唐建偉，徐 昌

應(yīng)用研究

基于預(yù)報(bào)的客滾船振動(dòng)和噪聲控制措施分析

唐建偉1，徐 昌2

（1. 青島中遠(yuǎn)海運(yùn)國(guó)際船舶貿(mào)易有限公司，山東青島 266071；2. 中國(guó)船舶與海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200001）

客滾船的舒適性與乘客的體驗(yàn)直接相關(guān)，控制作為舒適性重要衡量指標(biāo)的振動(dòng)和噪聲，是客滾船設(shè)計(jì)的重中之重。該文以某型客滾船為例，介紹了基于經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)庫(kù)的振動(dòng)和噪聲早期預(yù)報(bào)以及振動(dòng)和噪聲的數(shù)值預(yù)報(bào)，同時(shí)基于上述預(yù)報(bào)的建議和結(jié)論采取相應(yīng)的振動(dòng)和噪聲控制措施。通過(guò)試航實(shí)測(cè)結(jié)果，驗(yàn)證了預(yù)報(bào)和控制措施的有效性，為今后客滾船在設(shè)計(jì)和建造過(guò)程中振動(dòng)和噪聲控制提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

客滾船 振動(dòng)噪聲 預(yù)報(bào) 控制

0 引言

客滾船（Ro-Ro passenger ship，ROPAX）是一種人車(chē)兩用運(yùn)輸船，主要用于裝運(yùn)卡車(chē)、小汽車(chē)、集裝箱拖車(chē)和游客，并為游客提供住宿和娛樂(lè)服務(wù)。因其較高的貨運(yùn)時(shí)效性和乘客舒適性，在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的內(nèi)海、海灣、海峽和沿海島嶼間的短途水運(yùn)中具有一定的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

目前我國(guó)的客滾船運(yùn)輸已形成以渤海灣為中心的渤海灣客滾運(yùn)輸市場(chǎng)，隨著亞洲區(qū)域旅游日益活躍和中韓自貿(mào)區(qū)建設(shè)的推進(jìn)，將進(jìn)一步推動(dòng)中韓航線(xiàn)客貨運(yùn)事業(yè)的發(fā)展。

在中韓航線(xiàn)上運(yùn)營(yíng)的新造客滾船的快速性均可滿(mǎn)足貨運(yùn)時(shí)效性要求，需要更加注重提高舒適性從而增加客運(yùn)收入。新造客滾船需要確保能按時(shí)交船，若振動(dòng)噪聲超標(biāo)將導(dǎo)致試航后大面積的結(jié)構(gòu)返工和艙室翻新，使新船和舊船無(wú)法正常銜接，給船東帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失。此外，振動(dòng)噪聲作為舒適性的重要衡量指標(biāo)，也是客滾船設(shè)計(jì)的重中之重，若乘客體驗(yàn)不佳，將會(huì)對(duì)船舶給出較多負(fù)面評(píng)價(jià)，會(huì)影響船舶的口碑，從而影響到船舶整個(gè)生命周期內(nèi)的經(jīng)濟(jì)效益。因此，在設(shè)計(jì)和建造階段需要高度重視控制船舶的振動(dòng)和噪聲。對(duì)于有母型船的船型而言，可參考母型船已有措施以及實(shí)船反饋進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，有相對(duì)明確的方向。而對(duì)于全新開(kāi)發(fā)的船型，振動(dòng)和噪聲控制難度更大。

本文以中韓航線(xiàn)上全新開(kāi)發(fā)的某型客滾船（以下簡(jiǎn)稱(chēng)‘本船’）的振動(dòng)和噪聲控制為例，介紹船舶設(shè)計(jì)和建造過(guò)程中的振動(dòng)和噪聲控制方法。

表1 船型主要參數(shù)表

圖1 船型側(cè)視圖

1 基于經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)庫(kù)的振動(dòng)和噪聲早期預(yù)報(bào)和建議

