艦艇艙室噪聲控制技術(shù)研究

（海軍醫(yī)學(xué)研究所，上海 200433）

1 引言

艦艇噪聲是艦艇艙室環(huán)境主要有害因素之一。艦艇艙室噪聲主要來(lái)自于艦艇各種機(jī)械設(shè)備、空調(diào)通風(fēng)設(shè)施、電磁武器裝備等，其呈現(xiàn)出噪聲聲源多、噪聲頻譜寬、噪聲強(qiáng)度大、噪聲作用時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)。按照我國(guó)《水面艦艇艙室噪聲級(jí)限制》的規(guī)定，目前我海軍水面艦艇的主、輔機(jī)艙和大多數(shù)機(jī)械艙噪聲水平均超過(guò)允許限值，大多數(shù)指揮室、無(wú)線電室、雷達(dá)室、聲納室及部分工作艙、住艙和其他生活艙也超過(guò)允許限值。其中，主、輔機(jī)艙大多在100dBA以上，機(jī)械艙多在83～88dBA范圍，工作生活艙一般在51～87dBA范圍內(nèi)。長(zhǎng)期處于高噪聲環(huán)境內(nèi)，不僅嚴(yán)重影響艦艇的作戰(zhàn)能力，而且直接影響艦員的健康、生活及工作效率。因此，加強(qiáng)艦艇艙室噪聲控制技術(shù)研究，減小艦員所處環(huán)境噪聲，對(duì)于維護(hù)艦員身心健康，提高艦艇整體戰(zhàn)斗力具有重要作用。

2 工程降噪

工程降噪技術(shù)是指在艦船總體論證和設(shè)計(jì)階段，從宏觀上考慮降噪措施，并根據(jù)論證中設(shè)備噪聲和艙室噪聲的預(yù)報(bào)或計(jì)算，通過(guò)調(diào)整總體設(shè)計(jì)方案或改進(jìn)降噪措施來(lái)達(dá)到控制的要求。對(duì)于處于設(shè)計(jì)階段的艦船，采用統(tǒng)計(jì)能量分析法，利用仿真軟件來(lái)評(píng)估艙室噪聲大小具有重要意義。

統(tǒng)計(jì)能量分析(SEA，Statistical Energy Analysis)方法是從統(tǒng)計(jì)的角度分析統(tǒng)計(jì)密集模態(tài)平均的振動(dòng)能量傳遞水平，適合于中高頻振動(dòng)分析，分析頻帶較有限元和邊界元法寬的多[1]。將一個(gè)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)分成多個(gè)子系統(tǒng)，當(dāng)某個(gè)或者某些子系統(tǒng)受到振動(dòng)激勵(lì)時(shí)，子系統(tǒng)間就通過(guò)接觸邊界進(jìn)行能量交換，對(duì)每個(gè)子系統(tǒng)都能列出一個(gè)能量平衡方程，最終得到一個(gè)高階線形方程組，求解得到每個(gè)子系統(tǒng)的能量，由該能量得到需要的子系統(tǒng)的振動(dòng)參數(shù)[2]。利用統(tǒng)計(jì)能量法計(jì)算振動(dòng)和噪聲時(shí)，將整個(gè)模型離散成若干個(gè)子系統(tǒng)。根據(jù)模態(tài)相似的原則劃分子系統(tǒng)，把一些模態(tài)能量相同及模態(tài)阻尼相等的模態(tài)劃分一個(gè)模態(tài)群，同時(shí)還要保證子系統(tǒng)有足夠高的模態(tài)密度。按目前統(tǒng)計(jì)能量分析發(fā)展的水平，使用于解決高頻內(nèi)的復(fù)雜系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，即模態(tài)密度為n(f)的子系統(tǒng)帶寬Δf內(nèi)的振型數(shù)[3]N(N=n(f)Δf)≤5。

采用統(tǒng)計(jì)能量法計(jì)算艙室的噪聲水平，首先建立結(jié)構(gòu)的子系統(tǒng)模型，然后根據(jù)總布置圖、設(shè)備布置圖和設(shè)備參數(shù)確定噪聲水平以及輸入功率，根據(jù)結(jié)構(gòu)的尺寸和式確定子系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)能量參數(shù)（模態(tài)密度、自損耗因子和耦合損耗因子）；然后建立并求解船舶系統(tǒng)的能量平衡方程組，并根據(jù)能量與聲的轉(zhuǎn)換關(guān)系，將計(jì)算得到的響應(yīng)值（能量）轉(zhuǎn)化成艙室的噪聲水平；最后結(jié)合相應(yīng)的船舶艙室噪聲規(guī)范對(duì)其做出評(píng)價(jià)[4]。

