內飾板和艙壁間隙對艙室降噪的影響分析

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(中國海洋大學 a.工程學院;b.山東省海洋工程重點實驗室,山東 青島 266100)

近年來船舶噪聲問題越來越受關注。船舶上面的噪聲對船員的身體、生活、休息和工作都存在著很大的影響，有時候甚至會引起心理上和生理上的疾病;同時噪聲還會使船上的一些精密儀器設備精度降低、工作不正常、使用壽命縮短等[1]。為了讓船員擁有一個安靜的工作和生活環境，遠離噪聲的困擾。國際海事組織制定了更為嚴格的關于船舶噪聲級標準。日前結束的國際海事組織(IMO)海上安全委員會第91次會議(MSC91)通過了關于SOLAS的修正案的決議，新增了SOLAS II-1/3-12條，要求船舶構造應符合MSC.337(91)決議通過的《船上噪聲等級規則》，對船舶的噪聲問題有了跟高的標準。強調不僅要在船舶航行實驗時進行噪聲測試，還要對船舶停靠碼頭時的工況進行噪音測試，并且要求測量居住處所艙壁和甲板的隔聲指數。決議主要對船員生活和工作區做出了噪聲要求。新規則規定：1萬t級以上的船舶的居住艙和醫務室的噪聲限值從60 dB降低為55 dB，辦公室、餐廳和娛樂室的噪聲限值從65 dB降低為60 dB，見表1。

表1 不同噪聲規范對船舶部分艙室噪聲限值要求 dB(A)

MSC此次會議批準的修訂草案將在2014年7月1日正式生效。另外，國際海上人命安全公約將引用此次草案全部規定，使得草案設計內容均為強制性標準，船舶噪聲的測量將由船舶入級的船級社指定或認可機構進行[2]。

對于噪聲的控制必須考慮聲源、傳播途徑和接受者這3個基本環節。因此目前的噪聲控制主要有通過降低聲源噪聲強度、在傳播途徑上隔斷、吸收噪聲和在噪聲接受點進行必需的防護等三種措施[3]。降低聲源噪聲是控制噪聲最有效和最直接的措施，可以通過選擇產生噪聲較低的設備，改進生產加工工藝以及提高設備加工精度等措施，從源頭上減小設備的噪聲[4]。為了更好地控制噪聲，還應從傳播途徑上對噪聲進行隔斷和吸收,以及采取防護措施對噪聲接受者進行防護[5]。

噪聲按照傳播途徑的不同分為空氣噪聲和固體噪聲兩類，對不同傳播方式的噪聲需要采取不同的處理方法。空氣噪聲的傳播介質是空氣，因此對于此類噪聲主要采取隔聲措施，例如,采取隔聲吸聲材料或者密閉結構隔絕噪聲等。固體噪聲是噪聲作用在結構上引起振動而產生的輻射噪聲，對于此類噪聲主要通過隔振和減振措施，例如,利用結構的質量突變，敷設阻尼材料等。空氣隔聲是針對聲波傳播過程中的一種降噪的方法，空氣聲的隔聲說到底就是研究構件一側接受空氣聲激勵后經過固體傳播向另一側輻射的問題。它的降噪效果要比吸聲降噪明顯很多，因此隔聲降噪在實際工程中是一種常采用的措施[6]。

本文通過對船舶艙室的內飾板和艙壁板實際結構進行調查研究,發現它們之間存在著距離大小不等的間隙，見圖1。

圖1 艙室內飾板及艙壁板工裝示意

因為新的噪聲等級規范對艙室降噪的規定嚴格，所以希望通過對內飾板和艙壁板中間不同厚度間隙的隔聲性能進行測試，研究不同厚度間隙對船舶艙室隔聲降噪的影響。

1 內飾板和艙壁板隔聲原理

在船舶艙室內飾板及艙壁板實際結構中，中間留有一定的空氣層，它們形成了典型的雙層墻隔聲結構。根據隔聲質量定律，如果要提高單層均質墻板的隔聲量，只有增加材料的面密度，單純增加面密度不但增加了材料的使用量，增加了結構自重，還加大了基礎造價。中間有空氣層相隔的雙層墻板可以使隔聲量大大提高以至于超過質量定律。

聲波在雙層隔聲結構中的傳播過程為首先入射到第一層墻板的聲波一部分被反射，一部分被第一層墻板吸收，還有一部分從第一層墻板穿透到兩板間的空腔，將成為第二道墻板的入射波。同樣的，在第二層墻板上一部分聲波被反射出去，一部分被第二道墻板吸收，剩下的從第二層墻板投射出去[7-8]。這就是聲波在雙層結構中的傳播過程，見圖2。