本船為國(guó)內(nèi)首艘滿(mǎn)足中國(guó)船級(jí)社（CCS）COMF(VIB 2) 、COMF(NOISE 2)附加標(biāo)志要求的客滾船，上述船級(jí)符號(hào)要求乘客高級(jí)艙室的最大振動(dòng)量級(jí)不超過(guò)2 mm/s、最大噪聲量級(jí)不超過(guò)47 dB(A)[1-3]。而常規(guī)船舶振動(dòng)和噪聲僅需要滿(mǎn)足ISO 6954-2000和Resolution MSC.337(91)的要求、對(duì)應(yīng)的居住艙室最大振動(dòng)量級(jí)不超過(guò)4 mm/s、最大噪聲量級(jí)不超過(guò)55 dB(A)。

由于本船無(wú)母型船，在船舶設(shè)計(jì)和建造階段，無(wú)法通過(guò)實(shí)際測(cè)量的方式獲得艙室的振動(dòng)和噪聲值，因此需要對(duì)艙室的振動(dòng)和噪聲進(jìn)行早期預(yù)報(bào)，從而指導(dǎo)設(shè)計(jì)和設(shè)備選型。本船引入第三方對(duì)振動(dòng)和噪聲進(jìn)行基于經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)庫(kù)的早期預(yù)報(bào)，可快速識(shí)別振動(dòng)和噪聲潛在超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。

1.1 振動(dòng)早期預(yù)報(bào)及建議

為便于車(chē)輛上下，客滾船車(chē)輛艙內(nèi)通常不設(shè)縱艙壁和支柱，因此車(chē)輛艙上方的住艙甲板無(wú)法得到連續(xù)的垂向支撐，振動(dòng)問(wèn)題會(huì)較為突出。受限于船旗國(guó)對(duì)救生艇布置高度的要求，本船救生艇需在5甲板車(chē)輛艙兩側(cè)。為方便車(chē)輛上下，避免中煙囪與舷側(cè)救生艇凹入處形成行駛路線(xiàn)上的“瓶頸”問(wèn)題，本船機(jī)艙煙囪布置在舷側(cè)。由于沒(méi)有中煙囪，甲板梁跨距與船寬相等，對(duì)橫向強(qiáng)度和上層甲板的振動(dòng)不利。在總布置初步確定之后，通過(guò)第三方基于數(shù)據(jù)庫(kù)的早期預(yù)報(bào)。分解振動(dòng)控制指標(biāo)，如螺旋槳總脈壓和空泡引起的脈壓值、主機(jī)單層隔振等。另外，基于經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為尾部甲板的振動(dòng)通常較大，建議在7甲板尾部增加縱向艙壁。

1.2 噪聲早期預(yù)報(bào)及建議

對(duì)于最高等級(jí)噪聲要求的船舶（如 NOISE 1），多數(shù)為豪華郵輪，通常采用電力推進(jìn)形式，與常規(guī)推進(jìn)相比有較大的成本增加。而對(duì)NOISE 2等級(jí)，通過(guò)合理的降噪設(shè)計(jì)，常規(guī)推進(jìn)也可以達(dá)到要求。歐洲主流豪華客滾船通常為NOISE 2級(jí)。本船在設(shè)計(jì)初期，在總布置初步確定之后，通過(guò)與第三方進(jìn)行基于數(shù)據(jù)庫(kù)的早期預(yù)報(bào)。分解噪聲源控制指標(biāo)，如主機(jī)、排氣管、風(fēng)機(jī)、空調(diào)器等；對(duì)各層甲板的噪聲值進(jìn)行初步預(yù)報(bào)。對(duì)浮動(dòng)甲板布置、隔聲絕緣等提供初步建議。

2 基于早期預(yù)報(bào)的振動(dòng)和噪聲控制措施

振動(dòng)和噪聲早期預(yù)報(bào)的建議基本可以分為兩類(lèi)，一類(lèi)是在設(shè)計(jì)理念和設(shè)備選型上主動(dòng)去控制、減少振動(dòng)噪聲源，另一類(lèi)是采取各類(lèi)積極措施去降低振動(dòng)和噪聲的傳遞。

