文献原创 基于IMO新标准的海洋船舶舱室噪声研究

1　海洋船舶噪声概况

由于海洋船舶长期在海上连续运行，因此船舶噪声不仅会影响海员的工作和生活，同时长期处在噪声环境下，也会严重影响船员的身体健康。随着船舶大型化的发展，动力设备导致的噪声问题日益严重，再加上人们对船舶舒适性要求的不断提高，实现船舶低噪声指标逐渐成为船舶高质量高性能的标志。为此，国际海事组织(IMO)与设备委员会(DE)对船舶噪声提出了新的要求。经过国内外学者的不断努力和研究，《船上噪声等级规则》于2014年7月1日正式施行。

《船上噪声等级规则》规定了可接受的最大噪声声压级，并详细规定了船舶噪声测量的方法、测量人员的资质。总体来说相比以前的噪声标准要求要严格很多。新的船舶噪声等级规则，对万吨以上的船舶，其居住室和医务室均要求在60dB(A)以下[1]。

图1为对某海洋船舶，其1楼为甲板层，1~4楼为各类舱室，船舶主机置于负二楼，我们对其各个舱室进行了噪声测试。测试所用传声器为GRAS 1/2 英寸标准传声器，采集系统为LMS 12+ 通道振动噪声分析系统；测量方法和船舶行驶工况按照文献1的要求进行。

从实际测试结果来看，该船舶一楼噪声，特别是医务室噪声超标比较严重。这主要是由于一楼紧邻下面的船舶主机；而医务室由于进出位置需要方便，它与主机之间的距离反而最近所致。该船舶舱室中，比较好满足IMO要求的是三楼和四楼的船长和大副等少数舱室。整体而言，噪声超标舱室是比较多的。

图1 某海洋船舶试航噪声测试

Fig.1 A marine ship

因此一旦IMO要求严格执行，就会对我国船舶企业造成重大影响。船企要想满足新标准或船东以及船舶出口的要求，就必须在船舶设计的早期阶段就考虑到声学要求，并将噪声控制理念贯穿于整个船舶的设计、建造和管理工作中，变被动降噪为主动控噪，这样不仅节省了幵支，也可以获得更大降低噪声的效果。研究表明在船舶设计的最早阶段就要考虑声学方面的要求，相关工作的费用仅占首制船建造总费用的2.5%；而在已建造的这种级别的船上，要将空气噪声级降至规范标准以下所需的费用约为该船建造总费用的9%。

2   船舶舱室设计研究方法

船舶声学设计的主要目标包括两个方面，即：

A. 对于某型船，在标准工况运行时以及确定船内各部分构造确定的条件下，可以预测船舶各个区域的声学性能。

B. 对于某型船，在标准工况运行时，如何设计船舶各个部分的声学结构，以满足船舶各个部分的声学指标。

由于船舶结构较大，开展整船实验测试显得较为困难，因此目前国内很多学者对船舶舱室的研究方法是仿真分析方法，即采用统计能量法预测各个舱室噪声。

通过对本次海洋船舶测试和船舶实际结构来看，造成船舶舱室噪声主要原因还是主机和空调噪声。实测过程中，距离主机较近的舱室，其超标就较为严重，而高层舱室整体噪声则优于低层舱室。因此开展船舶噪声测试可采用以下途径：

A. 测量船舶各个设备（如主机、辅机等）在不同工况/功率下的声功率和噪声频谱特性；并建立经验公式。

B. 测量这些设备到最邻近舱室的噪声传递特性和相应的经验公式。

上述船舶局部噪声测试由于空间范围较小，因此可以获得较为精确的实验测试结果；从而得到舱室噪声的主要传递路径，从而可以有效的得到相关舱室的噪声控制方法。

3   船舶声学设计内容

3.1 目标值设定

在该阶段，根据产品设计任务书（其中应给出船舶型号、航区、设计性能指标、使用要求和船上可能采用的主要设备和推进系统），结合现有同类型船舶的声学参数，确定船舶各个区域的噪声值。

3.2 工程设计阶段

根据船舶各个声学目标值，确定该船舶各个设备的噪声值，安装/布置形式；估算行驶中的噪声特性，并设计船舶内各个舱室设备的安装条件、结构尺寸以及船舶内舱室声学构件的声学性能和布置。主要包括：

A. 选择和确定合适的主机，满足船舶动力和噪声声功率要求；并确定主机的安装形式。

B. 选择和确定合适的辅机，满足船舶行驶和辐射噪声要求；并确定其安装方式。

C. 设计船舶内各空调管路安装方式和消声结构。

D. 选择和确定合适的螺旋桨，满足船舶推进和辐射噪声要求；并确定安装方式和安装位置/数量。

E. 确定船舶内各个舱室的布置形式和尺寸结构，如主机室，各个辅机安装舱室，各个工作舱室以及船舶内各个居住室的布局；各个舱室的尺寸结构。

F. 确定各个主机室、辅机室的吸声和隔声设计方案。

G. 确定各个舱室，如工作室（如驾驶室、办公室、厨房等）和居住室的吸声、隔声和阻尼设计方案。

H.   对船舶内其他娱乐舱室（如有，例如酒吧、会议室、音乐或放映厅）等舱室进行专门声学设计。

3.3 样船的声学实施阶段

根据上述声学设计，开展船舶内各个设备的声功率测试、安装实施，满足上述声学要求的各个设备的声学安装以及开展满足上述声学要求的船舶各个舱室的构件安装。

3.4 实船验证工作

实际测试该船舶标准工况下，船舶各个区域的噪声分布，评价各个舱室是否满足最初船舶噪声设计值得要求。

4   复合吸声结构的声学设计

传递到舱室噪声主要包含三条途径，首先是外部各种噪声通过空气-舱室壁板-舱室；其次是各种结构噪声通过舱室构件直接传递到舱室；第三则是空调噪声通过空调管路传递到舱室。下面介绍船舶舱室这三种噪声的控制方法和同韵声学在这方面的技术经验。

