船舶振動噪聲控制實例分析

魏朝輝 王帥 閆福剛

摘? 要：介紹某船舶在設計建造過程中的振動噪聲控制，分析其噪聲與振動指標，并對船舶噪聲與振動控制方法進行了較詳細的論述，同時參照相關標準，對噪聲與振動水平進行評價，為相關船型的噪聲與振動控制提供參考。

關鍵詞：聲學;噪聲（振動）源;噪聲（振動）測試;噪聲（振動）評價

1 概 述

船舶噪聲與振動不僅損害船員的健康，妨礙船員的正常工作，而且易造成船體結構的疲勞破壞，特別是對于現(xiàn)代一些參與海域測量的科考船來說，振動噪聲控制已經上升為一項必不可少的重要指標，所以控制船舶噪聲與振動十分必要。通常情況下，船舶噪聲與振動控制包括以下4個階段：總體設計階段、詳細設計階段、施工建造階段和實船海試階段。在設計階段，可以用經驗公式法或母型船的噪聲與振動測試結果，同時在利用有限元、邊界元和統(tǒng)計能量法軟件仿真分析的基礎上，選擇噪聲與振動控制元件，制定和修改實際上的船體結構設計方案。施工建造階段嚴格按照設計方案施工建造。實船海試階段既是對理論的實踐驗證又同時為基礎設計提供重要依據(jù)。本文主要以某大型科考船為例分析船舶在設計施工建造階段的一些振動噪聲控制手段，為讀者提供一些參考。

某海事系統(tǒng)大型測量船主要承擔我國管轄海域特別是南海等深遠海海域、海道的測量任務，兼顧對深遠海失事船舶、遇難沉船、失聯(lián)飛行器等進行應急搜尋掃測任務，以及國際聯(lián)合海洋測繪交流工作。本船按無限航區(qū)設計，本船應具有良好的耐波性和操縱性，自動化程度要求高，綜合布局和主要系統(tǒng)、設備配置滿足多樣化任務的要求，滿足我國管轄海域特別是深遠海海域（包括南海海域）海道測量作業(yè)的要求，是一艘專業(yè)性突出、多任務目標、模塊化設計的現(xiàn)代化大型測量船舶。由于其任務使命的特點，對水下噪聲以及舒適性要求較高。因此根據(jù)本船振動噪聲的特點，采用了一系列控制手段，以保證其振動噪聲指標。

2 振動噪聲指標要求

2.1 振動響應指標

振動測量工況為主推進額定功率 80%的航行工況，船體各區(qū)域的振動應滿足ISO 6954-2000 和 CCS COMF（VIB 3）的要求，ISO 6954-2000 的推薦值見表1，本船適用區(qū)域分類中 B 和 C 的要求。CCS COMF（VIB 3）具體數(shù)值見表2，考核的指標包括加速度和速度值，一般規(guī)定采用在1～80 Hz 頻帶范圍內加速度和速度的計權均方根值，本船以嚴格的要求為準。

2.2 艙室噪聲指標

本船的艙室噪聲及甲板工作區(qū)的噪聲應滿足 IMO 最新艙室噪聲規(guī)范要求 MSC.337（91）和 CCS COMF（NOISE 3）的要求，見表 3 的衡準要求。未列出的艙室應與表中功能相近的艙室衡準要求類似。空氣噪聲的要求適用于主推進額定功率 80%下的航行工況和 DP 工況（側推功率不低于 40%）時。噪聲衡準適用于所有通風系統(tǒng)都開啟，通風流速合適并取得平衡。對廚房設備等經常使用設備也應注意，其運行時的噪聲可能未超出衡準要求，但可能會使船上人員感覺不適。所有空氣噪聲超過 84dB（A）的艙室及甲板區(qū)域應加聽力保護標志。

