船舶減振降噪措施簡析

張 平,于全虎

(江蘇省船舶設計研究所有限公司,江蘇鎮江 212003)

0 引言

船舶噪聲不僅影響到船員自身工作生活和身體健康,而且對水域沿岸居民的生活造成影響。產生噪聲的振源是造成船舶結構疲勞破環的根源之一,對船舶的使用壽命和安全性造成影響。船舶噪聲由其自身設備工作時以及外界風浪等拍擊船體發出的不同頻率和不同強度的聲音無規律地組合而成,它包括存在于艙室部位的空氣噪聲,存在于船體結構中的結構噪聲(即振動)以及存在于船體周圍水介質中的水噪聲。如何采用減振降噪措施,降低由振動源引起的船舶結構振動、降低由噪聲源引起的空氣噪聲和結構噪聲,就顯得特別有意義。

1 激振力分析

船體結構產生振動的首要原因是螺旋槳和船舶主機的干擾力作用。對于螺旋槳而言,由于螺旋槳所處流場的伴流不均勻,當槳葉處在伴流峰值位置時,葉型在較大的來流攻角下產生較大的推力和切向力,隨著槳的旋轉,當槳葉處在較小的伴流中時,相應產生較小的推力和切向力,結果使傳遞到軸承上的力產生周期性的變化。同時螺旋槳在旋轉時,每片槳葉均被壓力場所包圍,在旋轉過程中,這些回轉壓力場就會在船底后部槳葉上方部位產生壓力沖量(稱為表面力),使得尾部船板上承受的壓力產生周期性的變化。特別是當螺旋槳產生較大范圍的空泡時,這種壓力變化會有更大的幅值。

由螺旋槳旋轉引起的軸承激振力,其激振頻率為螺旋槳轉速 ×1。

由螺旋槳表面力產生的激振力,其激振頻率為螺旋槳轉速×葉數(稱為葉頻)。

對于船舶主機而言,活塞在燃燒混合氣體的推動下,通過活塞桿、連桿、曲軸、軸承傳遞運動會激起機械振動;燃燒過程中,氣壓的變化會通過燃氣和掃氣空氣傳播,在汽缸壁上產生結構振動;主機內振動會通過主機座傳遞到與之相連的船體結構上,引起船體結構的振動。

船體結構振動同樣也會由機艙輔機或其他設備如往復式壓縮機、通風機引起。

在某種狀態下,由波浪運動傳遞到船體外板上的周期性的波浪力也會引發船體結構產生振動。

振動與噪聲是共生的。當結構產生振動以后,這種往復運動傳遞到周邊的空氣場中導致了空氣噪聲;當振動在結構中傳播至諸如艙壁、板格處再傳遞到空氣中就導致結構噪聲的產生。由于船舶主要結構材料是鋼,鋼的內部阻尼很小,所以結構噪聲傳播時能量損失非常小。

2 減振降噪措施的采用

船體振動會帶來以下幾個方面的不利影響:①不利于人體健康和工作效率;②不利于船體壽命和結構安全;③不利于機電設備正常工作。船舶噪聲也會給人帶來煩躁情緒,影響工作效率,嚴重時也會危及人體健康,所以必須采用各種有效措施來減振降噪。

2.1 針對螺旋槳的減振措施

我們知道,作用于螺旋槳的不均勻進流是導致振動和激起螺旋槳噪聲的主要原因,因此改善船尾伴流分布,提高尾流場的均勻性,可以起到明顯的減振降噪效果。具體措施有:

(1)改良船體尾部的線型。采用雙尾線型、球尾、優秀的船模系列以及船尾加設尾鰭等,都能很好地改善尾部伴流。如果能通過船模試驗對尾部線型進行優化,將會取得更好的效果。整流尾鰭的設置如圖1所示。