空调噪声的频谱范围较宽，因此需要设计相应的宽频吸声材料以满足空调管路的消声要求。而多孔吸声材料高频吸声性能较为良好，但如果要提升其低频吸声性能，就需要增加材料厚度，这一方面提高了成本；同时也会大大增加空调管路的横向尺寸，这在实际应用中也是受限的。而共振吸声结构往往只是在其共振频率处具有较大的吸声性能，其吸声频带较窄[2]，往往也不能满足实际要求。

图2曲线1为30mm厚度的某多孔吸声材料的吸声性能曲线；曲线2和曲线3为采用该材料与不同参数的穿孔吸声结构形成的复合吸声结构的吸声特性，它仅在1400Hz以上才具有较大的吸声性能（吸声系数>0.5）。其中图2设计的第一共振频率为664Hz，阻抗管测试结果也显示其第一共振峰在664Hz，曲线3设计的第一共振频率为750Hz，阻抗管测试结果也显示其第一共振峰在726Hz。图2表明，可以通过调节穿孔板参数，从而可以实现在较薄的厚度（30mm）下精确设计一种宽频的吸声结构，它在400Hz以上吸声系数均大于0.5。目前该复合吸声结构已成功应用于航天领域的噪声控制项目中。

图2 复合吸声材料和等厚多孔吸声材料吸声对比

Fig.2 Sound absorption for complex structure and porous material

5   复合隔声结构的声学设计

舱室内噪声很大一部分是通过空气-舱室构件传递过来的。有效降低这部分噪声贡献的方法首先是提升舱室构件的隔声量，同时增强舱室连接，门窗的漏声。

由声学理论可知，对于均匀单层构件而言，其隔声量受制于质量定理，即通常情况下，质量或厚度增加一倍，隔声量提高6dB。因此工程实际中，往往采用如图3所示的复合三明治隔声结构，即在两层固体板件中，加入一定厚度的吸声材料。

图3. 三明治隔声构件

Fig.3 Sandwich structure for sound insulation

在图3中，设声波pi以θ角从空气媒质1如射到板件2，并通过媒质3（媒质3可以是空气，也可以是多孔吸声材料）和板件4形成透射波pt。

当固体层的厚度远小于声波波长时，图3中的薄板可采用薄板的弯曲振动理论。而媒质3中，如果是多孔吸声材料中，可采用Delany-Bazley模型[3]来确定其特性阻抗Zc和波数kc；当媒质3为空气，这时特性阻为Zc=ρ0c0，kc=ω/c0。

设板2和4的面密度分别为ρ2a和ρ4a；弯曲刚度为D2和D4；在两边的声压分别为p2和p4，这样板2和4的法向位移u2z和u4z满足的振动方程为：

同时，在媒质1，3，5中的声场p1、p3和p5分别为：

图4 双层板隔声曲线

Fig.4 Sound insulation performance for sandwich structure

而后利用界面声压连续，法向速度连续，就可以得到声波的透射系数，从而得到整个三明治构件的隔声量。图4为媒质3为某纤维多孔吸声材料，空气以及构件1,5重叠为一块板的隔声对比。从图中可以看到，在两块板件之间填充吸声材料，可以大幅提升该复合结构的隔声性能。

6 舱室地板阻尼的优化设计

对于结构振动沿船舶舱室构件船舶，并直接辐射到舱室的噪声，一般采用阻尼减振的办法加以控制。附加阻尼结构主要包括自由阻尼结构和约束阻尼结构。对于自由阻尼材料，其损耗因子βD计算公式为[4]：

式中：

对于约束阻尼结构，其复合损耗因子的计算公式为[6]：

式中：

式(5)和式(6)表明，在局部阻尼处理时，应选择⊿较大的位置进行。因此自由阻尼处理，应选择最大应变处，而对于约束阻尼处理，则应选择最大弯矩处进行。因此开展阻尼优化设计，应该首先计算结构模态特性和振动响应，根据振动响应情况，由式(5)和式(6)得到相应的阻尼设计方案[5]。

参考文献

[1] IMO Resolution A.468(XII) “Code of Noise Level on Board Ships”.[2] 彭若龙. 中低频高吸声性能的复合穿孔板设计[J]. 声学技术, 2011, 30(6) Pt.2: 229-230

PENG Ruolong. Design of High Sound-Absorbing Performance with Complex Perforated Panels [J]. Technical Acoustics, 2011, 30(6) Pt.2: 229-230.[3] Jean F. Allard. Modelling Sound Absorbing Materials, Second Edition [M]. WILEY 2009 22.

[4] 彭若龙. 高速动车组约束阻尼设计及仿真分析 [J]. 声学技术, 2011, 30(4) Pt.2: 142-144.

PENG Ruolong. Simulation analysis and design of CLD on high speed EMUs carbody [J]. Technical Acoustics, 2011, 30(4) Pt.2: 142-144.

[5] 孙庆鸿. 振动与噪声的阻尼控制 [M]. 机械工业出版社 1993 86-143

本文引自《声学技术》 2015年第5期P2 38-41