科學(xué)考察船空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)減振降噪設(shè)計(jì)

劉春江 胡 浩 崔 濛

（1.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011；2.江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 上海201913）

引 言

科學(xué)考察船是用于海洋科學(xué)調(diào)查、應(yīng)用技術(shù)研究以及測(cè)量或勘探等船舶的統(tǒng)稱。21世紀(jì)是海洋世紀(jì)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和海洋意識(shí)的增強(qiáng)，科學(xué)考察船作為人類調(diào)查研究和認(rèn)識(shí)海洋的重要工具，必將有更多方面發(fā)展和需求。近年來(lái)，由于一些國(guó)際海事組織制定的一系列法律、規(guī)范中對(duì)船舶噪聲控制的要求越來(lái)越高，并且船東也加大了改善船上生活和工作環(huán)境需求，噪聲控制已經(jīng)成為船舶設(shè)計(jì)中重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。科學(xué)考察船的船員配置和工作環(huán)境相對(duì)于普通運(yùn)輸船更為特殊，空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的噪聲對(duì)科學(xué)家海上實(shí)驗(yàn)和船員的工作、生活都有很大的影響，空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)減振降噪是重要工作之一。本文結(jié)合對(duì)“東方紅3”船的實(shí)際情況，并引用相關(guān)理論分析科學(xué)考察船上空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)噪聲控制，希望能為科學(xué)考察船或類似船舶的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)減振降噪設(shè)計(jì)提供參考。

1 船舶噪聲簡(jiǎn)介

從物理學(xué)角度定義，噪聲也屬于聲音，是由振動(dòng)體引起的，通過(guò)傳聲媒質(zhì)進(jìn)行傳播。

從環(huán)保角度定義，一般影響人們正常工作、學(xué)習(xí)、生活、和休息的聲音都屬于噪聲，長(zhǎng)期處在噪聲環(huán)境中身體會(huì)受到不同程度的損害。

在國(guó)際上噪聲通常采用分貝（dB）作為聲學(xué)量度的基本單位。同時(shí)引入級(jí)的概念，用聲壓級(jí)、聲強(qiáng)級(jí)和聲功率級(jí)來(lái)表示聲音的強(qiáng)度。

2 船舶噪聲類別

按照噪聲源的性質(zhì)，噪聲可分為固體噪聲、流體噪聲和電磁噪聲，一般情況下，船舶噪聲源常同時(shí)具備以上三種性質(zhì)。為較好地對(duì)船舶噪聲進(jìn)行控制，應(yīng)系統(tǒng)分析判斷哪種噪聲源的噪聲級(jí)較大且頻帶較高，并采取相應(yīng)的控制方法。

3 船舶空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)噪聲來(lái)源及傳播途徑

目前船舶空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)多采用集中送風(fēng)，即中央空調(diào)器為多個(gè)艙室提供處理后的空調(diào)風(fēng)。按此分析，空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)主要噪聲源有兩項(xiàng)：一是組合式空調(diào)器、通風(fēng)機(jī)等設(shè)備運(yùn)行的噪聲即機(jī)械噪聲；二是氣流在風(fēng)管和設(shè)備內(nèi)流動(dòng)的再生噪聲，再生噪聲包括風(fēng)管、消聲器、風(fēng)口產(chǎn)生的噪聲。

船舶空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)主要噪聲源產(chǎn)生的噪聲傳播到居住生活艙室的途徑有許多，存在多種傳播機(jī)理，情況較為復(fù)雜，但主要還是通過(guò)通風(fēng)管道進(jìn)行傳播。

4 科學(xué)考察船空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)減振降噪要求

科學(xué)考察船作為海上試驗(yàn)平臺(tái)，較普通運(yùn)輸船有更多的使用功能，其中DP動(dòng)力定位系統(tǒng)、水下聲學(xué)探測(cè)系統(tǒng)以及工作生活環(huán)境等對(duì)船舶的振動(dòng)和噪聲的要求更為嚴(yán)格。以“東方紅3”船為例，對(duì)科學(xué)考察船空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)減振降噪的要求主要考慮以下兩個(gè)方面。

4.1 空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)噪聲要求

本船的艙室空氣噪聲及甲板工作區(qū)的噪聲應(yīng)滿足IMO最新艙室噪聲規(guī)范要求MSC337（91），見(jiàn)表1。

表1 噪聲級(jí)最大限制值

續(xù)表1

為滿足表中的噪聲指標(biāo)要求，空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)末端風(fēng)口的噪聲值在表中要求的基礎(chǔ)上再降低5～10 dB（A）。

