由成良

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

0 引 言

隨著我國艦船不斷升級(jí)換代、艦載裝備功能不斷提升和艦員生活水平不斷改善，艦船人機(jī)環(huán)境中的噪聲控制日趨重要?？照{(diào)、通風(fēng)系統(tǒng)雖不是艦船人機(jī)環(huán)境中最主要的噪聲源，但由于空調(diào)、通風(fēng)系統(tǒng)分布在艦船的各個(gè)部位，在某些局部范圍和特定時(shí)段，由空調(diào)、通風(fēng)系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲已成為主要矛盾。以往的各類艦船空調(diào)、通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中已采取各種隔振、降噪措施，有些措施的效果很好，有些卻并不理想。本文基于噪聲及其傳播的基本原理與規(guī)律，分析評(píng)價(jià)了輔助船空調(diào)與通風(fēng)系統(tǒng)的噪聲源、傳播途徑和特征，匯總了各類相關(guān)噪聲控制的具體措施和方案，提出有效、實(shí)用的噪聲控制設(shè)計(jì)方法。

1 輔助船空調(diào)、通風(fēng)系統(tǒng)噪聲的特點(diǎn)分析

輔助船空調(diào)、通風(fēng)系統(tǒng)的噪聲源主要包括船用冷水機(jī)組、水泵、風(fēng)機(jī)等設(shè)備的機(jī)械噪聲、電磁噪聲以及空氣動(dòng)力噪聲。由于輔助船的特殊性，艦員的工作和生活艙室往往不可避免會(huì)緊挨空調(diào)器室，長期噪聲影響將嚴(yán)重?fù)p害艦員生理和心理健康［1-2］，而且一些精密儀器設(shè)備的精度和使用壽命也會(huì)因此下降?，F(xiàn)以通風(fēng)系統(tǒng)為例分析其噪聲類型組成。

通風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)同時(shí)產(chǎn)生機(jī)械噪聲、空氣動(dòng)力噪聲。機(jī)械噪聲來自軸承及旋轉(zhuǎn)部件（葉輪、軸或皮帶輪）的不平衡；空氣動(dòng)力噪聲包括由旋轉(zhuǎn)葉片造成的渦流噪聲和旋轉(zhuǎn)噪聲。再來看它的電動(dòng)機(jī)，它在工作時(shí)同時(shí)產(chǎn)生機(jī)械噪聲、空氣動(dòng)力噪聲和電磁噪聲。機(jī)械噪聲來自軸承及電機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡；空氣動(dòng)力噪聲包括因電動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)葉片造成的渦流噪聲和旋轉(zhuǎn)噪聲；電磁噪聲是由定子與轉(zhuǎn)子之間交變電磁引力，磁致伸縮引起的。通風(fēng)機(jī)噪聲的大小取決于風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式、風(fēng)量及轉(zhuǎn)速等，同一臺(tái)風(fēng)機(jī)的最佳工況點(diǎn)是最高功率點(diǎn)和最低比聲功率級(jí)點(diǎn)［3］。

通風(fēng)管道及附件產(chǎn)生噪聲成因分析如下：在空調(diào)送、回風(fēng)系統(tǒng)中，氣流通過吸風(fēng)口，空氣分配器或經(jīng)過風(fēng)管彎頭、支管、截面突變部位及調(diào)風(fēng)門、風(fēng)閘時(shí)，因氣流局部受阻礙而產(chǎn)生渦流或紊流，從而引起噪聲，該類型噪聲屬于空氣動(dòng)力噪聲。研究表明，空氣動(dòng)力噪聲125 Hz的基頻為最強(qiáng)［4］。另外，相鄰艙室的噪聲還會(huì)通過風(fēng)管和氣流的傳遞而產(chǎn)生相互干擾性噪聲，干擾性噪聲繼而又激發(fā)空調(diào)系統(tǒng)的噪聲。