2.3 水下輻射噪聲指標

在船舶以 11 節(jié)航速平穩(wěn)直線航行時，水下輻射噪聲衡準值按照挪威船級社 DNV GL 水下輻射噪聲 Silent A（Light Survey）+S 指標設計，并獲得相關證書。此衡準是 DNV GL 衡準 Seismic 與 Acoustic-Light Survey 的組合，前者的適用頻率范圍為 3.15 Hz 到 315 Hz，后者的適用頻率范圍為 1kHz 到 100 kHz。另外，本船的水下輻射噪聲限值還按照 CCS Underwater Noise 3 設計，頻率范圍從 10 Hz 到 100 kHz 的 1/3 倍頻帶內，并至少獲得 CCS Underwater Noise 3 級水下輻射噪聲入級符合。具體指標如圖1所示。本船各個頻率段按就高要求原則作為設計指標要求。

3 船舶振動噪聲實際控制途徑

3.1 船舶振動噪聲控制流程

（1）在船體初步設計階段，評估船體低階固有頻率，避免和主要動力設備發(fā)生共振;根據(jù)振動、噪聲及水下噪聲指標要求，參與主要動力設備的技術談判，在相關動力設備技術要求中明確振動噪聲參數(shù);

（2）在詳細設計階段，對全船的振動響應、艙室噪聲以及水下噪聲進行計算評估，根據(jù)計算結果與技術規(guī)格書的具體指標進行比較，對評估中的風險區(qū)域考慮增加減振降噪措施（動力設備的隔振、船體結構優(yōu)化、設備的降噪、艙室處理等）;

（3）在動力設備的振動噪聲水平驗收過程中，負責檢驗振動噪聲是否達到相關動力設備技術要求，在船體建造過程中，負責減振降噪措施落實到位;

（4）在航行試驗過程中，負責測試全船的局部振動響應、艙室噪聲、水下噪聲、以及聲學設備自噪聲等。

3.2 螺旋槳降噪

基于 NV571 TVI 或同類型分析對葉片和梢渦空泡引起的螺旋槳噪聲進行計算，該計算基于實際的伴流和螺旋槳幾何尺寸并得出螺旋槳產生的水下輻射噪聲水平。在螺旋槳選型確定并保證性能的前提下，減小螺旋槳引起的脈動壓力，提高軸系安裝精度要求，降低螺旋槳引起的軸承力。

3.3 發(fā)電機組減振

對于振動噪聲有較高要求的船舶，如本船滿足DNV Silent A（Light Survey）+S指標，發(fā)電機組需采取雙層隔振型式進行安裝（發(fā)電機組設備商自帶雙層隔振），尤其需要關注低頻段的減振效果;柴油發(fā)電機組所有對外管子接口，如燃油、滑油、淡水、壓縮空氣等管路接口處均配置合適的撓性接管。由于露天甲板噪聲值不大于75 dB（A），為了減少主柴油發(fā)電機組的噪聲通過排氣系統(tǒng)傳遞，其排氣應加裝消聲器，4 臺發(fā)電機組配置的消聲器最小衰減不小于35 dB（A），按照排氣口1 m 處低頻噪聲（100 Hz 以下）不大于 80 dB（A）進行設計，以確保船上人員不產生明顯的低頻不適。并且主柴油發(fā)電機組排煙管采用彈性吊架和彈性支撐安裝，消聲器采用彈性支撐，排煙管段根據(jù)需要設置不銹鋼波紋管。

3.4 泵組減振

本船泵組以離心泵為主，當離心泵葉輪高速旋轉時，帶動葉片間的液體旋轉，由于離心力的作用，液體從葉輪中心被甩向葉輪外緣，動能隨之增加。當液體進入泵殼后，由于蝸殼形泵殼中的流道逐漸擴大，液體流速逐漸降低，一部分動能轉變?yōu)殪o壓能，于是液體以較高的壓強沿排出口流出。

