船舶艙室振動噪聲預報研究進展與趨勢

邱鵬，李國誠

（武警海警學院機電管理系,浙江 寧波 315801）

隨著現(xiàn)代生活水平的提高，人們對船舶的舒適性能的要求越來越高，并且能夠采用相關技術和裝備改善傳統(tǒng)的船舶艙室振動噪聲的弊端[1]。船舶艙室振動噪聲的危害主要有以下幾個方面：①會對聽力產生損傷。特別是機艙的工作人員，由于柴油機的高速旋轉，會帶來劇烈的振動噪聲；②會對交談產生干擾。特別是船舶機艙噪聲級要遠大于語言聲級時，帶來很大的交談困擾；③會對居住性產生一定的干擾。在艙室休息的人員，會受到船舶航行時發(fā)出的振動噪聲的影響，都會有睡眠質量差的困擾，影響次日的精神狀態(tài)[2]；④會對生理有一定的影響。振動噪聲的長時間的刺激存在會讓腦皮層的興奮和抑制產生平衡的失調，帶來的是條件反射的異常，人的腦血管功能也會紊亂，從而產生神經衰弱綜合癥等等，同時也會引起心率加快，血壓升高等不良反應[4]；⑤會對故障警報聲帶來誤判。船舶的較大的振動會造成機器設備的共振等，進而引發(fā)精密儀器的損壞，同時振動噪聲會掩蓋機器故障的警報聲，從而引發(fā)一些后續(xù)的安全事故等；⑥會對船舶隱蔽性能有較大的影響。當前水下潛艇、潛航器、魚雷以及軍艦等，都對隱蔽性能要求較高，但是船舶振動噪聲的影響一直沒有得到本質改善，嚴重影響了軍隊作戰(zhàn)能力和任務的執(zhí)行等。由此可見，船舶的振動噪聲會對船上人員、船舶本身以及任務執(zhí)行等都會產生巨大的危害和影響，因此有必要對船舶振動噪聲的相關問題展開研究。

1 振動噪聲來源

當前，船舶的主要振動噪聲主要歸納為以下幾個來源：一是船舶推進系統(tǒng)帶來的振動噪聲，二是各類機器運轉帶來的噪聲，三是水動力噪聲以及電磁性噪聲等。其中，推進系統(tǒng)的重點噪聲是螺旋槳高速旋轉時發(fā)出的噪聲，機器運轉噪聲包括有柴油機、齒輪、軸承以及泵組等噪聲，水動力噪聲依據(jù)是否有結構振動區(qū)的存在，又分為流噪聲和流激噪聲，當船舶的航行速度達到一定值時，就會在船體局部表面附近發(fā)生空化現(xiàn)象，帶來空泡的噪聲。電磁噪聲是指交變磁場的相互作用，產生周期性的交變力所引起的磁振動帶來的噪聲，如：變電器、發(fā)電機組等產生的噪聲。柴油機和螺旋槳又是船舶振動噪聲中占據(jù)比例最大的，柴油機運轉時，會帶來劇烈的自身振動和軸系的振動，并隨著船用柴油機增壓度的提高，所帶來的噪聲也是越來越大，同時高速船舶的螺旋槳也會隨著轉速的提高，引發(fā)較大的軸系振動噪聲和水動力噪聲[3]。

2 預報方法

（1）振動預報方法。在計算船舶振動時，要先預報船舶振動激勵值，船舶振動激勵值的預報方法主要有現(xiàn)場試驗測量法、理論方法以及經驗預報法等，其中現(xiàn)場試驗測量法，能夠測量結果可靠，但是試驗成本高，操作步驟復雜，理論方法一方面忽略了粘性流的作用，另一方面又因為復雜的計算量不太適用于工程計算?；诮涷灩降姆椒ň惋@得十分便利，特別在螺旋槳的激勵值預報中受到了廣泛的青睞，在船舶的設計階段，大部分是基于經驗公式的方法開展激勵的評估，該方法的特點是簡單方便，效率高，評估精確度誤差在工程要求范圍之內。再通過有限元方法，借助MSC.Patran 軟件平臺建立了船舶的有限元模型，輸入激勵值，在分別加載垂向與水平不同階次的附連水以后，將系統(tǒng)質量陣與剛度陣提交至Nastran 軟件，采用Lanczos 計算方法評估船舶的水平振動與垂向振動模態(tài)特性全船模型，展開船舶振動評估[4]。

