船舶噪聲產(chǎn)生的原因及其控制措施

張 明

（中國船級社實業(yè)有限公司 南京分公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

船舶航行、錨泊或?？看a頭時產(chǎn)生的噪聲直接影響到船上船員的身體健康和工作狀態(tài)，也會對內(nèi)河水域沿岸居民造成一定的影響。船舶噪聲振動會對船舶結(jié)構(gòu)造成持續(xù)的疲勞破壞，影響船舶的航行安全和使用壽命。國際海事組織（IMO）早在1981年通過了A.468（XII）決議，限定了船上的噪聲級，隨后又在2012年以MSC.338(91)決議通過SOLAS修正案。該修正案中新增II-1/3-12條噪聲防護(hù)，將《船上噪聲等級規(guī)則》作為強(qiáng)制要求，并于2014年7月1日生效實施。MSC.338(91)決議對船員生活和工作區(qū)域噪聲要求做出了較大改動，為船員在休息、娛樂和其他處所提供一種可接受的舒適環(huán)境。面對更加嚴(yán)格的噪聲標(biāo)準(zhǔn)，如何從船舶設(shè)計、建造過程中減振降噪，是有必要且有意義的。

1 船舶噪聲源

船舶噪聲振動源繁多，噪聲強(qiáng)度大，頻譜成分復(fù)雜，主要包括：1）機(jī)械設(shè)備聲源，包括主機(jī)以及發(fā)電機(jī)組、空調(diào)、風(fēng)機(jī)、液壓設(shè)備和帶泵的設(shè)備等輔機(jī)；2）流體動力聲源，包括螺旋槳脈動壓力、空泡，興波，渦流等；3）空氣動力聲源，發(fā)動機(jī)進(jìn)、排氣，通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)排氣和渦流等。船艙噪聲源流程圖，如圖1所示。

圖1 船艙噪聲源流程圖

2 噪聲傳播途徑

2.1 螺旋槳引起的振動和噪音通過船體結(jié)構(gòu)傳播

螺旋槳在船尾部或首部附近運轉(zhuǎn)時，由于槳葉周圍伴流不均勻，各槳葉在轉(zhuǎn)動時壓力隨伴流的變化而變化，導(dǎo)致槳葉上受到的力不相等且呈現(xiàn)周期性變化，由此形成的力矩和合力也呈現(xiàn)周期性變化，并通過軸和軸承傳導(dǎo)給船體結(jié)構(gòu)，引起結(jié)構(gòu)的振動。螺旋槳轉(zhuǎn)動時引起螺旋槳附近水壓力產(chǎn)生脈動，作用在船體表面即為脈動壓力，使得螺旋槳附近的船外板上產(chǎn)生周期性變化的壓力，激起船體尾部、上層建筑和局部振動，甚至形成共振產(chǎn)生噪聲，向船舶其他區(qū)域傳播。

2.2 機(jī)械設(shè)備引起的振動和噪聲通過船體結(jié)構(gòu)和空氣傳播

對于貨船而言，機(jī)艙中產(chǎn)生振動噪聲的最大設(shè)備是船舶主機(jī)。柴油機(jī)活塞在氣缸燃燒產(chǎn)生的混合氣體的推動作用下，通過連桿、活塞桿、曲軸、軸承傳遞運動從而激發(fā)機(jī)械振動。此種振動會通過主機(jī)座傳導(dǎo)至與之相連的船體結(jié)構(gòu)上，引起該區(qū)域的船體結(jié)構(gòu)的振動，并向其他地方遞減式傳播，產(chǎn)生噪聲。柴油機(jī)燃燒過程中，進(jìn)氣、排氣和增壓系統(tǒng)氣壓的變化也會引起空氣動力性噪音在艙室內(nèi)傳播。機(jī)艙、輔機(jī)艙里的其他柴油機(jī)、電動機(jī)等動力設(shè)備在工作時不可避免會產(chǎn)生機(jī)械振動與噪聲，通過設(shè)備基座向船體結(jié)構(gòu)傳播，特別是當(dāng)設(shè)備與基座及船體結(jié)構(gòu)剛性安裝時，振動影響更強(qiáng)烈。振動產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)噪聲通過鋼的傳播，能量損失較少，會傳遞至離振源較遠(yuǎn)的艙室，需要重點控制。另外一種是由設(shè)備正常工作時表面振動引起的噪聲通過空氣在艙室內(nèi)傳播[1]。

