某型船舶電力拖動(dòng)設(shè)備的噪聲產(chǎn)生機(jī)理與控制研究*

包 容 李寒林 吳井霞 洪常晉 顧嘉陽(yáng) 王琦超

(1．集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021；2．福建省船舶與海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門(mén) 361021；3. 船舶輔助導(dǎo)航技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，福建 廈門(mén) 361021)

1 概述

船舶噪聲對(duì)人體和環(huán)境的危害非常嚴(yán)重，目前國(guó)際海事組織對(duì)如何降低船舶噪聲十分重視。在船舶中，電力拖動(dòng)設(shè)備運(yùn)行時(shí)常常產(chǎn)生較為嚴(yán)重的噪聲問(wèn)題。目前，對(duì)船舶電力拖動(dòng)設(shè)備噪聲的控制方法只采用簡(jiǎn)單的設(shè)備隔振墊，完整的控制方法還沒(méi)有落實(shí)。但是，由于船舶電力拖動(dòng)設(shè)備噪聲不僅對(duì)設(shè)備性能的完整性會(huì)產(chǎn)生影響，而且會(huì)給船員的身心健康帶來(lái)一定的負(fù)面影響。因此，研究船舶電力拖動(dòng)設(shè)備噪聲產(chǎn)生的機(jī)理和控制方法是十分必要的。

1970年，國(guó)際勞工組織(ILO)在日內(nèi)瓦召開(kāi)的海事特別會(huì)議上通過(guò)了《關(guān)于船員、設(shè)備工作區(qū)有害噪聲規(guī)定的建議》，建議各國(guó)政府制定限制船舶噪聲的規(guī)則。目前一些造船和航運(yùn)國(guó)家都制定了船舶噪聲標(biāo)準(zhǔn)，作為船舶特殊環(huán)境下的健康保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)[1]。本文根據(jù)各電力拖動(dòng)設(shè)備工作空間、工作環(huán)境的差異，研究具體的噪聲控制方法，通過(guò)相關(guān)常用的噪聲控制技術(shù)，設(shè)計(jì)一套船舶電力拖動(dòng)設(shè)備噪聲控制系統(tǒng)。

2 噪聲產(chǎn)生機(jī)理與控制技術(shù)

船舶電力拖動(dòng)設(shè)備產(chǎn)生噪聲的一大主要原因就是拖動(dòng)電機(jī)的工作運(yùn)轉(zhuǎn)。拖動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生噪聲一般由三部分組成：空氣動(dòng)力性噪聲、機(jī)械性噪聲和電磁噪聲[2]。目前的噪聲控制技術(shù)有吸聲技術(shù)、隔聲技術(shù)、消聲技術(shù)和隔振及阻尼減振技術(shù)，但是單一的技術(shù)應(yīng)用對(duì)于噪聲的控制并不明顯，所以探究如何有機(jī)結(jié)合這些技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)有效地控制拖動(dòng)電機(jī)噪聲的產(chǎn)生才是首要任務(wù)。

2.1 噪聲產(chǎn)生機(jī)理

2.1.1 空氣動(dòng)力性噪聲

產(chǎn)生空氣動(dòng)力性噪聲的機(jī)理比較簡(jiǎn)單，其主要是由拖動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生。為了冷卻拖動(dòng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)發(fā)熱而產(chǎn)生的溫度，需要而在機(jī)內(nèi)安裝冷卻風(fēng)扇，船舶電力拖動(dòng)設(shè)備的拖動(dòng)電機(jī)均裝有冷卻風(fēng)扇，拖動(dòng)電機(jī)進(jìn)排氣方式有機(jī)身殼外排和冷卻風(fēng)扇直排。空氣動(dòng)力性噪聲源包括風(fēng)扇噪聲、進(jìn)排氣噪聲、換氣噪聲，設(shè)備運(yùn)行時(shí)拖動(dòng)電機(jī)的噪聲聽(tīng)起來(lái)為嗡嗡作響[3]。

