科學考察船空調通風系統減振降噪設計

劉春江 胡 浩 崔 濛

（1.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011；2.江南造船（集團）有限責任公司 上海201913）

引 言

科學考察船是用于海洋科學調查、應用技術研究以及測量或勘探等船舶的統稱。21世紀是海洋世紀，隨著國民經濟的發展和海洋意識的增強，科學考察船作為人類調查研究和認識海洋的重要工具，必將有更多方面發展和需求。近年來，由于一些國際海事組織制定的一系列法律、規范中對船舶噪聲控制的要求越來越高，并且船東也加大了改善船上生活和工作環境需求，噪聲控制已經成為船舶設計中重點關注的內容。科學考察船的船員配置和工作環境相對于普通運輸船更為特殊，空調通風系統的噪聲對科學家海上實驗和船員的工作、生活都有很大的影響，空調通風系統減振降噪是重要工作之一。本文結合對“東方紅3”船的實際情況，并引用相關理論分析科學考察船上空調通風系統噪聲控制，希望能為科學考察船或類似船舶的空調通風系統減振降噪設計提供參考。

1 船舶噪聲簡介

從物理學角度定義，噪聲也屬于聲音，是由振動體引起的，通過傳聲媒質進行傳播。

從環保角度定義，一般影響人們正常工作、學習、生活、和休息的聲音都屬于噪聲，長期處在噪聲環境中身體會受到不同程度的損害。

在國際上噪聲通常采用分貝（dB）作為聲學量度的基本單位。同時引入級的概念，用聲壓級、聲強級和聲功率級來表示聲音的強度。

2 船舶噪聲類別

按照噪聲源的性質，噪聲可分為固體噪聲、流體噪聲和電磁噪聲，一般情況下，船舶噪聲源常同時具備以上三種性質。為較好地對船舶噪聲進行控制，應系統分析判斷哪種噪聲源的噪聲級較大且頻帶較高，并采取相應的控制方法。

3 船舶空調通風系統噪聲來源及傳播途徑

目前船舶空調通風系統多采用集中送風，即中央空調器為多個艙室提供處理后的空調風。按此分析，空調通風系統主要噪聲源有兩項：一是組合式空調器、通風機等設備運行的噪聲即機械噪聲；二是氣流在風管和設備內流動的再生噪聲，再生噪聲包括風管、消聲器、風口產生的噪聲。

船舶空調通風系統主要噪聲源產生的噪聲傳播到居住生活艙室的途徑有許多，存在多種傳播機理，情況較為復雜，但主要還是通過通風管道進行傳播。

4 科學考察船空調通風系統減振降噪要求

科學考察船作為海上試驗平臺，較普通運輸船有更多的使用功能，其中DP動力定位系統、水下聲學探測系統以及工作生活環境等對船舶的振動和噪聲的要求更為嚴格。以“東方紅3”船為例，對科學考察船空調通風系統減振降噪的要求主要考慮以下兩個方面。

4.1 空調通風系統噪聲要求

本船的艙室空氣噪聲及甲板工作區的噪聲應滿足IMO最新艙室噪聲規范要求MSC337（91），見表1。

表1 噪聲級最大限制值

續表1

為滿足表中的噪聲指標要求，空調通風系統末端風口的噪聲值在表中要求的基礎上再降低5～10 dB（A）。

另外根據船東要求，為科學家和船員提供更為舒適的工作和生活環境，對艙室內空調系統噪聲要求進一步提高，居住艙室的布風器出口噪聲按表2中CCS噪聲舒適度等級2級中乘客高級艙室的數值再降低5 dB（A）。

表2 CCS噪聲舒適度等級2級噪聲指標

4.2 空調通風系統振動要求

水下輻射噪聲衡準值需滿足DNV的水下噪聲衡準要求，在11 kn航速時滿足DNV Silent-R的噪聲要求，頻帶范圍從10 Hz到100 000 Hz的1/3倍頻程，具體衡準曲線見圖1。