離心泵在使用過程中難免會有噪聲及振動的現(xiàn)象，目前對大測船泵組的減振控制措施，如輔淡水冷卻泵、艙底消防泵、壓載水泵、柴油輸送泵、直升機甲板消防泵、真空系統(tǒng)收集裝置真空泵組，按照單層隔振進行設計，隔振效果可以達到 20 dB 以上，能夠滿足減振降噪的要求。而對于主海水冷卻泵、輔海水冷卻泵、主淡水冷卻泵（重量、流量較大）則需要采用效果更高的隔振裝置，如雙層隔振設計，隔振效果可以達到 35 dB 以上（加速度總振級，頻率范圍 10 Hz～10 kHz）。其中，隔振泵組所有對外管子接口，如：柴油、海水、淡水、壓縮空氣等管路接口處均配置合適的撓性接管，撓性接管法蘭或接頭材質根據(jù)需求選擇碳鋼或不銹鋼，根據(jù)介質選用耐油、耐海水、抗老化、阻燃的軟管，使用溫度范圍為-20 ℃～100 ℃。

3.5 空壓機減振

空壓機在運行過程中，電動機與壓縮主機均會產生較大的機械振動，考慮到空壓機是艙室振動噪聲的主要振動噪聲源，單層隔振無法達到限值要求，因此對空壓機采用雙層隔振設計。

3.6 變壓器減振

對于變壓器設備主體振動，采用單層隔振，能夠有效地減弱中高頻電磁噪聲的產生和傳播，實船測試在 10 Hz～10 kHz 范圍內加速度振級落差單層隔振裝置能夠達到 15 dB 以上。

3.7 分油機減振

分油機是現(xiàn)代船舶的重要輔助設備，用于燃油及滑油的凈化處理。基本原理是利用分離盤之間的微小間隙和分油機高速旋轉的離心力將雜質顆粒和水分等密度較大的成分分離出去。分油機減振措施采用隔振器進行隔振設計，并且油、水、氣管路均采用金屬軟管進行連接，能夠有效減弱分油機振動的傳遞。

3.8 風機減振

對風機來說，減振是非常有必要的，它不僅能增加風機的使用壽命，還能降低成本，節(jié)約能源，而且風機的平穩(wěn)運行將使居住和工作環(huán)境安靜舒適。使用隔振器可以有效地降低風機的振動，降低共振出現(xiàn)的情況，是保護風機與管道的一種重要工具。本船采用專用隔振器處理。

3.9 應急發(fā)電機組減振

應急發(fā)電機組用于海上應急工況的供電，并采用單層隔振安裝（設備商自帶）;排氣系統(tǒng)加裝排氣消聲器（設備商自帶），消聲效果不小于 25dB（A）。所有對外管子接口均配置合適的撓性接管，其中關于排煙管、消聲器與船體的安裝，船廠與船東、設備商溝通確認，根據(jù)實際需求選擇彈性吊架、彈性支撐或常規(guī)吊架、常規(guī)支撐進行安裝，排煙管段根據(jù)需要設置不銹鋼波紋管，應急發(fā)電機室敷設吸音材料。應急發(fā)電機室進排風消聲器消聲量不低于 15 dB，阻力不高于 200 Pa。

3.10 機艙風機室聲學處理

機艙通風機組共 4 臺，采用立式低噪聲軸流變頻風機，其中 2 臺可逆轉。其中機艙風機風量約52000 m3/h，靜壓約700 Pa，風機出口的原始噪聲不大于98 dB（A），消聲降噪處理后百葉窗 1 m 外噪聲不大于 73±5 dB（A） ，方案如下：

（1）每個風機房設 4 個手動百葉窗，百葉窗手動輪在室外，開孔尺寸1 300×2 000 ，百葉窗厚度 180 mm，流通面積約為開孔面積70%，有效通風面積約為 7.5 m2，阻力損失約100 Pa;

（2）風機房的隔聲門開在舷側;除鹽霧裝置厚度不大于 180 mm，安裝在室內;