圖2 雙層墻中聲波傳播示意

聲波從第一道墻板入射經過兩墻板之間的空氣間隔到第二道墻板透射過去，由于經過兩道墻板的吸收和反射以及墻內損耗使得聲波得到較大的衰減，從而使隔聲性能提高。

2 設備及材料的選取和試驗過程

2.1 試驗設備及材料的選取

試驗在聲學混響室中進行，混響室分為發聲混響室和受聲混響室，發聲混響室的體積為116 m3，受聲室容積為226 m3，兩室之間有隔聲墻相隔，在墻體上留有1.3 m2測試窗口。試驗所用材料為工程實用內飾板(見圖3)和4 mm厚的鋼板，見圖4。

圖3 艙室實用內飾板

圖4 艙室實用艙壁板

聲壓傳感器采用丹麥B&K4189-A-021型聲壓傳聲器。測試所用數據采集儀選擇北京東方振動和噪聲技術研究所的INV3018型24位采集儀。發聲設備為丹麥B&K12面體無指向性球形聲源(型號為4292)，并配有相應的信號源及功率放大器(型號為2734-A)。

2.2 隔聲降噪試驗過程介紹

在混響室的發聲室和受聲室分別均勻布置4個聲壓測點，用來測試發、受聲室的聲壓級。將12面球形聲源布置在發聲室用來發出白噪聲進行試驗，測點及聲源具體布置見圖5。

圖5 聲源及聲壓傳感器測點布置

根據船舶艙室的實際工況來固定內飾板和艙壁板的試驗位置，將內飾板固定在靠近受聲室的一側，艙壁板固定在發聲室一側。選取2、4、6、8、10 cm的中間間隔來進行試驗，間隔厚度通過不同尺寸的木框來進行控制，見圖6。

圖6 調整間隔距離所用框架示意

通過試驗得到發聲室和受聲室的聲壓強度，并進一步通過計算以及混響時間的修正得到隔聲量。通過對不同厚度間隙隔聲量的不同來分析中間間隙厚度的差異對內飾板和艙壁板結構隔聲量的影響。

3 隔聲降噪試驗測試結果及分析

將船舶艙室實用內飾板和艙壁板按照試驗間距安裝在測試窗口，分別測試不同工況下的隔聲效果。對于發、受聲室4個聲壓測點的數據處理采用平均處理方法，4個聲壓測點數據的平均值Lpm的公式為

(1)

式中：Lim——第i個測點測到的第m頻帶聲壓級，dB(A)，每個聲壓測點的總聲壓級L的公式為

(2)

式中：Lpm——測量頻段內第m個中心頻率對應的測點平均聲壓級，dB(A)；

M——測量頻段內中心頻率的總個數。

為了使試驗更具對比性，試驗過程中發聲室使用的白噪聲的聲壓級是一致的，見圖7。圖8為受聲室中不同工況下所測得的聲壓級。通過計算得到不同間隔厚度的1/3倍頻程A計權聲壓級隔聲量對比曲線圖，見圖9。

圖7 發聲室聲壓級

圖8 不同工況受聲室聲壓級對比

圖9 不同工況平均隔聲量對比

由圖9可見，各種工況下的隔聲量隨著頻率的增加呈上升趨勢，在中高頻范圍內的隔聲效果比低頻范圍內的隔聲效果要好。同時隨著內飾板和艙壁板之間間隙的增加，隔聲量在整個頻率范圍內有所提高。當間隔厚度為4 cm時較間隔為2 cm時的隔聲量增加明顯。隨著厚度的進一步增加，隔聲量也有所增加，但增加幅度較小。從總的聲壓級來看，按照中間間隙厚度從2～10 cm，其總隔聲量依次為：46.0、48.1、49.2、49.9以及50.7 dB(A)。

4 結論

1)內飾板和艙壁板中間留有一定厚度的空氣層對中高頻范圍內的噪聲具有很好的降噪效果。

2)隨著間隔厚度的增加，隔聲量在整個頻率范圍內有明顯的提高。但在船舶艙室實際結構中不允許無限增大兩者的間距。

3)為了獲得更好的隔聲降噪效果，可以進一步利用吸聲材料和中間間隔組合使用來提升隔聲效果。

[1] 盛美萍，王敏慶，孫進才.噪聲與振動控制技術基礎[M].北京:科學出版社,2006.

[2] 陳 實.基于IMO新標準的船舶艙室噪聲研究[D].大連:大連理工大學,2013.

[3] 郝鴻雁，束建芳.大型船舶的噪聲測量及其控制方法[J].船舶工程,2012,34(S2):70-72.

[4] 張沛商，姜 亢.噪聲控制工程[M].北京:北京經濟學院出版社,1991.

[5] 侯亞成.某型交通艇的減振降噪設計[J].船海工程，2003(4):30-31.

[6] 馬大猷.噪聲控制學[M].北京:科學出版社,1987.

[7] 鐘祥璋.建筑吸聲材料與隔聲材料[M].北京:化學工業出版社,2012.

[8] 謝歆鑫.雙層墻對不同頻率聲音的隔聲性能分析[J].河南科學,2011,29(7):774-776.