2.3 通風(fēng)系統(tǒng)引起的噪聲通過空氣傳播

通風(fēng)系統(tǒng)引起的噪聲是風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的機(jī)械噪聲和引起空氣渦流形成的噪聲，通過空氣進(jìn)行傳播。空氣在通風(fēng)管道內(nèi)流動過程中，因壓力的變化，導(dǎo)致風(fēng)管振動產(chǎn)生噪聲，通過空氣進(jìn)行傳播。通風(fēng)管道的進(jìn)出風(fēng)口通常裝有由穿孔的板或?qū)~構(gòu)成的格柵，也會產(chǎn)生噪聲，通過空氣進(jìn)行傳播。

3 控制措施

3.1 針對螺旋槳的減振降噪措施

1）優(yōu)化螺旋槳附近船體線型。在船舶設(shè)計階段，應(yīng)對螺旋槳推進(jìn)性能、阻力、激勵進(jìn)行綜合權(quán)衡，優(yōu)化螺旋槳前方橫剖面形狀（如采用U型船尾），螺旋槳周圍伴流場均勻分布，可有效降低螺旋槳激勵，從而起到減振降噪的效果。延長分水踵、加裝尾流隧道、加裝尾鰭、安裝旋渦發(fā)生器也可以降低因伴流場不均勻而引起的螺旋槳激勵，起到減振降噪的作用。

2）在螺旋槳外面安裝導(dǎo)流罩。導(dǎo)流罩可以起到平穩(wěn)分布伴流的作用，使螺旋槳受到的一部分負(fù)荷轉(zhuǎn)移到導(dǎo)流罩上，從而減小螺旋槳空泡的產(chǎn)生和軸承負(fù)荷，有效減少螺旋槳的振動與噪聲，還可以提高螺旋槳的推進(jìn)效率。

3）盡可能加大船體外板與螺旋槳之間的間隙。螺旋槳與周圍船體外板間的間隙應(yīng)盡可能加大，這樣因螺旋槳產(chǎn)生的對船板表面的脈動壓力可以被有效降低，起到減振降噪作用。當(dāng)無法增大船體外板與螺旋槳之間的間隙時，也可采用在螺旋槳上方的船體結(jié)構(gòu)上開設(shè)避振穴來減弱螺旋槳作用在船體外板上的表面力，從而減小船舶尾部結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)。

4）合理選擇螺旋槳葉數(shù)。隨著螺旋槳葉數(shù)的增加，螺旋槳直徑會減小，葉梢間隙會加大，螺旋槳引起的脈動壓力會下降。同時也考慮伴流場的各次諧波分量，配合大傾斜的螺旋槳可以有效減小螺旋槳軸承受力和表面受力。最終避免螺旋槳軸的振動和船體結(jié)構(gòu)的局部共振，形成有效的減振降噪措施。

5）敷設(shè)阻尼材料。在螺旋槳上方船底板處、尾艙壁上敷設(shè)阻尼材料，利用阻尼材料在約束船體振動過程中，其內(nèi)部會產(chǎn)生彎曲、拉伸、剪切等變形，可以將船體結(jié)構(gòu)的振動能轉(zhuǎn)換成阻尼材料的摩擦熱能，有效地起到減振降噪的作用。

3.2 針對機(jī)艙、輔機(jī)艙機(jī)械設(shè)備的減振降噪措施

1）增加設(shè)備機(jī)座的剛性和尺寸。理論上當(dāng)設(shè)備機(jī)座的剛度足夠大時，可以使設(shè)備機(jī)座的振動趨于0，提高設(shè)備機(jī)座的剛性可以有效降低由機(jī)器設(shè)備傳導(dǎo)來振動。增加設(shè)備機(jī)座的尺寸，則可以有效降低機(jī)座振動的幅度。當(dāng)然，機(jī)座的尺寸和剛性也不可能無限制的增加，還需要滿足機(jī)艙、輔機(jī)艙內(nèi)的布置和船舶經(jīng)濟(jì)性的需要。