圖1 整流尾鰭的設置

(2)許多情況下在螺旋槳外面安裝一導流管證明可明顯減小振動和噪聲。這是由于導流管可以平穩伴流分布。其最主要的目的是使螺旋槳的一大部分負荷可以轉移到導流管上,從而減小螺旋槳的軸承負荷和空泡的產生,對于重載螺旋槳還可以提高槳的效率。為了充分利用導流管可以降低槳振動的特性,導流管必須正確安裝,與螺旋槳同心,同時還要保證導流管安裝部位處的船體結構剛度。

(3)盡可能加大螺旋槳和船體間的間隙。螺旋槳與周圍船體間的間隙應盡可能加大,不能僅滿足船級社的最低要求,這樣可以大大降低由螺旋槳產生的脈動壓力場傳遞到船板的表面力。特殊情況下,當無法增大槳與船體間的間隙時,采用特殊的減振裝置——減振穴,可減弱螺旋槳作用在船體上的表面力,其主要原理是利用密閉的空氣彈簧和水質量的吸振作用。減振穴的設置如圖 2所示。

圖2 減振穴的設置

(4)選用大側斜螺旋槳。選用該種形式螺旋槳,首先不會影響螺旋槳性能,但可以大幅減小激振力。效果理想時可使機艙內各處振動量值減少 1/4左右,上層建筑前后振動量可減少 1/5左右。

(5)增加螺旋槳槳葉數。槳葉數的增加可能會導致螺旋槳的敞水效率略有下降。但就表面力而言,形成空泡時螺旋槳產生的壓力沖量總是隨槳葉數的增加而減少,并且能使該壓力值保持在一個較低的量級上;同樣的,隨著槳葉數的增加,也會降低螺旋槳作用在軸承上的負荷,如果槳葉數為偶數時,效果更佳。

(6)敷設阻尼材料。在船體內部合適部位敷設鋼質或橡膠質的阻尼材料,一般是在螺旋槳上方船底板處、機艙主機座面板和腹板處、主機座前后船體結構處、機艙前壁處,有時在與上甲板室鄰接的機艙頂甲板處等位置進行敷設。阻尼材料的敷設一定要符合工藝要求,一定要注意鋼結構表面的清潔工作,以保證貼合效果。利用阻尼材料在其內部產生拉伸、彎曲、剪切等變形,吸收大量的入射能量,將部分振動能轉換為摩擦熱能。圖 3為降低螺旋槳和主機引發的結構振動而敷設在不同部位的阻尼材料的示意圖。

圖3 阻尼材料的設置

2.2 針對機艙設備的減振措施

機艙里的主機及其他輔機、減速齒輪箱等機器設備在工作時不可避免地會產生振動與噪聲,并且噪聲會以空氣噪聲和結構噪聲兩種形式同時存在,特別是當機器與結構剛性安裝時,影響更甚。結合振動的特點及聲音傳播特性可以采取的減振降噪措施有:

(1)增加機座的尺寸和剛性。提高機座的剛性可以有效降低由機器傳遞過來振動的振幅。從理論方面講,當機座的剛度足夠大時,可以使機座的振動趨向于零;增加機座的尺寸則可以降低振動的幅度。當然,機座的剛性和尺寸不可能無限制的提高,還要服從于布置和經濟性的需要。

(2)采用彈性支撐和彈性連接。彈性支撐一般是采用隔振器,有橡膠隔振器和金屬隔振器等形式。橡膠隔振器優點是價格便宜、不易塑性變形,缺點是高溫下易老化及彈性變差、可燃;金屬隔振器優點是抗水耐油,高溫下不變形且維護方便,缺點是價格較貴。彈性連接一般采用彈性聯軸器,也是含有橡膠的元器件,它可以允許有一定的軸向和徑向位移及一定的角偏差。圖 4是彈性支撐和彈性連接的典型方式。

(3)敷設阻尼材料。如圖 3所示,在機艙合適部位敷設阻尼材料。

圖4 彈性支撐和彈性連接

2.3 針對機艙的降噪措施

機艙里的噪聲主要是各種機器發出的空氣噪聲,在某種情況下,也可能是第二噪聲源以結構噪聲的形式輻射出來,比如螺旋槳在尾艙壁上激發出的結構噪聲。一般來說,機艙的噪聲都會在 90dB以上,足以損傷人的聽力,必須采取綜合性的措施進行降噪處理。可以采取的措施主要有:

