海工艙室之間隔聲效果的現場實驗及計算方法探討

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(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心的舒適性問題，并不是船級社所關心的主要性能指標，近期，國際海事組織(IMO)將主要的生活艙室的噪聲標準由60 dB(A)控制到55 dB(A),同時將其納入強制執行的范疇。挪威是全球海工設計建造最先進的國家之一，其工業協會(NORSOK)更是將主要的生活艙室的噪聲標準控制到45 dB(A),同時NORSOK還將艙室之間的隔聲量、艙室內部的吸聲系數、語音清晰度、空調系統噪聲等聲學性能參數，一并納入到海洋平臺的重要技術指標內。

我國船舶或海工行業在聲學上對振動結構的減振降噪，往往是針對已存在的問題進行后處理，包括在設備與結構之間加裝減振結構、在船體結構表面敷設阻尼材料等，很少有在結構設計初期就開始考慮聲學問題的。聲振設計客觀上還基本處于對已存在結構進行聲學性能評估的狀態，尚不具備能力對船體結構、舾裝結構等的聲學設計提出可操作的建議，如結構形式、尺寸、材料等施工設計和工藝。同時，缺少簡捷易行且能夠指導工程結構設計使用的計算方法以及指導施工建造使用的工藝流程[1]。聲學性能指標應在實船上得以真正的實現，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/海工聲學設計工藝工程師技術水平的一次嚴峻考驗，同時也將促進新材料、新工藝和新技術在船舶/海工建造上的應用，對海工技術的創新應用產生積極有益的作用。

1 相關規范空氣聲隔聲標準分析

1.1 挪威北海高端海洋平臺空氣聲隔聲評價

空氣聲隔聲、吸聲系數及混響時間的概念均源自建筑聲學，NORSOK較早將其引入到海工設計建造領域，表1為NORSOK海工艙室之間空氣聲隔聲限值，其中隔聲標準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域，包括居住間、醫院/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有計權隔聲量、計權標準化聲壓級差。所謂計權隔聲量是在實驗室中測量的，用來表征建筑構件空氣聲隔聲性能的單值評價量。用符號Rw表示，單位:dB。計權標準化聲壓級差是以接收室的混響時間作為修正參數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件的空氣聲隔聲限值[2]。

表2 國內房間之間空氣聲隔聲限值 dB

表3 國內房間各構件的空氣聲隔聲限值 dB

1.3 國際通用噪聲規范空氣聲隔聲評價

《IMO Resolution A.468(Ⅻ)code on noise levels on board ships》是IMO頒布的關于船舶及海工噪聲控制的一個規定，目前大多數的船舶及海工項目執行該標準。

關于設備噪聲實驗、最大允許噪聲限值和處身時間等內容，在其它的相關文獻里已經有較詳細的描述，因此本文僅對生活區域艙室之間的空氣聲隔聲標準評價量和限值作以下描述。

艙室之間的隔聲艙壁和甲板結構以計權隔聲量Rw為評價量，限值共分為3個等級。

1)R30，艙壁和甲板結構計權隔聲量：

30 dB≤Rw<35 dB。

2)R35，艙壁和甲板結構計權隔聲量：

35 dB≤Rw<45 dB。

3)R45，艙壁和甲板結構計權隔聲量：

Rw≥45 dB。

隔聲量越高隔聲性能越好，高隔聲等級的結構可以替代低隔聲等級的結構，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域的艙壁和甲板結構應至少滿足R30要求； 用于居住艙室之間的艙壁和甲板結構應至少滿足R35要求； 用于從餐廳、娛樂室、公共處所和娛樂區域到居住艙室和醫療室的艙壁和甲板結構應滿足R45要求。

2 海工艙室舾裝隔聲結構的特點

海工艙室舾裝隔聲結構屬于輕型隔聲構件，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，其中均質單層壁板的隔聲性能主要由質量定律決定[3]，海工艙室舾裝壁板則是一種復合夾心板，通過彈性安裝件安裝在船體鋼結構上，其計權隔聲量Rw通常在32 dB左右，典型節點形式見圖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隔聲量Rw可以提高到50 dB左右，其典型節點形式見圖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構，共用墻壁的厚度、材質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：海工艙室舾裝結構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、空調通風系統管道、共用衛生單元、水密隔聲窗、地板等部件的作用也是至關重要的，有時甚至可以影響并決定海工艙室實際上的聲學性能。

