海工艙室之間隔聲效果的現(xiàn)場實驗及計算方法探討

，, 仁鋒, , ,

(1.中集海洋工程研究院， 山東 煙臺 264670；2. 中集來福士海洋工程有限公司， 山東 煙臺 264000；3. 威海白云船舶制造有限公司煙臺分公司， 山東 煙臺 264000)

在以往，船舶或海工艙室的噪聲與振動往往只是船東關(guān)心的舒適性問題，并不是船級社所關(guān)心的主要性能指標(biāo)，近期，國際海事組織(IMO)將主要的生活艙室的噪聲標(biāo)準(zhǔn)由60 dB(A)控制到55 dB(A),同時將其納入強制執(zhí)行的范疇。挪威是全球海工設(shè)計建造最先進的國家之一，其工業(yè)協(xié)會(NORSOK)更是將主要的生活艙室的噪聲標(biāo)準(zhǔn)控制到45 dB(A),同時NORSOK還將艙室之間的隔聲量、艙室內(nèi)部的吸聲系數(shù)、語音清晰度、空調(diào)系統(tǒng)噪聲等聲學(xué)性能參數(shù)，一并納入到海洋平臺的重要技術(shù)指標(biāo)內(nèi)。

我國船舶或海工行業(yè)在聲學(xué)上對振動結(jié)構(gòu)的減振降噪，往往是針對已存在的問題進行后處理，包括在設(shè)備與結(jié)構(gòu)之間加裝減振結(jié)構(gòu)、在船體結(jié)構(gòu)表面敷設(shè)阻尼材料等，很少有在結(jié)構(gòu)設(shè)計初期就開始考慮聲學(xué)問題的。聲振設(shè)計客觀上還基本處于對已存在結(jié)構(gòu)進行聲學(xué)性能評估的狀態(tài)，尚不具備能力對船體結(jié)構(gòu)、舾裝結(jié)構(gòu)等的聲學(xué)設(shè)計提出可操作的建議，如結(jié)構(gòu)形式、尺寸、材料等施工設(shè)計和工藝。同時，缺少簡捷易行且能夠指導(dǎo)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計使用的計算方法以及指導(dǎo)施工建造使用的工藝流程[1]。聲學(xué)性能指標(biāo)應(yīng)在實船上得以真正的實現(xiàn)，而不僅僅是停留在書面上的理論方案論證、分析報告評估等，這將是對我國從事船舶/海工聲學(xué)設(shè)計工藝工程師技術(shù)水平的一次嚴(yán)峻考驗，同時也將促進新材料、新工藝和新技術(shù)在船舶/海工建造上的應(yīng)用，對海工技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用產(chǎn)生積極有益的作用。

1 相關(guān)規(guī)范空氣聲隔聲標(biāo)準(zhǔn)分析

1.1 挪威北海高端海洋平臺空氣聲隔聲評價

空氣聲隔聲、吸聲系數(shù)及混響時間的概念均源自建筑聲學(xué)，NORSOK較早將其引入到海工設(shè)計建造領(lǐng)域，表1為NORSOK海工艙室之間空氣聲隔聲限值，其中隔聲標(biāo)準(zhǔn)評價量均為表觀隔聲量R’。

表1 NORSOK海工艙室之間空氣聲隔聲限值 dB

注：嘈雜艙室是指健身房、電視間/電影院、打印室、廚房、餐廳和更衣室；工作艙室是指辦公室、會議室、廣播室和控制室；安靜艙室是指需要高度隱私的區(qū)域，包括居住間、醫(yī)院/病房、休息室和閱覽室；a為不適合廚房和餐廳的艙壁；b為不適用醫(yī)院和病房的艙壁；c為房間門的隔聲最小要達到40 dB；d為≥45 dB的要求僅適用于單人間。

