船舶修理振動噪聲測試、控制與評估研究

柴 凱，豐少偉，蔡敬標(biāo)

(1.海軍工程大學(xué) 艦船與海洋學(xué)院，湖北 武漢 430033；2.海軍研究院，北京 100161)

船舶聲隱身性能直接影響其生存和作戰(zhàn)能力，具有隱蔽自己和先敵發(fā)現(xiàn)的雙重戰(zhàn)術(shù)意義。某船在設(shè)計和建造時，就非常重視聲隱身性能的控制，匠心獨(dú)具，效果顯著[1]。該船不僅大量采用隔振元件、大面積敷設(shè)黏彈性阻尼材料、大范圍使用動力吸振器，就連所有管路、通海閥箱等裝置或結(jié)構(gòu)都無處不體現(xiàn)著聲學(xué)設(shè)計的思想。然而，其對于船舶振動噪聲控制的維修保障重視程度還不夠，很多技術(shù)責(zé)任單位對于為何要控制、控制什么、如何控制都還缺乏認(rèn)識，大都僅局限于對隔振器、撓性接管和黏彈性材料進(jìn)行更換等。沒有依據(jù)減振降噪特點(diǎn)，系統(tǒng)考慮船舶修理減振降噪要求，維修保障控制范圍窄、深度不夠；同時，由于缺乏相應(yīng)聲學(xué)性能方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、操作規(guī)程、驗(yàn)收指標(biāo)以及管理規(guī)定，船舶在修理后，其隱身性能是否保持、是否得到恢復(fù)無法判斷，甚至出現(xiàn)隱身性能越修越差的現(xiàn)象。

為確保船舶修理后的總體振動噪聲性能指標(biāo)不低于修理前的水平，必須結(jié)合等級修理從總體、系統(tǒng)和元器件3個層次對其振動噪聲控制技術(shù)進(jìn)行全面而深入的剖析，開展減振降噪設(shè)施的維修管理和保障研究，解決減振降噪設(shè)施的修理及振動噪聲控制等問題，恢復(fù)并保持船舶振動噪聲性能。

1 振動噪聲控制的基本情況

該船的減振降噪系統(tǒng)對總體水下噪聲級、噪聲源的控制，動力系統(tǒng)及其輔助裝置振動，空氣噪聲和導(dǎo)流罩設(shè)計等均提出了明確要求[2]。其中，動力系統(tǒng)及其輔助裝置振動的控制措施如下。

1)使用大量的隔振器，以隔離機(jī)械振動向基座的傳遞。全船的專用型隔振器有錐形橡膠隔振器、圓柱形橡膠隔振器、雙V形橡膠隔振器、剪切型橡膠隔振器、圓筒形氣囊隔振器等，使用的通用型隔振器更是不計其數(shù)。

2)在液壓系統(tǒng)、疏水系統(tǒng)、輔冷系統(tǒng)、集中潤滑系統(tǒng)和高壓空氣系統(tǒng)等管路系統(tǒng)中，均安裝有撓性接管，實(shí)現(xiàn)管路的彈性連接，補(bǔ)償系統(tǒng)和連接設(shè)備在受到?jīng)_擊時產(chǎn)生的位移，消減管內(nèi)流體壓力脈動，減小結(jié)構(gòu)噪聲沿管路的傳遞。

3)在主減速齒輪箱和主推力軸承之間采用隔音聯(lián)軸器，補(bǔ)償主汽輪機(jī)和主減速齒輪箱單層隔振系統(tǒng)輸出軸與推力軸承輸入軸系之間的相對徑向位移，并可隔離扭轉(zhuǎn)振動。

4)將軸系進(jìn)行優(yōu)化，將原動機(jī)和齒輪箱安裝在一個公共筏架上，然后進(jìn)行隔振，大大降低了主動力裝置振動向船體的傳遞。

5)在電機(jī)、泵等振動特征頻率明顯的設(shè)備上安裝動力吸振器，吸收系統(tǒng)特征頻率下的振動能量，從而達(dá)到抑制低頻線譜的目的。這是對隔振器缺乏線譜隔離能力的重要補(bǔ)充。

6)在主要振動機(jī)器的安裝基座上敷設(shè)吸振覆蓋層，吸收了大量的振動能量，有效控制了機(jī)械噪聲源產(chǎn)生的振動能量向其它結(jié)構(gòu)傳遞。

2 目前減振降噪設(shè)施存在的問題

該船具體減振降噪設(shè)施包括隔振器、撓性接管、聲學(xué)覆蓋層和動力吸振器4種類型元器件[3]。經(jīng)調(diào)研統(tǒng)計，該船很多減振降噪設(shè)施的性能已下降，有的甚至失去了功效，主要問題列舉如下。