另外根據(jù)船東要求，為科學(xué)家和船員提供更為舒適的工作和生活環(huán)境，對(duì)艙室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)噪聲要求進(jìn)一步提高，居住艙室的布風(fēng)器出口噪聲按表2中CCS噪聲舒適度等級(jí)2級(jí)中乘客高級(jí)艙室的數(shù)值再降低5 dB（A）。

表2 CCS噪聲舒適度等級(jí)2級(jí)噪聲指標(biāo)

4.2 空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)振動(dòng)要求

水下輻射噪聲衡準(zhǔn)值需滿足DNV的水下噪聲衡準(zhǔn)要求，在11 kn航速時(shí)滿足DNV Silent-R的噪聲要求，頻帶范圍從10 Hz到100 000 Hz的1/3倍頻程，具體衡準(zhǔn)曲線見(jiàn)圖1。

圖1 水下輻射噪聲衡準(zhǔn)曲線（Silent-R）

其中對(duì)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)要求主要泵組、通風(fēng)機(jī)、冷水機(jī)組需作隔振處理。

5 科學(xué)考察船空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)減振降噪設(shè)計(jì)

根據(jù)上文中提到的科學(xué)考察船空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)減振降噪的要求，空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要方法列舉以下幾點(diǎn)，并結(jié)合“東方紅3”船典型艙室的設(shè)計(jì)案例加以介紹。

5.1 空調(diào)系統(tǒng)分區(qū)設(shè)計(jì)

相對(duì)于普通運(yùn)輸船的空調(diào)器集中布置在一個(gè)空調(diào)器間，科學(xué)考察船空調(diào)器布置需要考慮甲板位置和區(qū)域功能劃分，這樣可以在總冷熱負(fù)荷和通風(fēng)量相同的情況下，降低單個(gè)空調(diào)器通風(fēng)機(jī)的送風(fēng)量和送風(fēng)壓力，對(duì)艙室內(nèi)送風(fēng)末端和回風(fēng)末端的噪聲源的輸入可以有效降低；這樣設(shè)計(jì)下單個(gè)空調(diào)器的本體噪聲也會(huì)大大降低，進(jìn)而減少設(shè)備本體噪音對(duì)周圍艙室的影響。“東方紅3”船的空調(diào)系統(tǒng)按照甲板位置和功能區(qū)的特點(diǎn)，空調(diào)器的數(shù)量和布置見(jiàn)表3。

表3 “東方紅3”船中央空調(diào)器布置列表

5.2 空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的變風(fēng)量設(shè)計(jì)

常規(guī)的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)采用單速離心風(fēng)機(jī)固定風(fēng)量送風(fēng)，風(fēng)機(jī)一直以空調(diào)系統(tǒng)最大負(fù)荷所需風(fēng)量工作，但實(shí)際上每個(gè)房間受外界環(huán)境影響所需的制冷量及空調(diào)送風(fēng)量是變化的，通常是低于初期設(shè)計(jì)最不利工況下的制冷量和風(fēng)量，為滿足科學(xué)考察船上空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的噪聲設(shè)計(jì)要求，空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)采用變風(fēng)量設(shè)計(jì)，房間內(nèi)設(shè)置人性化的溫控面板，船員根據(jù)自身所需設(shè)定溫度，布風(fēng)器根據(jù)目前的房間溫度自行判斷加大或減少送風(fēng)量，空調(diào)器送風(fēng)風(fēng)機(jī)根據(jù)靜壓箱送風(fēng)壓差傳感器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，相對(duì)于定風(fēng)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以降低風(fēng)機(jī)功率和送風(fēng)壓力，這樣可以有效降低噪聲源對(duì)系統(tǒng)的影響。

5.3 空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的新風(fēng)比設(shè)計(jì)

常規(guī)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)如果按照國(guó)際航線，空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)比一般選50%；在科學(xué)考察船上有的住艙是多人床鋪，且多人住艙位于生活區(qū)靠下的甲板，冷熱負(fù)荷并非主要影響風(fēng)量的輸入?yún)?shù)，大部分是為滿足規(guī)范每人新風(fēng)量而算出的空調(diào)送風(fēng)量。例如“東方紅3”位于下甲板的4人間和6人間，以6人間為例，負(fù)荷計(jì)算出所需風(fēng)量為296 m3/h；如按照50%新風(fēng)比要求所需風(fēng)量為360 m3/h。這樣就會(huì)加大空調(diào)器總的送風(fēng)量及風(fēng)機(jī)送風(fēng)壓力，影響空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的噪聲源的輸入。在這種情況下，提高新風(fēng)比到60%，使該房間的送風(fēng)量為300 m3/h。依次類推，通過(guò)對(duì)比該甲板的每個(gè)房間的風(fēng)量需求，最終確定最為經(jīng)濟(jì)的新風(fēng)比，為空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)噪聲控制打下好的基礎(chǔ)。