2.1 振動(dòng)和噪聲源控制

本船的船用設(shè)備較多，因此振動(dòng)和噪聲源也多。主要振動(dòng)和噪聲源包括螺旋槳、柴油機(jī)主機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)組、空調(diào)機(jī)組、貨艙風(fēng)機(jī)、機(jī)艙風(fēng)機(jī)、機(jī)艙空壓機(jī)、機(jī)艙泵組、液壓泵組、以及各類(lèi)管道等。因此需要根據(jù)早期預(yù)報(bào)對(duì)不同振動(dòng)和噪聲源的控制指標(biāo)來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)和設(shè)備選型。

2.1.1 螺旋槳設(shè)計(jì)

螺旋槳的各種設(shè)計(jì)要素相互制約，因此需從推進(jìn)效率、空泡、振動(dòng)及強(qiáng)度等方面進(jìn)行權(quán)衡，同時(shí)應(yīng)適當(dāng)加大低振動(dòng)噪音在螺旋槳設(shè)計(jì)中的權(quán)重，從而達(dá)到合理的設(shè)計(jì)目標(biāo)?？刂坡菪龢恼駝?dòng)和噪音可以從一下幾方面考慮：

1）螺旋槳葉片數(shù)的選擇：一般認(rèn)為，若螺旋槳的直徑和葉面積相同，則葉數(shù)少者效率高，但葉數(shù)多對(duì)減小振動(dòng)有利。本船選擇5葉槳，對(duì)減小振動(dòng)有利。

2）螺旋槳直徑的選擇：考慮與船體尾部型線(xiàn)的配合，保持足夠的間隙，避免產(chǎn)生過(guò)大的激振力。通常情況下，該間隙不得小于船級(jí)社規(guī)范所要求的值。一般在相同推進(jìn)功率下，螺旋槳直徑越大，激振力越小。在滿(mǎn)足規(guī)范對(duì)槳葉梢與船體間隙要求下，本船將螺旋槳直徑適當(dāng)加大至4.8 m。

3）螺旋槳空泡：螺旋槳葉梢產(chǎn)生的梢渦空泡對(duì)螺旋槳?jiǎng)兾g無(wú)直接影響，但梢渦空泡在船體表面崩潰時(shí)會(huì)導(dǎo)致船體尾部的劇烈振動(dòng)，還會(huì)引起不必要的噪聲問(wèn)題。云狀空泡不僅對(duì)螺旋槳?jiǎng)兾g最為嚴(yán)重，而且也是強(qiáng)烈的噪聲源，危害最大[4]。本船對(duì)螺旋槳空泡性能進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，通過(guò)空泡試驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)槳未出現(xiàn)導(dǎo)致螺旋槳?jiǎng)兾g的面空泡和云狀空泡，梢渦空泡也在正常范圍內(nèi)。

4）螺旋槳引起的激振力：本船在線(xiàn)型設(shè)計(jì)階段，著重對(duì)尾部線(xiàn)型和軸支架形式和剖面進(jìn)行優(yōu)化，從而使螺旋槳的伴流場(chǎng)更加均勻。在半流場(chǎng)無(wú)法進(jìn)一步改善的情況下，還可增加螺旋槳的側(cè)斜角來(lái)降低激振力。本船采用的是中側(cè)斜槳。通過(guò)脈動(dòng)壓力試驗(yàn)驗(yàn)證，本船設(shè)計(jì)槳的脈動(dòng)壓力試驗(yàn)值為2.1 kPa，在早期預(yù)報(bào)的限制范圍內(nèi)。

2.1.2設(shè)備選型

振動(dòng)和噪聲源設(shè)備選型主要取決于成本，本船在預(yù)算造價(jià)范圍內(nèi)對(duì)主要振動(dòng)和噪聲源設(shè)備選型考慮如下：

