船舶機艙集控室聲能量分析與降噪設計

樊 紅，丁許聰，秦 歡

（武漢理工大學 能源與動力工程學院，武漢 430063）

目前，由于柴油機良好的經濟性和寬廣的功率范圍，90%以上船舶推進采用的是柴油機動力裝置。但是柴油機相對于其它動力裝置，一個明顯的缺點是其振動噪聲大。無論是作為船舶推進主機還是發電輔機的柴油機，大多數噪聲都超過100 dB(A)所以大多數船舶機艙都設有集控室。集控室將機艙內的操縱系統、車鐘、各類儀表與報警系統集中于一室，內設空調系統。國際海事組織《船上噪聲等級規則》規定，機艙內噪聲不超過110 dB(A)，集控室內噪聲級不超過75 dB(A)[1]。由于集控室聲學處理不當而造成集控室噪聲超標的船舶很多，所以集控室往往是船舶最重要的噪聲控制對象之一。

為減少集控室的噪聲，可供選擇的措施一般包括對地板進行約束阻尼處理或浮筑地板，圍壁采用帶空腔且填充吸聲材料的雙層結構形式的隔聲板[2–3]，隔聲板一般是根據不同隔聲板隔聲量測定試驗或經驗來選擇。但由于不同船舶機艙內主要聲源柴油機的聲振性能差異大；大多數船機艙布置在尾部，螺旋槳激勵引起的結構噪聲也很大；船體又是鋼結構，其振動傳遞損失很小。導致集控室聲能量傳遞途徑復雜，僅憑經驗采取減振降噪措施，其措施的有效性與經濟性有時不能很好兼顧。

因此，本文利用通用聲振軟件VA One，基于統計能量方法(SEA)，對某船進行艙室噪聲預測，并分析集控室聲能量來源及組成，從而有針對性地對集控室進行降噪設計。

1 船舶艙室噪聲預報模型

1.1 研究對象描述

本文研究對象為某平臺工作船，總長85.0 m，垂線間長77.75 m，型寬22.0 m，型深8.00 m，設計吃水6.3 m，雙機雙槳推進，主機最大持續服務功率(100%MCR)2206 kW，額定轉速800 r/min。該船為艏樓型，上層建筑從下往上依次為主甲板、升高甲板、艏樓甲板、艇甲板、辦公甲板和駕駛甲板。機艙位于58－94號肋位間。集控室位于機艙中間甲板85－94號肋位間，其位置如圖1所示，中間甲板距主機機座高度為3.4 m。

圖1 機艙縱剖圖

1.2 統計能量法（SEA）理論

統計能量法是將一個復雜結構的振聲系統分成若干個相互耦合的子系統，每個子系統在某個頻率范圍內都有若干共振頻率，也可以認為這些共振頻率是由多個振子組成的振子群產生的。在每個振子群中，能量儲存于彈性和慣性元，通過阻尼元耗散，并且能量可以經耦合元傳遞到其他振子群。SEA法的目標是根據系統的各參數建立各子系統的能量流動關系，最后導出能量平衡方程，通過求解能量平衡方程可以得到每個子系統的能量，從而得到所求的振動響應[4]。運用統計能量法的關鍵是合理劃分物理子系統，即必須滿足相似性和顯著性條件，相似性條件是指劃分的每個子系統幾乎具有相等的激勵和阻尼，或者說相等的振動能量，顯著性條件是指這些子系統在能量的傳輸、消耗和儲存中起重要作用。另外為保證計算精度，建立統計能量模型時要求單位帶寬內的模態數≧5。

統計能量法已成功運用于航空航天、汽車和船舶等領域[5]。

1.3 平臺工作船的SEA模型

采用VAOne軟件進行全船建模，其步驟如下：

(1)根據實船艙室分布和船體結構，建立全船所有子系統模型，全船劃分為梁(Beam)、加筋板(Ribbed Plates)、聲腔(Acoustic Cavities)和半無限流體(Semi-infinite Fluids)四類子系統。半無限流體是考慮舷外水對船舶振動噪聲的影響。為建模和計算方便，在保證模型精度前提下，將門窗統一建成板。

(2)定義材料屬性和物理屬性：定義模型中用到的材料的物理屬性，如使用的鋼板的密度、彈性模量、泊松比等；定義模型中使用的各種梁、板的結構形式、材料和厚度等。

(3)創建子系統和子系統的連接，確保所有子系統之間完全耦合，能量在子系統間傳遞正常。

(4)計算和確定激勵源以及板、聲腔的內損耗因子。

(5)求解，輸出結果。

1.4 激勵源的確定與計算

機艙集控室噪聲由“空氣聲”和“結構聲”組成，并且由于集控室位于機艙內，兩種噪聲能量都很大。空氣聲是主輔柴油機等聲源產生的輻射聲，經空氣媒質等傳播并透過集控室地板和圍壁進入室內的；結構聲是主輔柴油機與螺旋槳等機械產生的振動，經過船體結構傳播至集控室6個面，并向室內輻射的。

