摘" " 要：隨著材料和動力技術的發(fā)展，高速船在世界范圍內(nèi)大量應用，高速化的同時也帶來了嚴重的振動與噪聲問題。本文以50m內(nèi)河高速指揮船為例，介紹高速船舶振動及噪聲控制的指標確定、控制思路和措施，為高速船振動噪聲控制技術研究和工程化應用提供參考。

關鍵詞：高速船；振動控制；噪聲控制

中圖分類號：U662" " " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標志碼：A

Vibration and Noise Control Analysis of Inland River

High Speed Command Ships

ZHANG Dan1，2，" MAO Binfeng1，" FANG Xianjin1，2，" DENG Xijuan1

（ 1.Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250，" China; 2.Harbin Engineering University， Harbin 150001，" China ）

Abstract： With the development of materials and power technology， the high speed ships are widely used worldwide. At the same time， high-speed ships also bring serious vibration and noise problems. Taking the 50-meter high-speed command boat as an example， this paper introduces the index set， control idea and measures for vibration and noise control of high-speed ships， providing certain reference for the research and engineering application of vibration and noise control technology for high-speed ships.

Key words： high-speed ships;" vibration control;" noise control

1" " 引言

隨著材料和動力技術的發(fā)展，近半世紀以來，高速船在全世界得到了迅速發(fā)展，然而高速化的同時也帶來了嚴重的振動與噪聲問題。其主要原因在于：一方面，高速船需嚴格控制重量，其船體結構較低速船弱，高階振動模態(tài)更易被激發(fā)出來；另一方面，高速船通常配置高轉(zhuǎn)速、大功率的推進主機，螺旋槳負荷高，船尾激振力大，容易引起振動。同時，高速船主尺度一般較小，機械噪聲更易影響相鄰區(qū)域甚至遍及全船[1]。因此，高速船的振動噪聲問題較低速船更為突出，振動噪聲控制成為高速船研究的一個重要方向。

2" " "船舶概況

本船為內(nèi)河高速指揮船，主船體為鋼質(zhì)，上層建筑為鋁質(zhì)，全部采用焊接結構。機艙布置有2臺主柴油機，通過齒輪箱減速帶動固定螺旋槳轉(zhuǎn)動，為全船提供推力。自下而上布置有3層甲板，依次為：主甲板、上甲板和頂甲板，主要艙室有駕駛室、小會議室、休息室、大會議室、船員住艙、公共區(qū)域等，如圖1所示。

圖1 高速指揮船側視圖

3" " "船舶振動噪聲衡準

3.1" "振動評價標準

1）結構振動衡準。CCS《船上振動控制指南》（2021）[2]對普通船舶和船長在 35 m 以上的高速船、輕型船與水面艦艇的船體結構振動衡準值進行了規(guī)定，一般應控制在表1的范圍內(nèi)。

分析以上表格可以看出，CCS對船長在35 m以上的高速船、輕型船與水面艦艇允許的船體結構振動較普通船舶小，鋁合金材質(zhì)的船舶較鋼質(zhì)船允許的結構振動速度小。也就是說，35 m以上的高速船、輕型船與水面艦艇的船體結構振動要求較普通船舶更為嚴格，而CCS對船長在 35 m 以下的高速船未作規(guī)定。

2）居住性振動衡準。ISO 6954-2000（GB/7452-2007）《機械振動客船和商船適居性振動測量、報告和評價標準》[3]給出了船舶不同區(qū)域舒適性評價準則，如表2所示。

居住性振動衡準較結構振動衡準要求更為嚴格。

3.2" "噪聲評價標準

IMO MSC.337（91）《船上噪聲等級規(guī)則》[4]和GB5980-2009《內(nèi)河船舶噪聲級規(guī)定》[5]對船舶噪聲進行了規(guī)定，具體如表3所示。

比較IMO MSC.337（91）《船上噪聲等級規(guī)則》和GB5980-2009《內(nèi)河船舶噪聲級規(guī)定》可以看出，船舶主尺度越小或者總噸越小，噪聲限值越大；內(nèi)河高速船的噪聲限值最大，且內(nèi)河高速船僅駕駛室、辦公室和座席客船有噪聲限值要求。

3.3" "本船振動噪聲評價標準

船舶振動噪聲要求越嚴格，所花費的代價將越大，因此船舶振動噪聲評價標準的選擇至關重要，不僅要滿足船東要求、合同要求、規(guī)范要求、使命任務要求，還要考慮減振降噪性價比。