要分析全船空調(diào)、通風(fēng)系統(tǒng)的噪聲源，就必須獲得組成該系統(tǒng)的每一局部的噪聲類型和數(shù)據(jù)。

每個(gè)設(shè)備（包括附件）的噪聲數(shù)據(jù)可通過實(shí)測(cè)或計(jì)算獲得，這項(xiàng)工作可由設(shè)備供應(yīng)商完成并提供，若條件具備也可由系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員完成。表1和表2是輔助船空調(diào)、通風(fēng)系統(tǒng)常用風(fēng)機(jī)和水泵的性能參數(shù)?？梢钥闯?，兩者的噪聲主導(dǎo)頻率都屬于低頻范疇，低頻噪聲不僅對(duì)人體健康有著不可忽視的影響［5］，而且還會(huì)嚴(yán)重影響儀器設(shè)備的工作甚至能破壞金屬材料的結(jié)構(gòu)［6-7］。低頻噪聲具有波長較長，易于繞過障礙物且在鋼結(jié)構(gòu)中傳播衰減緩慢等特點(diǎn)，尤為有利于在艙室密集的輔助船上全船傳播。因此對(duì)低頻噪聲的控制是輔助船空調(diào)、通風(fēng)系統(tǒng)噪聲控制的關(guān)鍵。

表1 空調(diào)系統(tǒng)常用風(fēng)機(jī)（50 Hz交流電源）的性能參數(shù)

表2 空調(diào)系統(tǒng)常用水泵（50 Hz交流電源）的性能參數(shù)

2 輔助船空調(diào)、通風(fēng)系統(tǒng)噪聲的控制

2.1 聲學(xué)系統(tǒng)的組成

如圖1所示，聲學(xué)系統(tǒng)一般由聲源、傳播途徑和接收器三部分組成。據(jù)此，可以從聲源、聲傳播途徑以及接收器三方面控制噪聲。

圖1 聲學(xué)系統(tǒng)基本組成

2.2 聲傳播的特點(diǎn)

聲波傳播的實(shí)質(zhì)是振動(dòng)能量的傳播。聲波在傳播過程中遇到障礙物時(shí)將產(chǎn)生反射、透射和衍射。

2.2.1 聲波的反射和透射

當(dāng)聲波Pi從A媒質(zhì)傳播到A、B兩種媒質(zhì)的界面時(shí)，一部分聲能量Pr會(huì)在界面上發(fā)生反射，繼續(xù)在A媒質(zhì)中傳播，另一部分聲能量Pt則透射到媒質(zhì)B中。

圖2 聲波的反射和透射

假定傳播到界面上的聲波是平面波，可仿照光學(xué)中的反射定律得出聲強(qiáng)的反射系數(shù)r和透射系數(shù)τ：

上述ρ是媒質(zhì)的密度，c是媒質(zhì)中的聲速，兩者的乘積稱為平面聲波的聲阻抗率。

r和τ反映了媒質(zhì)對(duì)入射聲波的吸收和隔離性能，通常把r值小的材料稱為吸聲材料，把τ值小的稱為隔聲材料。

2.2.2 聲波的衍射

聲波在傳播過程中遇到小孔或障礙物時(shí)，如果孔或障礙物尺寸與波長λ相比很小時(shí)，聲波能夠繞過小孔或障礙物的邊緣前進(jìn)，這種現(xiàn)象稱為聲波的衍射。波長較長的聲波更易繞過障礙物繼續(xù)傳播，因此采用屏障隔聲，對(duì)高頻聲波有較好的降噪效果，而對(duì)低頻聲波降噪效果較差。

2.2.3 聲波的衰減

聲波在空間傳播時(shí)將產(chǎn)生發(fā)散性衰減，并且由于空氣吸收、外圍壁面吸收以及屏障等，會(huì)發(fā)生聲傳播過程中的附加衰減。

（1）聲傳播過程中的發(fā)散衰減

聲波在傳播過程中，波陣面隨距離的增加而增大，聲能擴(kuò)散，聲強(qiáng)衰減。以輻射功率為W的點(diǎn)聲源為例，距聲源中心為r的球面上的聲強(qiáng)為：