1.2 國內(nèi)民用建筑空氣聲隔聲評價

我國民用建筑空氣聲隔聲評價的主要指標(biāo)有計權(quán)隔聲量、計權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化聲壓級差。所謂計權(quán)隔聲量是在實驗室中測量的，用來表征建筑構(gòu)件空氣聲隔聲性能的單值評價量。用符號Rw表示，單位:dB。計權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化聲壓級差是以接收室的混響時間作為修正參數(shù)而得到的兩個房間之間空氣聲隔聲性能的單值評價量。用符號DnT,w表示，單位:dB。頻譜修正量分為粉紅噪聲頻譜修正量C和交通噪聲頻譜修正量Ctr。表2和表3為我國住宅建筑房間之間和房間隔構(gòu)件的空氣聲隔聲限值[2]。

表2 國內(nèi)房間之間空氣聲隔聲限值 dB

表3 國內(nèi)房間各構(gòu)件的空氣聲隔聲限值 dB

1.3 國際通用噪聲規(guī)范空氣聲隔聲評價

《IMO Resolution A.468(Ⅻ)code on noise levels on board ships》是IMO頒布的關(guān)于船舶及海工噪聲控制的一個規(guī)定，目前大多數(shù)的船舶及海工項目執(zhí)行該標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)于設(shè)備噪聲實驗、最大允許噪聲限值和處身時間等內(nèi)容，在其它的相關(guān)文獻里已經(jīng)有較詳細(xì)的描述，因此本文僅對生活區(qū)域艙室之間的空氣聲隔聲標(biāo)準(zhǔn)評價量和限值作以下描述。

艙室之間的隔聲艙壁和甲板結(jié)構(gòu)以計權(quán)隔聲量Rw為評價量，限值共分為3個等級。

1)R30，艙壁和甲板結(jié)構(gòu)計權(quán)隔聲量：

30 dB≤Rw<35 dB。

2)R35，艙壁和甲板結(jié)構(gòu)計權(quán)隔聲量：

35 dB≤Rw<45 dB。

3)R45，艙壁和甲板結(jié)構(gòu)計權(quán)隔聲量：

Rw≥45 dB。

隔聲量越高隔聲性能越好，高隔聲等級的結(jié)構(gòu)可以替代低隔聲等級的結(jié)構(gòu)，例如，R45可以替代R35、R30使用，R35可以替代R30使用。 用于走廊到居住艙室以及居住艙室到帶有交通門的居住艙室區(qū)域的艙壁和甲板結(jié)構(gòu)應(yīng)至少滿足R30要求； 用于居住艙室之間的艙壁和甲板結(jié)構(gòu)應(yīng)至少滿足R35要求； 用于從餐廳、娛樂室、公共處所和娛樂區(qū)域到居住艙室和醫(yī)療室的艙壁和甲板結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足R45要求。

2 海工艙室舾裝隔聲結(jié)構(gòu)的特點

海工艙室舾裝隔聲結(jié)構(gòu)屬于輕型隔聲構(gòu)件，是由天花板、壁板(包括單層壁板和雙層壁板)、防火隔聲門、水密隔聲窗、地板及彈性安裝件等部件組成，其中均質(zhì)單層壁板的隔聲性能主要由質(zhì)量定律決定[3]，海工艙室舾裝壁板則是一種復(fù)合夾心板，通過彈性安裝件安裝在船體鋼結(jié)構(gòu)上，其計權(quán)隔聲量Rw通常在32 dB左右，典型節(jié)點形式見圖1[4]。

圖1 單層壁板

雙層壁板中間為空氣夾層，其隔聲量要比單層壁板大得多[5]，兩層單層壁板之間可以填充纖維類吸聲材料，因而使得雙層壁板計權(quán)隔聲量Rw可以提高到50 dB左右，其典型節(jié)點形式見圖2。

圖2 雙層壁板

天花板、防火隔聲門主體等同樣采用單層復(fù)合夾心板，其隔聲性能類似于單層壁板。

通常情況下，對于民用建筑兩個相鄰房間之間無門窗的共用墻壁結(jié)構(gòu)，共用墻壁的厚度、材質(zhì)和面密度決定了房間之間空氣聲隔聲的性能，與民用建筑空氣聲隔聲不同的是：海工艙室舾裝結(jié)構(gòu)的總體隔聲性能不僅僅是由共用單層壁板或雙層壁板所決定的，同樣天花板、防火隔聲門、空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)管道、共用衛(wèi)生單元、水密隔聲窗、地板等部件的作用也是至關(guān)重要的，有時甚至可以影響并決定海工艙室實際上的聲學(xué)性能。