（3）為改善系統(tǒng)阻力，取消百葉窗處的消聲器和風機上方消聲器;

（4）百葉窗、除鹽霧裝置和濾器組件的消聲量預估 3～5 dB;

（5）在濾器組件和風機之間設置一排消聲片（6 個/套），每個消聲片大小為 L1000×T300×H2100 ，重約 86 kg/個;消聲量約為 15 dB，阻力損失約為 50 Pa，重約 700 kg/套;

（6）為防止聲泄漏，在艙壁和消聲器之間增設一塊擋板，截面尺寸為700×2 100 ，可拆卸，若要檢修濾器或消聲器，可拆除擋板進出。

3.11 上建風機聲學降噪

上建風機主要是進排氣噪聲，對所在噪聲要求較高的房間需要進行降噪處理，因此對于超過對應艙室噪聲要求的風機采取消聲處理，如應急發(fā)電機機械通風管路、主甲板測量會議室風機、溫鹽深工作室風機、病房抽風機、主甲板衛(wèi)生處所機械通風、登艇甲板會議室風機、洗衣間排風機、廚房抽風機、監(jiān)控室送風管路、空調新風口等布置消聲器;無風管的，在結構內增加消聲單元和相關消聲措施。

3.12 空調、冷藏、通風系統(tǒng)降噪

HVAC（Heating， Ventilation and Air Conditioning） 設備商應保證所有 HVAC 系統(tǒng)能夠滿足低于艙室相應噪聲要求5～10dB 的要求，對于未能滿足要求的艙室，設備商可以通過加消聲器或者其他措施滿足噪聲要求。噪聲分析應包括所有服務于居住處所和工作處所的 HVAC 系統(tǒng)，對于每個系統(tǒng)，可僅評價最近端風管的艙室及管路設計中最不利的艙室。

HVAC 系統(tǒng)的噪聲控制將包括但不限于以下一些措施：

（1）將冷水機組、空調器盡量布置在下層甲板，與生活艙室和測量作業(yè)艙室保持一定距離，防止噪聲直接傳播。

（2）空調器通風機的變頻調速，采用中壓低噪聲離心通風機變頻調速控制， 在滿足空調工況及系統(tǒng)阻力前提下，有效降低送風噪聲和風機振動。空調器采用雙層壁板，內外鋼板采用不銹鋼 316L 板，內含巖棉，具有優(yōu)良的隔音效果。

（3）選用獨立低噪聲單元式空調機，生活樓內盡量采用低噪聲的管道風機，以降低風機噪聲對生活艙室的影響。離心及軸流通風機設消音靜壓箱以降低風機噪聲。

（4）通風機、水泵的進出口管道采用彈性聯(lián)接，風機、水泵、電機安裝在減振基礎上，以減少噪聲的傳播。空調器風機帶減振器。冷水機組的壓縮機減振安裝，冷水機組帶減振器且連接管路采用彈性連接。

（5）控制風管流速，風管采用中低速送回風，以降低管系噪聲。

（6）采用優(yōu)質低噪聲的變風量布風器，以控制房間末端噪聲。

（7）在通風管道上設置消音附件，選擇優(yōu)質送/排風末端裝置，根據(jù)需要在風管或進出風口處設置消聲器或消音設備，降低風管系統(tǒng)噪聲。配有變風量布風器和低噪聲布風器，使空調房間內噪聲控制在要求的范圍。選用優(yōu)質螺旋風管及風管附件，確保不會因系統(tǒng)漏風造成噪聲。

（8）空調系統(tǒng)中的布風器和消聲器應盡量選用進口設備，并提供風量和消音指標，并獲得船東和設計單位認可。

3.13 管路系統(tǒng)減振

船上管路振動也是引起船體局部振動的一個重要原因，對減振有要求的管路系統(tǒng)，隔振管夾應包括一定厚度橡膠墊，橡膠墊由邵氏硬度為 40～50的橡膠制成。根據(jù)管路的振動特性，主要是排煙管路脈動壓力，通過管路系統(tǒng)的重量計算彈性吊架的數(shù)量、間隔距離、剛度和固有頻率，選擇合適的剛度和承重量的彈性吊架。

