析

水動力噪聲由水流流經(jīng)船體濕表面產(chǎn)生的湍流脈動壓力激勵船體振動產(chǎn)生的噪聲及通海管路流體脈動向水下輻射的噪聲。在考核航速下水動力噪聲對全船水下輻射噪聲貢獻量不大，僅從水下輻射噪聲角度無須采取有針對性的降噪措施。但水動力噪聲對聲吶自噪聲貢獻量則需要考慮，特別是艏部型線和流場、艏部氣泡抑制等對聲吶自噪聲影響較大。具體控制措施分析如下：

(1)艏部和船體型線優(yōu)化。針對在船體航行過程中產(chǎn)生的氣泡進行艏部和船體型線優(yōu)化，可減小艏部氣泡生成和抑制氣泡倒沖，主要工作集中在詳細設(shè)計階段，船廠優(yōu)化空間較小。

(2)船體結(jié)構(gòu)局部加強。針對水動力噪聲與結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的共振，足夠強度的結(jié)構(gòu)設(shè)計有利于降低紊流壓力脈動強度增大處的噪聲輻射，主要工作集中在詳細設(shè)計階段的結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，船廠主要工作是在按圖施工基礎(chǔ)上增加結(jié)構(gòu)強度，提升空間不大。

(3)艏部區(qū)域開孔減小。針對船體開孔在航行狀態(tài)下容易產(chǎn)生氣泡的情況，減小艏部區(qū)域開孔，如減小艏部推進裝置底板合龍間隙。船廠主要工作是在生產(chǎn)設(shè)計過程中避免在影響聲學導(dǎo)流罩的區(qū)域開孔，在無法避免的情況下應(yīng)盡可能減小開孔尺寸。

由水動力噪聲控制措施分析可看出：水動力噪聲優(yōu)化主要目標是控制聲吶部位自噪聲，可通過型線優(yōu)化、結(jié)構(gòu)加強、開孔設(shè)計等減少自噪聲，船廠需要根據(jù)自噪聲要求對聲吶平臺區(qū)域采取有針對性的改進措施。

2.4 其他噪聲控制措施分析

除上述水下輻射噪聲控制措施外，還有一些針對艙室空氣噪聲分量的控制措施，如在機艙區(qū)域設(shè)置吸聲板、隔聲罩，其目的是減小機艙空氣噪聲，同時減小機艙空氣噪聲對水下輻射噪聲的影響。根據(jù)噪聲源影響分析，是否設(shè)置吸聲板和隔聲罩并不會對考核工況下的水下輻射噪聲造成較大影響，但其施工難度反而會對整個建造過程的工序和進度造成嚴重影響，并產(chǎn)生較大的空間和經(jīng)濟成本。

3 實測結(jié)果對比分析

某型科考船水下輻射噪聲的重點風險點是800 Hz以下頻段，振動噪聲控制措施重點針對該頻段。實船建造完成，根據(jù)規(guī)范要求對水下輻射噪聲進行驗證，具體結(jié)果如圖4所示。

圖4 某型科考船水下輻射噪聲實測值

由實測結(jié)果可看出：一方面，全船水下輻射噪聲在1 000 Hz以下，尤其是在400 Hz以下，測試結(jié)果比計算值下降較為明顯，說明減振降噪措施針對性較強，達到預(yù)期目的；另一方面，水下輻射噪聲測試結(jié)果與計算值有一定偏差，尤其是在400 Hz以下，部分頻段偏差較大，整體方案存在優(yōu)化空間。

4 結(jié) 論

通過上述分析，得出結(jié)論如下：

(1)推進器噪聲對水下輻射噪聲影響較大，但船廠的有效措施僅限于提高基座結(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)量。

(2)機械噪聲控制是船廠在整個水下輻射噪聲控制工作中的重點。

(3)管路振動噪聲對水下輻射噪聲影響相對有限，但卻是自噪聲主要來源，需要進行有效控制。

(4)從水下輻射噪聲控制整體收益來看，在確保艙室空氣噪聲滿足限值要求的情況下，可適當縮減艙室空氣噪聲控制成本占比。

隨著近年來國內(nèi)科考船的任務(wù)需求提高，關(guān)于水下輻射噪聲的建造要求越來越高，一味加大減振降噪措施投入不僅不利于全船綜合性能提升，而且不利于全船建造成本控制。通過某型科考船減振降噪措施有針對性的分析與綜合應(yīng)用實船測試結(jié)果對比，說明合理整合減振措施非常必要，只有通過系統(tǒng)性分析，綜合考慮環(huán)境和經(jīng)濟因素，進行客觀取舍，才能達到較優(yōu)的綜合效果。