DQZHAN技術(shù)訊：船舶結(jié)構(gòu)振動噪聲分析及其進展
摘要：船舶的輻射噪聲是影響其隱身性能的主要因素，其由機械噪聲、螺旋槳噪聲和水動力噪聲三部分疊加而成。機械噪聲為船上機械設(shè)備在運行過程中引起結(jié)構(gòu)的振動，并通過基座和管路傳遞到船體，引起船體振動而向水下輻射的噪聲。船舶在低、中速航行時，機械噪聲將成為主要的輻射噪聲。
引言
船舶在運行過程中使用的運轉(zhuǎn)設(shè)備是產(chǎn)生振動與噪聲的根源。船舶艙室里的振動噪聲會使勞動條件惡化，對船員健康產(chǎn)生不利影響，給乘客帶來諸多不便。因此，國際上船級社和其他機構(gòu)如美國海岸警備隊（U.S.Coast Guard）都規(guī)定其噪聲限制，這促使船舶設(shè)計師和建造師采取各種措施去降低船體結(jié)構(gòu)的振動噪聲。在船舶領(lǐng)域，以往的實踐大都是在已經(jīng)設(shè)計完畢的船舶上采用特殊器材以達到減振降噪的目的。然而，這種解決問題的辦法所需費用較大，如果在一開始就結(jié)合聲學(xué)要求進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，則不僅節(jié)省開支，而且可以獲得更大、更好的效果。因此在船舶設(shè)計階段就進行結(jié)構(gòu)的振動噪聲分析是很有意義的。
1.噪聲及其對人的危害
噪聲，一般包含兩種含義：就物理學(xué)觀點講，噪聲就是各種不同頻率和聲壓之聲音的無規(guī)律組合；就生理學(xué)和心理學(xué)觀點講，凡是聲級很高，造成對人體的危害，或者聲級不高而使人厭煩，干擾人們的休息、睡眠、工作等一切不需要的聲音都稱為噪聲。其危害也是多方面的：（1）噪聲對語言清晰度的影響：噪聲聲級越強，語言清晰度就越低。在80dB的噪聲環(huán)境里人們交談已經(jīng)很困難，而90dB的噪聲環(huán)境里面則無法交談。（2）噪聲對人聽覺的損傷：*常見的是“聽覺疲勞”，即在噪聲作用下，使人的聽覺靈敏度暫時下降，過后很快就會恢復(fù)。這種現(xiàn)象也稱“暫時性聽力損失”。而當聽覺長期暴露在強噪聲環(huán)境中，至使聽覺靈敏度下降變成長期的，以后不能再全部恢復(fù)，即造成“長久性聽力損失”。（3）噪聲危害人的健康：長期處在噪聲作用下會導(dǎo)致**神經(jīng)功能性障礙，表現(xiàn)為植物神經(jīng)衰弱癥侯群；強噪聲作用于**神經(jīng)，往往引起消化不佳及食欲不振，從而導(dǎo)致腸胃病；噪聲會使交感神經(jīng)緊張，引起心跳過速、心率不齊、血壓升高等癥狀。船舶艙室噪聲主要對船員生理和心理的影響，如喚醒睡眠、妨礙交談、打斷思路、使人煩惱等。
2.船舶振動與噪聲的控制
對于船舶振動與噪聲控制，目前采用數(shù)值仿真的方法模擬船舶噪聲振動問題主要基于有限元（FEM）、邊界元（BEM）和統(tǒng)計能量分析（SEA）三種方法。有限元方法是確定性的求解方法，用于低頻振動環(huán)境的預(yù)示，可以得到結(jié)構(gòu)的整體模態(tài)參數(shù)。與邊界元方法結(jié)合可以預(yù)示結(jié)構(gòu)的振動以及內(nèi)外聲場的噪聲輻射強度。有限元方法雖然在理論上可以在任何頻率范圍內(nèi)求解結(jié)構(gòu)的振動和噪聲輻射問題，但是在求解高頻問題時，由于波長很小且模態(tài)密集，要準確求解需要網(wǎng)格精細程度足夠高（通常在一個波長范圍內(nèi)需要 6－10 個單元），因此模型的規(guī)模會變得非常大，求解的時間變得非常的長，反而沒有了數(shù)值仿真高效的特點。其次，由于結(jié)構(gòu)的高階模態(tài)參數(shù)對許多不確定的原始參數(shù)以及許多結(jié)構(gòu)細節(jié)非常的敏感，但是結(jié)構(gòu)細節(jié)又不太好確定，使得有限元方法求解的精度大打折扣。另外，結(jié)構(gòu)聲振分析既存在振動引起的噪聲輻射問題，又存在噪聲引起的結(jié)構(gòu)振動問題，傳統(tǒng)的有限元方法在解決二者的耦合時比較困難。因此有限元方法通常只是用于求解低頻振動噪聲環(huán)境的預(yù)示。而實際上船舶的振動與噪音的控制是機艙集控室采用剛性安裝的輕質(zhì)五夾板內(nèi)襯，其噪聲插入損失不超過 20dB（A）。將集控室底甲板作雙層約束阻尼處理，并采用具有減振、隔聲、吸聲綜合降噪功能的預(yù)制組合板，拼裝成一個開口朝下的箱型整體內(nèi)襯，通過高阻尼隔振器座落在阻尼地板表層鋼板上而不同集控室外廓接觸。另外，為了減小外廓輻射聲對內(nèi)襯激勵并減緩“空腔共鳴”與“吻合效應(yīng)”，在外廓的內(nèi)壁面上遍附一層礦棉氈。這些措施使集控室振動與噪聲均得到有效控制，使集控室噪聲插入損失達 38dB（A），同采用剛性安裝輕質(zhì)內(nèi)襯的集控室相比，噪聲插入損失約提高 19dB（A）。為減小激勵幅值與減小激勵的傳遞，除了優(yōu)選主機及選擇齒輪箱速比時要考慮避免由軸頻激勵激起船體共振外，在柴油機下設(shè)減振墊，這不僅可減小柴油機激勵的傳遞，降低振動響應(yīng)，也可減少結(jié)構(gòu)固體聲的傳遞。減振墊的參數(shù)應(yīng)經(jīng)理論計算，其材質(zhì)宜采用橡膠，以有利于聲絕緣。安裝減振墊后，其油、水管路，排氣管，對主機還有軸系，均必須采取彈性連接。
