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        船舶噪聲產(chǎn)生的原因及其控制措施

        2022-09-03 03:28:30
        船舶物資與市場(chǎng) 2022年8期
        關(guān)鍵詞:機(jī)座艙室機(jī)艙

        張 明

        (中國(guó)船級(jí)社實(shí)業(yè)有限公司 南京分公司,江蘇 南京 210000)

        0 引言

        船舶航行、錨泊或??看a頭時(shí)產(chǎn)生的噪聲直接影響到船上船員的身體健康和工作狀態(tài),也會(huì)對(duì)內(nèi)河水域沿岸居民造成一定的影響。船舶噪聲振動(dòng)會(huì)對(duì)船舶結(jié)構(gòu)造成持續(xù)的疲勞破壞,影響船舶的航行安全和使用壽命。國(guó)際海事組織(IMO)早在1981年通過(guò)了A.468(XII)決議,限定了船上的噪聲級(jí),隨后又在2012年以MSC.338(91)決議通過(guò)SOLAS修正案。該修正案中新增II-1/3-12條噪聲防護(hù),將《船上噪聲等級(jí)規(guī)則》作為強(qiáng)制要求,并于2014年7月1日生效實(shí)施。MSC.338(91)決議對(duì)船員生活和工作區(qū)域噪聲要求做出了較大改動(dòng),為船員在休息、娛樂(lè)和其他處所提供一種可接受的舒適環(huán)境。面對(duì)更加嚴(yán)格的噪聲標(biāo)準(zhǔn),如何從船舶設(shè)計(jì)、建造過(guò)程中減振降噪,是有必要且有意義的。

        1 船舶噪聲源

        船舶噪聲振動(dòng)源繁多,噪聲強(qiáng)度大,頻譜成分復(fù)雜,主要包括:1)機(jī)械設(shè)備聲源,包括主機(jī)以及發(fā)電機(jī)組、空調(diào)、風(fēng)機(jī)、液壓設(shè)備和帶泵的設(shè)備等輔機(jī);2)流體動(dòng)力聲源,包括螺旋槳脈動(dòng)壓力、空泡,興波,渦流等;3)空氣動(dòng)力聲源,發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)、排氣,通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)排氣和渦流等。船艙噪聲源流程圖,如圖1所示。

        圖1 船艙噪聲源流程圖

        2 噪聲傳播途徑

        2.1 螺旋槳引起的振動(dòng)和噪音通過(guò)船體結(jié)構(gòu)傳播

        螺旋槳在船尾部或首部附近運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),由于槳葉周圍伴流不均勻,各槳葉在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)壓力隨伴流的變化而變化,導(dǎo)致槳葉上受到的力不相等且呈現(xiàn)周期性變化,由此形成的力矩和合力也呈現(xiàn)周期性變化,并通過(guò)軸和軸承傳導(dǎo)給船體結(jié)構(gòu),引起結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)引起螺旋槳附近水壓力產(chǎn)生脈動(dòng),作用在船體表面即為脈動(dòng)壓力,使得螺旋槳附近的船外板上產(chǎn)生周期性變化的壓力,激起船體尾部、上層建筑和局部振動(dòng),甚至形成共振產(chǎn)生噪聲,向船舶其他區(qū)域傳播。

        2.2 機(jī)械設(shè)備引起的振動(dòng)和噪聲通過(guò)船體結(jié)構(gòu)和空氣傳播

        對(duì)于貨船而言,機(jī)艙中產(chǎn)生振動(dòng)噪聲的最大設(shè)備是船舶主機(jī)。柴油機(jī)活塞在氣缸燃燒產(chǎn)生的混合氣體的推動(dòng)作用下,通過(guò)連桿、活塞桿、曲軸、軸承傳遞運(yùn)動(dòng)從而激發(fā)機(jī)械振動(dòng)。此種振動(dòng)會(huì)通過(guò)主機(jī)座傳導(dǎo)至與之相連的船體結(jié)構(gòu)上,引起該區(qū)域的船體結(jié)構(gòu)的振動(dòng),并向其他地方遞減式傳播,產(chǎn)生噪聲。柴油機(jī)燃燒過(guò)程中,進(jìn)氣、排氣和增壓系統(tǒng)氣壓的變化也會(huì)引起空氣動(dòng)力性噪音在艙室內(nèi)傳播。機(jī)艙、輔機(jī)艙里的其他柴油機(jī)、電動(dòng)機(jī)等動(dòng)力設(shè)備在工作時(shí)不可避免會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)與噪聲,通過(guò)設(shè)備基座向船體結(jié)構(gòu)傳播,特別是當(dāng)設(shè)備與基座及船體結(jié)構(gòu)剛性安裝時(shí),振動(dòng)影響更強(qiáng)烈。振動(dòng)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)噪聲通過(guò)鋼的傳播,能量損失較少,會(huì)傳遞至離振源較遠(yuǎn)的艙室,需要重點(diǎn)控制。另外一種是由設(shè)備正常工作時(shí)表面振動(dòng)引起的噪聲通過(guò)空氣在艙室內(nèi)傳播[1]。