(1)選用低噪聲的機器設備。在機艙機電設備選型時,選用低噪聲型號,從源頭上注意降低機艙的總噪聲。

(2)采用吸聲設施降低總噪聲級。吸聲材料一般多采用多孔性材料或纖維性材料諸如礦渣棉、玻璃纖維織物等。當聲波傳遞到吸聲材料內部結構中時,就會引起吸聲材料的振動,導致材料間的相互摩擦,振動能轉換成熱能。吸聲材料一般用拉制的金屬絲網或鋼、鋁質穿孔薄壁板固定在機艙圍壁和天花位置處。這種結構形式必須要注意以下幾點:

①鋼、鋁質穿孔薄壁板的穿孔面積要達到30%～40%以上;

②吸聲材料不能被油煙所覆蓋,不能油漆,否則會大大降低吸聲性能。

(3)采用隔聲罩。機器發出的噪聲部分是結構噪聲,部分是空氣噪聲。對于空氣噪聲部分,可以采用隔聲罩將機器封閉在有效屏蔽的罩殼空間內(除了必要的冷卻水和空氣進出口),在罩殼內部表面盡可能多地敷設吸聲材料。對于結構噪聲部分,應該在機器與底座之間、罩殼與底座之間采用彈性安裝。同時在空氣進出口處加裝消聲器。機器隔聲罩安裝示意圖如圖 5所示。

(4)裝設隔聲屏障。聲音的一個特性是遇到堅硬的表面時能非常有效地反射,如鋼板能反射大約99%的聲波,而且與聲音的頻率基本無關。隔聲屏障要想取得明顯效果,其高度尺寸要大于波長,所以隔聲屏障適用于產生短波高頻噪聲的小型機械,在以反射聲場占主導地位的機艙里很難起到令人滿意的效果。

(5)進排氣、通風管道中的消聲。進排氣、通風管道中的噪聲也是機艙噪聲的組成之一,采用安裝消聲器的方式可以有效降低噪聲。消聲器有兩種結構形式:抗式消聲器和阻式消聲器。抗式消聲器的原理是通過管道流通面積的變化,反射一部分入射聲能來降低噪聲。該種消聲器結構簡單,使用普遍,對一定的頻段相當有效。阻式消聲器的原理是通過吸收一部分入射的聲能并將之轉換為摩擦熱能來降低噪聲。這種消聲器在一寬廣的頻率范圍內都有效。兩種消聲器的結構形式如圖 6所示。

圖5 機器隔聲罩安裝示意圖

圖6 消聲器的結構形式

需要注意的是:當機艙中有多處噪聲源時,僅把一個次要聲源降低幾個分貝是徒勞的,因為它對總噪聲的影響是微乎其微的。表 1顯示了不同降噪方式產生的不同降噪效果。由表 1可見,若要降低噪聲級,必須找到區域的主要聲源,采取各種行之有效的措施加以解決。

表1 采用各種降噪措施后的減噪效果

3 避免共振措施

船體結構在多種激振源和不同振動頻率的聯合作用下,設計參數選擇不當時極有可能產生共振現象。在設計當中首先應該避免下述情況的發生:

(1)避免螺旋槳與船體結構、主機及軸系發生共振現象。主要通過增加螺旋槳的葉數即葉頻來避免與船體結構、軸系的自然頻率相近,避免與主機的汽缸數、沖程數和葉數相等或成整數倍。有時通過調整螺旋槳安裝角度,使螺旋槳推力激振力與曲軸縱振動激振力相抵消也是有效的方法。

(2)調整局部結構的形式。不同結構形式的固有頻率是不一樣的。當有共振發生的可能時,可采用調整局部結構的類型、設置支柱等方式來改變結構固有頻率以避開共振。需要注意的是在振動節點處設支柱是無效的,在振幅最大處設置支柱最有效。