2）設(shè)備與機(jī)座采用彈性支撐和彈性連接。主要設(shè)備與機(jī)座之間采用橡膠減振器或金屬浮筏隔振器彈性支撐連接，普通設(shè)備與機(jī)座之間采用橡膠減振器或小型金屬隔振器彈性連接。金屬隔振器價格較貴，高溫下不易變形，且耐油抗水，維護(hù)簡單，橡膠隔振器不易塑性變形且價格便宜，高溫下可燃、彈性變差、易老化。所以要根據(jù)不同船舶的經(jīng)濟(jì)性需求，合理選擇金屬隔振和橡膠減振措施。

3）敷設(shè)阻尼材料。在主要設(shè)備機(jī)座面板和腹板處、機(jī)艙壁處、機(jī)艙頂甲板處等位置敷設(shè)阻尼材料，阻尼材料在約束船體振動過程中，其內(nèi)部會產(chǎn)生彎曲、拉伸、剪切等變形，可以將船體結(jié)構(gòu)的振動能轉(zhuǎn)換成阻尼材料的摩擦熱能，從而降低機(jī)座振動和噪聲的傳播[2]。

圖2 發(fā)電機(jī)減振降噪措施

4）主機(jī)機(jī)架增加支撐。為了減少和防止機(jī)架橫向振動，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)和空氣噪音，可以在主機(jī)頂部增加橫向支撐。橫向支撐可以有效地增加機(jī)體的剛度，提高其固有頻率，防止主機(jī)在額定轉(zhuǎn)速附近產(chǎn)生低諧次的共振，進(jìn)而降低整個系統(tǒng)的振幅，在很大程度上起到減振降噪的效果。

5）盡量選用低噪聲的設(shè)備。為從源頭上降低機(jī)艙、輔機(jī)艙產(chǎn)生的總噪聲，在設(shè)備選型時，盡量選用新型號低噪聲的設(shè)備。

6）采用吸聲結(jié)構(gòu)。將膠合板、硬質(zhì)纖維板或金屬板等周邊固定在金屬框架上，在板后形成一定厚度的空氣層，這就是薄板共振吸聲結(jié)構(gòu)。在空氣層中沿龍骨架四周襯貼一些多孔性材料，如玻璃棉、泡沫塑料等，可提高吸聲性能。還有穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)，在金屬板、薄木板上穿以一定的孔，板后留有一定厚度的空氣層，可對入射的聲波產(chǎn)生共振吸收，在空腔內(nèi)填多孔吸聲材料，并將其緊貼穿孔板填充，可提高吸聲性能。

7）使用隔聲罩。設(shè)備振動發(fā)出的噪聲，一部分產(chǎn)生空氣噪聲，另一部分形成結(jié)構(gòu)噪聲。解決設(shè)備振動產(chǎn)生的空氣噪聲，可以采用便于拆裝的穿孔板將機(jī)械設(shè)備罩住，在罩內(nèi)部表面盡量多的敷設(shè)吸聲材料，形成隔聲罩。解決設(shè)備振動產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)噪聲，可以在底座與罩殼之間采用彈性連接。

3.3 針對通風(fēng)系統(tǒng)的減振降噪措施

1）采用低噪聲指標(biāo)的風(fēng)機(jī)。從源頭降低噪音，選用帶有吸音阻尼材料的螺旋風(fēng)管，或者在矩形風(fēng)管外包敷吸音阻尼材料，以及大型結(jié)構(gòu)風(fēng)道內(nèi)敷設(shè)減振降噪的阻尼材料，可以有效抑制結(jié)構(gòu)振動及噪聲傳播。

2）優(yōu)化管路布置，減少空氣噪聲。通過在通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置靜壓箱，風(fēng)道管徑變化處合理過渡，設(shè)置閥門，進(jìn)、出風(fēng)口處設(shè)置格柵，室內(nèi)空調(diào)出風(fēng)口安裝布風(fēng)器，均可有效降低噪聲[3]。

