物探調查船艙室噪聲預報及控制方案研究

高 處，唐 軍，楊德慶，楊夢婕，李方杰

(1.中國船舶與海洋工程設計研究院，上海 200011；2.廣州海洋地質調查局，廣東 廣州 510075；3.上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240)

0 引 言

物探調查船是一種利用聲吶發射、接收聲波進行海洋地球物理勘探的專用作業船舶，其上裝備有大量精密勘探設備。對于該類型的船舶而言，船上艙室噪聲及水下輻射噪聲過大容易對勘探工作形成干擾，影響物探調查船的工作效率及數據采集質量，因此此類船型設計時對振動噪聲控制的要求較高。

物探船的艙室噪聲來源與商船類似，包括輻射空氣噪聲的聲源(動力裝置的噪聲、輔助機械空調通風系統的噪聲)以及結構噪聲源(主輔機的振動、波浪沖擊等使船體振動的噪聲)。其中，動力設備工作過程中所引起的機械結構振動噪聲是艙室噪聲的主要來源。動力設備過大的振動不僅會對設備自身性能及壽命造成影響，同時結構噪聲通過船體傳播至工作、居住艙室降低了船內舒適度，并對長期駐扎船上人員健康造成影響和危害。所以減小船上艙室噪聲的一個重要環節是控制或減小船舶動力裝置引起的結構噪聲。

對艙室噪聲目前常用的數值預報方法有經驗預測法、有限元法、能量有限元法和統計能量分析法等[1]。吳剛等[2]使用SEA法對大艙室大開口的大型集裝箱船中高頻域振動及艙室噪聲數值計算的建模方法進行了研究。童宗鵬等[3]用SEA方法將水下航行器結構模型簡化為圓錐殼和圓柱殼，分析了在寬頻帶范圍內的水下振動和聲輻射規律。鄧志純等[4]從理論上和試驗方面研究了應用SEA法對巡邏艇和游艇類高速艇的噪聲預測。

本文利用數值方法對某物探調查船艙室噪聲開展預報分析工作，在此基礎上探索適用于該船型的結構降噪設計，建立整船有限元模型，以及降噪方案下整船的SEA模型，計算全船艙室噪聲，驗證噪聲傳遞路徑上降噪措施的效果。

1 物探船艙室噪聲評估標準

一般而言，物探船對艙室噪聲等級的要求較普通商船更嚴格，除了需滿足現行的MSC 337（91）《船上噪聲等級規則》的要求，還應滿足設計規格書中要求的船級社舒適性等級。對于該船而言，需滿足中國船級社（CCS）噪聲舒適度等級2級要求，如表1所示。

表1 該物探船噪聲等級要求dB（A）Tab.1 Sound pressure level criteria dB（A）

從表1可以看出，對于1 600～10 000總噸的船舶而言，CCS舒適性等級2的要求相比MSC337（91）更嚴格，除機器處所噪聲級要求相同外，船員工作區域的噪聲級要求相比MSC337（91）要高2～5 dB；船員居住區域的噪聲級要求高3～8 dB；乘客居住區域的噪聲級要求高3～13 dB。高標準的振動噪聲要求對物探船的結構、內裝、空調通風設計提出了巨大的挑戰。

2 物探船艙室噪聲分析

2.1 全船噪聲模型及計算

2.1.1 船型與主尺度信息

目標物探調查船總長88.00 m，型寬20.40 m，型深8.00 m，設計吃水5.60 m。該船采用雙槳電力推進，配置4臺主發電機。

圖1 物探調查船側視圖Fig.1 Side view of the geophysical survey ship

2.1.2 全船SEA模型參數

1）全船結構建模參數

該船在詳細設計階段依據CCS《船舶及產品噪聲控制與檢測指南》（以下簡稱CCS指南）的要求建立全船SEA噪聲分析模型。甲板、艙壁、縱桁等結構以加筋平板子系統建模，外板采用加筋曲板子系統建模，并考慮加筋方向，艙室空氣采用聲腔子系統建模。子系統劃分時，子系統的尺寸應盡可能大，盡量保證子系統分析帶寬Δω內的模態數大于5。鋼結構的內損耗因子采用CCS建議值，如表2所示。

