300 t級高速巡邏艇艙室減振降噪設計

陳順洪+黎勝

摘 要：本文介紹了300 t級高速巡邏艇的減振降噪設計，應用基于統(tǒng)計能量分析方法的VAONE軟件對艙室噪聲進行預報，根據(jù)預報結(jié)果采取減振降噪改進措施，并通過實船噪聲測量，驗證了設計效果。

關(guān)鍵詞：高速巡邏艇；艙室噪聲；噪聲源；噪音控制

中圖分類號：X593 文獻標識碼：A

Design of Reducing Vibration and Noise for 300 t High-speed Patrol

CHEN Shunhong 1， LI Sheng 2

（ 1. Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 51250； 2. Dalian University of Technology， Dalian 116024 ）

Abstract： The design for reducing vibration and noise levels of a 300 t high-speed patrol is presented. The cabin noise levels are firstly predicted by using the software VAONE based on the statistical energy analysis method. Then the vibration and noise control solutions are determined from the numerical predication and analysis. Finally the shipboard noise is measured during a trial and the measured noise levels onboard meet the relative requirements.

Key words： High-speed patrol； Cabin noise； Noise sources； Noise control

1 引言

減振降噪是船舶設計中考慮的重要問題，艙室噪聲過高不僅影響人員的工作和生活，而且還干擾命令的傳遞與接收，影響船舶作業(yè)能力的發(fā)揮。而中小型高速巡邏艇為了滿足航速要求配置有大功率主機及高轉(zhuǎn)速螺旋槳，以及為減輕重量船體結(jié)構(gòu)剛度相對低速船舶弱，導致振動噪聲問題尤為突出。因此中小型高速巡邏艇需要特別重視減振降噪設計工作，在設計初始階段，就要對減振降噪問題進行頂層規(guī)劃，對艙室噪聲進行預報和分析，采取控制措施，從而達到控制噪音的目的。

2 船舶概況及減振降噪措施

2.1 船舶概況及噪音控制目標

300 t級高速巡邏艇總長55 m、型寬7.6 m、排水量約360 t，鋼鋁混合結(jié)構(gòu)，單層連續(xù)甲板。主甲板以上有兩層甲板室：主甲板以下從后往前分別為機艙、辦案室、15-6號住室等；主甲板室從后往前分別為餐廳、風機室、5-1號住室、醫(yī)療室、會議室；二層甲板室為駕駛室。該艇采用四機四槳推進，單臺主機額定功率2 240 kW，四機全速航行時航速33 kn。

該艇主機總功率大、航速高、設備多、布置緊湊，噪聲控制難度大。根據(jù)規(guī)范要求及實際操作可行性，提出該艇的噪音控制目標是：在全速航行時，駕駛室不超過65 dB，住室、會議室、餐廳、辦案室和醫(yī)療室不超過75 dB。

2.2 噪聲源分析

船舶上噪聲主要是由噪聲源通過船體結(jié)構(gòu)和空氣介質(zhì)兩種途徑、以空氣噪聲和結(jié)構(gòu)噪聲兩種方式傳播所引起的。300 t級高速巡邏艇上的結(jié)構(gòu)噪聲源主要有主機、柴油發(fā)電機組、傳動裝置和各種油、水泵工作引起的船體結(jié)構(gòu)振動；空氣噪聲源主要有主、輔機機體輻射噪聲和進排氣噪聲、以及機艙風機和各種油水泵運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的空氣噪聲。另外，螺旋槳脈動、波浪沖擊引起的水動力激勵產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)振動噪聲也對艙室噪聲有較大的影響。

根據(jù)噪聲源設備的結(jié)構(gòu)噪聲級和空氣噪聲級，可初步判斷其對艇噪音的影響。噪聲源設備的結(jié)構(gòu)噪聲級和空氣噪聲級應由設備制造廠商提供或根據(jù)實測數(shù)據(jù)確定。在設備制造廠商沒有提供或沒有實測數(shù)據(jù)的情況下，可參照SNAME建議的計算公式進行估算。