聲強(qiáng)級(jí)為：

其中，LW為聲源的聲功率級(jí)。

（2）聲傳播過程中的附加衰減

聲傳播的附加衰減是由于聲波在媒質(zhì)中傳播時(shí)，引起媒質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)且存在速度梯度，使相鄰質(zhì)點(diǎn)間產(chǎn)生相互作用的摩擦和黏滯阻力，將聲能轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉。

2.3 在聲源處抑制噪聲

2.3.1 優(yōu)化間接式空調(diào)機(jī)組的結(jié)構(gòu)形式

由于艙室空間有限，間接式空調(diào)機(jī)組的回風(fēng)箱設(shè)計(jì)得過短、出風(fēng)箱設(shè)計(jì)得過矮，造成了很大的局部阻力。這會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)風(fēng)壓被迫加大，電動(dòng)機(jī)功率和噪聲隨之增加；又由于回風(fēng)箱、出風(fēng)箱局部阻力增加，氣流產(chǎn)生更大的渦流和紊流造成了系統(tǒng)內(nèi)空氣動(dòng)力噪聲的增加，并通過空調(diào)風(fēng)管向艙室擴(kuò)散。應(yīng)優(yōu)化間接式空調(diào)機(jī)組的結(jié)構(gòu)形式，避免采用局部阻力過大的回風(fēng)箱和出風(fēng)箱。

2.3.2 選擇低噪聲通風(fēng)機(jī)

在理論上，通風(fēng)機(jī)的空氣動(dòng)力噪聲大小與其轉(zhuǎn)速、葉輪直徑大小和外殼的結(jié)構(gòu)形式、葉片傾角、葉片數(shù)和通風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)有關(guān)；而產(chǎn)品的加工、安裝精度是一臺(tái)通風(fēng)機(jī)機(jī)械噪聲大小的最主要決定因素。所以，在空調(diào)、通風(fēng)系統(tǒng)中，若采用離心式通風(fēng)機(jī)，應(yīng)盡可能選用低轉(zhuǎn)速、后彎葉片形式；若采用軸流式或混流式通風(fēng)機(jī)應(yīng)盡可能選用低轉(zhuǎn)速、小直徑形式。另外，結(jié)構(gòu)合理性、裝配精密性、良好的動(dòng)靜平衡性都是選擇通風(fēng)機(jī)時(shí)應(yīng)充分關(guān)注的要素。近年來，輔助船空調(diào)、通風(fēng)系統(tǒng)中普遍采用的管道風(fēng)機(jī)，在噪聲、重量、安裝方面有突出的優(yōu)勢(shì)，特別適用于通風(fēng)量較小且安靜的處所，比如臥室衛(wèi)生間、試驗(yàn)室、會(huì)議室等。

2.3.3 合理劃分空調(diào)區(qū)域

在設(shè)計(jì)劃分空調(diào)區(qū)域時(shí)，應(yīng)與其他相關(guān)專業(yè)協(xié)調(diào)，合理布置艙室及確定空調(diào)風(fēng)管走向和尺寸，使各艙室的布置及組合既滿足其他專業(yè)的需要，又有利于空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)置，應(yīng)盡量做到：

（1）劃分空調(diào)區(qū)域時(shí)，應(yīng)控制每臺(tái)間接式空調(diào)機(jī)組的空調(diào)負(fù)荷和風(fēng)量，從而避免選擇過大風(fēng)量和功率的空調(diào)通風(fēng)機(jī)，達(dá)到控制噪聲源強(qiáng)度的目的；

（2）劃分空調(diào)區(qū)域時(shí)，應(yīng)避免采用過長、阻力過大的送風(fēng)管、回風(fēng)管和新風(fēng)管，從而降低空調(diào)通風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓，降低風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的功率，達(dá)到控制噪聲源強(qiáng)度的目的。