圖1 水下輻射噪聲衡準曲線（Silent-R）

其中對空調通風系統要求主要泵組、通風機、冷水機組需作隔振處理。

5 科學考察船空調通風系統減振降噪設計

根據上文中提到的科學考察船空調通風系統減振降噪的要求，空調通風系統設計的主要方法列舉以下幾點，并結合“東方紅3”船典型艙室的設計案例加以介紹。

5.1 空調系統分區設計

相對于普通運輸船的空調器集中布置在一個空調器間，科學考察船空調器布置需要考慮甲板位置和區域功能劃分，這樣可以在總冷熱負荷和通風量相同的情況下，降低單個空調器通風機的送風量和送風壓力，對艙室內送風末端和回風末端的噪聲源的輸入可以有效降低；這樣設計下單個空調器的本體噪聲也會大大降低，進而減少設備本體噪音對周圍艙室的影響。“東方紅3”船的空調系統按照甲板位置和功能區的特點，空調器的數量和布置見表3。

表3 “東方紅3”船中央空調器布置列表

5.2 空調通風系統的變風量設計

常規的空調通風系統采用單速離心風機固定風量送風，風機一直以空調系統最大負荷所需風量工作，但實際上每個房間受外界環境影響所需的制冷量及空調送風量是變化的，通常是低于初期設計最不利工況下的制冷量和風量，為滿足科學考察船上空調通風系統的噪聲設計要求，空調通風系統采用變風量設計，房間內設置人性化的溫控面板，船員根據自身所需設定溫度，布風器根據目前的房間溫度自行判斷加大或減少送風量，空調器送風風機根據靜壓箱送風壓差傳感器調節風機轉速，相對于定風量系統設計可以降低風機功率和送風壓力，這樣可以有效降低噪聲源對系統的影響。

5.3 空調通風系統的新風比設計

常規空調通風系統如果按照國際航線，空調系統新風比一般選50%；在科學考察船上有的住艙是多人床鋪，且多人住艙位于生活區靠下的甲板，冷熱負荷并非主要影響風量的輸入參數，大部分是為滿足規范每人新風量而算出的空調送風量。例如“東方紅3”位于下甲板的4人間和6人間，以6人間為例，負荷計算出所需風量為296 m3/h；如按照50%新風比要求所需風量為360 m3/h。這樣就會加大空調器總的送風量及風機送風壓力，影響空調通風系統的噪聲源的輸入。在這種情況下，提高新風比到60%，使該房間的送風量為300 m3/h。依次類推，通過對比該甲板的每個房間的風量需求，最終確定最為經濟的新風比，為空調通風系統噪聲控制打下好的基礎。

5.4 空調通風系統風速設計

風速是空調通風系統再生噪聲的主要因素之一，合理控制管路的風速有利于整個空調通風系統的噪聲控制。

根據直管道的氣流噪聲聲功率級公式

式中：LW為直管道的氣流噪聲聲功率級，dB；LWC為直管比聲功率級，一般取10 dB；v為直管內氣流速度，m/s；F為風管截面積，m2。

從式（1）中可以看到降低直管道的氣流速度可以有效減少管道氣流的噪聲聲功率級，“東方紅3”船在空調通風系統中，主管路風速應控制在8～12 m/s，末端風口的風速應控制下3～4 m/s，不同噪聲級對應的風速要求如表4。

表4 “東方紅3”船風管風速選用標準

另外，科學考察船上由于空間局限，依次選用風管形式為：圓形-橢圓形-方形。

5.5 空調通風系統的噪聲計算

空調通風系統的噪聲計算是預測和檢驗前期噪聲控制設計的必要內容，通過噪聲計算可以確定對整個系統噪聲影響最大的因素，還可以為采用何種消音措施提供指導。以“東方紅3”船登艇甲板高級房間（房間號418，房間名稱“首席科學家”）為例進行分析計算，該房間的空調通風系統布置圖參圖2。

圖2 “首席科學家”空調通風系統布置圖

空調通風系統影響該房間的主要有空調送風末端風口噪聲、空調回風末端噪聲和衛生單元排風口末端噪聲，通過噪聲計算分別計算出3種通風系統的噪聲值并進行疊加，得出房間最終的噪聲值，計算結果見下頁圖3。

