新規(guī)背景下的噪聲控制技術(shù)應(yīng)用

(中國船級(jí)社 福州分社,福州 350008)

近年來，隨著對(duì)船員健康保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，國際海事組織(IMO)于2012年11月30日以 MSC.337(91)決議方式通過《船上噪聲等級(jí)規(guī)則》(以下簡稱《規(guī)則》)，并以 MSC.338(91)決議通過 SOLAS 修正案。該修正案中新增 II-1/3-12 條噪聲防護(hù)，將《規(guī)則》作為強(qiáng)制要求，并將于2014年7月1日生效實(shí)施[1-2]。為此，以某80.6 m平臺(tái)供應(yīng)船(PSV)為例，分析船舶降噪措施的綜合運(yùn)用。

1 工程概況

該平臺(tái)供應(yīng)船總噸位在3 000～10 000之間，雖然該船建造合同日期簽訂較早，不適用《海上噪聲等級(jí)規(guī)則》。但為確保船員有一個(gè)舒適的環(huán)境，船東申請(qǐng)?jiān)摯铦M足CCS船級(jí)社舒適性COMF(NOISE 3)船級(jí)符號(hào)的要求，而COMF(NOISE 3)船級(jí)符號(hào)的要求與《海上噪聲等級(jí)規(guī)則》的要求基本一致。因此，在該船從設(shè)計(jì)到建造的一系列過程中,采取諸多噪聲控制措施以滿足其控制噪聲要求。

2 主要噪聲源及噪聲傳遞途徑分析

相對(duì)于常規(guī)船舶，該平臺(tái)供應(yīng)船由于設(shè)備多，空間狹小，布局緊湊，對(duì)噪聲的控制難度要大于一般船舶。其噪聲源主要包括：吊艙式電力推進(jìn)器、艏側(cè)推、發(fā)電機(jī)組、風(fēng)機(jī)等,主要噪聲源見圖1。

圖1 80.6 m平臺(tái)供應(yīng)船主要噪聲源示意

圖2 船上噪聲傳遞途徑

該船噪聲源產(chǎn)生的噪聲主要有兩種途徑向外傳播[3],見圖2。一種是通過空氣進(jìn)行傳播,稱為空氣噪聲。其主要特點(diǎn)為：透過噪聲源艙壁板向外輻射以及透過其他一切可能通道(如板縫、樓梯道、煙囪、門窗等)向其他艙室傳播。由于空氣噪聲主要為中高頻段噪聲，其在進(jìn)行每一次聲能與振動(dòng)機(jī)械能的轉(zhuǎn)化過程轉(zhuǎn)中，能量損耗較大，考慮到80.6 m平臺(tái)供應(yīng)船上層建筑布局緊湊，因此該船上層建筑居住艙室的空氣輻射噪聲較小。另一種是通過船體結(jié)構(gòu)向外傳播,稱為結(jié)構(gòu)噪聲，其主要特點(diǎn)為：由通過噪聲源的振動(dòng)傳到船體結(jié)構(gòu)，再由甲板、艙壁和其它結(jié)構(gòu)表面振動(dòng)引起周圍空氣的彈性振動(dòng)，從而產(chǎn)生人耳能夠聽到的空氣噪聲。由于此類噪聲主要是中低頻噪聲，很容易傳遍全船而達(dá)到各個(gè)艙室，特別是當(dāng)船體結(jié)構(gòu)固有頻率和聲波頻率一致時(shí)，會(huì)發(fā)生吻合效應(yīng)，導(dǎo)致該處出現(xiàn)較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)噪聲。

3 主要降噪措施

3.1 控制噪聲源

1)傳統(tǒng)的主機(jī)-軸系-齒輪箱-螺旋槳的推進(jìn)方式，由于機(jī)械傳動(dòng)的本質(zhì)特點(diǎn)，使其成為船上噪聲控制難度最大的地方。設(shè)計(jì)選型初期，考慮到該船的使用特點(diǎn)以及噪聲方面的特殊要求，在推進(jìn)系統(tǒng)方面摒棄傳統(tǒng)的主機(jī)-軸系-齒輪箱-螺旋槳的推進(jìn)方式，采用發(fā)電機(jī)-電纜-變壓變頻器-推進(jìn)器推進(jìn)方式，同時(shí)推進(jìn)器以整體吊艙的形式安置于船體艉部。這種吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)，一方面降低了傳統(tǒng)推進(jìn)形式中主機(jī)所產(chǎn)生的噪聲;另一方面由于吊艙的整體性，船上省去一些附屬裝置，使船艉型線得到改善,水流經(jīng)過螺旋槳時(shí)更加均勻,因此螺旋槳誘導(dǎo)的船艉振動(dòng)及噪聲性能得以改善[4]。