1）主機(jī)和發(fā)電機(jī)：主機(jī)和發(fā)電機(jī)要求廠(chǎng)家提供優(yōu)良的錐形減振器，以及采用單層彈性隔振安裝來(lái)降低振動(dòng)和噪聲。

2）主機(jī)和發(fā)電機(jī)的消音器：主機(jī)和發(fā)電機(jī)的排氣管需向上穿過(guò)生活和娛樂(lè)區(qū)，排氣噪聲與上述需控制振動(dòng)噪聲的艙室較近，需重點(diǎn)關(guān)注。本船主機(jī)排煙管出口需滿(mǎn)足在不同頻率段噪聲低于90 dB(A)，為滿(mǎn)足上述排煙管出口噪聲要求，為每臺(tái)主機(jī)的排煙管各布置了1臺(tái)火星熄滅式通用消音和1臺(tái)低頻消音器。主發(fā)電機(jī)組排氣管上布置火星熄滅式消音器，消音量為35 dB(A)，消音量高于貨船25 dB(A)的消音量。

3）主空壓機(jī)：主空壓機(jī)采用單層彈性隔振塊安裝，振動(dòng)噪聲優(yōu)于常規(guī)的鋼墊安裝。

4）機(jī)艙風(fēng)機(jī)：機(jī)艙風(fēng)機(jī)采用彈性隔振安裝，振動(dòng)噪聲優(yōu)于常規(guī)的鋼法蘭直接安裝。本船由于風(fēng)機(jī)室層高限制無(wú)法布置風(fēng)機(jī)消音器，因此將消音器方案改為風(fēng)機(jī)室整體消音方案。

5）空調(diào)系統(tǒng)：空調(diào)風(fēng)機(jī)選用低噪聲高效風(fēng)機(jī)，并且風(fēng)機(jī)安裝采用減震器等減振措施。空調(diào)箱與艙室之間的圓供風(fēng)風(fēng)管采用消音風(fēng)管，回風(fēng)管和矩形風(fēng)道采用消音器以減小噪聲的傳遞。

6）貨艙風(fēng)機(jī)：選用低噪聲高效風(fēng)機(jī)，并且風(fēng)機(jī)安裝采用減震器等減振措施。同時(shí)風(fēng)機(jī)基座預(yù)留空間，將根據(jù)后續(xù)評(píng)估結(jié)果適當(dāng)刷阻尼約束結(jié)構(gòu)降低振動(dòng)傳遞。貨艙風(fēng)機(jī)與室外之間設(shè)置消音器，減小百葉窗出口的噪聲。

2.2 振動(dòng)和噪聲傳播途徑控制

早期預(yù)報(bào)對(duì)振動(dòng)和噪聲源的控制需要考慮到技術(shù)和成本的限制，在振動(dòng)和噪聲源因上述原因無(wú)法進(jìn)一步降低情況下，可考慮采取控制傳播途徑的措施來(lái)降低振動(dòng)噪聲轉(zhuǎn)化或者消耗振動(dòng)噪聲能量。同時(shí)還可優(yōu)化艙室布局，將振動(dòng)和噪聲要求高的房間布置在遠(yuǎn)離振動(dòng)和噪聲源處。

2.2.1 船體方面

參照振動(dòng)噪聲的早期預(yù)報(bào)報(bào)告，合理優(yōu)化全船結(jié)構(gòu)布置，保證結(jié)構(gòu)連續(xù)性，形成橫縱向連續(xù)的強(qiáng)框架。合理布置支柱，盡可能將支柱布置在艙壁的同一平面內(nèi)，增加船體結(jié)構(gòu)剛性。采用高橫梁預(yù)開(kāi)孔形式，增加甲板板架的整體剛度。主機(jī)座與船體縱桁供面布置，盡量向兩端延伸，并設(shè)置橫向支撐。優(yōu)化船體結(jié)構(gòu)固有頻率，避開(kāi)主要激振源的工作頻率，以避免共振。