其中燃油凈化管系、燃油駁運管系、燃油日用管系、滑油駁運及凈化管系、主推進器滑油管系、海水冷卻管系、主淡水冷卻管系、輔淡水冷卻管系等有減振要求的管系需要做彈性管夾。

對于主機排煙管、焚燒爐排煙管、燃油熱水鍋爐彈性吊架和彈性支撐應裝在船體的結構加強部位。

所有隔振安裝的機械設備應裝有液體、氣體、電和空調通風的撓性接管。在任何情況下，撓性接管的性能應適用于所處理的液體、氣體的壓力、溫度及耐化學性。而且，液體、氣體系統(tǒng)的撓性接管不應比相應設備的隔振裝置硬。在三個正交方向上撓性接管的彈性應相同。

3.14 其他

本船聲學設備最終的安裝位置基于設備商的推薦，并考慮到因機械噪聲、船體和附體的流動噪聲及系統(tǒng)間的干擾的影響。集成措施中應包含控制所有聲學設備的同步觸發(fā)系統(tǒng)，以盡量減小聲學系統(tǒng)之間的相互干擾。傳感器適用于在海上環(huán)境下連續(xù)運行，其安裝位置應遠離排水舷口及盡量減小流動擾動的影響。傳感器避免首部下泄空泡及其噪聲影響。傳感器避免船體干擾，并且不影響進塢。

4 航行工況振動響應結論

4.1 試航時船舶運行狀態(tài)

4.1.1 航行工況

船舶在平靜海況（低于 3 級海況）下以巡航航速航行。測試船舶艙室的振動、噪聲，測試時的工況記錄在測量報告中。

4.1.2 DP工況

船廠、船東、DP 設計方商定一種模擬 DP 推進器系統(tǒng)工作的噪聲測量工況。DP 推進器的工作條件大致相當于船舶營運的設計環(huán)境條件，進行噪聲測量時 DP 推進器的輸出功率不小于其最大功率的 40%。測試時的工況記錄在測量報告中。DP 工況下測試艙室的噪聲。

4.1.3 船舶狀態(tài)

海上試航工況下噪聲測試時船舶狀態(tài)要求如下：

（1）船舶浮態(tài)

測量應在船舶壓載工況下進行，確保螺旋槳完全浸沒水中，且在保證船舶試航浮態(tài)的前提下，螺旋槳的浸沒深度應盡可能大。測量時船舶應盡可能保證直航。測量時船舶的實際狀態(tài)應記錄在檢測報告中。

（2）發(fā)電機組運行狀態(tài)

振動噪聲測量時，發(fā)電機組應根據(jù)測量工況要求，將機組開啟到對應工況并保持穩(wěn)定：

航行工況為主機開啟 3 150kW×2+1 600kW×1;

DP 工況測試時，側推推進器的輸出功率應不小于其最大功率的 40%，機組以滿足運行要求盡可能低的工況運行。

（3）輔機運行狀態(tài)

在航行和 DP 工況下，船上所有對應所需的機械設備、航行儀器、無線電和雷達裝置等都已經處于其相應的工作狀態(tài)，并保持穩(wěn)定。

4.2 海試船舶振動噪聲實測結果

從本船在航行情況下各層甲板振動實際測量結果（見表4）可以看出，各層甲板振動響應結果可以滿足 ISO6954-2000、CCS3 級舒適度的限值指標。實驗結果船體局部振動無論是在 DP 工況，還是在Transit工況，各測點的三向數(shù)據(jù)均落在IS06954-84的“輕微振動”區(qū)域內。因此對本船采用的振動噪聲控制方法予以肯定。

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