船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物艙室間隔聲測量與評價

王 崢 洪 明

（大連理工大學(xué)船舶工程學(xué)院 大連116024）

引 言

當(dāng)聲音在傳播途徑中遇到屏障物時，由于介質(zhì)特性阻抗的變化，使部分聲能被屏障物反射回去，一部分被屏障物吸收，另一部分聲能可以透過屏障物輻射到另一空間去，透射聲能是入射聲能的一部分，總是小于入射能量，這種由屏障物阻礙聲能傳播的現(xiàn)象就稱為隔聲，其隔聲原理如圖1所示。隔聲是研究各種結(jié)構(gòu)或設(shè)備中聲傳遞現(xiàn)象的一門理論與技術(shù)，主要研究如何防止外部的聲音傳入一個空間的內(nèi)部，或防止內(nèi)部的聲音傳到外部。

圖1 隔聲原理示意圖

空氣聲是指在空氣中傳播的聲音；空氣聲隔聲是噪聲控制中最常用的技術(shù)之一，其定義為聲波在空氣中傳播時，使聲能在傳播途徑中受到阻擋而不能直接通過的措施［1］。

船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的艙室結(jié)構(gòu)由于受到材料等諸多因素的限制，尤其是人員居住艙室，艙室間隔聲的效果在一定程度上決定了船舶的舒適性，因此艙室間的空氣聲隔聲問題，隨著近年來人們對舒適性要求的提高越來越受到船廠、船東以及船級社的重視。對于船廠、船東和船級社來說都必須遵循國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）對于空氣聲隔聲測量以及評價的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。本文對SEVAN 300型浮式海上生產(chǎn)儲油平臺［2］（SEVAN 300 FPSO）典型艙室間的隔聲進(jìn)行了測量，其典型艙室如圖2所示。測量內(nèi)容包括平臺上三個連續(xù)典型艙室間隔聲性能所涉及到的參數(shù)，并利用單值評價量等對測量結(jié)果進(jìn)行了評價。

圖2 SEVAN 300 FPSO 典型艙室結(jié)構(gòu)

在船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的艙室隔聲方面，克留金［3］對隔聲性能良好的艙壁進(jìn)行了研究，但沒有進(jìn)行隔聲測量和評價；奚貴昌［4］在研究船舶隔聲設(shè)計—機(jī)艙集控室噪聲控制的過程中對于艙壁和觀察窗等的隔聲做了一些介紹，但同樣沒有涉及具體的測量和評價。本文結(jié)合具體的工程案例和ISO相應(yīng)內(nèi)容，介紹了艙室間空氣聲隔聲測量的測量方法、測量過程及隔聲量的評價方式，為船舶與海洋結(jié)構(gòu)物中工作及生活艙室的設(shè)計建造和檢驗(yàn)提供參考。

1 測量和評價標(biāo)準(zhǔn)

對于建筑物或建筑構(gòu)件的空氣聲隔聲測量以及評價，涉及到的ISO標(biāo)準(zhǔn)共有三個：混響室吸聲測量 ISO 354∶2003［5］；隔聲的現(xiàn)場測量 ISO 140-4∶1998［6］；隔聲評價 ISO 717-1∶1996［7］。

ISO 140-4∶1998規(guī)定除非事先約定按倍頻程測量，空氣聲隔聲現(xiàn)場測量應(yīng)以1/3倍頻程測量，對于ISO 717-1∶1996標(biāo)準(zhǔn)來說，同時包含1/3倍頻程和倍頻程數(shù)據(jù)的評價方法。本文只針對1/3倍頻程的測量以及評價方法做了介紹，倍頻程的相關(guān)方法與之類似。

本文首先依照ISO 354∶2003規(guī)定測量艙室的混響時間；然后依照ISO 140-4∶1998要求對艙室間隔聲進(jìn)行現(xiàn)場測量，結(jié)合已測得的混響時間，計算出艙室間的表觀隔聲量；最后，依照ISO 717-1∶1996內(nèi)容，利用表觀隔聲量內(nèi)容，進(jìn)一步得出艙室隔聲的單值評價量等，對艙室的隔聲性能進(jìn)行評價。

1.1 混響時間的測量

房間中從聲源發(fā)出的聲波能量，在傳播過程中由于不斷被壁面吸收而逐漸衰減。聲波在各方向來回反射，而后又逐漸衰減的現(xiàn)象稱為室內(nèi)混響。室內(nèi)混響是室內(nèi)存在混響時有界空間的重要聲學(xué)特性。在擴(kuò)散聲場中，當(dāng)聲源停止后，聲能下降100萬倍所需的時間，稱為混響時間，用符號T來表示。混響時間是用來描述室內(nèi)聲音衰減快慢程度的量。