300 t級高速巡邏艇的主要噪音源設備有4臺主機、4臺柴油發(fā)電機組、燃油輸送泵、滑油泵、污油泵、艙底總用泵、消防總用泵、前后機艙風機、主甲板艙室風機、駕駛甲板艙室風機和螺旋槳。各主要噪音源設備的結(jié)構(gòu)噪聲級和空氣噪聲級結(jié)果，見表1；各主要噪音源設備的結(jié)構(gòu)噪聲級和空氣噪聲級對比，見圖1和圖2。

2.3 采取的減振降噪措施

減振降噪的途徑主要有以下幾個方面：

第一，減少噪聲源的輻射能量和能量傳遞；

第二，采取有效措施吸收二次輻射噪聲能量；

第三，阻隔和控制噪聲傳播途徑。

通過對該艇的噪音源分析，其主要噪聲源分布在機艙及其結(jié)構(gòu)通風風道處、螺旋槳激振區(qū)和艙室風機區(qū)域。針對噪聲源的初步分析結(jié)果，綜合考慮總體技術(shù)方案要求，該艇在方案設計中就考慮了若干減振降噪措施，包括：

（1）總布置方面

對于需要噪音控制的艙室盡量布置在遠離噪聲源，如住室、會議室等盡量靠前布置；在主要噪聲源區(qū)域與工作、生活區(qū)域之間設油水艙和其他艙室作為隔離艙，以減少振動直接傳遞的影響；機艙的出入口和結(jié)構(gòu)通風風道均設置在住室后壁之后；主輔機的排氣盡量靠后，如圖3所示。

（2）結(jié)構(gòu)設計方面

進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計，在滿足強度要求的同時控制船體固有頻率，避免產(chǎn)生共振；船體結(jié)構(gòu)強度在滿足要求的情況下，在強噪聲源處局部增加板厚和結(jié)構(gòu)強度，如減少艇尾艙室跨距、適當增加骨架密度；螺旋槳上方局部板厚和構(gòu)架進行有利減少水激振力的調(diào)整等。endprint

（3）設備方面

主、輔機排氣管中設置有效的消音器；主機和柴油發(fā)電機組進行隔振處理：主機采用彈性基座安裝，柴油發(fā)電機組采用減振器安裝，其余旋轉(zhuǎn)機械的機座均襯減振墊安裝；選用低噪聲風機，降低軸流風機的轉(zhuǎn)速；對設置在生活艙室的空調(diào)提出降噪要求；所有與管路連接的設備，加設撓性接管；部分振動較大設備基座安裝也采取有效的減振措施。

（4）螺旋槳方面

為了減少螺旋槳脈動壓力引起的艇尾結(jié)構(gòu)振動，螺旋槳采用五葉槳，葉梢與船底的間隙大于0.2倍螺旋槳直徑。

（5）內(nèi)裝方面

艙壁和船殼板進行隔聲、隔振處理；在有關(guān)艙室壁板、殼板敷設厚度不同的絕緣材料；采取微孔天花板吸聲處理；部分區(qū)域采取隔音玻璃和隔音門等。

3 艙室噪聲預報及改進措施

3.1 艙室噪聲預報

采用統(tǒng)計能量分析軟件VAONE對該艇進行計算分析，在分析中將船體結(jié)構(gòu)的外板、甲板、平臺以及艙壁、艙壁阻尼材料等用板子系統(tǒng)建模，艙室采用聲腔子系統(tǒng)建模，鋪板采用噪聲控制處理建模。船體結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計能量分析模型，如圖4和圖5所示。

應用上述模型進行艙室噪聲計算預報，各艙室的總聲壓級預報結(jié)果，見表2的“首次預報值”數(shù)據(jù)。

3.2 噪聲控制措施及效果預估

通過預報結(jié)果可以看出，各艙室的噪聲總聲壓級都超出限值要求，其中駕駛室、5號住室、餐廳、14/15號住室、1/2號辦案室超出限制值較多。這些超限值較多的艙室都是與機艙或其它噪聲源相鄰近的，如5號住室緊鄰機艙風道，14/15號住室、1/2號辦案室靠近機艙，餐廳則是在機艙上方。