5.4 空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)速設(shè)計(jì)

風(fēng)速是空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)再生噪聲的主要因素之一，合理控制管路的風(fēng)速有利于整個(gè)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的噪聲控制。

根據(jù)直管道的氣流噪聲聲功率級(jí)公式

式中：LW為直管道的氣流噪聲聲功率級(jí)，dB；LWC為直管比聲功率級(jí)，一般取10 dB；v為直管內(nèi)氣流速度，m/s；F為風(fēng)管截面積，m2。

從式（1）中可以看到降低直管道的氣流速度可以有效減少管道氣流的噪聲聲功率級(jí)，“東方紅3”船在空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)中，主管路風(fēng)速應(yīng)控制在8～12 m/s，末端風(fēng)口的風(fēng)速應(yīng)控制下3～4 m/s，不同噪聲級(jí)對(duì)應(yīng)的風(fēng)速要求如表4。

表4 “東方紅3”船風(fēng)管風(fēng)速選用標(biāo)準(zhǔn)

另外，科學(xué)考察船上由于空間局限，依次選用風(fēng)管形式為：圓形-橢圓形-方形。

5.5 空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的噪聲計(jì)算

空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的噪聲計(jì)算是預(yù)測(cè)和檢驗(yàn)前期噪聲控制設(shè)計(jì)的必要內(nèi)容，通過(guò)噪聲計(jì)算可以確定對(duì)整個(gè)系統(tǒng)噪聲影響最大的因素，還可以為采用何種消音措施提供指導(dǎo)。以“東方紅3”船登艇甲板高級(jí)房間（房間號(hào)418，房間名稱“首席科學(xué)家”）為例進(jìn)行分析計(jì)算，該房間的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)布置圖參圖2。

圖2 “首席科學(xué)家”空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)布置圖

空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)影響該房間的主要有空調(diào)送風(fēng)末端風(fēng)口噪聲、空調(diào)回風(fēng)末端噪聲和衛(wèi)生單元排風(fēng)口末端噪聲，通過(guò)噪聲計(jì)算分別計(jì)算出3種通風(fēng)系統(tǒng)的噪聲值并進(jìn)行疊加，得出房間最終的噪聲值，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下頁(yè)圖3。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，空調(diào)送風(fēng)末端和空調(diào)回風(fēng)末端的噪聲值低于42 dB（A），但抽風(fēng)側(cè)數(shù)值并沒(méi)有顯示，衛(wèi)生單元的排風(fēng)機(jī)位于尾部，距離最近的尾部艙室計(jì)算時(shí)房間已經(jīng)滿足，首席科學(xué)家住艙距離最遠(yuǎn)，噪聲衰減最大，可以認(rèn)為對(duì)房間沒(méi)有影響，綜合以上計(jì)算，該住艙達(dá)到了CCS噪聲舒適度等級(jí)2級(jí)中乘客高級(jí)艙室的數(shù)值要求。

6 科學(xué)考察船空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)減振降噪措施

6.1 合理選用通風(fēng)設(shè)備

空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)最大噪聲來(lái)源是空調(diào)器，合理選用空調(diào)器設(shè)備非常重要，對(duì)空調(diào)器選用需注意以下幾點(diǎn)：

（1）根據(jù)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)際需求選用風(fēng)壓和風(fēng)量

在負(fù)荷計(jì)算時(shí)不能留有過(guò)大的余量，避免因空調(diào)器的風(fēng)機(jī)選用過(guò)大而使系統(tǒng)的噪聲源數(shù)量級(jí)增大，只有當(dāng)設(shè)計(jì)風(fēng)壓和實(shí)際工作風(fēng)壓接近，風(fēng)機(jī)有效功率最大噪聲值才最小。“東方紅3”船在設(shè)計(jì)前期便對(duì)空調(diào)處所的負(fù)荷多次校核，最終合理地選用了空調(diào)器。

（2）空調(diào)器風(fēng)機(jī)內(nèi)部消聲處理

除了上面提到的風(fēng)量和風(fēng)壓，風(fēng)機(jī)軸承的對(duì)中和內(nèi)部消音材料的選用也直接影響空調(diào)器進(jìn)出口的噪聲值，在風(fēng)機(jī)軸承對(duì)中上必須嚴(yán)格要求對(duì)中精度及減震安裝；空調(diào)器出風(fēng)段的箱體內(nèi)必須敷設(shè)材料。在“東方紅3”船的空調(diào)器上，對(duì)上述內(nèi)容都給出了明確的技術(shù)要求，并且均提供出廠檢驗(yàn)報(bào)告。

