船舶低噪聲設計技術研究

周 炎，李國剛，童宗鵬

（711研究所，上海 200090）

0 引 言

船舶主要有三大噪聲源：機械噪聲、水動力噪聲和螺旋槳噪聲，其中由動力裝置引起的機械噪聲是影響船舶舒適度、船舶電子設備可靠性、船員工作環境的最主要噪聲源，水動力噪聲和螺旋槳噪聲的影響相對較弱；機械噪聲也是船舶水下輻射噪聲的主要噪聲源。除了海軍艦船，一些特殊船舶如科考船、物探船等特種工程船舶，常配備大量測量儀器，對振動噪聲信號敏感，船上科研人員眾多，舒適性要求較高，更有豪華郵輪、高檔車客渡輪等船舶對舒適度的高要求，都需要低噪聲環境。為了保護船員及旅客健康和營造舒適的工作、休息的艙室環境，近年來，各國船東對船舶的舒適性要求愈來愈高，世界各船級社也制定了船上振動噪聲舒適性評價指標[1]。

多年來，低噪聲設計在人們思想意識里通常是依托于設備的輔助專業，船舶低噪聲設計缺乏頂層設計，設計技術局限性主要表現在：

1)缺乏振動噪聲指標與船舶性能指標之間的匹配性設計技術，難以把振動噪聲作為主要指標貫穿于船舶設計的整個流程；

2)通常采用局部聲學治理，哪里超標哪里治理，忽視船舶低噪聲設計是一個系統控制工程，缺少對整個系統進行全面而又細致入微的工作，無法改善總體聲學指標；

3)船舶低噪聲設計規范缺失，船舶低噪聲指標落后；

4)船舶低噪聲設計方法陳舊，往往憑經驗進行近似設計，很少在船舶開發階段進行聲學預測設計。

本文提出的船舶低噪聲設計技術是一項綜合設計技術。該項技術主要從降低動力裝置噪聲源、切斷聲傳遞路徑和目標場噪聲處理3個技術途徑出發，應用現代仿真技術和試驗技術，并與船舶的設計、建造、試驗的整個過程緊密結合，建立船舶振動噪聲預估、指標分配、控制方案、評估、實施和測試一整套船舶低噪聲設計流程，顯著改善船舶的低噪聲性能。

1 船舶低噪聲設計方法

1.1 總體思路

船舶低噪聲設計的原則是：源頭控制、傳遞途徑控制、目標場控制。因此，首先需要進行全船的振動噪聲源分析、目標場分析，明確全船所有振動噪聲源，分析每一個聲源的特性、安裝位置、振動噪聲的水平。同時，也必須明確有振動噪聲指標要求的目標場。

船舶低噪聲設計必須與船舶設計、建造和試驗三個階段緊密結合。其中，設計階段的主要任務是總體指標、指標分解、布置、結構、設備選型、設備振動噪聲指標確定、全船噪聲指標控制及平衡等；建造階段的主要任務是確保結構建造中的聲學特性要求、裝船設備的振動噪聲指標驗收、設計中減振降噪技術措施的落實、基座減振處理、艙室降噪施工、管路減振降噪施工、局部減振降噪指標的試驗、減振降噪整改等；試驗階段的主要任務是完成船舶低噪聲設計指標的驗收、后續船舶低噪聲改進設計建議等。技術難點在于低噪聲船舶指標制定、船舶振動噪聲評估和控制，當船舶低噪聲指標和控制方案確定后，就可以制定全船振動噪聲控制大綱，并向船東提交。論文將重點闡述低噪聲船舶指標制定、船舶振動噪聲評估、動力裝置振動噪聲控制和艙室噪聲治理等方法。