由于輔助船具有艙容較小、艙室功能和數(shù)量多且雜的特性，通常艙室劃分不能完全符合空調(diào)設(shè)計(jì)要求，往往既增加了間接式空調(diào)機(jī)組的功率和噪聲，又因過多過長的風(fēng)管設(shè)置而額外占有了船上寶貴的空間。所以合理布置艙室及合理確定空調(diào)風(fēng)管走向和尺寸，是一項(xiàng)需要各專業(yè)共同協(xié)調(diào)完成的工作。

2.3.4 降低系統(tǒng)風(fēng)量和優(yōu)化風(fēng)管設(shè)計(jì)

降低系統(tǒng)風(fēng)量有利于降低風(fēng)管內(nèi)空氣流速從而減少風(fēng)管內(nèi)空氣動(dòng)力噪聲。對(duì)于空調(diào)螺旋送風(fēng)管而言，主管流速低于13 m/s，噪聲可被較好控制。

對(duì)空調(diào)及通風(fēng)風(fēng)管的三通、彎頭、調(diào)風(fēng)門等，應(yīng)盡量做成流線型、漸變型或設(shè)置導(dǎo)流葉片，以減小空氣流動(dòng)阻力。

風(fēng)道斷面擴(kuò)大時(shí)，其擴(kuò)張角應(yīng)盡量小于20°；風(fēng)道斷面縮小時(shí)，其收縮角應(yīng)盡量小于45°；矩形風(fēng)管斷面的長寬比盡量小于3.5。

風(fēng)機(jī)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(zhuǎn)彎方向應(yīng)順著風(fēng)機(jī)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)的方向，或在彎管中設(shè)導(dǎo)流葉片。

采用較厚鋼板制作風(fēng)管，以避免由于風(fēng)管剛度不夠而引起的振動(dòng)和噪聲。

盡量采用大規(guī)格的空調(diào)布風(fēng)器，以降低空氣流速減少渦流。

2.4 在傳播途徑中控制噪聲

2.4.1 空調(diào)系統(tǒng)形式的選擇

為有效控制空調(diào)系統(tǒng)的噪聲，輔助船空調(diào)系統(tǒng)形式盡量采用間接式空調(diào)系統(tǒng)。這樣就能將冷水機(jī)組和水泵布置得遠(yuǎn)離生活與工作艙室，使來自這兩大噪聲源的噪聲在傳播過程中大幅衰減，最終留在生活和工作艙室區(qū)域的噪聲源只有間接式空調(diào)機(jī)組和風(fēng)機(jī)。

2.4.2 采取吸聲、消聲措施

吸聲主要通過在布置有冷水機(jī)組、水泵、空調(diào)機(jī)組等噪聲源的艙室的艙壁上敷設(shè)吸聲材料，由吸聲材料將艙室內(nèi)的聲能部分地吸收掉，以減少噪聲向外擴(kuò)散。常用的多孔吸聲材料有：玻璃棉、礦渣棉、毛氈等。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：多孔吸聲材料對(duì)高頻噪聲吸聲效果相當(dāng)明顯，而對(duì)低頻噪聲吸聲效果不明顯。例如超細(xì)玻璃棉，當(dāng)容重20 kg/m3、厚度為50 mm時(shí)，對(duì)125 Hz聲波的吸收系數(shù)α僅為0.1，而對(duì)500 Hz聲波的吸收系數(shù)α為0.85。這對(duì)于以低頻噪聲為主的輔助船空調(diào)、通風(fēng)系統(tǒng)并不適用。由此可見，設(shè)計(jì)過程中，獲得噪聲源的頻率數(shù)據(jù)并采取有針對(duì)性的技術(shù)措施至關(guān)重要。

消聲指降低沿管道傳遞的空氣動(dòng)力噪聲，即在空調(diào)、通風(fēng)風(fēng)管中設(shè)置消聲器，當(dāng)氣流通過時(shí)降低噪聲。根據(jù)消聲器的結(jié)構(gòu)型式、消聲原理的差別，可以分為阻性消聲器、共振性消聲器、抗性消聲器、復(fù)合式消聲器。