3 海工艙室之間隔聲的現(xiàn)場實驗

在海工艙室進行隔聲、混響時間及吸聲系數(shù)等聲學(xué)實驗與在民用建筑房間里進行實驗有所不同，由于海洋平臺艙室的空間相對狹窄、傳聲途徑復(fù)雜、布點布線困難、工況及干擾等具體問題的客觀存在，造成該行業(yè)不能完全滿足相關(guān)規(guī)范對實驗環(huán)境、條件和方法的細(xì)節(jié)要求，這就勢必要根據(jù)現(xiàn)場條件來對實驗程序和處理方法進行一定的優(yōu)化，同時也要滿足工程精度的需要。

通常情況下，海工艙室現(xiàn)場聲學(xué)實驗選擇在系泊狀態(tài)下進行，接通使用岸電，僅運行必須開啟的設(shè)備，同時停止有可能影響實驗精度的施工作業(yè)，要選擇風(fēng)平浪靜的天氣，為了減少其他因素對海洋平臺周圍環(huán)境的不利影響，實驗可以安排在夜間。

3.1 典型艙室選擇

綜合考慮海洋平臺船體結(jié)構(gòu)設(shè)計、設(shè)備布置、舾裝結(jié)構(gòu)設(shè)計和艙室布置等因素，選取以下幾類典型艙室進行隔聲、混響時間及吸聲系數(shù)等聲學(xué)實驗。

1)單人生活艙室-雙層舾裝壁板結(jié)構(gòu)(共用衛(wèi)生單元)-單人生活艙室。

2)單人生活艙室-雙層舾裝壁板結(jié)構(gòu)-單人生活艙室。

3)單人生活艙室-單層舾裝壁板結(jié)構(gòu)-船體結(jié)構(gòu)鋼艙壁-單層舾裝壁板結(jié)構(gòu)-單人生活艙室。

4)單人生活艙室-防火隔聲門-走廊或樓梯。

5)辦公室或會議室-推拉門-走廊或樓梯。

其中第一種類型在海洋平臺生活區(qū)中數(shù)量較多，也是問題的關(guān)鍵所在，將其作為重點，其平面布置見圖3。

圖3 聲源室和接收室的平面布置

3.2 實驗儀器設(shè)備

針對海工艙室現(xiàn)場聲學(xué)實驗的特殊情況，在實驗儀器設(shè)備的選擇配置上主要考慮攜帶方便和高效率數(shù)據(jù)采集，所用主要實驗儀器設(shè)備如下。

1)波蘭產(chǎn)BSWA801噪聲振動分析儀一套，屬精密型儀器，包括附件和BSWA801數(shù)據(jù)處理分析軟件。

2)BSWA十二面體聲源一臺，是球形無指向性聲源，有多個揚聲器同相輻射。

3)BSWA100 W功放一臺，有兩路輸入及輸出。

4)瑞士產(chǎn)Minirator MR2信號發(fā)生器一臺，手持式儀器，便于單手操作，可發(fā)生白噪聲信號和粉紅噪聲信號等。

3.3 采樣點、聲源及傳感器布置

考慮到海洋平臺艙室的空間相對狹窄，無法滿足距離要求，所以采用單只十二面體聲源，將其分別放在兩個位置發(fā)聲，在每個位置發(fā)聲時，使用手持便攜式可移動傳感器(波蘭產(chǎn)BSWA801噪聲振動分析儀)進行均勻移動采樣。聲源室和接收室的平面布置見圖3。

3.4 隔聲評價量及其影響參數(shù)選擇

以工作于挪威北海的某半潛式海洋鉆井平臺為例，其噪聲振動指標(biāo)均按NORSOK標(biāo)準(zhǔn)來進行評價，其中規(guī)定艙室之間空氣聲隔聲采用表觀隔聲量R’為評價量，表觀隔聲量R’也叫表觀傳聲損失，在海工艙室現(xiàn)場聲學(xué)實驗時，采用以下源自建筑聲學(xué)的公式進行數(shù)據(jù)計算處理。

R′=D+10 lg(S/A) dB

D=L1-L2

式中：D——聲壓級差，dB；

L1——聲源室的平均聲壓級值，dB;