艙室噪聲預測選取主機100%MCR航行工況。由于該船輔機安裝有減振器和標稱消減能力為35 dB(A)的消聲器，其振動和噪聲激勵比主機小很多，對全船艙室包括集控室的影響可以忽略。集控室內雖裝有空調，但空調噪聲值小于55 dB(A)。因此該船航行工況下的激勵源主要是主機的輻射聲激勵、主機作用在船體主機座上的結構激勵和螺旋槳的脈動壓力對船底板的激勵。

主機和螺旋槳激勵大小采用經驗公式來估算[1，6]。模型中分別表現為柴油機的輻射聲功率級、柴油機機腳處的振動加速度級和螺旋槳振動加速度級，其頻譜如圖2所示。

2 噪聲預測結果及集控室聲能量分析

2.1 噪聲預測結果

圖3為該船艙室的噪聲云圖，預測的艙室數共61個。

圖2 激勵力頻譜

圖3 全船噪聲云圖

為驗證預測結果的可信性，進行了實船艙室噪聲測量[7]。測量儀器選用Larson Davis Model 831一類精密積分聲級計。這里僅選取各層甲板上代表性艙室共11個，列出其A計權后噪聲預測值與測量值進行對比，如表1所示。

表1 噪聲實測值與預測值對比表/dB(A)

可以看出，誤差范圍均在5 dB(A)以內，預測結果可以接受。除駕駛室由于電子設備噪聲原因，其實測值比預測值大以外，實測值都比預測值略小。

集控室的噪聲預測值為81.9 dB(A)，實測值78.8 dB(A)，都超出了噪聲限值。表中艙室噪聲預測值均考慮了艙室內裝材料，原船集控室地板為常規A60級防火方案，即甲板上敷設42 mm厚耐火甲板敷料加5 mm厚橡膠合成地板；圍壁和天花板采用鋼板加微穿孔復合巖棉板，同時集控室安裝了隔聲量在30 dB(A)以上的隔聲門與隔聲窗。原船降噪方案集控室仍超標3.8 dB(A)。

2.2 集控室聲能量輸入及分析

為了對集控室進行有效的降噪設計，采用軟件模擬集控室未加內裝材料時的噪聲值為95.2 dB(A)，頻譜圖如圖4所示。可以看出，在A計權后噪聲能量主要集中在200 Hz～3000 Hz頻段，集控室內主要為中高頻噪聲。

圖4 無降噪措施的集控室噪聲頻譜圖

VA One軟件可以查詢相互耦合子系統間的能量輸入關系[8]，通過考察集控室和它相連所有子系統的能量關系，可以知道哪些子系統對集控室聲能量起主要作用，從而針對性的采取降噪措施。圖5為無降噪措施時集控室能量輸入圖。

圖5 無降噪措施的集控室聲能量輸入圖

可以看出，由于集控室位于機艙中間甲板上，通過船體結構振動和輻射進入的聲能量都很高。經結構振動傳遞入集控室的結構聲，輸入能量最高的子系統為集控室地板，其后依次為后壁板、天花板、前壁板、左壁板和右壁板。空氣聲比結構聲低一些，輸入能量大的依次是集控室地板，前壁板和左壁板。

3 集控室降噪方案設計

集控室的降噪可以采用聲學包設計方法，聲學包是指減振降噪材料、面板材料及其基體結構材料的組合。不同的材料組合會導致不同的聲學包性能或者說減振降噪效果，聲學包設計要求根據不同的噪聲頻譜特性，選擇相應的聲學材料和降噪方法[9]。

集控室要獲得好的降噪效果，必須對其所有面進行處理。但經不同面進入的能量是不同的，這里考慮對集控室地板主要進行阻尼減振和隔聲處理，對圍壁和天花板進行吸聲和隔聲處理。為了消耗振動能量，在地板上噴涂一層內耗較大的黏彈性高阻尼材料，再貼上薄的鋼板構成約束阻尼，其上再敷設橡膠合成地板。圍壁和天花板的吸聲材料主要選取超細玻璃棉和礦物棉，同時設計空氣層增加吸聲效果，隔聲材料主要選取薄鋼板和復合巖棉板，其中復合巖棉板用兩層薄鋼板中間夾上礦物棉來模擬。具體方案如表2所示。