阻性消聲器的消聲原理是利用阻性吸聲材料消耗聲能以降低噪聲。對(duì)中、高頻噪聲消聲性能良好，而對(duì)低頻噪聲消聲性能較差，該種消聲器局部阻力系數(shù)較小。

共振性消聲器的消聲原理是利用特定空間內(nèi)空氣共振效果將聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽瑥亩鸬较曌饔?。由于采用共振原理，這種消聲器的消聲頻率選擇性較明顯，常用于消除低頻、特定頻率范圍的噪聲，且局部阻力系數(shù)較小。

抗性消聲器的消聲原理是利用管道內(nèi)的截面突變，使沿著風(fēng)管傳播的聲波向聲源方向反射或者在腔室內(nèi)來回反射，以至消失，從而起到消聲作用。對(duì)低頻、中頻噪聲消聲性能良好，該種消聲器局部阻力系數(shù)較大。

復(fù)合式消聲器是將對(duì)低、中頻有效的抗性消聲器和對(duì)高頻有效的阻性、共振性消聲器復(fù)合而成的一種消聲器。它既有吸聲材料，又有共振器和穿孔屏等濾波元件。該種消聲器消聲量大，消聲頻率范圍寬，目前在輔助船及各類型艦船的空調(diào)、通風(fēng)系統(tǒng)中應(yīng)用相當(dāng)廣泛。

為了精確地消除空調(diào)、通風(fēng)系統(tǒng)的噪聲，設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)噪聲源的頻率值，量化各消聲器的各項(xiàng)參數(shù)。每個(gè)消聲器都應(yīng)是針對(duì)某個(gè)具體系統(tǒng)、具體部位而設(shè)計(jì)制造的。

2.4.3 采取隔聲、隔振措施

隔聲是指將噪聲傳播途徑隔開，使噪聲與要求安靜的艙室隔絕。某些輔助船將離心通風(fēng)機(jī)放在消聲風(fēng)機(jī)箱內(nèi)，風(fēng)管則與風(fēng)機(jī)箱相連，以避免通風(fēng)機(jī)噪聲的傳播。在某些場(chǎng)合，可根據(jù)需要為制冷壓縮機(jī)、水泵、風(fēng)機(jī)等噪聲源設(shè)置隔聲罩。風(fēng)機(jī)箱、隔聲罩的優(yōu)點(diǎn)是體積小、效果比較明顯，但有時(shí)會(huì)使運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備的通風(fēng)散熱、裝拆檢修、操作運(yùn)行、儀表監(jiān)視等方面帶來一些麻煩，必須采取相應(yīng)的措施。

隔振是指采取合理的措施，消除設(shè)備與基座之間的剛性連接，以降低由設(shè)備振動(dòng)傳給基座所激發(fā)的噪聲。具體方式有：在產(chǎn)生振動(dòng)的空調(diào)、通風(fēng)設(shè)備和它們的基座之間采取隔振措施，比如使用各種材質(zhì)、結(jié)構(gòu)形式的隔振器；風(fēng)管、液管與設(shè)備連接處采用軟性連接；風(fēng)管與吊架接觸處應(yīng)墊橡膠等軟彈性材料，以防止風(fēng)管振動(dòng)和噪聲的傳遞。

隔振器的選擇必須根據(jù)振源設(shè)備重量、振動(dòng)頻率，經(jīng)計(jì)算或查表確定。通過隔振器后垂直單向地傳遞給甲板力的幅值與設(shè)備交變激發(fā)力幅值之比值稱為振動(dòng)系統(tǒng)（無阻尼）的傳遞率T［8］，可通過下式獲得：