1)橡膠隔振器中的橡膠部件不斷受到氧氣和油水的侵蝕，逐漸老化變硬，雖然表面上看不出破損，但性能已經(jīng)大大下降，部分隔振器甚至已撕裂，嚴(yán)重影響了隔振性能。

2)黏彈性阻尼材料大都敷設(shè)在振動劇烈、工作環(huán)境比較惡劣的部位，目前大部分已接近使用年限，出現(xiàn)了功能退化、開裂、破損等情況；此外，在對船體結(jié)構(gòu)、動力系統(tǒng)等部位進(jìn)行修理時，部分黏彈性阻尼材料不可避免地會遭到破壞。

3)在對電機(jī)、泵進(jìn)行修理過程中，經(jīng)常會拆卸部分動力吸振器，由于其外形相似，容易出現(xiàn)不同型號的動力吸振器混裝的情況，且吸振頻率未進(jìn)行調(diào)節(jié)，這不僅會導(dǎo)致設(shè)備振動加大，而且還會使輻射水聲中的線譜成分更加明顯；另外，動力吸振器的彈簧也存在老化現(xiàn)象，這會導(dǎo)致彈性系數(shù)的變化，從而影響其吸振性能。

4)在液壓系統(tǒng)、疏水系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、消防系統(tǒng)和高壓空氣系統(tǒng)等管路系統(tǒng)中均安裝有撓性接管，由于其老化和結(jié)構(gòu)的破壞，目前很多撓性接管的位移補(bǔ)償功能已經(jīng)下降，對沖擊和振動的隔離能力也會隨之下降。

5)相關(guān)技術(shù)保障單位除對隔振器有一定的技術(shù)積累之外，嚴(yán)重缺乏其它減振降噪設(shè)施的結(jié)構(gòu)組成、設(shè)計原理、技術(shù)參數(shù)、性能特點(diǎn)等聲學(xué)數(shù)據(jù)，且大部分減振降噪設(shè)施的修理尚未開展，相關(guān)的技術(shù)要求和工藝方法還未掌握，對該船修理聲學(xué)狀態(tài)的變化控制尚存在一定困難。

根據(jù)相關(guān)減振降噪元器件的修理技術(shù)要求，隔振器、黏彈性阻尼材料、撓性接管、動力吸振器等在船舶中修時必須全部恢復(fù)其聲學(xué)性能。因此，該船中修中減振降噪設(shè)施的修理問題已經(jīng)日益突出。需通過研究，解決以下問題：一是修理范圍，即應(yīng)該對哪些系統(tǒng)、設(shè)備或元器件進(jìn)行修理；二是考核依據(jù)，即通過修理達(dá)到什么樣的效果才算合格。

3 振動噪聲測試

對該船主要機(jī)械設(shè)備的振動、從設(shè)備傳遞至基座的振動、隔振裝置隔振效果和軸系振動等進(jìn)行測試，建立相應(yīng)的聲學(xué)數(shù)據(jù)庫，跟蹤掌握該船的振動聲學(xué)狀態(tài)，從而為修理提供必要的數(shù)據(jù)支持。

3.1 測試內(nèi)容

該船主要測量機(jī)械設(shè)備及其隔振裝置的振動加速度和振動烈度。具體被測物理量及范圍包括：振動加速度，10～8 000 Hz；對轉(zhuǎn)速低于600 r/min的機(jī)組，分析帶寬可取2～4 000 Hz；振動速度，10～1 000 Hz；對轉(zhuǎn)速低于600 r/min的機(jī)組，分析帶寬可取2～1 000 Hz。

還應(yīng)測量該船軸系的振動加速度、軸心軌跡和軸功率。具體被測物理量及范圍包括：振動加速度，10～8 000 Hz；振動位移2～400 Hz。

3.2 測試數(shù)據(jù)分析

對機(jī)械設(shè)備、筏架、基座、管路和軸系振動加速度測試數(shù)據(jù)進(jìn)行以下分析：①振動加速度1/3倍頻程譜(10～10 000 Hz)；②振動加速度級總級(10～10 000 Hz)；③振動加速度傅里葉變換(FFT)譜頻(10～1 000 Hz)；④振動加速度頻帶有效值(10～1 000 Hz)；⑤隔振裝置、撓性接管的隔振效果計算。

對設(shè)備振動速度數(shù)據(jù)進(jìn)行以下分析：①振動速度FFT頻譜(10～1 000 Hz)；②被測設(shè)備的振動烈度。

4 振動噪聲控制

為了對該船的振動噪聲水平進(jìn)行有效控制，確保修理后總體振動噪聲性能指標(biāo)不低于修理前的水平，可從以下幾方面開展工作。

4.1 振動噪聲控制大綱的制定

通過制訂該船修理振動噪聲控制大綱，從頂層角度規(guī)劃修理過程中振動噪聲控制的執(zhí)行規(guī)范、采取的技術(shù)途徑、實(shí)施方案和步驟等，并以此大綱作為依據(jù)，來指導(dǎo)該船等級修理振動噪聲控制的設(shè)計、施工和檢驗(yàn)。編制的“振動噪聲控制大綱”，主要包括以下內(nèi)容。