ISO 354∶2003對于混響時間的測量規(guī)定聲源停止發(fā)聲0.1 s后開始從衰變曲線上計算混響時間，或者在衰變曲線上從聲壓級比衰變開始時低幾分貝起計算。使用的衰變范圍既不能少于20 dB，也不能太大以至于使觀察的衰變不能接近于一條直線。選用的衰變曲線的下端應(yīng)至少高于背景噪聲級10 dB。對于每一頻帶的混響衰變，要至少測量6次。對每一種情況，至少用一個揚(yáng)聲器位置和三個傳聲器位置，每個測點(diǎn)需有至少兩個讀數(shù)。

之所以測量混響時間，是因?yàn)橐獙Φ刃暳緼進(jìn)行估算，等效吸聲量的估算是按照賽賓（Sabine）公式來確定的：

式中：A為等效吸聲量，m2；V為接收室容積，m3；T為測量混響時間，s。

1.2 艙室間隔聲的現(xiàn)場測量

ISO 140-4∶1998規(guī)定兩個房間之間在擴(kuò)散聲場條件下隔聲的現(xiàn)場測量方法，給出隨頻率變化的空氣隔聲量。室內(nèi)平均聲壓級L應(yīng)按如下計算：

式中：Lj為室內(nèi)n個不同測點(diǎn)的聲壓級，dB。

按ISO 140-4∶1998所需要測量的數(shù)據(jù)包括以下兩個方面。

1.2.1 艙室背景噪聲級的測量與修正

測量艙室背景噪聲級以保證在接收室的測量不受諸如接收室外的噪聲、接收系統(tǒng)電噪聲或聲源與接收系統(tǒng)間的串音等外部噪聲的干擾。

ISO 140-4∶1998對于艙室背景噪聲級的現(xiàn)場測量方法有詳細(xì)的描述，其規(guī)定背景噪聲級應(yīng)比信號和背景噪聲疊加的總聲級至少低6 dB（最好低10 dB以上）。如果大于10 dB，則不予修正，如果聲壓級差小于10 dB而大于6 dB，應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)推薦的公式對聲壓級進(jìn)行修正：

式中：Lsb為信號和背景噪聲疊加測量的總聲壓級，

dB；Lb為僅背景噪聲存在測量的聲級，dB。

1.2.2 艙室聲壓級的測量

ISO 140-4∶1998規(guī)定：如果兩個房間容積不同，在計算標(biāo)準(zhǔn)化聲壓級差時，應(yīng)選擇大房間作為聲源室，不允許采用相反的方法。計算表觀隔聲量時，單方向測試或兩個方向測試的結(jié)果都可以使用。即揚(yáng)聲器位置是在同一個房間內(nèi)，或者交換聲源室以相反的方向重復(fù)測試，并在每個房間內(nèi)取一個或多個聲源位置。測試時應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：首先，使用單個聲源時，至少應(yīng)放置兩個聲源位置。在這種情況下，如果使用固定傳聲器測點(diǎn)時最少測量10次，使用移動傳聲器時最少測量2次。其次，使用多個聲源同時發(fā)聲，其型號應(yīng)該相同且以同樣大小的電平但不相干的信號驅(qū)動。在這種情況下，如果使用固定傳聲器測點(diǎn)時最少測量5次，使用移動傳聲器時最少測量1次。

艙室結(jié)構(gòu)的聲壓級測試完畢后，需計算表觀隔聲量R′，其又稱為表觀隔聲損失。假設(shè)兩個房間中的聲場都充分?jǐn)U散，表觀隔聲量按下式計算：

式中：D為聲壓級差，dB；S為隔聲的面積，m2；A為接收室的等效吸聲量m2，該值由式（1）求得。

1.3 艙室間隔聲的評價

由于按照ISO 140-4∶1998的測量結(jié)果是一組隨頻率變化的數(shù)值，既不方便使用也很難進(jìn)行比較。因此有必要規(guī)定一種方法，將一組數(shù)值轉(zhuǎn)換成一個能代表所測對象隔聲性能的單值量，使得不同建筑物或建筑構(gòu)件的隔聲性能可以相互比較。

計權(quán)隔聲量是一種較合理的評價空氣聲隔聲性能的單值評價量，通過基準(zhǔn)曲線與隔聲頻率特性曲線進(jìn)行比較而確定。按照ISO 717-1∶1996規(guī)定的方法，將測量值計權(quán)后得到的單值Xw稱為單值評價量。規(guī)范要求使用計權(quán)隔聲的單值評價主要有兩個原因：一是計權(quán)隔聲考慮到了人耳的聽覺特性和大部分構(gòu)件的隔聲特性；二是用單值的形式可以比較不同構(gòu)件的隔聲特性，即直觀又方便。不同建筑物或建筑構(gòu)件的隔聲性能可以用單值評價量進(jìn)行比較。