（2）噪聲預報方法。主要分為經驗公式方法，有限元法，邊界元法等以及現(xiàn)場測量方法等，其中經驗公式法可參考《船舶噪聲控制》[5]書中提及的方法，該類方法主要是針對某一類船舶而言具有一定的可靠性，對于結構復雜或者不常見類型船舶就缺乏預報準確度。目前，借助采用有限元法進行噪聲預報比較常見，建立全船聲學預報模型，輸入噪聲激勵，確定SEA 參數(shù)，借助VA One 聲學軟件進行噪聲評估，該方法能夠較好地分析噪聲場的分布，同時可進行優(yōu)化設計。邊界元法則是以有限元法為基礎，通Helmholtz 方程推算為邊界積分方程而來。邊界元法對有限元法的不足進行了妥善的處理，在計算船舶艙室噪聲時所必需的工作量方面有了明顯的減少，降低了成本?，F(xiàn)場測量法可采用當下的聲學探頭將噪聲進行現(xiàn)場測量[6]，通過信號轉換器進行聲量的收集和分析，該方法操作簡單，測量結果也有一定的可靠性。

3 控制措施

船舶艙室振動噪聲的控制方法種類較多，從控制艙室噪聲的位置上可分為：振動噪聲源控制、傳播控制和接收控制等[7]。

（1）振動噪聲源控制。例如，在船舶詳細設計時要避免共振現(xiàn)象，其次船舶機器振動帶來的噪聲影響較大，可在建造時添加緩沖基座、裝置隔振器等，可在螺旋槳設計時也要充分考慮脈動壓力、空泡等影響，可選擇振動和噪聲級較低的主機和輔機等，減少振動來源。

（2）傳播控制。實踐中，通過一定的吸聲材料進行噪聲控制，在目前的船舶中，一般是采用多孔的吸聲材料進行聲音的傳播控制，當下常用的材料為顆粒型，纖維型、泡沫型等，也可在氣流通過的地區(qū)加裝消聲器等達到降噪的作用。

（3）接收控制。噪聲的接收者主要分為物和人，一般物可放在具有隔音效果的房間中，避免噪聲沖擊和振動帶來的精密儀器設備的不可挽回的損壞等，人可采用耳塞或者防聲頭盔等屏蔽聲音的輸入[8]。

4 未來趨勢

隨著科技和裝備的快速發(fā)展，當前對于船舶振動噪聲的控制以及船舶隱蔽性的要求都能得到很大的改善。船舶柴油機和螺旋槳運轉帶來的艙室噪聲還是主要來源，占據(jù)了很大的比例，無軸集成電機推進系統(tǒng)的出現(xiàn)，較好地避免了傳統(tǒng)的振動噪聲的出現(xiàn)和發(fā)展，并且已經成功應用在了現(xiàn)代船舶推進中，該推進系統(tǒng)中無軸推進的設計將電流驅動取代了軸系系統(tǒng)帶來的振動，用電力推進替換了傳統(tǒng)的柴油機動力系統(tǒng)，在船舶隱蔽性以及居住性能的改善方面都取得了一定的成就，并且該無軸集成電機推進系統(tǒng)已經引起了國內外眾多學者的研究興趣，也成功研制了一些樣機，隨著今后科技的進步，會得到更充沛的發(fā)展，并有效改善現(xiàn)有的船舶噪聲的弊端和危害[9]。

5 總結

船舶艙室振動與噪聲對于船體結構安全、艙室舒適性能、設備使用性能以及隱蔽性能都有一定的影響和危害。論文總結了振動噪聲的危害、來源、預報方法以及相關的控制措施，并討論了船舶振動噪聲的后續(xù)綠色健康發(fā)展的趨勢，所作船舶振動噪聲領域的深入研究具有十分重要的意義。