1)動力設(shè)備振動噪聲控制。對改換裝設(shè)備及修理工程范圍內(nèi)的設(shè)備提出振動噪聲控制指標(biāo)要求，并滿足相應(yīng)的國軍標(biāo)要求。

2)艙室空氣噪聲的控制。對某一航速下，各艙室的空氣噪聲水平提出要求。

3)橡膠隔振元器件的控制。更換的橡膠隔振元器件必須與原用隔振元器件在固有頻率、隔振效果等隔振性能指標(biāo)上相當(dāng)，并對其接口關(guān)系、在鹽霧、溫度等方面提出要求。

4)動力吸振器的控制。對更換的動力吸振器的吸振頻率、吸振效果等性能指標(biāo)提出要求。

5)黏彈性聲學(xué)材料的控制。對更換的黏彈性聲學(xué)材料的結(jié)構(gòu)、固有頻率、隔聲、抑振、鹽霧、溫度等方面提出要求。

6)撓性接管的控制。對更換的撓性接管的結(jié)構(gòu)、材料特性、固有頻率、隔振、偏移補(bǔ)償?shù)刃阅芴岢鲆螅⒁?guī)定應(yīng)與所屬系統(tǒng)一起進(jìn)行密性試驗(yàn)，保證接管接頭處無泄漏。

7)修理低噪聲施工工藝控制。編寫設(shè)備安裝過程中涉及管路、馬腳、隔振裝置、隔振元器件等低噪聲安裝的施工工藝指導(dǎo)性文件。

4.2 減振降噪元器件技術(shù)要求的編制

為規(guī)范該船減振降噪元器件的型號組成、特性、材料等技術(shù)參數(shù)以及試驗(yàn)與檢驗(yàn)、質(zhì)量保證、安裝與使用等要求，必須制定嚴(yán)格的“減振降噪元器件技術(shù)要求”，從而有效控制備件的研制及換裝工程的質(zhì)量[4]。編制的“減振降噪元器件技術(shù)要求”主要包括以下內(nèi)容。

1)橡膠隔振器元件技術(shù)要求。對其尺寸、重量、額定載荷，額定載荷作用下靜變形、靜剛度、動剛度以及與額定承載質(zhì)量組成的系統(tǒng)在垂直方向的自由振動頻率等參數(shù)提出要求，對其試驗(yàn)與檢驗(yàn)方法進(jìn)行規(guī)定。

2)撓性接管技術(shù)要求。對其結(jié)構(gòu)、材料特性、固有頻率、隔振、偏移補(bǔ)償、抗沖擊位移等性能提出要求。

3)動力吸振器技術(shù)要求。對其體積、重量、尺寸、接口關(guān)系、減振效果以及工作條件等性能指標(biāo)提出要求。

4)黏彈性阻尼材料技術(shù)要求。對其結(jié)構(gòu)、尺寸、聲學(xué)性能、物理機(jī)械性能、環(huán)境適應(yīng)性能、粘貼性能、毒性及使用壽命等指標(biāo)提出要求。

4.3 減振降噪設(shè)施修理原則工藝的編制

對該船減振降噪系統(tǒng)的關(guān)鍵修理技術(shù)進(jìn)行研究，并針對相關(guān)設(shè)備、結(jié)構(gòu)或元器件編制相應(yīng)的修理原則工藝，以此作為修理廠制訂修理施工工藝和作業(yè)指導(dǎo)書的依據(jù)，指導(dǎo)現(xiàn)場維修工作。編制的“減振降噪修理原則工藝”主要包括以下內(nèi)容。

1)隔振器修理原則工藝。對重點(diǎn)設(shè)備隔振裝置拆卸、修理以及恢復(fù)安裝等各項步驟的技術(shù)要求，以及需用到的專用工具、檢驗(yàn)儀表及特制工裝提出要求。

2)撓性接管修理原則工藝。對該船撓性接管的拆卸、修理以及恢復(fù)安裝等各項步驟的技術(shù)要求，以及需用到的專用工具、檢驗(yàn)儀表及特制工裝提出要求。

3)動力吸振器修理原則工藝。對該船吸振器的拆除、安裝與調(diào)試步驟及工藝流程提出要求。

4)黏彈性阻尼材料修理原則工藝。對該船黏彈性阻尼材料的入廠檢驗(yàn)、敷設(shè)工藝、施工條件、敷設(shè)后的檢驗(yàn)方法提出要求。

4.4 修理人員的培訓(xùn)