在VAONE軟件中，可根據(jù)相鄰子系統(tǒng)對某一系統(tǒng)的能量貢獻，找出相鄰子系統(tǒng)中對特定艙室輸入能量最多的子系統(tǒng)，從而找到減振降噪措施實施的主要對象。通過對多個艙室的輸入能量分析，本船的主要噪聲源為主機和柴油發(fā)電機組。為此，采取兩方面措施：一是降低主機和柴油發(fā)電機組的噪聲等級；二是在噪聲傳播途徑上采取阻隔措施。

措施一：對柴油發(fā)電機的減振器進行優(yōu)選，選取壓縮量更大、垂向固有頻率更小的減振器，通過計算傳遞效率，柴油發(fā)電機的結(jié)構(gòu)噪聲級可進一步減少（見表3）。

措施二：在主機基座腹板、機艙前艙壁、機艙上方餐廳區(qū)域敷設約束阻尼涂料，該材料復合損耗因子0.16 ～ 0.38，材料比重<1.5 g/cm3。

對采取以上措施后的艙室噪聲進行了計算預報，各艙室噪聲均有不同程度的降低（見表2的“采取措施后預報值”和“采取措施后降低值”），全部艙室的噪聲級都低于噪聲控制限值，滿足設計要求。

4 實船測試結(jié)果及分析

該實船的約束阻尼涂料按照設計方案敷設，但柴油發(fā)電機的減振器由于設備供貨原因，維持采用廠家原推薦的減振器。航行試驗中對該艇艙室噪聲進行了測量，典型工況的測量結(jié)果見表4，各艙室噪聲基本滿足設計控制要求。因柴油發(fā)電機維持廠家推薦的減振器，在軟件中對該狀態(tài)進行了計算預報。通過對比預報結(jié)果和實測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，大部分艙室的偏差在±2dB以內(nèi)，其中駕駛室、主甲板下靠前的住室有相對明顯的大于軟件計算預報值。其中，對駕駛室能量輸入進行分析可知，通過后壁、側(cè)壁及甲板流入其的功率占主要部分，因此初步認為是結(jié)構(gòu)噪聲未有效減弱導致，該情況在類似的鋁合金甲板室快艇上也時有出現(xiàn)。對于主甲板下靠前的住室，在100%MCR（航速33 kn）工況中，可清楚聽到波浪沖擊船體的聲音，隨著速度降低沖擊的聲音也相對減弱。通過80%MCR（航速24.5 kn）工況的測試結(jié)果也看出，此時沒有了（下轉(zhuǎn)第頁）（上接第頁）靠前住室噪聲偏大的情況。此外，從預報軟件上分析，VAONE的環(huán)境邊界條件就是將浸在水中的子系統(tǒng)與半無限域（水）相連，未考慮波浪沖擊船體產(chǎn)生的影響，因此初步認為波浪沖擊是該艇高速航行時主船體靠前的艙室的噪聲測試結(jié)果偏大的原因之一。

5 結(jié)論

本文介紹了300 t級高速巡邏艇的減振降噪設計，并應用VAONE軟件對艙室噪聲進行模擬預報，根據(jù)預報結(jié)果采取針對性改進措施，并通過實船的測試，驗證了設計指標。同時，也發(fā)現(xiàn)了高航速船舶，波浪對船殼的沖擊也將影響相關(guān)艙室噪聲水平，需在以后總布置和噪聲控制中予以注意。

控制振動噪音對中小型高速艇非常重要，特別對于客船、公務船應該高度重視，否則將對艇上工作、生活、人員健康產(chǎn)生影響。減振降噪設計工作要從綜合角度考慮，從設計源頭抓起。

參考文獻

[1] SNAME. Design guide for shipboard airborne noise control. Technical and

research bulletin No. 3-37， 1983.

[2] SNAME. Supplement to the Design guide for shipboard airborne noise control.

T&R 3-37 Supplement， 2001.

[3] Nilsson A. C.， Noise prediction and prevention in ships. Ship vibration

symposium， SNAME. 1978.endprint