表2 鋼結構內損耗因子Tab.2 Damping loss factor of steel

2）全船內裝建模參數

物探調查船的艙室種類較多，包含駕駛室、集控室、儀器房、居住艙室、實驗室、辦公室、餐廳、廚房、娛樂室等各類艙室，防火降噪絕緣要求各不相同。該船內裝設計時，采用國際同型調查船的設計理念，依據相應的要求設計了大量艙室降噪措施，包括使用不同規格及厚度的浮動甲板、阻尼涂料、高隔聲內裝圍壁等。此外，船上除了鋼結構外，還鋪設有甲板敷料、防火絕緣材料、門、窗、等各種內飾，這些內飾材料的存在都將影響船上噪聲的傳遞特性，影響預報結果。為保證噪聲預報精度，應根據實船內裝布置圖考慮內裝材料對艙室噪聲的影響，根據生產廠家提供的材料參數設置模型中相應的材料屬性，模型中內裝材料的建模通過噪聲處理措施（Noise Control Treatment，NCT）的形式模擬。

3）噪聲預報考慮的噪聲源

根據物探調查船的特點，該船噪聲預報所考慮的聲源為：1）主發電機空氣/結構聲源；2）齒輪箱結構聲源，3）螺旋槳結構聲源；4）空壓機空氣聲源。其中，機艙機器設備的聲源使用設備廠商提供的數據，螺旋槳結構聲源采用CCS指南提供的經驗公式估算。

另外，該船在噪聲預報時不考慮艙室空調通風噪聲源，但這并不表示在設計時不考慮空調通風引起噪聲。對于空調通風噪聲，本船設計時采用指標分配法，要求空調通風設計保證艙室空調通風引起的噪聲級低于所在艙室噪聲限值4 dB。在設計空調通風系統時，除了優選相關設備，還對通風管路采取了各種降噪方式，如優化風管回路，避免拐彎過急形成大風阻；采用風管消音器；將風機安裝于消音箱；空調冷水機組或者壓縮冷凝機安裝彈性基座；使用變風量布風器等降噪措施，以滿足降噪設計指標要求。

4）噪聲預報的計算工況：

1）調查作業工況

3臺主發電機在100%選定最大持續功率點（SMCR）下工作，所有的輔機設備（風機、空壓機、泵組都正常工作）。

2）航行工況

2臺主發電機在80%SMCR下工作，所有的輔機設備（風機、空壓機、泵組都正常工作）。

3）進出港工況

1臺停泊發電機工作，1臺主發電機在80%SMCR下工作，所有的輔機設備（風機、空壓機、泵組都正常工作）。

本船艙室噪聲評估3個工況，

經分析，模型在63～8 000 Hz的頻段內子系統的模態數基本大于5，因此該模型適合在該頻段內用統計能量法進行分析求解。根據以上模型設置，對物探船全船艙室噪聲進行預報分析。圖2為全船的SEA模型圖，其中圖2（a）主要為SEA板梁子系統，圖2（b）主要為SEA聲腔子系統，為該船的所有艙室。

計算63～8 000 Hz倍頻程下艙室噪聲及總聲壓級，物探船艙室噪聲分布云圖如圖3所示。可以看出，船中機艙處附近的噪聲級比較高，而駕駛甲板上的駕駛室的噪聲最低。這是因為該船的主要噪聲源集中于機艙內。

全船噪聲預報結果顯示，由于多專業降噪設計的相互配合，全船107個艙室滿足CCS舒適性等級2級的要求，全船噪聲水平總體良好。噪聲超標風險較低，超標風險可控。

圖2 全船的SEA模型Fig.2 Full ship SEA model

圖3 全船艙室噪聲分布云圖Fig.3 Sound pressure level contour of cabins

表3 不同隔振形式下艙室噪聲的總聲壓級（dBA）Tab.3 Cabin sound pressure level with different isolation measures