3.4 合理布置生活區(qū)艙室

艙室布置的基本原則是工作處所、居住處所、生活娛樂處所等應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離噪聲源。通常將船員的工作艙室與居住艙室盡可能不布置于主甲板區(qū)域，應(yīng)遠(yuǎn)離機(jī)艙、煙囪等高噪?yún)^(qū)域。在居住艙室和機(jī)艙棚之間應(yīng)設(shè)置盥洗室、儲藏室、走道等作為噪聲緩沖區(qū)。通風(fēng)系統(tǒng)、煙囪的排氣口應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離和背向橋樓和居住艙室，面向煙囪的上層建筑出口應(yīng)設(shè)置隔聲門。甲板、艙壁、天花板、門窗等結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)有足夠的剛度，以免引起共振。應(yīng)設(shè)置獨立的機(jī)艙集控室或值班室，安裝的門應(yīng)為隔音門，讓值班船員免受高噪聲傷害。

4 振動噪音實船數(shù)據(jù)測量

船舶設(shè)計過程中，進(jìn)行噪聲源貢獻(xiàn)量分析與噪聲控制指標(biāo)分解時，可以利用已建成的母型船舶的艙室噪聲測試數(shù)據(jù)，依據(jù)目標(biāo)船舶技術(shù)狀態(tài)的變化，綜合比較分析確定艙室噪聲設(shè)計指標(biāo)的量化分配，或者根據(jù)經(jīng)驗公式估算主要噪聲源貢獻(xiàn)量分析與噪聲控制指標(biāo)分解。再根據(jù)設(shè)備、元器件及減振降噪措施的現(xiàn)有技術(shù)水平，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性，制定合理的減振降噪方案。

船舶建造完工后，一般會對海上試航、高噪聲設(shè)備運行以及港內(nèi)作業(yè)工況下進(jìn)行噪聲級測量，來驗證設(shè)計方案的實際效果，對于測試結(jié)果不達(dá)標(biāo)的艙室，還需要有針對性地進(jìn)行修改，使其滿足設(shè)計要求。

海上試航噪聲測量時主機(jī)功率應(yīng)不小于最大持續(xù)額定功率的80%，所有船舶正常航行及工作狀態(tài)下所需的機(jī)械設(shè)備、航行儀器、無線電和雷達(dá)裝置等都已經(jīng)處于其相應(yīng)的工作狀態(tài)，且整個測量過程中這些設(shè)備都應(yīng)保持此種狀態(tài)。應(yīng)急設(shè)備如應(yīng)急發(fā)電機(jī)、應(yīng)急消防泵等都應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)。空調(diào)設(shè)備、加熱和機(jī)械通風(fēng)應(yīng)開啟，其運行時應(yīng)符合設(shè)計條件規(guī)定的輸出功率[4]。

高噪聲設(shè)備如首側(cè)推、減搖裝置、動力定位裝置（DP）或其他可能在工作時產(chǎn)生高聲級噪音的裝置，還需要在高噪聲設(shè)備運行時進(jìn)行附加噪聲測試。首側(cè)推噪聲測量一般在其最大推進(jìn)功率的40%時進(jìn)行，此時船舶采用適合于推進(jìn)器工作狀態(tài)的航速。如果船舶安裝了動力定位裝置（DP），則應(yīng)進(jìn)行DP操作模式下的噪聲測量。

港內(nèi)作業(yè)工況下測試時，為船舶在港內(nèi)作業(yè)提供電力的發(fā)電機(jī)應(yīng)處于運行狀態(tài)，其功率應(yīng)足以維持船舶港內(nèi)作業(yè)，包括貨物裝卸設(shè)備所需電能。機(jī)械通風(fēng)及船舶空調(diào)設(shè)備應(yīng)處于運行狀態(tài)，空調(diào)送風(fēng)及回風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)應(yīng)開啟。

5 結(jié)語

在船舶設(shè)計和建造過程中，可以采用以下方法減振降噪 ：1）優(yōu)化螺旋槳安裝形式或優(yōu)化尾部線型，減少因螺旋槳引起的船體結(jié)構(gòu)振動和噪聲；2）設(shè)備與機(jī)座之間安裝彈性減振裝置，使船體的振動不會傳遞給設(shè)備本身，設(shè)備運行時作為振源也無法向外傳遞振動；3）在合適的位置處敷設(shè)新型阻尼材料，將振動能轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉；4）采用剛性支撐、吸聲材料、振源封閉等多種方式來減振降噪。通過上述措施的綜合應(yīng)用,能夠明顯降低船舶振動噪聲，給船員帶來舒適的環(huán)境。