單值評價量并未考慮噪聲源對建筑物或建筑構(gòu)件實(shí)際隔聲效果的影響，并不能對特殊頻帶的隔聲進(jìn)行描述。但是在實(shí)際艙室中，噪聲的頻帶分布可能不均勻，會出現(xiàn)某一頻帶的噪聲比較突出的情況。而且人耳對于各個頻帶噪聲的敏感程度也不一樣，人耳對于高頻聲音（特別是頻率在1 000～5 000 Hz之間的聲音）比較敏感；而對于低頻聲音（特別是對于100 Hz以下的聲音）不敏感。所以實(shí)測計算出的表觀隔聲量并不能準(zhǔn)確地反映人耳感覺到的隔聲效果。A、B、C和D是國際電工委員會（IEC）規(guī)定的四種計權(quán)網(wǎng)絡(luò)。其中A計權(quán)的頻率響應(yīng)與人耳對寬頻帶聲音的靈敏度相當(dāng)，目前A計權(quán)已被大多數(shù)管理機(jī)構(gòu)和工業(yè)部門的管理?xiàng)l例普遍采用，已成為最廣泛采用的評價參量。根據(jù)某些特殊頻譜修正后的單值評價量，可以在一定程度上描述建筑物或建筑構(gòu)件對于這些特殊頻帶的隔聲效果。對于以生活噪聲為代表的中高頻成分較多的粉紅噪聲源和以交通噪聲為代表的中低頻成分較多的交通噪聲源，ISO 717-1∶1996給出了粉紅噪聲和交通噪聲的兩個頻譜修正量，而且其給出的粉紅噪聲和交通噪聲的兩個頻譜修正量都是按照A計權(quán)給出的，按照其修正后的數(shù)值在一定程度上能表述人耳對于隔聲的反應(yīng)程度和對特殊頻帶的隔聲效果。

粉紅噪聲頻譜修正量：將計權(quán)隔聲值轉(zhuǎn)換為試件隔絕粉紅噪聲時試件兩側(cè)空間的A計權(quán)聲壓級差所需的修正值C1，dB。根據(jù)ISO 717-1∶1996，用單值評價量Xw+C1表征試件對類似粉紅噪聲頻譜的噪聲（中高頻噪聲）的隔聲性能。

交通噪聲頻譜修正量：將計權(quán)隔聲值轉(zhuǎn)換為試件隔絕交通噪聲時試件兩側(cè)空間的A計權(quán)聲壓級差所需的修正值C2，dB。根據(jù)ISO 717-1∶1996，用單值評價量Xw+C2表征試件對類似交通噪聲頻譜的噪聲（中低頻噪聲）的隔聲性能。

ISO 717-1∶1996規(guī)定，頻譜修正量Cj必須按照下式計算：

式中：j為頻譜序號，j=1為粉紅噪聲頻譜，j=2為交通噪聲頻譜；Xw為所求得的單值評價量；i為100～3 150 Hz的1/3倍頻程中心頻率序號；Lij為第j號頻譜的第i頻帶的聲壓級；Xi為第i個頻帶的測量量，在本文中是指表觀隔聲量R′。

2 SEVAN 300 FPSO典型艙室間隔聲的測量與評價

2.1 艙室隔聲的測量

由圖2可以看出，待測艙室是3個連接在一起的艙室結(jié)構(gòu)，3個艙室之間通過兩個隔聲艙壁相隔。這種隔聲艙壁材料是高減聲型嵌鑲板，是專門用于隔聲的艙壁材料，如圖3所示。在進(jìn)行聲學(xué)測量時為了操作方便，將3個艙室分別記為艙室1、艙室2和艙室3。將艙室1作為聲源艙室和艙室2組成聲源室-接收室系統(tǒng)，記為S-S型如圖4所示；將艙室3作為聲源艙室和艙室2組成聲源室-接收室系統(tǒng)，記為L-S型如圖5所示。也就是說艙室2在兩種類型的聲源室-接收室系統(tǒng)中都是接收艙室。

圖3 艙室間的材料（型號：W-C50R）

圖4 S-S型艙室結(jié)構(gòu)圖

艙室結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)如表1所示。

表1 艙室的幾何參數(shù)