從計算結果可以看出，空調送風末端和空調回風末端的噪聲值低于42 dB（A），但抽風側數值并沒有顯示，衛生單元的排風機位于尾部，距離最近的尾部艙室計算時房間已經滿足，首席科學家住艙距離最遠，噪聲衰減最大，可以認為對房間沒有影響，綜合以上計算，該住艙達到了CCS噪聲舒適度等級2級中乘客高級艙室的數值要求。

6 科學考察船空調通風系統減振降噪措施

6.1 合理選用通風設備

空調通風系統最大噪聲來源是空調器，合理選用空調器設備非常重要，對空調器選用需注意以下幾點：

（1）根據空調通風系統的實際需求選用風壓和風量

在負荷計算時不能留有過大的余量，避免因空調器的風機選用過大而使系統的噪聲源數量級增大，只有當設計風壓和實際工作風壓接近，風機有效功率最大噪聲值才最小。“東方紅3”船在設計前期便對空調處所的負荷多次校核，最終合理地選用了空調器。

（2）空調器風機內部消聲處理

除了上面提到的風量和風壓，風機軸承的對中和內部消音材料的選用也直接影響空調器進出口的噪聲值，在風機軸承對中上必須嚴格要求對中精度及減震安裝；空調器出風段的箱體內必須敷設材料。在“東方紅3”船的空調器上，對上述內容都給出了明確的技術要求，并且均提供出廠檢驗報告。

圖3 首席科學家房艙噪聲計算結果

6.2 隔聲控制

在船舶空調通風系統中的機械振動噪聲通常采用隔聲控制來解決，物理隔振處理是一個切實有效的辦法之一。所謂隔振處理通常是指為減小結構噪聲的產生與傳遞，在振源和安裝固定結構中間安裝彈性元件或者隔振裝置，進而降低或者削減振源傳遞給結構的振動能量。隔聲降噪常用方法有以下幾種，現結合“東方紅3”船上的典型圖加以介紹：

（1）風機安裝時，在風機底座和風機本體之間安裝減振器或彈性墊片，并在風機進出口選用軟管與鋼制風管進行連接，“東方紅3”船風機安裝型式如圖4所示。

圖4 “東方紅3”船風機隔振安裝

（2）風管壁和固定吊架管卡之間加裝彈性橡皮墊圈，“東方紅3”在風管安裝上采用風管與吊架之間的彈性安裝。

（3）在風管上包覆隔音絕緣材料，如下頁圖5所示。

圖5 “東方紅3”船風管隔音絕緣安裝

（4）風管材料選擇時應根據實際情況適當增加風管壁厚，從而增加風管的一定剛性，由風管振動產生的對風管外部環境的聲音輻射可以降低。

6.3 消聲控制

在船舶空調通風系統中，氣流通過管道流到末端風口，不論是機械噪聲還是再生噪聲單純通過隔振措施是無法解決噪聲問題，這種情況下，設計中通常在風管路上的合適位置安裝消聲器進行減噪。

目前船用通風消聲器主要有阻性消聲器、抗性消聲器及阻抗復合型消聲器.它們降噪機理的共同點是通過噪聲與聲學材料或聲學結構的相互作用來消耗聲能，從而達到降噪目的，消聲器的幾種型式如圖6。

圖6 消聲器型式

6.4 合理布置風管

對空調及通風風管的三通、彎頭、調風門等，應盡量做成流線型、漸變型或設置導流葉片，以減小空氣流動阻力。

風道斷面擴大時，其擴張角應盡量小于20°；風道斷面縮小時，其收縮角應盡量小于45°；矩形風管斷面的長寬比盡量小于3.5。

風機出口最好有長度為出口邊長1.5 ～ 2.5倍的直管段，以避免渦流。如果受空間限制不能滿足上述要求，出口管的轉彎方向應順著風機葉輪轉動的方向，或在彎管中設導流葉片。

采用較厚鋼板制作風管，以避免由于風管剛度不夠而引起振動和噪聲。

7 結 語

本文對科學考察船空調通風系統減振降噪設計提供了參考，在實船設計過程中必須做好前期綜合考慮，合理劃分空調區域使各艙室空調通風系統管系布置通順，盡量降低通風風速，并通過噪聲計算合理設置消聲器，最大程度對科學考察船空調通風系統振動和噪聲進行有效控制。