1.2 低噪聲船舶指標制定方法

船舶低噪聲指標制定方法的關鍵在于其制定原則，制定原則主要有：

1)滿足標準規范要求，與國際先進水平接軌；

2)滿足旅客舒適性需要，控制旅客艙室、休息室、甲板開放空間等的振動噪聲指標；

3)滿足船員工作和生活需要，控制機艙、控制室、駕駛室、工作間等工作與休息艙室的振動噪聲指標；

4)滿足船舶對振動噪聲的特殊需要，如水下輻射噪聲的控制、電子設備振動噪聲環境需求；

5)考慮船東的要求；

6)擬采取的減振降噪技術的經濟性和實施的可行性。

因此，要提高我國船舶低噪聲設計技術，首先必須掌握國內外標準要求。目前國內船舶低噪聲設計可參考的標準為GB5979《海洋船舶噪聲級規定》和GB 7452《機械振動 客船和商船適居性 振動測量、報告和評價標準》，其中，GB5979《海洋船舶噪聲級規定》制定的年代已較久遠，指標如表1所示；表2列出的GB 7452振動指標已與國際一般指標要求接軌，與ISO6954∶2000及ABS規范一致。國際上，大部分發達國家對船舶艙室噪聲控制較為嚴格，國外最新標準基本反映了船舶低噪聲技術的先進性，如ABS、DNV等制定的規范，特別是DNV規范對船舶振動噪聲舒適度設定了分級要求，如表1和表2所示，其中1級為最高舒適度等級，3級為可以接受的舒適度等級。對比國內外標準和規范要求，國內船舶低噪聲設計指標（尤其是艙室空氣噪聲指標）遠遠落后于國外先進指標，大部分目標區域的振動噪聲指標達不到DNV的3級舒適度要求。對于科學考察船、豪華郵輪、高檔車客渡等船，國內標準規定的指標已難以滿足2)～5)項要求。因此，必須綜合考慮1)～6)項要求，制定我國船舶低噪聲設計指標。

表1 船舶艙室空氣噪聲限值* dB(A)

表2 振動限值* mm/s

1.3 船舶振動噪聲評估方法

船舶振動噪聲評估包括：全船模態計算、振動響應計算、艙室噪聲計算，并從振動噪聲方面對船體結構設計提出改進措施，為船體結構設計和全船振動噪聲控制提供依據。目前，國內外最常用的船舶振動噪聲評估方法主要是基于數值計算的有限元法[6,7]、邊界元法和統計能量法。在建立動力裝置及船體結構詳細模型的基礎上，采用數值計算方法進行機械噪聲預報和減振降噪措施性能評估，具有較高的準確性。

1.4 動力裝置振動噪聲控制方法

根據振動和噪聲源分析，針對不同振級和噪聲級的設備，需要采取不同的減振降噪措施，該措施主要包括兩方面內容，一是總體的布置位置，在設備布置時需要充分考慮振動噪聲源與目標場的距離和中間隔離物的布置，充分利用結構和物理隔斷的優勢，減少振動和噪聲能量的傳遞；二是對振動噪聲指標較高、且在現有布置位置條件下不能滿足要求的設備，采取必要的減振降噪措施。在隔振裝置方面，有單層、雙層或多層隔振裝置，有各式各樣的浮筏減振裝置；在噪聲控制方面，可以采用隔聲罩和進、排氣消聲器，如柴油機進排氣消聲器，風機進氣消聲器；隨著動力裝置的模塊化發展，柴油機和電站等動力裝置可采用箱裝體技術；管路進出口間加撓性接管，隔離振動噪聲傳遞。該工作的前提條件是需要對現有位置布置的設備傳遞特性進行必要的評估，不能僅僅基于設備本身的振動噪聲指標的高低和絕對值的大小。

1.5 艙室噪聲治理方法

艙室噪聲控制主要采用全浮式艙室降噪結構，所有噪聲控制層與艙壁之間采用隔振器連接構成彈性聲橋。艙室圍壁根據隔聲要求不同，采用加裝阻尼層、吸聲層、空氣層和隔聲層等措施，天花板采用輕質吸聲層和隔聲層吊頂，地板采用在鋪設甲板敷料層上再鋪設浮動地板層構成，同時對所有進行噪聲治理艙室艙門加裝隔聲門，防止壁面小縫隙造成大量聲泄漏情況的發生。不同的艙壁噪聲治理措施如下：