圖1 采用統(tǒng)計(jì)能量法進(jìn)行艙室噪聲預(yù)報(bào)分析流程圖

艦艇總體設(shè)計(jì)階段，同時(shí)要考慮主噪聲源集中布置，且應(yīng)避免與生活艙和主要工作艙毗鄰。總體布局應(yīng)盡量利用空艙、貯藏艙、通道、衛(wèi)生間等作為隔聲空間，設(shè)備的選擇與安裝除了滿足艦船的作戰(zhàn)技術(shù)性能外，其空氣噪聲應(yīng)盡可能滿足《艦船噪聲限值要求和測(cè)量方法艦船設(shè)備空氣噪聲驗(yàn)收限值》的要求，選用低噪聲設(shè)備。這些措施在艦艇設(shè)計(jì)中能積極有效的控制艦艇總體噪聲水平。

3 吸聲降噪

吸聲降噪時(shí)指在艙室內(nèi)布置吸聲材料和吸聲結(jié)構(gòu)來(lái)降低室內(nèi)噪聲的措施。吸聲機(jī)理為：聲波在媒質(zhì)中傳播時(shí)，由其引起的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度各處均不相同，存在著速度梯度，使相鄰質(zhì)點(diǎn)間產(chǎn)生相互作用的摩擦力和粘滯阻力，阻礙質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)摩擦和粘滯阻力將聲能轉(zhuǎn)化為熱能，同時(shí)，由于聲波傳播時(shí)媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)疏密程度各處也不同，所以媒質(zhì)溫度各處也不同，存在溫度梯度，而使相鄰質(zhì)點(diǎn)間產(chǎn)生了熱量傳遞，使聲能不斷轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉。吸聲結(jié)構(gòu)主要分為穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)、薄板共振吸聲結(jié)構(gòu)、微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)和各類空間吸聲體。

艦艇艙室內(nèi)某處的噪聲，有自聲源直接到達(dá)接收點(diǎn)的直達(dá)聲；還有經(jīng)過(guò)艙室壁面一次或多次反射后到達(dá)接收點(diǎn)的混響聲，直達(dá)聲和混響聲相互疊加后形成復(fù)雜的室內(nèi)聲場(chǎng)。采用吸聲技術(shù)來(lái)進(jìn)行艙室噪聲控制時(shí)，吸聲技術(shù)只能降低混響聲的影響而對(duì)直達(dá)聲不起作用，對(duì)于混響聲聲壓級(jí)可表示為[5]：

艙室總聲壓級(jí)：

式中：Lp為直達(dá)聲聲壓級(jí)，Lh為距離聲源r處混響聲的聲壓級(jí)，Lw為聲源的聲功率級(jí)，R為艙室常數(shù)，為艙室內(nèi)壁總表面積，α為艙室的平均吸聲系數(shù)（0<α<1）。

由（1）式可以看出，在聲源聲功率一定的情況下，提高平均吸聲系數(shù)α是降低艙室混響聲壓級(jí)Lh的有效手段。在采用吸聲技術(shù)時(shí)要考慮平均吸聲系數(shù)α較大的吸聲材料。

假設(shè)在采取吸聲措施前艦船艙室的平均吸聲系數(shù)為α1，艙室內(nèi)的聲壓級(jí)為L(zhǎng)p1采取吸聲措施后，艦船艙室的平均吸聲系數(shù)變?yōu)棣?，艙室內(nèi)的聲壓級(jí)為L(zhǎng)p2，則吸聲減噪量為：

普通鋼板的平均吸聲系數(shù)為0.01，假設(shè)將艦船艙室內(nèi)壁表面都貼上平均吸聲系數(shù)為1的吸聲材料，則由（5）式可知艙室的最大降噪量為20dB。實(shí)際上在采用吸聲技術(shù)前，由于艙室內(nèi)壁各種防火防銹涂層以及各種設(shè)備的存在，艦船艙室內(nèi)的平均吸聲系數(shù)要大于0.01，在采用吸聲技術(shù)后艦船艙室內(nèi)的平均吸聲系數(shù)也很難超過(guò) 0.5，因此艦船艙室空氣聲噪聲控制中采用吸聲技術(shù)其降噪量不會(huì)超過(guò)6～8dB。