圖3 首席科學(xué)家房艙噪聲計(jì)算結(jié)果

6.2 隔聲控制

在船舶空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)中的機(jī)械振動(dòng)噪聲通常采用隔聲控制來(lái)解決，物理隔振處理是一個(gè)切實(shí)有效的辦法之一。所謂隔振處理通常是指為減小結(jié)構(gòu)噪聲的產(chǎn)生與傳遞，在振源和安裝固定結(jié)構(gòu)中間安裝彈性元件或者隔振裝置，進(jìn)而降低或者削減振源傳遞給結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量。隔聲降噪常用方法有以下幾種，現(xiàn)結(jié)合“東方紅3”船上的典型圖加以介紹：

（1）風(fēng)機(jī)安裝時(shí)，在風(fēng)機(jī)底座和風(fēng)機(jī)本體之間安裝減振器或彈性墊片，并在風(fēng)機(jī)進(jìn)出口選用軟管與鋼制風(fēng)管進(jìn)行連接，“東方紅3”船風(fēng)機(jī)安裝型式如圖4所示。

圖4 “東方紅3”船風(fēng)機(jī)隔振安裝

（2）風(fēng)管壁和固定吊架管卡之間加裝彈性橡皮墊圈，“東方紅3”在風(fēng)管安裝上采用風(fēng)管與吊架之間的彈性安裝。

（3）在風(fēng)管上包覆隔音絕緣材料，如下頁(yè)圖5所示。

圖5 “東方紅3”船風(fēng)管隔音絕緣安裝

（4）風(fēng)管材料選擇時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)增加風(fēng)管壁厚，從而增加風(fēng)管的一定剛性，由風(fēng)管振動(dòng)產(chǎn)生的對(duì)風(fēng)管外部環(huán)境的聲音輻射可以降低。

6.3 消聲控制

在船舶空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)中，氣流通過(guò)管道流到末端風(fēng)口，不論是機(jī)械噪聲還是再生噪聲單純通過(guò)隔振措施是無(wú)法解決噪聲問(wèn)題，這種情況下，設(shè)計(jì)中通常在風(fēng)管路上的合適位置安裝消聲器進(jìn)行減噪。

目前船用通風(fēng)消聲器主要有阻性消聲器、抗性消聲器及阻抗復(fù)合型消聲器.它們降噪機(jī)理的共同點(diǎn)是通過(guò)噪聲與聲學(xué)材料或聲學(xué)結(jié)構(gòu)的相互作用來(lái)消耗聲能，從而達(dá)到降噪目的，消聲器的幾種型式如圖6。

圖6 消聲器型式

6.4 合理布置風(fēng)管

對(duì)空調(diào)及通風(fēng)風(fēng)管的三通、彎頭、調(diào)風(fēng)門等，應(yīng)盡量做成流線型、漸變型或設(shè)置導(dǎo)流葉片，以減小空氣流動(dòng)阻力。

風(fēng)道斷面擴(kuò)大時(shí)，其擴(kuò)張角應(yīng)盡量小于20°；風(fēng)道斷面縮小時(shí)，其收縮角應(yīng)盡量小于45°；矩形風(fēng)管斷面的長(zhǎng)寬比盡量小于3.5。

風(fēng)機(jī)出口最好有長(zhǎng)度為出口邊長(zhǎng)1.5 ～ 2.5倍的直管段，以避免渦流。如果受空間限制不能滿足上述要求，出口管的轉(zhuǎn)彎方向應(yīng)順著風(fēng)機(jī)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)的方向，或在彎管中設(shè)導(dǎo)流葉片。

采用較厚鋼板制作風(fēng)管，以避免由于風(fēng)管剛度不夠而引起振動(dòng)和噪聲。

7 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)科學(xué)考察船空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)減振降噪設(shè)計(jì)提供了參考，在實(shí)船設(shè)計(jì)過(guò)程中必須做好前期綜合考慮，合理劃分空調(diào)區(qū)域使各艙室空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)管系布置通順，盡量降低通風(fēng)風(fēng)速，并通過(guò)噪聲計(jì)算合理設(shè)置消聲器，最大程度對(duì)科學(xué)考察船空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)振動(dòng)和噪聲進(jìn)行有效控制。