圖5 L-S型艙室結(jié)構(gòu)圖

測試所用的儀器應(yīng)滿足140-4∶1998的相關(guān)要求。本次測試儀器及軟件如表2所示。

2.1.1 接收艙室混響時間的測量

按照ISO 140-4∶1998要求，對接收室的混響時間進(jìn)行測量。參照ISO 354∶2003，在接收室內(nèi)布置三個固定傳聲器和一個無指向性球面聲源。利用多通道聲學(xué)分析儀對每個固定傳聲器測取三組數(shù)據(jù)；變換聲源和傳聲器的位置，利用多通道聲學(xué)分析儀再一次對每個固定傳聲器讀取三組數(shù)據(jù)，按照標(biāo)準(zhǔn)布置（見下頁圖6）。這樣共得到18組數(shù)據(jù)，再運(yùn)用聲學(xué)分析軟件中的RT樣板處理這18組數(shù)據(jù)，得到每個1/3倍頻程中心頻率所對應(yīng)的接收室的混響時間，如表3所示。

表2 測試儀器

圖6 艙室2聲源和傳聲器的布置

2.1.2 艙室背景噪聲的測量

按照ISO 140-4∶1998要求，對三個艙室結(jié)構(gòu)的背景噪聲進(jìn)行了測量。測量時分別將6個固定傳聲器按標(biāo)準(zhǔn)要求放置在待測艙室中，其傳聲器按照ISO 140-4∶1998布置如圖7所示。利用多通道聲學(xué)分析儀處理從6個固定傳聲器測得的1/3倍頻程中心頻率的背景噪聲信號。利用公式（2）分別計算三個艙室背景噪聲的平均聲壓級，計算后的背景噪聲平均聲壓級（如圖8所示）。

表3 艙室2的混響時間

圖7 艙室1、2和3傳聲器布置

圖8 艙室1、2和3的背景噪聲平均聲壓級

2.1.3 艙室聲壓的測量與結(jié)果處理

按照ISO 140-4∶1998要求，對聲源艙室和接收艙室的聲壓差進(jìn)行測量。在聲源艙室布置6個固定傳聲器和一個無指向性球面聲源，在接收房間布置6個固定傳聲器。利用多通道聲學(xué)分析儀處理從聲源房間的6個固定傳聲器和接收房間的6個固定傳聲器測得的1/3倍頻程中心頻率的噪聲信號；更換聲源以及固定傳聲器的位置，再次利用多通道聲學(xué)分析儀處理從聲源房間的6個固定傳聲器和接收房間的6個固定傳聲器測得的1/3倍頻程中心頻率的噪聲信號。這樣就得到了12組聲源房間的和接收房間的1/3倍頻程中心頻率的聲壓級，利用式（2）分別計算得到聲源房間和接收房間的平均聲壓級。其聲源和傳聲器按照ISO 140-4∶1998布置如圖9所示。考慮到背景噪聲的影響，需要對所測得的艙室聲壓級與之前測得的背景噪聲聲壓級進(jìn)行對比，其測得的聲壓級與背景噪聲聲壓級差結(jié)果如圖10所示。

圖9 S-S型和L-S型艙室聲源和傳聲器布置

圖10 艙室聲壓級與背景噪聲聲壓級差

由圖10可見，S-S型艙室結(jié)構(gòu)的接收艙室和聲源艙室與L-S型艙室結(jié)構(gòu)的聲源艙室的聲壓級在所有1/3倍頻程中心頻率處與背景噪聲的聲壓級之差都大于10 dB，L-S型艙室結(jié)構(gòu)的接收艙室的聲壓級在3 150 Hz處與背景噪聲的聲壓級差在6～10 dB之間，所以需要對L-S型艙室結(jié)構(gòu)的接收艙室的聲壓級利用式（3）進(jìn)行修正。

利用修正后的艙室聲壓級得到聲源室和接收室的聲壓級差D，根據(jù)式（1）得到S-S型艙室結(jié)構(gòu)和L-S型艙室結(jié)構(gòu)接收室的吸聲量A，最后利用式（4）得到表觀隔聲量R′。

從圖11可以看出，無論是S-S型艙室結(jié)構(gòu)還是L-S型艙室結(jié)構(gòu)，其對于高頻區(qū)噪聲的隔聲效果都比較明顯，而對于低頻區(qū)噪聲的隔聲效果不是很好。