        2.3 通風(fēng)系統(tǒng)引起的噪聲通過(guò)空氣傳播

        通風(fēng)系統(tǒng)引起的噪聲是風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的機(jī)械噪聲和引起空氣渦流形成的噪聲,通過(guò)空氣進(jìn)行傳播??諝庠谕L(fēng)管道內(nèi)流動(dòng)過(guò)程中,因壓力的變化,導(dǎo)致風(fēng)管振動(dòng)產(chǎn)生噪聲,通過(guò)空氣進(jìn)行傳播。通風(fēng)管道的進(jìn)出風(fēng)口通常裝有由穿孔的板或?qū)~構(gòu)成的格柵,也會(huì)產(chǎn)生噪聲,通過(guò)空氣進(jìn)行傳播。

        3 控制措施

        3.1 針對(duì)螺旋槳的減振降噪措施

        1)優(yōu)化螺旋槳附近船體線型。在船舶設(shè)計(jì)階段,應(yīng)對(duì)螺旋槳推進(jìn)性能、阻力、激勵(lì)進(jìn)行綜合權(quán)衡,優(yōu)化螺旋槳前方橫剖面形狀(如采用U型船尾),螺旋槳周圍伴流場(chǎng)均勻分布,可有效降低螺旋槳激勵(lì),從而起到減振降噪的效果。延長(zhǎng)分水踵、加裝尾流隧道、加裝尾鰭、安裝旋渦發(fā)生器也可以降低因伴流場(chǎng)不均勻而引起的螺旋槳激勵(lì),起到減振降噪的作用。

        2)在螺旋槳外面安裝導(dǎo)流罩。導(dǎo)流罩可以起到平穩(wěn)分布伴流的作用,使螺旋槳受到的一部分負(fù)荷轉(zhuǎn)移到導(dǎo)流罩上,從而減小螺旋槳空泡的產(chǎn)生和軸承負(fù)荷,有效減少螺旋槳的振動(dòng)與噪聲,還可以提高螺旋槳的推進(jìn)效率。

        3)盡可能加大船體外板與螺旋槳之間的間隙。螺旋槳與周圍船體外板間的間隙應(yīng)盡可能加大,這樣因螺旋槳產(chǎn)生的對(duì)船板表面的脈動(dòng)壓力可以被有效降低,起到減振降噪作用。當(dāng)無(wú)法增大船體外板與螺旋槳之間的間隙時(shí),也可采用在螺旋槳上方的船體結(jié)構(gòu)上開(kāi)設(shè)避振穴來(lái)減弱螺旋槳作用在船體外板上的表面力,從而減小船舶尾部結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)。

        4)合理選擇螺旋槳葉數(shù)。隨著螺旋槳葉數(shù)的增加,螺旋槳直徑會(huì)減小,葉梢間隙會(huì)加大,螺旋槳引起的脈動(dòng)壓力會(huì)下降。同時(shí)也考慮伴流場(chǎng)的各次諧波分量,配合大傾斜的螺旋槳可以有效減小螺旋槳軸承受力和表面受力。最終避免螺旋槳軸的振動(dòng)和船體結(jié)構(gòu)的局部共振,形成有效的減振降噪措施。

        5)敷設(shè)阻尼材料。在螺旋槳上方船底板處、尾艙壁上敷設(shè)阻尼材料,利用阻尼材料在約束船體振動(dòng)過(guò)程中,其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生彎曲、拉伸、剪切等變形,可以將船體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能轉(zhuǎn)換成阻尼材料的摩擦熱能,有效地起到減振降噪的作用。

        3.2 針對(duì)機(jī)艙、輔機(jī)艙機(jī)械設(shè)備的減振降噪措施

        1)增加設(shè)備機(jī)座的剛性和尺寸。理論上當(dāng)設(shè)備機(jī)座的剛度足夠大時(shí),可以使設(shè)備機(jī)座的振動(dòng)趨于0,提高設(shè)備機(jī)座的剛性可以有效降低由機(jī)器設(shè)備傳導(dǎo)來(lái)振動(dòng)。增加設(shè)備機(jī)座的尺寸,則可以有效降低機(jī)座振動(dòng)的幅度。當(dāng)然,機(jī)座的尺寸和剛性也不可能無(wú)限制的增加,還需要滿足機(jī)艙、輔機(jī)艙內(nèi)的布置和船舶經(jīng)濟(jì)性的需要。

