船舶低噪声设计技术研究

ＳＨＡＮＧＨＡＩ　ＳＨＩＰＢＵＩＬＤＩＮＧ上海造船２０１０年第１期（总第８１期）　船舶低噪声设计技术研究　周炎，李国刚，童宗鹏　（７ｌｌ研究所，上海２０００９０）　摘要：由动力装置引起的机械噪声是影响船舶舒适度、船舶电子设备可靠性、船员工作环境的最主要噪声源，也是　船舶水下辐射噪声的主要噪声源之一。随着船舶动力装置向高功率密度方向发展，船舶的噪声级越来越高，简单的　振动噪声处理已难以满足其噪声和振动限值的要求。为了研究控制船舶机械噪声，提出了船舶低噪声设计方法，建　立了全船振动噪声评估及控制方法的设计流程。并以某型船舶低噪声设计为例，通过实船测试，验证了船舶低噪声　设计方法的正确性、可靠性和规范性。该方法可适用于各种低噪声船舶的设计中，如物探船、游船、火车渡船等。　关键词：低噪声船舶；振动噪声评估；减振；降噪　中图分类号：Ｕ６６１　文献标识码：Ａ　文章编号：１００５．９９６２（２０１０）０１—００３１－０４　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｍｃａｌ　ｎｏｉｓｅ　ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｐｌａｎｔ　ａｆｆｅｃｔｓ　ｔｈｅ　ｃｏｍｆｏｒｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｎ　ｂｏａｒｄ　ｔｈｅ　ｓｈｉｐ，ｔｈｅ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｈｔｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍａｒｉｎｅｒ’Ｓ　ｗｏｒｋ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｎｏｉｓｅ　ｓｏｕｒｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　ｒａｄｉａｔｅｄ　ｎｏｉｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｈｉｐ　Ｔｈｅ　ｓｉｍｐｌｅ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　ｈｔｅ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｎｏｉｓｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｃｏｕｌｄ　ｈａｒｄｌｙ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎ　ｄｅｍａｎｄｓ　ｏｗｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｉｈｇｈｅｒ　ｐｏｗｅｒ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ｏｆｔｈｅ　ｍａｒｉｎｅ　ｐｏｗｅｒ　ｐｌａｎｔ　ｎａｄ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｎｏｉｓｅ　ｌｅｖｅｌ　Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ＰａＤｅＬ　ｔｈｅ　ｌｏｗ　ｎｏｉｓｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｈｔｅ　ｓｈｉｐ　ｉｓ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ａｂｏｕｔ　ｔｈｅ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｎｏｉｓｅ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｎａｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｉｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　Ｔｈｅ　ｌｏｗ　ｎｏｉｓｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ａｎ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｓｃｉｅｎｔｉｉｆｃ　ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ　ｓｈｉｐ　Ｔｈｅ　ｖａｌｉｄｉｔｙ，ｒｅｌｉａｂｉｌｉｙｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｎｆｏｒｍｉｔｙ　ｔｏ　ｒｕｌｅｓ　ａｎｄ　ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｈｔｅ　ｍａｒｉｎｅ　ｌｏｗ　ｎｏｉｓｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗｅｒｅ　ｖｅｒｉｉｆｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ’Ｓ　ｔｅｓｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　Ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｃａｌｌ　ｂｅ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｌｏｗ　ｎｏｉｓｅ　ｓｈｉｐｓ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ　ｓｈｉｐｓ，ｃｒｕｉｓｅ　ｌｎｉｅｒｓ　ｎａｄ　ｔｒａｉｎ　ｆｅｒｒｉｅｓ　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｌｏｗ　ｎｏｉｓｅ　ｓｈｉｐ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｎａｄ　ｎｏｉｓｅ　ｅｖａｌｕａｔｉｎｇ；ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ｎｏｉｓｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　０　引言　匹配性设计技术，难以把振动噪声作为主要指标贯　穿于船舶设计的整个流程；　船舶主要有三大噪声源：机械噪声、水动力噪　２）通常采用局部声学治理，哪里超标哪里治　声和螺旋桨噪声，其中由动力装置引起的机械噪声　理，忽视船舶低噪声设计是一个系统控制工程，缺　是影响船舶舒适度、船舶电子设备可靠性、船员工　少对整个系统进行全面而又细致入微的工作，无法　作环境的最主要噪声源，水动力噪声和螺旋桨噪声　改善总体声学指标；　的影响相对较弱；机械噪声也是船舶水下辐射噪声　３）船舶低噪声设计规范缺失，船舶低噪声指标　的主要噪声源。除了海军舰船，一些特殊船舶如科　落后；　考船、物探船等特种工程船舶，常配备大量测量仪　４）船舶低噪声设计方法陈旧，往往凭经验进行　器，对振动噪声信号敏感，船上科研人员众多，舒　近似设计，很少在船舶开发阶段进行声学预测设计。　适性要求较高，更有豪华邮轮、高档车客渡轮等船　本文提出的船舶低噪声设计技术是一项综合　舶对舒适度的高要求，都需要低噪声环境。为了保　设计技术。该项技术主要从降低动力装置噪声源、　护船员及旅客健康和营造舒适的工作、休息的舱室　切断声传递路径和目标场噪声处理３个技术途径出　环境，近年来，各国船东对船舶的舒适性要求愈来　发，应用现代仿真技术和试验技术，并与船舶的设　愈高，世界各船级社也制定了船上振动噪声舒适性　计、建造、试验的整个过程紧密结合，建立船舶振　评价指标　Ｊ。　动噪声预估、指标分配、控制方案、评估、实施和　多年来，低噪声设计在人们思想意识里通常是　测试一整套船舶低噪声设计流程，显著改善船舶的　依托于设备的辅助专业，船舶低噪声设计缺乏顶层　低噪声性能。　设计，设计技术局限性主要表现在：　ｌ１缺乏振动噪声指标与船舶性能指标之间的　船舶低噪声设计方法　第一作者简介：周炎，男，研究员，硕士生导师。１９６７年　１．１总体思路　生，１　９９２年毕业于上海交通大学振动冲击　船舶低噪声设计的原则是：源头控制、传递途　噪声专业，现从事动力系统减振降噪和抗冲　径控制、目标场控制。因此，首先需要进行全船的　击技术研究及管理工作。　