按照內(nèi)河船舶劃分規(guī)定，本船屬于內(nèi)河II類船舶，綜合考慮主尺度、噸位、總體布置、使命任務、法規(guī)規(guī)范、船東要求和減振降噪性價比，確定本船的振動噪聲評價標準如下：

1）在巡航速度工況下，大會議室、二層休息室、接待室以及駕駛室（下稱“4個目標艙室”）噪聲不大于60 dB；

2）在最大設計航速下，大會議室、二層休息室噪聲不大于62 dB，駕駛室、接待室噪聲不大于65 dB；

3）巡航速度工況下，上述4個目標艙室振動值不大于2 mm/s，達到《ISO 6 954-2000機械振動客船和商船適居性振動測量、報告和評價準則》[3]A級客艙標準要求。

4" " 全船振動噪聲控制方案

4.1" "振動噪聲控制思路

船舶是一種復雜的組合體結構，振動噪聲來源繁雜多樣。經(jīng)分析，本船主要的振動噪聲源有主機、齒輪箱、發(fā)電機組、水泵、油泵、風機、空調(diào)等機械設備以及螺旋槳激勵引起的尾部激振力，這些機械設備主要布置在位于底艙的機艙和空調(diào)機艙。

本船需要控制的“4個目標艙室”為大會議室、二層休息室、接待室和駕駛室。大會議室位于主甲板首部，與機艙間隔一層甲板、3個艙室，接待室、二層休息室和駕駛室位于上甲板，與機艙間隔二層甲板。從總體布置來看，4個目標艙室的振動噪音主要來源于機械設備的空氣噪音和振源傳遞至目標艙室的結構噪音。

本船振動噪聲控制思路是基于影響目標艙室噪聲級的主要振動噪聲源及其影響強度，從振動噪聲源、傳遞路徑和目標艙室三個方面著手進行控制。分為兩步，首先對全船進行噪聲控制指標的分配，再根據(jù)該指標提出噪聲源的聲學要求和振動噪聲控制方案。

4.2" "噪聲控制指標分配

1）分配方法

分配方法應綜合考慮標準規(guī)范限值要求、激勵源、傳遞路徑和減振降噪措施等多個因素。首先確認主要振動噪聲設備的激勵（結構噪聲和振動噪聲）大?。黄浯胃鶕?jù)全船的艙室布置，確定噪聲的傳遞路徑；再根據(jù)目標艙室的噪聲限值，并考慮傳遞路徑中可實施的減振降噪措施和標準規(guī)范對各艙室的噪聲限值，確定傳遞路徑中各艙室的噪聲分配指標。

2）指標分配

本船的主要振動噪聲源為螺旋槳、主機、齒輪箱、發(fā)電機組、泵組、空調(diào)和風機，主要集中在尾部舵機艙、機艙和空調(diào)機艙。各設備的噪聲數(shù)據(jù)和可采取的減振降噪措施如下：

（1）本船采用高速主機，采用合適的單層隔振墊即可大幅度降低結構噪聲；主機的廠家資料顯示空氣輻射噪聲為106 dBA；

① 發(fā)電機組空氣輻射噪聲為102 dBA，齒輪箱空氣噪聲約為93 dBA，均遠小于機艙主機空氣噪聲。發(fā)電機同樣考慮采用單層隔振墊，降低結構噪聲；齒輪箱采用剛性固定，但與主機的聯(lián)結軸采用彈性軸，以減少主機的振動傳遞；

② 空調(diào)機組的空氣噪聲約為85～90 dBA，主要來源于冷水機組的振動鳴音。

③ 根據(jù)以上主要設備的技術參數(shù)水平、艙室的布置和噪聲傳遞路徑，再結合類似船型的艙室噪聲數(shù)據(jù)，對本船的噪聲控制指標進行分配，如圖2所示。

4.3" 振動噪聲源控制方案

1）主機組

本船機艙配置有兩臺主柴油機，通過減速齒輪箱、軸系驅(qū)動螺旋槳。每臺主柴油機額定功率1630 kW，額定轉(zhuǎn)速2 450 r/min，噪聲聲壓級約為103-107 dBA，主柴油機剛性安裝時基座振動加速度級約為140-150 dB，結合本船實際情況，采取下列振動噪聲控制方案：