        2)設(shè)備與機(jī)座采用彈性支撐和彈性連接。主要設(shè)備與機(jī)座之間采用橡膠減振器或金屬浮筏隔振器彈性支撐連接,普通設(shè)備與機(jī)座之間采用橡膠減振器或小型金屬隔振器彈性連接。金屬隔振器價(jià)格較貴,高溫下不易變形,且耐油抗水,維護(hù)簡(jiǎn)單,橡膠隔振器不易塑性變形且價(jià)格便宜,高溫下可燃、彈性變差、易老化。所以要根據(jù)不同船舶的經(jīng)濟(jì)性需求,合理選擇金屬隔振和橡膠減振措施。

        3)敷設(shè)阻尼材料。在主要設(shè)備機(jī)座面板和腹板處、機(jī)艙壁處、機(jī)艙頂甲板處等位置敷設(shè)阻尼材料,阻尼材料在約束船體振動(dòng)過(guò)程中,其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生彎曲、拉伸、剪切等變形,可以將船體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能轉(zhuǎn)換成阻尼材料的摩擦熱能,從而降低機(jī)座振動(dòng)和噪聲的傳播[2]。

        圖2 發(fā)電機(jī)減振降噪措施

        4)主機(jī)機(jī)架增加支撐。為了減少和防止機(jī)架橫向振動(dòng),產(chǎn)生結(jié)構(gòu)和空氣噪音,可以在主機(jī)頂部增加橫向支撐。橫向支撐可以有效地增加機(jī)體的剛度,提高其固有頻率,防止主機(jī)在額定轉(zhuǎn)速附近產(chǎn)生低諧次的共振,進(jìn)而降低整個(gè)系統(tǒng)的振幅,在很大程度上起到減振降噪的效果。

        5)盡量選用低噪聲的設(shè)備。為從源頭上降低機(jī)艙、輔機(jī)艙產(chǎn)生的總噪聲,在設(shè)備選型時(shí),盡量選用新型號(hào)低噪聲的設(shè)備。

        6)采用吸聲結(jié)構(gòu)。將膠合板、硬質(zhì)纖維板或金屬板等周邊固定在金屬框架上,在板后形成一定厚度的空氣層,這就是薄板共振吸聲結(jié)構(gòu)。在空氣層中沿龍骨架四周襯貼一些多孔性材料,如玻璃棉、泡沫塑料等,可提高吸聲性能。還有穿孔板吸聲結(jié)構(gòu),在金屬板、薄木板上穿以一定的孔,板后留有一定厚度的空氣層,可對(duì)入射的聲波產(chǎn)生共振吸收,在空腔內(nèi)填多孔吸聲材料,并將其緊貼穿孔板填充,可提高吸聲性能。

        7)使用隔聲罩。設(shè)備振動(dòng)發(fā)出的噪聲,一部分產(chǎn)生空氣噪聲,另一部分形成結(jié)構(gòu)噪聲。解決設(shè)備振動(dòng)產(chǎn)生的空氣噪聲,可以采用便于拆裝的穿孔板將機(jī)械設(shè)備罩住,在罩內(nèi)部表面盡量多的敷設(shè)吸聲材料,形成隔聲罩。解決設(shè)備振動(dòng)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)噪聲,可以在底座與罩殼之間采用彈性連接。

        3.3 針對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的減振降噪措施

        1)采用低噪聲指標(biāo)的風(fēng)機(jī)。從源頭降低噪音,選用帶有吸音阻尼材料的螺旋風(fēng)管,或者在矩形風(fēng)管外包敷吸音阻尼材料,以及大型結(jié)構(gòu)風(fēng)道內(nèi)敷設(shè)減振降噪的阻尼材料,可以有效抑制結(jié)構(gòu)振動(dòng)及噪聲傳播。

        2)優(yōu)化管路布置,減少空氣噪聲。通過(guò)在通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置靜壓箱,風(fēng)道管徑變化處合理過(guò)渡,設(shè)置閥門,進(jìn)、出風(fēng)口處設(shè)置格柵,室內(nèi)空調(diào)出風(fēng)口安裝布風(fēng)器,均可有效降低噪聲[3]。

        3.4 合理布置生活區(qū)艙室

        艙室布置的基本原則是工作處所、居住處所、生活?yuàn)蕵?lè)處所等應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離噪聲源。通常將船員的工作艙室與居住艙室盡可能不布置于主甲板區(qū)域,應(yīng)遠(yuǎn)離機(jī)艙、煙囪等高噪?yún)^(qū)域。在居住艙室和機(jī)艙棚之間應(yīng)設(shè)置盥洗室、儲(chǔ)藏室、走道等作為噪聲緩沖區(qū)。通風(fēng)系統(tǒng)、煙囪的排氣口應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離和背向橋樓和居住艙室,面向煙囪的上層建筑出口應(yīng)設(shè)置隔聲門。甲板、艙壁、天花板、門窗等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)有足夠的剛度,以免引起共振。應(yīng)設(shè)置獨(dú)立的機(jī)艙集控室或值班室,安裝的門應(yīng)為隔音門,讓值班船員免受高噪聲傷害。