2.1.2 機(jī)械性噪聲

機(jī)械噪音是指在工作中因零件間的外力或內(nèi)力而產(chǎn)生的機(jī)械裝置的內(nèi)部振動(dòng)和噪音，包括低頻噪音、高頻噪音、結(jié)構(gòu)共振噪音等。因?yàn)闄C(jī)械噪音占了很大的比例，所以控制機(jī)械噪音是主要課題。

2.1.3 電磁噪聲

電磁噪聲是由于電磁場(chǎng)而引起。電機(jī)徑向電磁力的周期性變化或是不平衡磁力會(huì)導(dǎo)致磁致伸縮和振動(dòng)從而產(chǎn)生電磁噪聲。由于定子和轉(zhuǎn)子的本身特有的結(jié)構(gòu)特性在振動(dòng)時(shí)也會(huì)影響到電磁噪聲。電磁力即使很弱，當(dāng)和固有頻率共振時(shí)也會(huì)產(chǎn)生很大的電磁噪聲。

2.2 噪聲控制技術(shù)

2.2.1 吸聲技術(shù)

當(dāng)噪聲碰撞到吸聲材料或結(jié)構(gòu)時(shí)，其中一部分的聲能被吸收，剩下的被反射的噪聲逐漸減弱，然后我們聽(tīng)到的噪聲就非常小了。多孔吸聲材料和共振吸聲結(jié)構(gòu)這兩大類(lèi)是對(duì)吸聲技術(shù)不同應(yīng)用而產(chǎn)生的結(jié)果。

①多孔吸聲材料。多孔吸聲材料內(nèi)部一般會(huì)有很多小孔通向材料表面，有著良好的透氣效果。有纖維狀、顆粒狀、泡沫狀三種構(gòu)造。

②共振吸聲結(jié)構(gòu)。按照共振吸聲結(jié)構(gòu)原理設(shè)計(jì)而成的具有良好吸音性能的吸音部件，稱(chēng)為共振吸聲結(jié)構(gòu)。

2.2.2 隔聲技術(shù)

采用隔音部件來(lái)分離噪聲源和接收機(jī)，降低噪聲傳播路徑中的噪聲污染的技術(shù)被稱(chēng)為隔音技術(shù)。隔音原理是，當(dāng)有噪音入射到墻壁面時(shí)，由于聲波的作用，墻壁會(huì)以一定的方式振動(dòng)。一般的防音對(duì)策是，像隔音屏障、隔音罩、隔音室那樣，可以降低20～50dB的噪音水平。

2.2.3 消聲技術(shù)

消音技術(shù)的原理是通過(guò)安裝在氣流的管道上、或放入排氣口中而使噪音衰減的裝置，將聲能轉(zhuǎn)換成熱能，有效地降低空氣動(dòng)力噪音。

消聲器種類(lèi)繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。消聲器可根據(jù)在不同環(huán)境條件下的應(yīng)用而分為以下幾個(gè)部分:：阻性消聲器、抗性消聲器、擴(kuò)散性消聲器和阻抗復(fù)合式消聲器。這幾種消聲器在形式、性能和主要用途上都有著很大的差別，如表1為消聲器分類(lèi)表。

其中最常用的為阻性消聲器，阻性消聲器的消聲原理為：利用吸聲材料的吸聲作用，使沿通道傳播的噪聲不斷被吸收而逐漸衰減。 當(dāng)聲波進(jìn)入消聲器中，會(huì)引起阻性消聲器內(nèi)多孔材料中的空氣和纖維振動(dòng)，由于摩擦阻力和粘滯阻力，使一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能而散失掉，就起到消聲的作用[4]。在風(fēng)機(jī)噪聲控制中消聲器的應(yīng)用最為常見(jiàn)，如圖1為片式阻性消聲器外形結(jié)構(gòu)示意圖。

表1 消聲器分類(lèi)表

圖1 片式阻性消聲器外形結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.4 隔振及阻尼減振技術(shù)