各甲板典型艙室噪聲總聲壓級如表3所示。從表3可以看出，全船艙室中，按甲板從上到下的順序，有系泊甲板水手2人間、首樓甲板餐廳及主甲板主廚臥室3個艙室的噪聲值位于CCS噪聲舒適性等級2限值邊界處，這些艙室位于最接近機艙的3層甲板上。經艙室噪聲貢獻率分析，結果顯示這3個噪聲位于限值邊界處的艙室，主機結構噪聲源對這些艙室的噪聲能量貢獻率超過90%，如圖4所示。原因在于該船居住區域主要分布于船中和船首位置，而螺旋槳及3臺空壓機則靠近船尾位置，距離居住區較遠。發電機艙位于居住區下方，由于位于機艙與居住區間的中間甲板對機艙空氣噪聲的傳播起到一定的隔離作用，因此居住區艙室噪聲的主要能量貢獻來源于機艙發電機組的結構聲。

圖4 不同噪聲源對各艙室噪聲的噪聲貢獻率Fig.4 Energy contribution of different noise sources

3 結構降噪方案設計

分析噪聲傳播機理，船舶艙室噪聲控制可從噪聲源控制，傳遞路徑控制和受聲者3個方面考慮。其中噪聲源控制室噪聲控制最有效的方法，即降低艙室噪聲的最根本方法是選用低噪聲與振動級的機械設備。由于物探調查船總統布置的特點，主甲板以上中后區域一般為物探作業區域，中前為生活艙室，因此，位于尾部的螺旋槳噪聲源產生的結構噪聲相對于機艙內的動力設備較低，距離生活艙室區較近的機艙內機械設備噪聲則為控制重點。如選用低噪聲柴油機，從根源上消除噪聲，但這種方法也最昂貴。圖5為可供本船選用功率相近的A，B兩型主機的空氣/結構噪聲級，A型主機的空氣/結構噪聲級高于B型主機。單臺A型主機的合成空氣聲級為108.4 dB（A），B型主機的合成空氣聲級為105.8 dB（A），若機艙內3臺A型主機工作，則機艙內的合成聲級為113.6 dB（A），超出了機器處所的噪聲限值110 dB（A）要求，因此在機器選型時，不僅要考慮單臺機器的聲級，還應考慮機艙內多臺機器同時工作時的聲級。對噪聲控制要求高的船舶，盡可能選用振動噪聲指標好的機器。

圖5 不同主機噪聲源級對比Fig.5 Noise source level of different engines

除了選用低噪機器，還可在振動與噪聲的傳播途徑上想辦法，采用消振、隔振、消音、隔音的方法增加聲振能量在傳遞路徑上的損耗。一般來說消振、隔振措施越靠近聲源效果越好。

經上文分析，該物探船船上艙室噪聲的主要貢獻源為機艙內4臺主發電機的結構噪聲，根據該特點，考慮機艙內主要噪聲源集中布置的特點，設計了一種負泊松比蜂窩浮筏隔振系統[5～7]，如圖6所示，4臺主發電機彈性安裝在蜂窩筏架上，筏架安裝于船體結構上。該浮筏長8 960 mm，寬9 000 mm，高540 mm。

圖6 負泊松比蜂窩浮筏系統Fig.6 Floating raft system with negative poisson’s ratio effect

支撐于船體板架的負泊松比蜂窩浮筏隔振系統有限元模型見圖6。浮筏的上下面板尺寸均為10 mm。如圖7所示，浮筏的筏架上下面板之間分布式填充有內六角蜂窩結構，區別于常規正六角蜂窩面內受力在宏觀力學性能上的正泊松比變形，即受拉截面變細，受壓截面變粗，內六角蜂窩面內受力在宏觀力學性能上其變形屬于負泊松比材料變形，即受拉截面變粗，受壓截面變細。

圖7 負泊松比蜂窩筏架截面Fig.7 Profile of honeycomb mounting

浮筏下設有基座，基座的面板腹板及肘板的厚度均為10 mm。該物探船船裝備的4臺主發電機沿船中對稱分布，機組橫跨船體14個肋位，重心高度為1 280 mm。為研究此負泊松比浮筏結構是否具有足夠的承載強度，單個發電機的重量為19 t，本文運用MSC/Nastran軟件計算了浮筏在柴油機組靜載荷作用下的靜變形及靜應力，浮筏結構的最大Von-Mises應力為33.5 MPa，最大垂向位移為8.33 mm。結構強度滿足使用要求。