3.船舶噪聲的控制措施
噪聲的控制是環(huán)境學(xué)的一項重要內(nèi)容，其基本原理與防振、減振措施的基本原理相仿，即噪聲源的控制、噪聲傳播途徑的控制以及噪聲防護設(shè)備的使用。
3.1 噪聲源的控制
按船舶噪聲的來源，主要可以從以下三個方面采取相應(yīng)措施。
（1）螺旋槳產(chǎn)生的噪聲控制。螺旋槳發(fā)出噪聲的主要原因有尾軸的靜、動平衡未校準好；螺旋槳運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的亂流以及槳葉通過水流時的周期性壓力變化；空泡時，氣泡的發(fā)生和破裂形成周期性的爆破音；槳葉上固有振動頻率與葉片形成的渦流引起共鳴，形成螺旋槳的“唱音”。因此，螺旋槳產(chǎn)生的噪聲控制，應(yīng)重點采用預(yù)防的方法來實現(xiàn)。（2）主、輔機產(chǎn)生的噪聲控制。控制主、輔機產(chǎn)生的噪聲可以合理選用低噪聲設(shè)備，從源頭上減少船舶的艙室噪聲，這也是艙室噪聲控制的*有效辦法。（3）通風(fēng)和空調(diào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)噪聲控制。通風(fēng)和空調(diào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)采用低速、低噪聲風(fēng)機；風(fēng)機應(yīng)安裝減振器，出風(fēng)口處應(yīng)安裝消聲器，風(fēng)機出風(fēng)口管道和艙室中出風(fēng)口處管道內(nèi)應(yīng)安放吸聲材料；風(fēng)機與剛性風(fēng)管連接處改用軟管過渡或采用軟性接頭，以降低固體噪聲的傳播；艙室送風(fēng)管與空氣分配器之間，應(yīng)同樣采用軟風(fēng)管過渡。
3.2 噪聲傳播途徑的控制以及噪聲防護設(shè)備的使用
噪聲控制*積極有效的辦法是從聲源上去考慮。在傳播途徑上控制噪聲主要是阻斷和屏蔽聲波的傳播或是聲波傳播的能量隨距離加大而衰減。因此控制噪聲傳播途徑可從聲源和接收器位置的選擇，增加傳播距，隔聲吸聲和消聲等手段入手。
（1）艙室的合理布置。艙室的布置除了要滿足常規(guī)設(shè)計的要求外，還必須從聲學(xué)角度來考慮。布置的*基本原則是使聲學(xué)要求高的艙室離聲源艙室盡可能遠些。大型船舶可將居住區(qū)和機艙分區(qū)設(shè)置，若機艙和居住區(qū)混在一起而無法分離，則機艙四周應(yīng)設(shè)置那些無噪聲要求的艙室，如衛(wèi)生間、儲藏室及通道等。（2）隔聲技術(shù)。為了降低柴油機和發(fā)電機組運行時所傳播的噪聲，可以在機組表面粘貼約束阻尼或使用隔聲罩。在機艙結(jié)構(gòu)允許的條件下，可在機組部分直接安置一只散熱通風(fēng)輕型鋼結(jié)構(gòu)組合式的通風(fēng)隔聲罩。隔聲罩用來阻隔主機向外輻射噪聲，它能適用于各種不同環(huán)境下的各類機械噪聲的控制。隔聲罩的實際隔聲效果除取決于結(jié)構(gòu)和理論隔聲量外，還與罩內(nèi)壁材料的平均吸聲系數(shù)有著密切關(guān)系。（3）吸聲技術(shù)。若機艙內(nèi)聲源經(jīng)過聲波的多次反射，其噪聲級比同樣的聲源在露天的噪聲級要高十幾分貝。由于機艙內(nèi)混響聲十分嚴重，特別是多臺機組同時工作時尤其如此。因此有必要在機艙內(nèi)粘貼吸聲材料，可以使混響聲大大降低。類似船舶的實際處理效果表明，安裝了鋁合金微穿孔板材料以后，機艙內(nèi)的噪聲可以降低18db以上。
4.結(jié)束語
隨著認識的不斷深化和測試手段的日臻完善，人們環(huán)保意識的增強，船舶噪聲標準將更加嚴格，因此對船舶噪聲的控制提出了更高的要求。在對船舶噪聲控制時還應(yīng)注意到，在實際中往往受到船舶造價和造船廠技術(shù)條件的限制，因此在船舶設(shè)計階段就應(yīng)考慮船舶噪聲控制的因素，并在船舶建造過程中注意噪聲控制設(shè)計工藝的實施。