3 海工艙室之間隔聲的現場實驗

在海工艙室進行隔聲、混響時間及吸聲系數等聲學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，造成該行業不能完全滿足相關規范對實驗環境、條件和方法的細節要求，這就勢必要根據現場條件來對實驗程序和處理方法進行一定的優化，同時也要滿足工程精度的需要。

通常情況下，海工艙室現場聲學實驗選擇在系泊狀態下進行，接通使用岸電，僅運行必須開啟的設備，同時停止有可能影響實驗精度的施工作業，要選擇風平浪靜的天氣，為了減少其他因素對海洋平臺周圍環境的不利影響，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構設計、設備布置、舾裝結構設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等聲學實驗。

1)單人生活艙室-雙層舾裝壁板結構(共用衛生單元)-單人生活艙室。

2)單人生活艙室-雙層舾裝壁板結構-單人生活艙室。

3)單人生活艙室-單層舾裝壁板結構-船體結構鋼艙壁-單層舾裝壁板結構-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中數量較多，也是問題的關鍵所在，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 實驗儀器設備

針對海工艙室現場聲學實驗的特殊情況，在實驗儀器設備的選擇配置上主要考慮攜帶方便和高效率數據采集，所用主要實驗儀器設備如下。

1)波蘭產BSWA801噪聲振動分析儀一套，屬精密型儀器，包括附件和BSWA801數據處理分析軟件。

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Minirator MR2信號發生器一臺，手持式儀器，便于單手操作，可發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聲，在每個位置發聲時，使用手持便攜式可移動傳感器(波蘭產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，其噪聲振動指標均按NORSOK標準來進行評價，其中規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，在海工艙室現場聲學實驗時，采用以下源自建筑聲學的公式進行數據計算處理。

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、總內表面積和內表面吸聲系數等客觀評價量所決定。

4 實驗結果及數據分析

針對單人生活艙室-雙層舾裝壁板結構(共用衛生單元)-單人生活艙室典型艙室的布置設計特點，在其中安裝完成幾件家具，同時關閉門窗，然后分別將十二面體聲源置于兩個發聲位，得到平均聲壓級差D，同時考慮不同的自變量參數，從而得到不同的評價量數值。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，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，在標準實驗室里可以準確得出隔聲構件的表觀隔聲量R’，同樣在民用建筑現場利用表觀隔聲量R’評價兩相鄰房間的聲學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構的特點，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、空調通風系統管道、共用衛生單元、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場，表觀隔聲量R’也就顯現出主觀評價量的特征。

規范化聲壓級差Dn與聲壓級差D、接收室的吸聲量A相關，對參考吸聲量Ao也有著明確的定義，因此無論是在標準實驗室里還是在民用建筑現場，均可對隔聲構件或隔聲結構的聲學性能進行評價。在海工艙室現場，決定規范化聲壓級差Dn的自變量也是惟一的，因此，規范化聲壓級差Dn在理論上也就具備了準確客觀評價海工艙室隔聲結構性能的可能性。

4.2 在表觀隔聲量R’計算方法中隔墻面積S對結果的影響

從表4可見，在海工艙室空氣聲隔聲實驗現場，在其他實驗條件及環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值的多重性。

5 結論

1)NORSOK規范中，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據處理及評價方式，來去除非客觀的因素影響，使用規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場實驗及計算方法的行業特點，建議國內盡快開展隔聲部件和海工總體聲學性能的進一步研究。

[1] 陳志堅，夏齊強，艾海峰.潛艇典型結構的聲振特性研究概況及聲學設計構想[J].噪聲與振動控制，2012，32(2)：1-6.

[2] 李明賦，陸風華.我國與歐盟國家民用建筑隔聲設計規范的比較與分析[J].噪聲與振動控制，2012，32(1)：96-98.

[3] 呂玉恒，王庭佛.噪聲與振動控制設備及材料選用手冊[M].北京：機械工業出版社，1999.

[4] 徐芹亮，徐勤花，李 磊，等.海洋平臺艙室舾裝布置及舾裝板隔聲[J].噪聲與振動控制，2013，33(3)：159-162.

[5] 馬大猷.噪聲與振動控制工程手冊[M].北京：機械工業出版社，2002.