(3)提高結構的剛度。在沒有其他更好辦法的情況下,可以加大結構尺寸規格來提高局部結構的剛度,加強局部結構的邊界約束條件,從而降低結構對振動的響應值,將振動控制在可接受的程度上。

4 船用阻尼、降噪材料的研究發展概況

阻尼是減振降噪技術中有效控制結構振動和噪聲的方法之一,它利用材料的粘彈性將振動機械能轉化為熱能消耗掉,從而達到減振降噪的目的。阻尼、降噪材料在船舶減振降噪工程應用中起著必不可少的的重要作用,尤其是在艙室降噪方面,通過敷設阻尼、降噪材料并結合其他降噪措施,可以收到滿意的效果。

船用阻尼材料的開發和應用已有三四十年的歷史,目前主要分為片狀型材、阻尼鋼板和涂料三種類型。早期的片狀材料以瀝青系列制品為主,價格低廉,來源廣泛,但阻尼性能較差。隨后出現的橡膠型片材,因其阻尼性能較瀝青材料有較大的提高,在船舶上得到廣泛應用。但它也存在一些難以克服的缺點,如對底材的處理要求相當嚴格,施工時需用特殊的膠粘劑粘貼,常因粘貼不牢造成脫落,導致阻尼性能下降。對于復雜結構(如碰釘、馬腳、焊縫等)和曲率較大的施工部位,橡膠型片材的應用受到限制。阻尼鋼板是近幾年開發出的新型阻尼材料,該材料是將一層粘彈材料復合在兩層相同厚度的鋼板之間,形成所謂“夾心阻尼結構”,具有阻尼效果好,外表美觀的優點;缺點是材料比重較大,剪裁困難,尤其是焊接工藝復雜,焊接過程中粘彈材料易燃燒損壞,影響其阻尼性能,同時由于其成本較高,應用受到限制。阻尼涂料作為一種新型的阻尼材料,因其具有制造工藝簡單,施工方便,性能優異等特點,發展極為迅速。初期的阻尼涂料為溶劑型,以瀝青為主要成膜物,加入其他樹脂、助劑、填料及有機溶劑混合而成,不僅阻尼性能差,而且易燃易爆,使用不安全,污染環境,應用受到很大限制。20世紀 80年代中后期,國內外開始對水性阻尼涂料進行研究和應用工作,并取得了較好的效果。水性阻尼涂料雖然解決了污染和易燃易爆等問題,但存在干燥時間長,厚涂困難的缺點。在氣溫較低,濕度較大的情況下,該類涂料施工受到很大限制。我國相關科研機構從“七?五”開始進行新型阻尼涂料的研究工作,先后研制成功無溶劑阻燃型系列阻尼涂料,克服了以往船用阻尼材料在阻尼性、工藝性和實用性等方面的諸多不足,成為綜合性能較好的阻尼材料之一。

5 結語

綜上所述,在船舶設計過程中,可以在以下幾方面采取減振降噪措施:

(1)減少激振力,通過增大距離方式或采用激振力相位相反的干擾力。

(2)彈性隔振,不使振源向外傳遞振動,或者使外界的振動不傳入振動體。

(3)設置吸振裝置(在合適位置處敷設阻尼材料),吸收振動能量。

(4)減小振動響應量值,即增加振動體的剛性和質量;

(5)采用封閉、反射、吸聲材料方式降噪。

(6)采用避免共振措施等。

通過上述措施的綜合應用,一定能夠明顯降低振動噪聲。

[1] 彼得森JW E,斯托姆J.船舶噪聲控制[M].北京:國防工業出版社,1983.

[2] 張佐厚,胡志安.船舶推進[M].北京:國防工業出版社, 1980.

[3] 張平,楊輝.常規螺旋槳設計要點分析[J].江蘇船舶,2006, 23(3):1-3.

[4] 劉東暉,黃微波,櫪宇潤,王寶柱,陳酒姜,徐德喜.T54/T60阻尼涂料在艦船減振降噪工程中的應用[J].船舶,1997,(4):40-46.