1)直射聲艙壁。直射聲艙壁是指與主要噪聲源－主機艙相鄰的艙壁。直射聲艙壁具體聲學處理方法包括阻尼層、吸聲層、空氣層和隔聲層等措施。

2)非直射聲艙壁。除與主機艙相鄰的艙壁以外的艙壁為非直射聲艙壁。非直射聲艙壁的聲學處理方法包括布置吸聲層、空氣層和隔聲層等措施。

3)艙室天花板。艙室天花板的聲學處理方法包括吸聲層、空氣層和隔聲層等措施。由于吊頂的特殊性和激勵噪聲相對艙壁要小，故各聲學處理層與艙壁處理時有所不同。

4)艙室地板。對于噪聲指標要求高的艙室，以及主機艙上層甲板的艙室地板，應隔絕1次和2次激勵噪聲，聲學處理方法包括布置甲板敷料層，并在其上面鋪設浮動地板層。

5)隔聲門和隔聲窗。進行噪聲控制隔聲門，特別是集控室與機艙的進出門，隔聲量在 30dB(A)以上，必要時這些艙室窗戶也應該選用隔聲窗，以避免部分艙壁的聲泄漏引起隔聲量大幅度下降。

2 船舶低噪聲設計技術應用案例

圖 1所示是我國自行研制的新一代低噪聲船舶，主要用于海洋水下聲學研究和試驗考察，該船采用全電力推進、動力定位等先進技術。由于該船安裝了大量高精尖試驗和探測設備，要求全船的振動噪聲水平低，以避免對試驗和探測設備的干擾；同時，也要求最大限度地減小船體結構噪聲輻射，減小船自噪聲對測量區域被探測目標的影響；另外，提高全船的舒適性，減輕動力設備產生的振動噪聲對船上作業的科學家和研究人員身體、心理、情緒的影響。

圖1 某新型低噪聲船舶

表4 某新型低噪聲船舶艙室空氣噪聲測試結果 dB（A）

采用以上建立的船舶低噪聲設計方法，從總體上統籌兼顧，在設計、設備選型、建造、試驗檢驗等各個環節把握關鍵的振動噪聲控制點，在經濟、高效的前提下取得良好的效果。表3給出了綜合某型船舶低噪聲設計采用的方法和制定的技術指標，表4給出了船舶低噪聲設計后主要艙室的噪聲實測值。由實船測試結果可見，船舶低噪聲設計后主要艙室的噪聲滿足技術指標的要求，達到了DNV 3級以上舒適度的要求。實測結果驗證了船舶低噪聲設計方法的正確、可靠和規范，并且具有較好的經濟性。

3 結 論

1)建立一套低噪聲船舶的設計流程，重點研究了聲學指標制定、振動噪聲評估、動力裝置振動噪聲控制、典型艙室噪聲治理等關鍵技術，并在某新型船舶上進行了船舶低噪聲設計技術應用研究，通過了試驗驗證，取得了一些研究成果，為后續的深入研究奠定了基礎。

2)目前，大部分研究工作還處于起步階段，后續將通過“粵海鐵”、“深海物探船”、“5萬t半潛船”等不同低噪聲船舶的設計研究、建立我國船舶低噪聲設計規范。

[1]周 炎. 動力裝置振動噪聲控制技術概述[A]. 中國科協2000年會.

[2]GB5979-86，海洋船舶噪聲級規定[S]. 1986.

[3]DNV. Rules for classification of ships[S].

[4]GB 7452-2007，機械振動 客船和商船適居性 振動測量、報告和評價標準[S].

[5]ABS. Guidance notes on ship vibration[S].

[6]吳嘉蒙. 2750TEU集裝箱船的全船總振動評估[J]. 船舶, 2008,(2).

[7]中國船級社. 船上振動控制指南[M]. 北京：人民交通出版社，2000.