機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)可由空氣或連接部分傳遞。可以在機(jī)械設(shè)備的連接部位之間設(shè)置彈簧或者彈性墊，從而引起彈性變化，起到對(duì)振動(dòng)的緩沖效果，并明顯的削弱振動(dòng)。另外，根據(jù)支撐材料的電阻能量消耗，基礎(chǔ)傳達(dá)的振動(dòng)變?nèi)酰档吐曇舻妮椛涫欠勒裨肼暯档图夹g(shù)的基本原理，振動(dòng)時(shí)使用的彈性裝置稱(chēng)為防振器。

在設(shè)備的基座與支座之間的剛性連接加裝金屬?gòu)椈筛粽衿骺捎行У仡A(yù)防由船舶搖晃和設(shè)備本身運(yùn)行不穩(wěn)定造成的振動(dòng)所引起的機(jī)械性噪聲；在主要噪聲源拖動(dòng)電機(jī)部位，在其底座與設(shè)備基座之間加裝金屬?gòu)椈筛粽衿骰蚋粽駢|，可有效降低由電機(jī)本身運(yùn)行不平衡和船舶搖晃引起振動(dòng)而造成的電機(jī)的機(jī)械性噪聲。如圖2為金屬?gòu)椈筛粽衿鹘Y(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 金屬?gòu)椈筛粽衿鹘Y(jié)構(gòu)示意圖

3 船舶電力拖動(dòng)設(shè)備噪聲控制方案

電力拖動(dòng)設(shè)備產(chǎn)生的噪聲一般都為機(jī)械噪聲，但是由于部件加工不精細(xì)或無(wú)降噪結(jié)構(gòu)，船舶電力拖動(dòng)設(shè)備的噪聲并不能得到有效控制，一般控制噪聲從三個(gè)方面，分別是從噪聲源，噪聲傳播途徑和個(gè)體接收者進(jìn)行。但由于從噪聲源方面進(jìn)行大規(guī)模的設(shè)備改造來(lái)控制實(shí)現(xiàn)比較困難，且不經(jīng)濟(jì)；從個(gè)體接收者方面的控制，并不能從根本解決問(wèn)題。因此，本文從船舶電力拖動(dòng)設(shè)備噪聲的傳播途徑來(lái)設(shè)計(jì)噪聲控制方案，不僅能夠長(zhǎng)期有效的最大化降低設(shè)備噪聲，而且經(jīng)濟(jì)投入相對(duì)不高。

3.1 總體控制方案

對(duì)于船舶電力拖動(dòng)設(shè)備，由于設(shè)備部件制造工藝基本固定，難以改進(jìn)，從聲源上減噪的效果并不明顯，是不切合實(shí)際的。而在傳播途徑上采取措施，不僅可以明顯降低噪聲，投入成本也是不高的，具體方案設(shè)計(jì)圖如圖3船舶電力拖動(dòng)設(shè)備噪聲控制方案圖所示。

圖3 船舶電力拖動(dòng)設(shè)備噪聲控制方案圖

3.2 各部分組件

3.2.1 隔聲間

將船舶電力拖動(dòng)設(shè)備單獨(dú)用噪聲隔聲間隔離起來(lái)，將設(shè)備的總體噪聲適當(dāng)?shù)呐c外界進(jìn)行隔離。遇到惡劣海況時(shí)，對(duì)于甲板電力拖動(dòng)設(shè)備而言，可以一定程度的使其免遭如臺(tái)風(fēng)暴雨，海浪侵襲等對(duì)設(shè)備帶來(lái)的諸如腐蝕之類(lèi)的損壞。隔聲間的選擇方案可根據(jù)工作空間不同進(jìn)行選擇，在甲板機(jī)械工作條件下，選用YZS-GSP系類(lèi)隔聲間。

3.2.2 電源箱

將原來(lái)的電源控制部分改造成電源控制箱，安裝在隔音室的外部墻壁上。這樣將設(shè)備隔離起來(lái)，使在場(chǎng)工作船員不用直接與設(shè)備接觸，方便操作，可以最大化的減小船員所受到的噪聲。