同時(shí)有針對(duì)性地對(duì)7甲板尾部區(qū)域布置進(jìn)行修改，增加了2個(gè)縱向艙壁，以期減少7甲板振動(dòng)。另外，對(duì)7～9甲板，在設(shè)計(jì)中，盡量保證主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連續(xù)性，在合理位置增加立柱和局部艙壁，保證一定程度上的垂向連續(xù)性，雖然結(jié)構(gòu)重量略有增加，但減少了振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.2 內(nèi)裝方面

參照振動(dòng)噪聲的早期預(yù)報(bào)報(bào)告，對(duì)噪聲較高的區(qū)域布置浮動(dòng)地板和阻尼。在產(chǎn)生噪聲的地方如空調(diào)器室，刷阻尼約束結(jié)構(gòu)并敷設(shè)隔音絕緣，以減小噪聲對(duì)外界的影響。布風(fēng)器、靜壓箱、抽風(fēng)頭等采用撓性連接，減小振動(dòng)、噪聲的傳遞。天花板、壁板系統(tǒng)采用彈性構(gòu)件，減小振動(dòng)和噪聲的傳播。

2.2.3 電氣方面

配電板、集控臺(tái)、駕控臺(tái)等大型落地式設(shè)備增加減震橡膠墊。機(jī)械設(shè)備控制箱按廠(chǎng)家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備設(shè)置減震器。

機(jī)艙區(qū)及機(jī)3甲板機(jī)械區(qū)燈具采用掛鉤式，以便減少震動(dòng)的影響。車(chē)輛艙內(nèi)燈具采用減震器。室外燈外采用減震盤(pán)。

2.2.4 機(jī)裝方面

排煙管吊架：為降低排煙管的振動(dòng)噪聲，本船排煙管將采用靜音型吊架，且對(duì)排煙管支撐和吊架的布置位置進(jìn)行全面的計(jì)算。

貨艙風(fēng)機(jī)室內(nèi)圍壁敷設(shè)隔音絕緣減小噪聲的傳遞。

3 基于數(shù)值預(yù)報(bào)控制振動(dòng)和噪聲

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，基于廠(chǎng)商提供振動(dòng)和噪聲源數(shù)據(jù)對(duì)振動(dòng)和噪聲進(jìn)行數(shù)值分析?？梢詾檫_(dá)到振動(dòng)和噪聲要求提供更精確的技術(shù)保障，減少船舶后期修改，保證交船期。

3.1 振動(dòng)數(shù)值計(jì)算的結(jié)論

7甲板跨層的登船大廳，8甲板尾部餐廳、第二主豎區(qū)內(nèi)艙房和VIP套間位置，9甲板冷庫(kù)、第二主豎區(qū)兩舷房間和第一主豎區(qū)高級(jí)船員住艙超標(biāo)。

圖2 9甲板第一輪振動(dòng)數(shù)值計(jì)算結(jié)果云圖

3.2 基于數(shù)值計(jì)算的振動(dòng)控制

通過(guò)分析結(jié)論，得出大梁高度降低的區(qū)域，振動(dòng)問(wèn)題比較突出，典型如9甲第四主豎區(qū)空調(diào)器室頂部，8甲廚房頂部，5甲尾部裝高車(chē)區(qū)域；立柱對(duì)減小振動(dòng)有一定的效果，典型如8甲板和9甲板第一主豎區(qū)，立柱范圍內(nèi)均有效降低了振動(dòng)水平。

組織船廠(chǎng)、設(shè)計(jì)院、船檢一起討論、研究解決方案；修改方案以增加甲板板架剛度為主，在部分區(qū)域增加局部艙壁、立柱和縱桁，兼顧減振要求和實(shí)際放樣可行性。