VA One軟件中可以定義噪聲控制處理方案(Noise Control Treatment，NCT)，NCT是通過分層定義的，一個NCT可以有幾個層(layer)，表2中這些層表示在船體鋼板上向集控室內一層層敷設的降噪材料。

采用降噪方案1后得到集控室噪聲預測值為85.6 dB(A)，降噪量為9.6 dB(A)，未達標。對比施加NCT前后的頻譜特性，如圖6所示。

可以看到，200 Hz以下的低頻段，在100 Hz和125 Hz降噪量為4 dB(A)，在200 Hz以后，200 Hz～1000 Hz的降噪量在6 dB(A)～10 dB(A)，1000 Hz以后降噪量逐漸增加，從20 dB(A)增加到45 dB(A)，說明該方案對中高頻噪聲具有良好的降噪效果。

再次考察降噪后的的集控室聲能量輸入關系，如圖7所示。

從圖7可以看到，在進行上述降噪處理后，集控室的聲能量主要來自于集控室地板的結構聲以及由集控室地板透射進入的空氣聲，其他面的輸入能量已大幅降低。集控室還超標10.6 dB(A)，考慮到降噪方案1的不足，為加強集控室地板的吸聲與減振效果，采用雙層約束阻尼加上吸聲的浮動設計，方案2如表3所示。

圖6 施加NCT前和方案1集控室噪聲頻譜圖

圖7 降噪方案1的集控室聲能量輸入圖

計算得到集控室噪聲值為73.1 dB(A)，降噪量為22.1 dB(A)，集控室的噪聲限值是75 dB(A)，采用降噪方案2后的噪聲值滿足規范要求。圖8是3種情況下的噪聲頻譜圖。

從圖中可以發現，頻率200 Hz以下的噪聲減少幅度很少，頻率200 Hz以上的噪聲大幅度減少，說明方案2可以非常好地削減中高頻的噪聲，對于200 Hz以下的低頻噪聲，降噪效果一般。而與方案1相比，方案2只在地板上增加了一層吸聲材料和一層阻尼材料，說明對集控室的地板進行降噪處理時，雙層約束阻尼結構可以使地板振動大大衰減。另外不能只考慮減少地板結構聲，空氣聲也大量從地板進入集控室，如果增加一層吸聲材料，會取得很好的效果。

表2 集控室降噪方案1

表3 集控室降噪方案2

圖8 施加NCT前、方案1和方案2的集控室噪聲頻譜圖

需要注意的是，建立船舶SEA模型時，為滿足絕大多數子系統的模態數≧5的要求，應盡可能少拆分面，所以門窗都統一為建成的板。為了滿足艙室隔聲量要求，集控室必須采用隔聲量一致的隔聲門與隔聲窗，并且要做好門窗的縫隙處理。

4 結語

基于某平臺工作船，利用VA One軟件，建立其統計能量模型，進行了包括集控室在內的艙室噪聲預測，分析了集控室聲能量輸入途徑及排序，根據集控室噪聲頻譜特性及軟件NCT功能，采用聲學包設計方法進行了降噪設計，結論如下：

（1）船舶機艙集控室距離激勵源近，聲能傳遞途徑復雜，結構聲和空氣聲對集控室的影響都非常大，必須高度重視集控室的噪聲控制，為輪機人員創造一個相對安靜舒適的工作環境。

（2）在船舶設計階段如果能進行艙室噪聲預報，可以大大節省由于事后發現噪聲超標而進行改造的費用。在艙室噪聲預測時，可以根據集控室的噪聲頻譜特性和聲能量組成，選擇不同材料組合，利用VA One的NCT功能進行聲學包的優化設計，比如最優的材料組合形式和材料厚度。這種方法同樣也適用于其他艙室的噪聲控制，特別是聲源復雜，降噪處理難度大的艙室。這樣可以較好解決僅憑經驗選擇降噪材料時，由于聲源特性不同和聲能量傳遞途徑復雜、降噪效果不理想的問題，并且能兼顧降噪成本。

（3）集控室地板往往是噪聲能量最大輸入者，要同時做好減振和隔聲吸聲處理，采用雙層約束阻尼結構可以使地板振動獲得很大衰減。集控室圍壁和天花板可以采用帶空氣層且填充吸聲材料的雙層結構。隔聲門與隔聲窗的隔聲量要與圍壁一致。

（4）由于集控室位于機艙內，選擇降噪材料時要考慮機艙防火等級要求。

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