2)采用電力推進(jìn)系統(tǒng)，主發(fā)電機(jī)組為船上最大噪聲來源。發(fā)電機(jī)組由4臺(tái)1 550 kW主發(fā)電機(jī)組成，發(fā)電機(jī)安裝時(shí)主要采取加裝隔聲罩和隔振器的措施來降低振動(dòng)及噪聲。本船選用隔聲罩形式為阻尼負(fù)荷加筋板結(jié)構(gòu)形式，隔振器采用金屬彈簧隔振裝置。這種隔聲罩和隔振器的布置，一方面采用彈性-粘彈性阻尼結(jié)構(gòu)的隔聲罩吸收發(fā)電機(jī)的噪音;另一方面隔振器的彈簧壓縮變形吸收發(fā)電機(jī)振動(dòng)能量，從而減少對(duì)船體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。

3)艏側(cè)推是船上比較大的噪聲源。由于艏側(cè)推的結(jié)構(gòu)和布置形式很難改變，為了降低該處噪聲，在艏側(cè)推產(chǎn)品生產(chǎn)初期，即要求廠家在艏側(cè)推筒體上增加多道縱橫加強(qiáng)筋，并在船上安裝時(shí)使上述加強(qiáng)筋均與船體結(jié)構(gòu)相連接，通過增加了側(cè)推筒體的支撐及強(qiáng)度，來減少艏側(cè)推引起的振動(dòng)，從而降低噪聲。

4)選用進(jìn)口的低噪聲的風(fēng)機(jī)。設(shè)備選型時(shí)以分機(jī)噪聲值不得超過為35 dB為主要參考因素。同時(shí),對(duì)進(jìn)、排氣口及管壁的空氣噪聲采用消聲器或絕緣層等措施。

3.2 傳遞途徑中的降噪措施

噪聲傳輸途徑中的控制是最常用的辦法。因?yàn)橐坏C(jī)器設(shè)計(jì)制造和安裝完畢，再從聲源上控制噪聲就會(huì)受到限制。

1)該船在艙室布置上遵循噪聲源和艙室隔離原則，在主甲板與機(jī)艙間設(shè)置二甲板作為噪聲緩沖區(qū)，并將集控室與機(jī)修間置于二甲板，盡量減小工作艙室、居住艙室與機(jī)艙這一主噪聲源的直接接觸。貫穿整個(gè)上層建筑的煙囪旁設(shè)置過道、盥洗室、儲(chǔ)藏室等作為緩沖區(qū)，與工作艙室、居住艙室隔離。

2)噪聲傳遞途徑中一個(gè)重要因素是甲板和艙壁的隔聲、吸聲性能。目前船舶艙室的防火分隔主要采用甲板敷設(shè)防火敷料和艙壁貼附陶瓷棉和隔熱棉實(shí)現(xiàn)，上述材料對(duì)艙室噪聲有一定的降噪效果，但是距離《海上噪聲等級(jí)規(guī)則》的要求還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。與一般船舶相比較,80.6 m平臺(tái)供應(yīng)船在各層甲板和艙壁的隔聲絕緣處理上有以下幾個(gè)特點(diǎn)。

(1)二甲板采用浮動(dòng)隔聲地板系統(tǒng)重點(diǎn)隔離機(jī)艙噪聲源，見圖3。該系統(tǒng)用隔熱材料、阻尼材料分層敷設(shè)在鋼甲板上作為底層材料，并和艙壁組合，相比常規(guī)浮動(dòng)甲板多了2層阻尼層及鍍鋅鋼板層，能起到明顯的減振及降噪作用。

圖3 二甲板浮動(dòng)隔聲地板系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)

(2)主甲板及以上各層甲板主要采用隔聲地板，在鋼甲板的表面增加一層阻尼層和高密度巖棉，其節(jié)點(diǎn)見圖4。

圖4 主甲板及以上各層甲板節(jié)點(diǎn)

(3)由于本船的機(jī)艙及艏側(cè)推艙均位于上層建筑下方，當(dāng)上述艙室機(jī)械設(shè)備工作時(shí)產(chǎn)生的噪音會(huì)直接傳遞到上層建筑，所以對(duì)整個(gè)機(jī)艙及艏側(cè)推艙的甲板和艙壁均采用敷設(shè)吸音、隔音材料的隔音減振方案,其中艙壁采用在2層隔聲巖棉之間加了1層鋁箔的結(jié)構(gòu)形式(見圖5)，從而提高了該處所的隔聲、吸音效果。

圖5 艙壁隔音節(jié)點(diǎn)

3.3 個(gè)人防護(hù)措施

業(yè)界對(duì)噪聲個(gè)人防護(hù)措施著重于為船上人員設(shè)置隔聲間、配備護(hù)耳器、限制船員在高噪?yún)^(qū)域的工作時(shí)間等措施來降低噪聲對(duì)船上人員的影響。特別需注意的是《海上噪聲等級(jí)規(guī)則》不但對(duì)不同處所的噪聲級(jí)限值做出規(guī)定，還對(duì)船上不同崗位的等效連續(xù)噪聲暴露有明確要求，即24 h期間內(nèi)，任何崗位人員的等效連續(xù)噪聲暴露不得超過80 dB。因此船上每個(gè)工作崗位人員都具備有一份聽力保護(hù)方案(《噪聲暴露等級(jí)計(jì)算報(bào)告》)，并明確規(guī)定了船員于每一特定處所的工作時(shí)間[5]。