式中：f為振源的擾動(dòng)頻率（Hz）；

f0為振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率（Hz）。

對(duì)于單向振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率而言，它有如下特性：

式中：K為彈性隔振材料的靜態(tài)剛度（N/m）；

m為振動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量（kg）。

從降低振動(dòng)傳遞率的角度來說，希望彈性隔振材料的靜態(tài)剛度K小一些，然而，對(duì)于大多數(shù)彈性材料而言，能承受負(fù)載大的材料剛度大，承載能力小的材料剛度小。所以，在實(shí)際工程應(yīng)用中，必須根據(jù)具體情況加以設(shè)計(jì)選擇。

從上式可見，增加振動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量可以降低振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率，從而有利于隔振效果。具體方法是在運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備（如水泵）下附加質(zhì)量塊，質(zhì)量塊的質(zhì)量應(yīng)大于設(shè)備的質(zhì)量，并安裝在隔振器上。

2.5 接收器上加載保護(hù)措施隔離噪聲

在緊鄰冷水機(jī)組、空調(diào)器、水泵等高噪聲艙室的區(qū)域，若不可避免的存在需要在低噪聲環(huán)境中進(jìn)行的工作，則可以采用設(shè)置隔聲間的方式消除噪聲的影響。隔聲間通常是包括隔聲、吸聲、消聲和減振等多種措施的噪聲治理裝置。通常用插入損失IL評(píng)價(jià)隔聲間綜合降噪效果，IL為被保護(hù)處安裝隔聲間前后的聲壓級(jí)之差［8］。

式中：A為隔聲間內(nèi)表面的總吸聲量，m2；

S為隔聲間內(nèi)表面總面積，m2；

Si為第 i個(gè)構(gòu)件的面積，m2；

TLi為第i個(gè)構(gòu)件的隔聲量，dB。

在滿足隔聲間平均隔聲量要求的前提下，各構(gòu)件隔聲量按等透聲原理設(shè)計(jì)，即各構(gòu)件的透聲系數(shù)與面積的乘積均相等。例如一般門窗的透聲系數(shù)較大，而艙壁的透聲系數(shù)較小，因此隔聲間應(yīng)該采用較小的門窗。

2.6 有源消聲技術(shù)

上述噪聲控制方法都屬于被動(dòng)或無源式的控制方法，這些方法對(duì)控制中高頻噪聲較為有效，但因?yàn)榈皖l噪聲波長較長，容易繞過吸聲結(jié)構(gòu)或材料，從而使得實(shí)際控制效果較差。圖3所示的有源消聲是利用次級(jí)聲源的聲波與原有噪聲源的聲波干涉，從而達(dá)到消聲目的［9］。

圖3 有源消聲原理圖

在控制點(diǎn)前一定距離用傳感器拾取噪聲源聲信號(hào)，經(jīng)過控制器將其調(diào)制到噪聲傳播到控制點(diǎn)應(yīng)具有的特性，在該點(diǎn)用次級(jí)聲源發(fā)出與噪聲反相的聲波，以抵消原有噪聲。在控制點(diǎn)后設(shè)有誤差傳感器，用于對(duì)控制器進(jìn)行微調(diào)，形成自適應(yīng)系統(tǒng)。該方法特別適用于以低頻為主的輔助船空調(diào)、通風(fēng)系統(tǒng)噪聲控制。但目前由于技術(shù)不夠成熟，在輔助船上鮮有應(yīng)用，因此，后期還需進(jìn)一步加強(qiáng)該技術(shù)的實(shí)船試驗(yàn)研究。

3 結(jié) 論

本文對(duì)輔助船空調(diào)、通風(fēng)系統(tǒng)噪聲進(jìn)行了較細(xì)致的分析總結(jié)，提出一系列切實(shí)有效的解決方案。不過在實(shí)船設(shè)計(jì)過程中，必須做好具體的測(cè)量、計(jì)算、分析工作，才能得到控制某個(gè)具體噪聲源噪聲及防止其擴(kuò)散的有效解決方案。

噪聲控制的具體措施和方案因船而異，雖然目前無法做到無代價(jià)徹底消除噪聲，不過隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)時(shí)無法解決的一些技術(shù)難題以后會(huì)逐步得以解決。

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