通過對減振降噪系統(tǒng)維修保障技術(shù)的深入研究，組織編制技術(shù)隊伍建設(shè)所需的培訓(xùn)教材，包括水面船舶修理振動噪聲控制培訓(xùn)手冊、維修施工人員責(zé)任說明書、施工項目驗(yàn)收細(xì)則、總體責(zé)任單位抽檢檢驗(yàn)細(xì)則、不合格項目整改實(shí)施細(xì)則等文件。

對相關(guān)維修保障人員進(jìn)行培訓(xùn)，培訓(xùn)內(nèi)容包括振動噪聲基本理論知識、該船減振降噪措施應(yīng)用情況，并介紹隔振器、管路系統(tǒng)振動噪聲控制、螺旋槳修理的振動噪聲控制、阻尼降噪技術(shù)、維修工藝與船舶聲隱身的關(guān)系以及船舶振動噪聲測量技術(shù)，使相關(guān)維修保障人員在裝備維修保障過程中建立起自覺維護(hù)船舶聲隱身性能的意識，了解修理中的聲學(xué)控制措施和要點(diǎn)，避免修理工作中的失誤。

5 振動噪聲控制評價

制定該船修理前后振動噪聲評估方法，以及修理過程中的聲學(xué)檢查細(xì)則，為相關(guān)系統(tǒng)、設(shè)備以及元器件的修理提供技術(shù)指導(dǎo)和依據(jù)，評估修后振動噪聲控制工作的成效[4]。

5.1 修前評估

1)制定減振降噪設(shè)施的檢測與評估方法。

2)對全船相關(guān)系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、設(shè)備和元器件進(jìn)行修前檢測，并結(jié)合等級修理修理技術(shù)方案確定具體修理范圍和重難點(diǎn)工程。

3)記錄該船相關(guān)系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、設(shè)備和元器件的修前振動噪聲數(shù)據(jù)，作為修后考核的依據(jù)。

5.2 修理過程的檢測與評估

1)減振降噪元器件的質(zhì)量檢測。對修理階段需要換裝的減振降噪元器件，原則上采用同型號的元器件。由技術(shù)責(zé)任單位制定相關(guān)元器件的采購標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求，選擇專業(yè)生產(chǎn)廠家組織生產(chǎn)，加強(qiáng)過程控制，嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行檢測和驗(yàn)收。為確保質(zhì)量，可以提高元器件的抽檢樣品數(shù)。

2)強(qiáng)化維修階段聲學(xué)質(zhì)量控制檢查。在計劃修理中，根據(jù)維修相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、圖紙文件，制定維修階段聲學(xué)狀態(tài)檢驗(yàn)細(xì)則，明確檢查項目和檢查要求。承修廠應(yīng)按要求將項目維修、檢驗(yàn)落實(shí)到人，實(shí)行層層監(jiān)管，嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，并進(jìn)行全面的檢查。

在此基礎(chǔ)上，由總體技術(shù)責(zé)任單位牽頭，成立專項工作組，督促承修廠的修理和檢查工作，并根據(jù)修理廠維修進(jìn)度分階段有重點(diǎn)組織抽查和復(fù)查，以便及時發(fā)現(xiàn)問題及時改進(jìn)。

5.3 修后振動噪聲狀態(tài)評估

1)根據(jù)減振降噪設(shè)施的檢測方法對全船相關(guān)系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、設(shè)備和元器件進(jìn)行修后檢測。

2)制定減振降噪設(shè)施修后評估方法，并按照該方法將修后測量結(jié)果與修前數(shù)據(jù)進(jìn)行對照分析，評價修理的成效，并對修理中的不足提出具體整改措施。

5.4 聲學(xué)數(shù)據(jù)的管理

根據(jù)測試與評估結(jié)果建立相應(yīng)的聲學(xué)數(shù)據(jù)平臺，以跟蹤、掌握該船的振動噪聲狀態(tài)，為各維修保障工作提供必要的數(shù)據(jù)支持[5]。

6 結(jié)束語

本文從總體、系統(tǒng)和元器件3個層次對某船的振動噪聲控制技術(shù)進(jìn)行全面剖析，從振動噪聲控制技術(shù)反設(shè)計、減振降噪元器件的技術(shù)指標(biāo)體系建立、減振降噪系統(tǒng)修理技術(shù)文件編制、振動噪聲控制評價體系建立、聲學(xué)數(shù)據(jù)平臺建立、人員培訓(xùn)及教材編制等方面，深入研究該船減振降噪系統(tǒng)保障性、維修性設(shè)計思想，客觀分析和總結(jié)技術(shù)特點(diǎn)，吸收先進(jìn)的系統(tǒng)設(shè)計理念，以及總結(jié)在保障工作中的成熟經(jīng)驗(yàn)，從而為同類船舶的減振降噪系統(tǒng)維修保障提供借鑒和參考。