以80.6 m平臺(tái)供應(yīng)船為例，該船在系泊試驗(yàn)階段對(duì)部分艙室噪聲值進(jìn)行了預(yù)測，在滿載、主機(jī)功率為最大持續(xù)額定功率的80%，艏側(cè)推功率為最大推進(jìn)功率的40%的狀態(tài)下。測得部分艙室噪聲級(jí)見表1，表中艙室噪聲級(jí)均符合依據(jù)《海上噪聲等級(jí)規(guī)則》對(duì)相關(guān)處所的噪聲級(jí)限值。

依據(jù)《海上噪聲等級(jí)規(guī)則》中每類船員噪聲暴露級(jí)的計(jì)算公式得出該船輪機(jī)員的噪聲暴露級(jí)計(jì)算結(jié)果見表2。

表1 部分艙室噪聲級(jí)測試結(jié)果 dB

表2 輪機(jī)員噪聲暴露級(jí)計(jì)算

依據(jù)表2,該輪機(jī)員噪聲暴露級(jí)為80.7 dB，但《海上噪聲等級(jí)規(guī)則》要求所有船員的噪聲暴露等級(jí)不超過80 dB。故在最終批準(zhǔn)的該輪機(jī)員的聽力保護(hù)方案中，通過調(diào)整該輪機(jī)員于不同工作處所的工作時(shí)長(見表3)，使得該輪機(jī)員的噪聲暴露級(jí)降為79.5 dB，從而符合規(guī)則中對(duì)噪聲暴露等級(jí)的要求。

表3 輪機(jī)員噪聲暴露級(jí)計(jì)算(調(diào)整后)

4 結(jié)論

1)主動(dòng)控噪應(yīng)用。目前國內(nèi)船企對(duì)船舶噪聲控制多數(shù)是采取被動(dòng)降噪的辦法,新規(guī)則的實(shí)施使被動(dòng)降噪成本急劇增加。因此，在船舶的設(shè)計(jì)和建造初期對(duì)主要噪聲源盡可能地選用低噪聲設(shè)備，在與噪聲源相聯(lián)系的船舶結(jié)構(gòu)形式上采用結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)和減振形式，同時(shí)在艙室布置上遵循噪聲源和艙室隔離原則，能有效降低船舶噪聲。

2)新技術(shù)、新材料的應(yīng)用。在船上主要人員活動(dòng)區(qū)域(即居住區(qū)和工作區(qū))的甲板和艙壁敷設(shè)隔聲材料已成為降低船舶噪聲的必要的措施。目前上述隔聲材料逐漸開始由傳統(tǒng)的“鋼結(jié)構(gòu)+消聲覆蓋層”的吸聲結(jié)構(gòu)向多層次結(jié)構(gòu)復(fù)合材料發(fā)展，這種復(fù)合結(jié)構(gòu)具有振動(dòng)阻尼性能好、降低聲輻射、容易成型等優(yōu)點(diǎn)，將成為未來船舶降噪材料研究的重要方向。

3)合理的聽力保護(hù)方案的制定。船上噪聲控制過程中應(yīng)重視與《海上噪聲等級(jí)規(guī)則》的要求相結(jié)合，除了采用物理降噪措施外，通過合理分配每一船員的工作時(shí)間和工作處所來制定聽力保護(hù)方案(噪聲暴露等級(jí)計(jì)算報(bào)告)，能有效滿足《海上噪聲等級(jí)規(guī)則》對(duì)船員噪聲暴露級(jí)的要求。

4)艙室噪聲預(yù)報(bào)應(yīng)用。本文對(duì)船舶的噪聲控制的研究主要集中在船舶建造中后期，依據(jù)噪聲的產(chǎn)生及傳遞機(jī)理，船舶建造后期采用降噪減振技術(shù)往往“高投入、低收益”。如何在船舶設(shè)計(jì)及建造過程中綜合采用艙室噪聲預(yù)報(bào)技術(shù)，在船舶概念設(shè)計(jì)、基本設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)施工各階段對(duì)目標(biāo)船進(jìn)行聲學(xué)評(píng)估并及時(shí)調(diào)整降噪方案，能有效降低降噪成本，是今后船舶降噪的重點(diǎn)研究方向。

[1] 國際海事組織.MSC.337(91)決議[S].2012.

[2] 國際海事組織.MSC.338(91)決議[S].2012.

[3] 翁長儉.船體振動(dòng)學(xué)[M].大連:大連海運(yùn)學(xué)院出版社,1992.

[4] 侯亞成.某型交通艇的減振降噪設(shè)計(jì)[J].船海工程，2003(4):29-31.

[5] 中國船級(jí)社.船舶及產(chǎn)品噪聲控制與檢測指南[S].北京:人民交通出版社,2013.