通過(guò)二次振動(dòng)評(píng)估結(jié)果，大部分區(qū)域的振動(dòng)幅值得到了顯著降低，僅8、9甲板在第一主豎區(qū)有個(gè)別住艙幅值偏大。在核查模型后進(jìn)行了修改，并將第二輪發(fā)現(xiàn)的部分超標(biāo)艙室進(jìn)行了修改，增加了局部縱桁。并進(jìn)行了第三次振動(dòng)評(píng)估，評(píng)估結(jié)果滿(mǎn)足要求。本船經(jīng)試航振動(dòng)實(shí)測(cè)，振動(dòng)測(cè)量結(jié)果均在COMF(VIB 2)舒適性衡準(zhǔn)限值內(nèi)。

圖3 9甲板第三輪振動(dòng)數(shù)值計(jì)算結(jié)果云圖

3.3 噪聲數(shù)值計(jì)算的結(jié)論

基于提供的設(shè)備噪聲數(shù)據(jù)和隔聲設(shè)計(jì)方案，主要艙室內(nèi)的噪聲預(yù)報(bào)值可以滿(mǎn)足CCS船級(jí)符號(hào)COMF(NOISE 2)的要求。

3.4 基于數(shù)值計(jì)算的噪聲控制

表2 典型位置噪聲計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

組織船廠(chǎng)、船級(jí)社和設(shè)計(jì)院在召開(kāi)噪聲專(zhuān)題討論會(huì)，就噪聲計(jì)算報(bào)告中的材料屬性、安裝節(jié)點(diǎn)要求、等效措施等進(jìn)行了溝通和澄清。

主要結(jié)論如下：7甲板尾部部分艙室需采取浮動(dòng)地板，以達(dá)到規(guī)范要求，船廠(chǎng)提供與振動(dòng)噪聲報(bào)告中等效的節(jié)點(diǎn)形式，得到船級(jí)社的確認(rèn)，可滿(mǎn)足規(guī)范要求；并對(duì)部分設(shè)備安裝和工藝節(jié)點(diǎn)提出了要求，如排氣管彈性安裝，內(nèi)裝板與振動(dòng)較大的鋼圍蔽之間的彈性連接等，船廠(chǎng)確認(rèn)將在施工時(shí)注意；對(duì)于部分船廠(chǎng)擬采用的等效節(jié)點(diǎn)，如7甲板尾部浮動(dòng)地板、集控室地板，經(jīng)與船級(jí)社確認(rèn)，船廠(chǎng)的方案可以達(dá)到相似的降噪效果。本船試航噪聲實(shí)測(cè)結(jié)果滿(mǎn)足CCS 附加標(biāo)志COMF(NOISE 2)的要求。

4 結(jié)論

本文介紹了客滾船在不同設(shè)計(jì)建造階段控制振動(dòng)和噪聲的措施。同時(shí)，簡(jiǎn)述了基于經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)庫(kù)的早期振動(dòng)和噪聲預(yù)報(bào)以及基于數(shù)值計(jì)算的振動(dòng)和噪聲預(yù)報(bào)對(duì)客滾船振動(dòng)和噪聲控制的作用。旨在為業(yè)界內(nèi)客滾船的振動(dòng)和噪聲控制提供一些合理建議。

[1] 中國(guó)船級(jí)社. 鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范[M]. 北京: 中國(guó)人民交通出版社, 2016.

[2] 中國(guó)船級(jí)社. 船上振動(dòng)控制指南[M]. 北京: 中國(guó)人民交通出版社, 2012.

[3] 中國(guó)船級(jí)社. 船舶及產(chǎn)品噪聲控制與檢測(cè)指南[M]. 北京: 中國(guó)人民交通出版社, 2013.

[4] 船舶工業(yè)集團(tuán)總公司. 船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2013．

Forecast-based analysis of vibration and noise control measures for Ro-Ro passenger ship

Tangjianwei1；Xuchang2

（1. COSCO Ship(Qingdao) Co., Ltd., Qingdao 266071, China; 2. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200001, China)

U664

A

1003-4862（2022）07-0011-05

2021-09-26

唐建偉（1975-），男，碩士，輪機(jī)長(zhǎng)/工程師。研究方向：新造船監(jiān)造及技術(shù)應(yīng)用。E-mail:tang.jianwei@coscoshipping.com