        4 振動(dòng)噪音實(shí)船數(shù)據(jù)測(cè)量

        船舶設(shè)計(jì)過(guò)程中,進(jìn)行噪聲源貢獻(xiàn)量分析與噪聲控制指標(biāo)分解時(shí),可以利用已建成的母型船舶的艙室噪聲測(cè)試數(shù)據(jù),依據(jù)目標(biāo)船舶技術(shù)狀態(tài)的變化,綜合比較分析確定艙室噪聲設(shè)計(jì)指標(biāo)的量化分配,或者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式估算主要噪聲源貢獻(xiàn)量分析與噪聲控制指標(biāo)分解。再根據(jù)設(shè)備、元器件及減振降噪措施的現(xiàn)有技術(shù)水平,綜合考慮經(jīng)濟(jì)性,制定合理的減振降噪方案。

        船舶建造完工后,一般會(huì)對(duì)海上試航、高噪聲設(shè)備運(yùn)行以及港內(nèi)作業(yè)工況下進(jìn)行噪聲級(jí)測(cè)量,來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的實(shí)際效果,對(duì)于測(cè)試結(jié)果不達(dá)標(biāo)的艙室,還需要有針對(duì)性地進(jìn)行修改,使其滿足設(shè)計(jì)要求。

        海上試航噪聲測(cè)量時(shí)主機(jī)功率應(yīng)不小于最大持續(xù)額定功率的80%,所有船舶正常航行及工作狀態(tài)下所需的機(jī)械設(shè)備、航行儀器、無(wú)線電和雷達(dá)裝置等都已經(jīng)處于其相應(yīng)的工作狀態(tài),且整個(gè)測(cè)量過(guò)程中這些設(shè)備都應(yīng)保持此種狀態(tài)。應(yīng)急設(shè)備如應(yīng)急發(fā)電機(jī)、應(yīng)急消防泵等都應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)??照{(diào)設(shè)備、加熱和機(jī)械通風(fēng)應(yīng)開(kāi)啟,其運(yùn)行時(shí)應(yīng)符合設(shè)計(jì)條件規(guī)定的輸出功率[4]。

        高噪聲設(shè)備如首側(cè)推、減搖裝置、動(dòng)力定位裝置(DP)或其他可能在工作時(shí)產(chǎn)生高聲級(jí)噪音的裝置,還需要在高噪聲設(shè)備運(yùn)行時(shí)進(jìn)行附加噪聲測(cè)試。首側(cè)推噪聲測(cè)量一般在其最大推進(jìn)功率的40%時(shí)進(jìn)行,此時(shí)船舶采用適合于推進(jìn)器工作狀態(tài)的航速。如果船舶安裝了動(dòng)力定位裝置(DP),則應(yīng)進(jìn)行DP操作模式下的噪聲測(cè)量。

        港內(nèi)作業(yè)工況下測(cè)試時(shí),為船舶在港內(nèi)作業(yè)提供電力的發(fā)電機(jī)應(yīng)處于運(yùn)行狀態(tài),其功率應(yīng)足以維持船舶港內(nèi)作業(yè),包括貨物裝卸設(shè)備所需電能。機(jī)械通風(fēng)及船舶空調(diào)設(shè)備應(yīng)處于運(yùn)行狀態(tài),空調(diào)送風(fēng)及回風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)應(yīng)開(kāi)啟。

        5 結(jié)語(yǔ)

        在船舶設(shè)計(jì)和建造過(guò)程中,可以采用以下方法減振降噪 :1)優(yōu)化螺旋槳安裝形式或優(yōu)化尾部線型,減少因螺旋槳引起的船體結(jié)構(gòu)振動(dòng)和噪聲;2)設(shè)備與機(jī)座之間安裝彈性減振裝置,使船體的振動(dòng)不會(huì)傳遞給設(shè)備本身,設(shè)備運(yùn)行時(shí)作為振源也無(wú)法向外傳遞振動(dòng);3)在合適的位置處敷設(shè)新型阻尼材料,將振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉;4)采用剛性支撐、吸聲材料、振源封閉等多種方式來(lái)減振降噪。通過(guò)上述措施的綜合應(yīng)用,能夠明顯降低船舶振動(dòng)噪聲,給船員帶來(lái)舒適的環(huán)境。

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