（1）主柴油機采用單層隔振安裝方式，隔振效果不低于15 dB（10 Hz-10 kHz）；

（2）齒輪箱采用剛性安裝，基座經(jīng)過聲學設計；

（3）主柴油機和齒輪箱之間采用高彈性聯(lián)軸器；

（4）在主柴油機排氣口安裝排氣波紋管和阻抗復合式排氣消聲器，以降低其排氣噪聲，排氣消聲器插入損失≥30 dB（20 Hz～10 kHz）；

（5）主柴油機和齒輪箱的船體基座敷設約20mm厚度的阻尼材料，進一步降低振動向船體傳遞。

主柴油機隔振裝置包括隔振器、撓性接管和過渡機腳，如圖3所示。主柴油機的主要激勵頻率為 40.8 Hz及其倍頻，要有效隔離其振動，需在保證隔振裝置安全的基礎上選取固有頻率較低的隔振器。本船采用8只隔振器作為主柴油機的支撐，并在柴油機冷卻水進出管各配置一根橡膠雙球撓性接管，以降低主柴油機振動沿管路傳遞。

2）柴油發(fā)電機組

本船配置兩套進口“科勒”柴油發(fā)電機組，每臺柴油機的額定功率195 kW；額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，自帶隔音、隔振裝置，噪音約65 dB，減振降噪方案如下：

（1）針對柴發(fā)機組主要管路接口安裝低剛度撓性接管，并采用帶減振器的彈性橡膠管卡進行管路支撐，管路加速度振級隔振效果≥15 dB（10 Hz～10 kHz），以降低柴發(fā)振動沿管路傳遞；

（2）在柴發(fā)排氣口安裝排氣波紋管和排氣消聲器，插入損失≥30 dB（20 Hz～10 kHz），以降低柴發(fā)機組排氣噪聲；

（3）柴發(fā)機組的船體基座敷設約 20 mm 厚度的阻尼材料，進一步降低振動向船體傳遞。

3）機艙風機及風道

機艙風機由于功率和風量大、風道流速高，且出風口位于上層建筑區(qū)域，是除主柴油機以外最大的噪聲源，會直接影響船員生活的舒適性。本船采用2臺低噪聲軸流風機，轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，風量約為27500m3/h，噪聲水平約100～105 dBA。為有效隔離機艙風機的振動噪聲傳遞，減振降噪方案如下：

（1）在風機進口安裝進風消聲器，消聲器的消聲量不低于10 dB（A）；

（2）風道采用吸隔聲處理：四周涂5 mm厚阻尼，再覆蓋吸聲層（吸聲材料+防銹穿孔板），總厚度約75 mm；天花板吸聲層總厚度約75 mm。

確保百葉窗外1米處噪聲聲壓級不超過80 dB（A）。

4）空調(diào)系統(tǒng)

空調(diào)系統(tǒng)是上建比較突出的噪聲源。本船空調(diào)系統(tǒng)包含1套船用冷水機組（制冷量：480000Btu/h），2臺空調(diào)冷媒水泵（流量：40 m3/h，揚程22m水壓頭），每個房間設置1套風機盤管。為了達到較好的隔振降噪效果，空調(diào)冷媒水泵采用輕型浮筏/雙層隔振方案，可達到 35 dB 以上的振動衰減量，冷水機組采用單層隔振方案，可達到15 dB 以上的隔振量；風機盤管選用低噪音或靜音風機，確保出風口位置噪聲低于相應艙室噪聲標準5 dBA以上，對于出風口噪聲大于對應艙室噪聲要求5 dBA以上的，采取低噪音布風器或其它消聲處理，確?？照{(diào)出風口噪聲低于相應艙室噪聲標準5 dBA。

5）其它輔機隔振

除主柴油機、發(fā)電機組、機艙風機、空調(diào)系統(tǒng)以外，泵組、空壓機、其它風機等輔助設備也是本船的重要振動噪聲源。根據(jù)考核工況下的設備開啟情況，并結合不同設備振動噪聲水平的差異，本船對功率和流量較大的水泵、油泵、空壓機、風機等采用單層隔振安裝方式，所有彈性安裝的設備連接管路也采用彈性安裝，隔振器采用橡膠隔振器。

4.4" "機艙和舵機艙艙室阻尼減振方案

本船機艙、舵機艙會產(chǎn)生較強的振動并向船體其他部分傳遞，將會對目標艙室產(chǎn)生振動噪聲干擾。為了抑制振動的傳遞，本船在機艙和舵機艙部分區(qū)域敷設阻尼材料進行減振。