振动噪声源分析、目标场分析，明确全船所有振动　３２　上海造船２０１０年第１期　噪声源，分析每一个声源的特性、安装位置、振动　指标；　噪声的水平。同时，也必须明确有振动噪声指标要　４）满足船舶对振动噪声的特殊需要，如水下辐　求的目标场。　射噪声的控制、电子设备振动噪声环境需求；　船舶低噪声设计必须与船舶设计、建造和试验　５）考虑船东的要求；　三个阶段紧密结合。其中，设计阶段的主要任务是　６）拟采取的减振降噪技术的经济性和实施的　总体指标、指标分解、布置、结构、设备选型、设　可行性。　备振动噪声指标确定、全船噪声指标控制及平衡　因此，要提高我国船舶低噪声设计技术，首先　等；建造阶段的主要任务是确保结构建造中的声学　必须掌握国内外标准要求。目前国内船舶低噪声设　特性要求、装船设备的振动噪声指标验收、设计中　计可参考的标准为ＧＢ５９７９《海洋船舶噪声级规定》　减振降噪技术措施的落实、基座减振处理、舱室降　和ＧＢ　７４５２《机械振动客船和商船适居性振动测　噪施工、管路减振降噪施工、局部减振降噪指标的　量、报告和评价标准》，其中，ＧＢ５９７９《海洋船舶　试验、减振降噪整改等；试验阶段的主要任务是完　噪声级规定》制定的年代己较久远，指标如表１所　成船舶低噪声设计指标的验收、后续船舶低噪声改　示；表２列出的ＧＢ　７４５２振动指标已与国际一般指　进设计建议等。技术难点在于低噪声船舶指标制　标要求接轨，与ＩＳＯ６９５４：２０００及ＡＢＳ规范一致。　定、船舶振动噪声评估和控制，当船舶低噪声指标　国际上，大部分发达国家对船舶舱室噪声控制较为　和控制方案确定后，就可以制定全船振动噪声控制　严格，国外最新标准基本反映了船舶低噪声技术的　大纲，并向船东提交。论文将重点阐述低噪声船舶　先进性，如ＡＢＳ、ＤＮＶ等制定的规范，特别是ＤＮＶ　指标制定、船舶振动噪声评估、动力装置振动噪声　规范对船舶振动噪声舒适度设定了分级要求，如表　控制和舱室噪声治理等方法。　１和表２所示，其中ｌ级为最高舒适度等级，３级　１．２低噪声船舶指标制定方法　为可以接受的舒适度等级。对比国内外标准和规范　船舶低噪声指标制定方法的关键在于其制定　要求，国内船舶低噪声设计指标（尤其是舱室空气　原则，制定原则主要有：　噪声指标）远远落后于国外先进指标，大部分目标　１）满足标准规范要求，与国际先进水平接轨；　区域的振动噪声指标达不到ＤＮＶ的３级舒适度要　２）满足旅客舒适性需要，控制旅客舱室、休息　求。对于科学考察船、豪华邮轮、高档车客渡等船，　室、甲板开放空间等的振动噪声指标；　国内标准规定的指标已难以满足２）～５）项要求。因　３）满足船员工作和生活需要，控制机舱、控制　此，必须综合考虑１）～６）项要求，制定我国船舶低　室、驾驶室、工作间等工作与休息舱室的振动噪声　噪声设计指标。　表１船舶舱室空气噪声限值　ｄＢ（Ａ）　卧室　６０　船员住舱　５Ｏ　５５　６０　医务室、病房　６０　医务室　５５　５５　６０　起　办公室、休息室、接待室等舱室　６５　船员公共场所　５５　６０　６５　居　机械设备和专用风机不工作　７Ｏ　头等舱　４４　４７　５Ｏ　区　机械设备和专用风机工作　８０　一般旅客舱　４９　５２　５５　｜　／　公共区域　５５　５８　６２　｜　／　甲板休闲场所　６５　６５　７０　注：舒适度１级为最高舒适度等级，３级为可以接受的舒适度等级。表２同。　船舶低噪声设计技术研究　３３　办公室　２．５　２　５　３　５　３　５　４　５　４　５　５　Ｏ　５　Ｏ　作Ｉｘ＿　８　４　桥楼　工作间　机舱控制室　３．５　３　５　６．０　６．０　１．３船舶振动噪声评估方法　船舶振动噪声评估包括：全船模态计算、振动　响应计算、舱室噪声计算，并从振动噪声方面对船　体结构设计提出改进措施，为船体结构设计和全船　振动噪声控制提供依据。目前，国内外最常用的船　舶振动噪声评估方法主要是基于数值计算的有限　元法ｌ６，　、边界元法和统计能量法。在建立动力装置　及船体结构详细模型的基础上，采用数值计算方法　进行机械噪声预报和减振降噪措施性能评估，具有　较高的准确性。　所有噪声控制层与舱壁之间采用隔振器连接构成　弹性声桥。舱室围壁根据隔声要求不同，采用加装　阻尼层、吸声层、空气层和隔声层等措施，天花板　采用轻质吸声层和隔声层吊顶，地板采用在铺设甲　板敷料层上再铺设浮动地板层构成，同时对所有进　行噪声治理舱室舱门加装隔声门，防止壁面小缝隙　造成大量声泄漏情况的发生。不同的舱壁噪声治理　措施如下：　１）直射声舱壁。直射声舱壁是指与主要噪声源　一主机舱相邻的舱壁。