將該浮筏系統應用于此物探船，全船有限元模型及其主發電機-浮筏-基座-船體系統的有限元模型如圖8和圖9所示。主發電機激振力為運行工況為滿載出港工況下，給定的激勵頻率范圍為10～100Hz（1/3倍頻程）的主發電機通過隔振器傳遞到機腳的振動加速度級。其中，機腳號#1～#10為每臺柴油機的左右2排對稱的10個機腳，機腳位置如圖10所示。

圖8 全船的有限元模型Fig.8 Full ship finite element model

圖9 浮筏-基座-船體系統Fig.9 Floating raft-foundation-hull system

圖10 主發電機機腳位置Fig.10 Mounting points of diesel-powered generator sets

根據所給振動加速度級轉化后，得到所施加的主發電機機腳的激振加速度如表4所示。

在對應浮筏的機腳處施加上述加速度激勵，系統模態阻尼取0.02，對浮筏的振動性能與原船基座進行對比研究。減振性能評估采用振級落差衡量。為防止部分局部點振動帶來的誤差，船底板的評價點全部取在船底板骨材上，加速度參考級為a0=10-6m/s2。

圖11給出了船底板加速度振級，相對于原船主發電機彈性安裝于剛性基座上，除了在20 Hz附近的振動強度接近以外，10 Hz以下船底板的振動都有6～10 dB的減小。而隨著頻率的增大，在100 Hz處，船底板加速度振級有35 dB的削減，體現出負泊松比蜂窩浮筏的高隔振性能。

表4 主發電機機腳激振加速度數據表（mm/s2）Tab.4 Data sheet of main engine foot exciting acceleration（mm/s2）

圖11 船底板加速度振級/dBFig.11 Acceleration level of stern bottom plate

在船舶各層甲板選取典型艙室，分析比較負泊松比蜂窩浮筏以及原始基座下各艙室噪聲總聲壓級（見表2）。

通過對比原始基座與負泊松比蜂窩浮筏隔振下各艙室噪聲的噪聲值，除了機艙附近艙室噪聲總聲壓級均較為接近，船上其他艙室噪聲級在使用負泊松比蜂窩浮筏后，相比于原始基座安裝方式，噪聲級有著3～15 dB的削減。此時，原船噪聲級位于CCS噪聲舒適性等級2限值邊界處的艙室聲級均得到了有效的降低。結果顯示船上應用負泊松比蜂窩浮筏具有較好的隔振效果，可以顯著減小因結構聲引起的艙室噪聲。圖12與圖13分別給出了最上層駕駛甲板駕駛室與機艙內集控室在10～10 000 Hz（1/3倍頻程）下的艙室噪聲級。

該船主發電機組利用負泊松比蜂窩浮筏隔振后，可有效隔離200 Hz以下的結構噪聲從而改善船上艙室的中低頻艙室噪聲，但對200 Hz以上頻段的艙室噪聲沒有顯著的改善。

圖12 駕駛室艙室噪聲/dBAFig.12 Sound pressure level of navigation room

圖13 集控室艙室噪聲/dBAFig.13 Sound pressure level of engine control room

4 結 語

根據某型物探調查船結構及機器布置特點，建立全船噪聲預報數值模型，考慮合適的噪聲源，對全船艙室噪聲開展預報分析工作。針對該船艙室噪聲中結構噪聲貢獻率高的特點，探討了負泊松比蜂窩浮筏在該船艙室噪聲控制上的應用，結論如下：

1）該船整體噪聲水平控制良好，經數值模型預報，船上所有艙室噪聲等級滿足中國船級社（CCS）噪聲舒適度等級2級要求，部分艙室噪聲水平位于標準邊界處，有噪聲超標風險，但風險可控。后續實船測試該船振動與噪聲實際達到中國船級社（CCS）舒適度等級2級要求，處于國內調查船舒適度領先水平。

2）利用統計能量分析模型對物探調查船上艙室開展噪聲源貢獻率分析。分析發現，由于物探調查船聲源及總體布置有其特點，船上多數艙室噪聲的主要噪聲貢獻源的主發電機組的結構噪聲。

3）針對主要噪聲貢獻來源為船舶動力機械結構噪聲的艙室，應用負泊松比蜂窩浮筏能夠對艙室噪聲產生3～15 dB的削減，但對于主要噪聲貢獻來源非船舶動力機械結構噪聲的艙室，負泊松比蜂窩浮筏降噪作用不明顯，應采取其他方法降低艙室噪聲。