L2——接收室的平均聲壓級值，dB;

S——公共艙壁的面積，m2;

A——接收室的吸聲量，m2。

由上式可見，直接決定表觀隔聲量R’的影響因素有D、S和A。其中：A由艙室容積、總內(nèi)表面積和內(nèi)表面吸聲系數(shù)等客觀評價量所決定。

4 實驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

針對單人生活艙室-雙層舾裝壁板結(jié)構(gòu)(共用衛(wèi)生單元)-單人生活艙室典型艙室的布置設(shè)計特點，在其中安裝完成幾件家具，同時關(guān)閉門窗，然后分別將十二面體聲源置于兩個發(fā)聲位，得到平均聲壓級差D，同時考慮不同的自變量參數(shù)，從而得到不同的評價量數(shù)值。以下對海工艙室空氣聲隔聲的計算評價作以分析說明。

4.1 表觀隔聲量R’和規(guī)范化聲壓級差Dn的異同

表觀隔聲量R’的概念源自建筑聲學(xué)，在民用建筑空氣聲隔聲評價時，對兩相鄰房間隔墻面積S有著比較確切的定義，在標(biāo)準(zhǔn)實驗室里可以準(zhǔn)確得出隔聲構(gòu)件的表觀隔聲量R’，同樣在民用建筑現(xiàn)場利用表觀隔聲量R’評價兩相鄰房間的聲學(xué)性能也同樣具有實際意義。在進行海工艙室空氣聲隔聲評價時，民用建筑兩相鄰房間隔墻面積S可以理解為艙室公共艙壁的面積，然而同時由于海工艙室舾裝隔聲結(jié)構(gòu)的特點，決定了參與隔聲的不僅僅是艙室公共艙壁，還有天花板、防火隔聲門、空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)管道、共用衛(wèi)生單元、水密隔聲窗、地板等，而艙室公共艙壁的隔聲量往往還高于其他隔聲構(gòu)件，這樣在客觀上就形成了民用建筑隔墻面積S在海工艙室里的不確定性，因此，在海工艙室隔聲實驗現(xiàn)場，表觀隔聲量R’也就顯現(xiàn)出主觀評價量的特征。

規(guī)范化聲壓級差Dn與聲壓級差D、接收室的吸聲量A相關(guān)，對參考吸聲量Ao也有著明確的定義，因此無論是在標(biāo)準(zhǔn)實驗室里還是在民用建筑現(xiàn)場，均可對隔聲構(gòu)件或隔聲結(jié)構(gòu)的聲學(xué)性能進行評價。在海工艙室現(xiàn)場，決定規(guī)范化聲壓級差Dn的自變量也是惟一的，因此，規(guī)范化聲壓級差Dn在理論上也就具備了準(zhǔn)確客觀評價海工艙室隔聲結(jié)構(gòu)性能的可能性。

4.2 在表觀隔聲量R’計算方法中隔墻面積S對結(jié)果的影響

從表4可見，在海工艙室空氣聲隔聲實驗現(xiàn)場，在其他實驗條件及環(huán)境因素保持不變的前提下，采用同一計算方法，不同的隔墻面積S對表觀隔聲量R’的影響結(jié)果。

表4 某半潛式海洋平臺不同的隔墻面積S對表觀隔聲量R’的影響

由此可見，在進行海工艙室空氣聲隔聲評價時，由于隔墻面積S的非惟一性，造成同一條件的海工艙室，其隔聲性能評價量數(shù)值的多重性。

5 結(jié)論

1)NORSOK規(guī)范中，直接將表觀隔聲量由民用建筑引用到海工艙室，不能準(zhǔn)確表達或說明海工艙室的空氣聲隔聲性能。

2)建議采用一種更為合理和客觀的數(shù)據(jù)處理及評價方式，來去除非客觀的因素影響，使用規(guī)范化聲壓級差來評價海工艙室空氣聲隔聲性能。

3)鑒于海工艙室之間隔聲效果現(xiàn)場實驗及計算方法的行業(yè)特點，建議國內(nèi)盡快開展隔聲部件和海工總體聲學(xué)性能的進一步研究。

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