圖11 S-S型和L-S型艙室結(jié)構(gòu)的表觀隔聲量

2.2 艙室隔聲的測量結(jié)果評價及評價

按照ISO 140-4∶1998要求，參照ISO 717-1∶1996對接收艙室的隔聲性能進(jìn)行評價。首先將基準(zhǔn)值曲線（用來對表觀隔聲量計權(quán)的曲線）向表觀隔聲量曲線移動，每步1 dB，直至不利偏差（某一頻帶的表觀隔聲量低于該頻帶移動后的基準(zhǔn)值分貝數(shù)，為正數(shù)）之和盡量地大，但不超過32.0 dB為止。此時，移動后的基準(zhǔn)值曲線上，500 Hz對應(yīng)的整分貝數(shù)，就是對應(yīng)于該型艙室結(jié)構(gòu)表觀隔聲量的單值評價量Xw′。

S-S型艙室結(jié)構(gòu)和L-S型艙室結(jié)構(gòu)的單值評價量計算結(jié)果如圖12和圖13所示。

圖12 S-S型艙室結(jié)構(gòu)的單值評價量計算

圖13 L-S型艙室結(jié)構(gòu)的單值評價量計算

按照ISO 717-1∶1996所給出的方法進(jìn)行頻譜修正。利用式（5）分別得到粉紅噪聲源的頻譜修正量C1和交通噪聲源的頻譜修正量C2。最終得到的代表S-S型艙室和L-S型艙室的隔聲特性的評價結(jié)果為：

其表示，S-S型艙室的單值評價量為42 dB，對于粉紅噪聲修正后的隔聲量為39 dB，對于交通噪聲修正后的隔聲量為34 dB；L-S型艙室的單值評價量為49 dB，對于粉紅噪聲修正后的隔聲量為46 dB，對于交通噪聲修正后的隔聲量為40 dB。

從圖14可以看出：無論是單值評價量、粉紅噪聲修正還是交通噪聲修正后的隔聲量，L-S型艙室的隔聲效果都要較S-S型艙室的隔聲效果要好一些；結(jié)合圖11可以看到，S-S型艙室和L-S型艙室對于中高頻噪聲的隔聲效果要較中低頻噪聲的隔聲效果要好一些。也就是說如果人員處于艙室2中如圖15所示，當(dāng)艙室1和艙室3中的相同噪聲源同時發(fā)出噪聲時，人一般會感覺到艙室1發(fā)出的噪聲更大，而且對于低頻噪聲更加明顯。

圖14 艙室隔聲評價結(jié)果

圖15 艙室隔聲示意圖

3 結(jié) 論

本文結(jié)合SEVAN 300 FPSO艙室結(jié)構(gòu)隔聲測量試驗(yàn)，對艙室結(jié)構(gòu)的隔聲測量以及評價問題作了較為詳細(xì)的描述。測量和評價中還應(yīng)注意以下問題：

（1）艙室隔聲的測量：在整個的現(xiàn)場測量過程中應(yīng)該嚴(yán)格按照ISO 140-4∶1998的要求來執(zhí)行，尤其是對于聲源以及傳聲器的布置方面，其對于測量結(jié)果影響很大，不同艙室的布置應(yīng)該靈活運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)；背景噪聲的影響不可避免，測量時盡量選擇外界背景噪音較平穩(wěn)時段。

（2）艙室隔聲的測量儀器：測量儀器的精密程度和抗干擾程度在一定程度上決定了試驗(yàn)測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)儀器的選擇應(yīng)符合相關(guān)測量標(biāo)準(zhǔn)要求，而且在試驗(yàn)前要進(jìn)行測試及校準(zhǔn)。

（3）艙室隔聲測量的結(jié)果按照ISO 717-1∶1996進(jìn)行單值評價量的計算時，應(yīng)該同時計算粉紅噪聲頻譜以及交通噪聲頻譜的修正值。這樣才能得出艙室隔聲評價量的完整指標(biāo)。

［1］ 洪宗輝，潘仲麟.環(huán)境噪聲控制工程［M］.北京: 高等教育出版社，2002.

［2］ LI X，HONG M.Field Measurements of Airborne Sound Insulation between Rooms［R］，SM457 Project at Hantong Heavy Industry Corporation，Nantong，Jiangsu，China，Dalian University of Technology，2009.

［3］ 克留金 и и，程光榕.隔音性能良好的船舶艙壁［J］.武漢造船，1974（2）: 52-56.

［4］ 奚貴昌.船舶隔聲設(shè)計——機(jī)艙集控室的噪聲控制［J］.噪聲與振動控制，1982（1）: 53-58.

［5］ ISO 354.Acoustics—Measurement of sound absorption in a reverberation room ［S］.2003.

［6］ ISO 140-4.Acoustics—Measurement of sound insulation in buildings and of building elements—Part 4: Field measurements of airborne sound insulation between rooms［S］.1998.

［7］ ISO 717-1.Acoustics—Rating of sound insulation in buildings and of building elements—Part 1: Airborne sound insulation ［S］.1996.