直射声舱壁具体声学处理方　２）非直射声舱壁。除与主机舱相邻的舱壁以　１．４动力装置振动噪声控制方法　根据振动和噪声源分析，针对不同振级和噪　声级的设备，需要采取不同的减振降噪措施，该　措施主要包括两方面内容，一是总体的布置位置，　法包括阻尼层、吸声层、空气层和隔声层等措施。　外的舱壁为非直射声舱壁。非直射声舱壁的声学　处理方法包括布置吸声层、空气层和隔声层等措　施。　在设备布置时需要充分考虑振动噪声源与目标场　的距离和中间隔离物的布置，充分利用结构和物　理隔断的优势，减少振动和噪声能量的传递；二　是对振动噪声指标较高、且在现有布置位置条件　下不能满足要求的设备，采取必要的减振降噪措　施。在隔振装置方面，有单层、双层或多层隔振　装置，有各式各样的浮筏减振装置；在噪声控制　方面，可以采用隔声罩和进、排气消声器，如柴　油机进排气消声器，风机进气消声器；随着动力　３）舱室天花板。舱室天花板的声学处理方法包　括吸声层、空气层和隔声层等措施。由于吊顶的特　殊性和激励噪声相对舱壁要小，故各声学处理层与　舱壁处理时有所不同。　４　舱室地板。对于噪声指标要求高的舱室，以　及主机舱上层甲板的舱室地板，应隔绝１次和２次　激励噪声，声学处理方法包括布置甲板敷料层，并　在其上面铺设浮动地板层。　装置的模块化发展，柴油机和电站等动力装置可　采用箱装体技术；管路进出口间加挠性接管，隔　离振动噪声传递。该工作的前提条件是需要对现　有位置布置的设备传递特性进行必要的评估，不　能仅仅基于设备本身的振动噪声指标的高低和绝　对值的大小。　５）隔声门和隔声窗。进行噪声控制隔声门，特　别是集控室与机舱的进出门，隔声量在３０ｄＢ（Ａ）以　上，必要时这些舱室窗户也应该选用隔声窗，以避　免部分舱壁的声泄漏引起隔声量大幅度下降。　２船舶低噪声设计技术应用案例　图ｌ所示是我国白行研制的新一代低噪声船　１．５舱室噪声治理方法　舱室噪声控制主要采用全浮式舱室降噪结构，　上海造船２０１０年第１期　舶，主要用于海洋水下声学研究和试验考察，该船　采用全电力推进、动力定位等先进技术。由于该船　安装了大量高精尖试验和探测设备，要求全船的振　动噪声水平低，以避免对试验和探测设备的干扰；　同时，也要求最大限度地减小船体结构噪声辐射，　减小船自噪声对测量区域被探测目标的影响；另　外，提高全船的舒适性，减轻动力设备产生的振动　噪声对船上作业的科学家和研究人员身体、心理、　情绪的影响。　图１某新型低噪声船舶　表３某新型低噪声船舶减振降噪设计　表４某新型低噪声船舶舱室空气噪声　３　结论　测试结果ｄＢ（Ａ）　１）建立一套低噪声船舶的设计流程，重点研究　了声学指标制定、振动噪声评估、动力装置振动噪　声控制、典型舱室噪声治理等关键技术，并在某新　型船舶上进行了船舶低噪声设计技术应用研究，通　过了试验验证，取得了一些研究成果，为后续的深　入研究奠定了基础。　２）目前，大部分研究工作还处于起步阶段，后　续将通过“粤海铁”、“深海物探船”、“５万ｔ半潜船”　等不同低噪声船舶的设计研究、建立我国船舶低噪　声设计规范。　采用以上建立的船舶低噪声设计方法，从总体　【参考文献】　上统筹兼顾，在设计、设备选型、建造、试验检验　【１】　周　炎动力装置振动噪声控制技术概述［Ａ］中国科　等各个环节把握关键的振动噪声控制点，在经济、　协２０００年会　［２】ＧＢ５９７９—８６，海洋船舶噪声级规定ｉｓ］１９８６．　高效的前提下取得良好的效果。表３给出了综合某　［３］ＤＮＶ　Ｒｕｌｅｓ　ｆｏｒ　ｃｌａｓｓｉｉｆｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｈｉｐｓ［Ｓ］．　型船舶低噪声设计采用的方法和制定的技术指标，表　［４］ＧＢ　７４５２．２００７，机械振动客船和商船适居性振动测　４给出了船舶低噪声设计后主要舱室的噪声实测值。　量、报告和评价标准【ｓ】　由实船测试结果可见，船舶低噪声设计后主要舱室的　［５］ＡＢＳ　Ｇｕｉｄａｎｃｅ　ｎｏｔｅｓ　ｏｎ　ｓｈｉｐ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ［Ｓ］．　噪声满足技术指标的要求，达到了ＤＮＶ　３级以上舒　［６］吴嘉蒙２７５０ＴＥＵ集装箱船的全船总振动评估【Ｊ】．船　舶，２００８，（２）　适度的要求。实测结果验证了船舶低噪声设计方法的　【７】　中国船级社船上振动控制指南ｆＭＪ北京：人民交通　正确、可靠和规范，并且具有较好的经济性。　出版社，２０００．