阻尼材料主要用于產(chǎn)生振動和噪聲的部位及振動傳遞途徑中的相關部位，主要分為自由阻尼和約束阻尼兩種形式。自由阻尼材料一般敷設在結構件表面，當發(fā)生彎曲和振動時，通過阻尼層的拉伸、彎曲形變來消耗能量，從而達到抑制振動降低噪聲的效果。約束阻尼材料是在阻尼層上再粘附一層高模量的剛性約束層材料，當結構件發(fā)生彎曲時，通過阻尼層的剪切形變來消耗能量，從而達到減振降噪的目的。力學中剪切形變作用力遠遠大于彎曲形變的作用力。因此，約束型阻尼的減振降噪效果要好于自由型阻尼[6]。

本船選用減振性能優(yōu)異的復合型高性能約束型阻尼涂料對機艙、舵機艙區(qū)域的艙室地板和墻壁進行減振處理。復合型高性能約束型阻尼以聚醚氨酯及填充料為阻尼層，以無溶劑環(huán)氧樹脂固化體系為約束層。其敷設結構如圖4所示。

4.5" "四大目標艙室減振降噪方案

指揮船大會議室、二層休息室、小會議室以及駕駛室等4個目標艙室的振動噪聲要求較高，為了滿足其振動噪聲指標要求，采用浮動地板以降低相關艙室內(nèi)的振動及噪聲。

本船選用輕質(zhì)、高性能的浮動地板，其結構由三明治鋁蜂窩復合板加厚泡沫減震層構成，面密度不大于12 kg/m2，隔聲量達到25 dB，其結構示意如圖5所示。

在上述艙室的四壁均鋪設吸聲隔音板。吸聲隔音板由鋁質(zhì)阻尼復合板加多孔吸聲材料組成，面密度不大于12 kg/m2，隔聲量不低于28 dB。艙壁吸聲隔音板結構如圖6所示。

上述艙室設置吸聲吊頂，由鋁穿孔護面板+多孔吸聲材料+玻璃布+組成，面密度不大于5 kg/m2，在400Hz～5000Hz 頻率帶內(nèi)吸聲系數(shù)不低于0.8。吸聲吊頂?shù)慕Y構示意圖如圖6所示。

4.6" "其它區(qū)域減振降噪方案

為了船員有較好的休息環(huán)境，確保船舶的安全駕駛，也對船員區(qū)進行減振降噪處理。對于船員居住艙室區(qū)，除了不采用浮動地板外，艙室的減振降噪要求和四大目標區(qū)的方案基本一致，同規(guī)劃同設計同建造。

5" " "全船振動噪聲實船測試

本船在巡航航速13.5 kn和設計航速20 kn時，分別對全船振動噪聲進行測試。將船上4個目標艙室的振動噪聲實測值與本船設計目標評價標準限值進行對比，如表4所示。

可以看出：在巡航航速13.5 kn時，4個目標艙室的噪聲實測值均小于限值60 dB，振動實測值均小于限值2 mm/s；在設計航速20 kn時，大會議室、二層休息室的噪聲實測值均小于限值62 dB，接待室和駕駛室的噪聲實測值均小于限值65 dB，滿足設計要求?？梢?，本船的振動噪聲控制措施是可行和有效的。

6" " 結論

高速船大多存在較突出的振動噪聲問題，由于主尺度限制，如果所有艙室均達到較好的振動噪聲效果，需付出較大代價，且不切實際。本高速指揮船，綜合考慮各方面因素，采取的振動噪聲控制措施主要有：1）主柴油機組、泵組、空壓機、冷水機組等采用單層隔振；2）選用自帶隔音隔振效果的發(fā)電機組和低噪聲風機；3）主機、發(fā)電機組設置消音量大的排氣消音器；4）機艙進風口設置進風消音器；5）空調(diào)艙室出風口采用消聲器或其他消聲處理；6）機艙、舵機艙部分區(qū)域涂敷阻尼材料；7）目標控制艙室鋪設浮動地板，四壁鋪設吸聲隔音板，頂部設置吸聲吊頂；8）其他船員居住艙室的四壁鋪設吸聲隔音板，頂部設置吸聲吊頂。采取以上措施后，取得了較好的控制效果，實船測試達標。

隨著船舶技術的不斷發(fā)展和阻尼、吸聲等新材料的研發(fā)應用，船舶的振動噪聲控制措施將會更加多樣化，我們需要根據(jù)船東要求、合同要求、規(guī)范要求、使命任務要求等，綜合考慮造價、重量和振動噪聲效果，引導船東制定適宜的振動噪聲控制目標，通過振動噪音指標分配法及軟件計算分析，選擇性價比高的振動噪聲控制方案。

參考文獻

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