4 隔聲降噪

隔聲技術(shù)主要指利用構(gòu)件隔離空氣聲的傳播從而降低噪聲的方法，這種構(gòu)件就是隔聲結(jié)構(gòu)，隔聲結(jié)構(gòu)主要有單層結(jié)構(gòu)和由單層構(gòu)件組成的雙層結(jié)構(gòu)以及輕質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)等。艦船上隔聲結(jié)構(gòu)的應(yīng)用是比較普遍的，比如隔聲罩對(duì)降低機(jī)械工作時(shí)的空氣噪聲起著非常大的作用，機(jī)艙集控室也是典型的隔聲結(jié)構(gòu)，還有各種管路的包覆，除了能降低振動(dòng)沿管路的傳遞外，更能有效的降低管內(nèi)噪聲的透射和管壁振動(dòng)的輻射，其隔聲作用也非常明顯。由于單層隔聲構(gòu)件隔聲量隨材料面密度的增大而增大，在低頻區(qū)的隔聲也非常困難，因此研究多層夾層復(fù)合結(jié)構(gòu)是提高隔聲構(gòu)件隔聲量的有效措施。

對(duì)噪聲強(qiáng)烈的設(shè)備、艙室或部位，可根據(jù)具體情況采取不同方式的隔聲措施，對(duì)艙室單獨(dú)強(qiáng)噪聲源采用隔聲罩，在噪聲源與受聲部位之間設(shè)置隔聲屏等。

5 噪聲有源控制技術(shù)

有源噪聲控制（Active Noise Control, ANC）是指人為的施加一些控制聲源，令其聲音和原來(lái)的噪聲源輻射的噪聲抵消干涉，從而達(dá)到降低噪聲的目的[6]。有源控制技術(shù)主要擅長(zhǎng)于控制低頻振動(dòng)噪聲，與傳統(tǒng)的無(wú)源噪聲控制方式互補(bǔ)性極強(qiáng)，具有低頻范圍效果好、體積小、對(duì)被控系統(tǒng)物理特性影響小、安裝設(shè)計(jì)方便，能適應(yīng)未知擾動(dòng)，以及系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)參數(shù)不確定性等優(yōu)點(diǎn)，為控制低頻噪聲開(kāi)辟了一個(gè)新的發(fā)展方向，成為振動(dòng)噪聲控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

一個(gè)典型的有源控制系統(tǒng)的實(shí)施應(yīng)包括：參考信號(hào)傳感器、控制器、誤差信號(hào)傳感器、次級(jí)揚(yáng)聲器四個(gè)主要的環(huán)節(jié)，且四個(gè)環(huán)節(jié)缺一不可。其中控制器是有源控制實(shí)施的根本，它直接決定了控制實(shí)施的有效性和控制效果，其中控制算法是控制器的核心，次級(jí)揚(yáng)聲器屬于控制的實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)。

圖2 艙室有源控制結(jié)構(gòu)示意圖

目前有源控制研究在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)取得了一系列的進(jìn)展，但均都局限于理論上的探索、數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)室研究的階段，有源控制技術(shù)在艦艇艙室噪聲控制中的實(shí)際應(yīng)用還需進(jìn)一步研究。

6 結(jié)論

艦艇艙室噪聲的形成是一個(gè)非常復(fù)雜的聲耦合過(guò)程，因此在艦艇設(shè)計(jì)初期就必須根據(jù)噪聲容許限值標(biāo)準(zhǔn)將噪聲控制理念貫穿于整個(gè)艦艇設(shè)計(jì)過(guò)程中。建造過(guò)程中，設(shè)備的選擇與安裝除了滿足艦船的作戰(zhàn)技術(shù)性能外，盡量選用低噪聲設(shè)備。將吸聲降噪、隔聲降噪等噪聲控制技術(shù)應(yīng)用于艦艇設(shè)計(jì)制造之中，并積極開(kāi)展艦艇噪聲控制新技術(shù)研究，降低艦艇艙室噪聲，維護(hù)艦員身心健康，提高艦艇戰(zhàn)斗力。

[1]馬紀(jì)軍,張軍,兆文忠.統(tǒng)計(jì)能量法及其在提速客車噪聲預(yù)測(cè)中的應(yīng)用[J].大連鐵道學(xué)院學(xué)報(bào),2005,26(1):53-56.

[2]丁少春,朱石堅(jiān),樓京俊.運(yùn)用統(tǒng)計(jì)能量法研究殼體的振動(dòng)與聲輻射特性[J].船舶工程,2007,29(6):30-32.

[3]金學(xué)之.基于統(tǒng)計(jì)能量法的高速船艙室噪聲預(yù)報(bào)與控制方法的研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2009.

[4]張立.基于國(guó)際新規(guī)范的艙室噪聲預(yù)報(bào)與控制技術(shù)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2012.

[5]張子豪.艦船艙室空氣噪聲控制技術(shù)研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2008.

[6]陳越澎,譚林森.船舶艙室噪聲控制技術(shù)綜述[J].武漢造船,1995,6:34-39.