3.2.3 金屬?gòu)椈筛粽衿?、隔振墊

對(duì)于船舶電力拖動(dòng)設(shè)備，考慮其與船舶一起海上航行，受海洋環(huán)境影響，振動(dòng)比較厲害，一般選用ZTG金屬?gòu)椈筛粽衿鳌TG型阻尼彈簧減振器構(gòu)造簡(jiǎn)易，應(yīng)用方便，可調(diào)整減振器的安裝高度。表2為ZTG型金屬?gòu)椈筛粽衿鞯姆诸?lèi)表。隔振器的選擇應(yīng)該根據(jù)實(shí)際需要選擇[5]，根據(jù)實(shí)際船型的電力拖動(dòng)設(shè)備，考慮電力拖動(dòng)設(shè)備重量約2600 kg，因此本設(shè)計(jì)選用4個(gè)ZTG-L-700型號(hào)的金屬?gòu)椈筛粽衿鳌?/p>

表2 常見(jiàn)ZTG型金屬?gòu)椈筛粽衿鞯姆诸?lèi)表

3.2.4 消聲器

拖動(dòng)電機(jī)的主要噪聲是空氣動(dòng)力性噪聲，為了較大程度地降低其噪聲，主要設(shè)計(jì)思想是在拖動(dòng)電機(jī)輻射氣流噪聲最強(qiáng)的部位即冷卻風(fēng)扇進(jìn)出氣口處加裝消聲器，把電機(jī)的冷卻風(fēng)扇進(jìn)排氣噪聲控制在容許的范圍內(nèi)，是較為理想的方法。但這種消聲器應(yīng)具有對(duì)氣流阻力小,安裝后不影響電機(jī)冷卻散熱，并使得電機(jī)的溫升要能夠控制在允許范圍之內(nèi)、體積小、重量輕、便于安裝與拆卸的優(yōu)點(diǎn)[6]。

3.2.5 隔聲間通風(fēng)風(fēng)扇

考慮到隔聲間內(nèi)部，設(shè)備本身散熱條件和天氣環(huán)境，需要在隔聲間的隔聲墻上設(shè)計(jì)安裝通風(fēng)風(fēng)扇，這種通風(fēng)風(fēng)扇形式簡(jiǎn)單，無(wú)需借助船舶電力來(lái)維持運(yùn)行，僅靠自然風(fēng)，如海風(fēng)、船舶航行帶來(lái)的氣流風(fēng)等作為通風(fēng)風(fēng)扇的運(yùn)行能量[7]。

對(duì)噪聲控制方案的各個(gè)構(gòu)件部位，可供參考的價(jià)格與隔聲量見(jiàn)表3。其中消聲器的具體價(jià)格需要根據(jù)拖動(dòng)電機(jī)冷卻風(fēng)扇進(jìn)排氣出口處的尺寸大小和所需內(nèi)部消聲片數(shù)量和材料來(lái)考量[8]。

表3 控制方案各部件價(jià)格與隔聲量

4 結(jié)論

針對(duì)某型船舶電力拖動(dòng)設(shè)備的噪聲問(wèn)題，本文總結(jié)噪聲產(chǎn)生來(lái)源和機(jī)理，根據(jù)常用的噪聲控制技術(shù)，設(shè)計(jì)船舶電力拖動(dòng)設(shè)備噪聲控制系統(tǒng)方案，在對(duì)船舶電力拖動(dòng)設(shè)備噪聲的控制方案設(shè)計(jì)中，根據(jù)具體條件分析研究，找出主要噪聲源，并根據(jù)其噪聲性質(zhì)的強(qiáng)弱，結(jié)合設(shè)備所處工作環(huán)境，合理選用噪聲控制裝置，給出相應(yīng)控制方案圖，采用此方案降噪效果好，成本可控，可推廣應(yīng)用至現(xiàn)有船舶噪聲改造工程。