船舶低噪聲建造工藝發展思考

孫宜強， 王 波， 陶江平， 陳 煒

(上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

0 引 言

現代戰爭表明，船舶的安靜性在戰斗中往往決定著生死存亡，因此世界各海軍強國在船舶設計研究中都不遺余力地發展聲隱身技術，把船舶尤其是一些執行特殊任務船舶的安靜性作為重要的戰術指標。據有關資料：美國20世紀80年代中期水下船的噪聲已經降至118 dB，進入21世紀以來，其噪聲級降至90～100 dB，已經低于三級海況海洋背景噪聲，成為“淹沒在海洋里的幽靈”；蘇聯在1975-1985年間使特種船的噪聲降低30 dB，總噪聲低于海洋背景噪聲[1]。

振動噪聲控制技術作為實現船舶水下輻射噪聲降低的重要技術手段，一直屬于研究的熱點和前沿問題。我國優先發展振動噪聲控制設計和材料技術，經過30多年的努力，在基礎理論、關鍵技術、材料和元器件技術等方面已形成技術體系。然而，在總裝建造技術領域由于比國外發展起步遲，行業面廣而且船廠多，建造進度的壓力較大，作為核心建造技術的低噪聲建造工藝缺乏體系化發展，與國外相比還有較大的差距?？傃b建造作為船舶研制的最后一道環節，必須從建造工藝角度加快低噪聲建造工藝的發展，并與設計和材料技術有效融合，從而實現振動噪聲指標控制的穩定性和持續改進。

目前，我國船舶總裝建造層面對低噪聲建造工藝還難以形成統一的認識：有的認為低噪聲是基于船舶減振降噪設計的概念，屬于總體設計范疇，與建造關系不大；有的認為船舶低噪聲建造很重要但缺乏標準，難以有效實施。實踐表明，對于設計上完全相同的兩條船，承建單位、建造方式及建造人員的不同都會使船舶振動噪聲水平存在差距。由此可知：低噪聲建造工藝與總體減振降噪設計是有區別的，屬于船舶建造工藝的范疇，其存在是有必然性的，也是實現船舶低噪聲建造所必需的。

1 低噪聲建造工藝內涵與工藝因素

1.1 工藝內涵

低噪聲建造工藝是基于建造的目標——低噪聲而提出的，是指以貫徹聲學理論為基礎，以減小建造結果與設計值的離散度為原則，以建造安靜型船舶為目標的建造工藝方法、規則和手段的總稱。因此，低噪聲建造工藝具有下列特點：

(1) 低噪聲建造工藝是聲學理論在船舶建造中的實踐，需要通過貫徹聲學設計理念開展工藝研究，建立工藝理論支撐。

(2) 低噪聲建造工藝的基本原則是減小建造后的噪聲值與設計噪聲值的離散度，船舶噪聲設計值是振動噪聲控制的目標，建造工藝是實現途徑，因此需要工藝與設計、材料必須充分融合。

(3) 低噪聲建造工藝涉及的工藝因素復雜，可變因素多，工藝實施范圍涵蓋完整的建造過程，因此必須基于過程控制要求，形成完整的工藝體系、技術方法和標準規范。

(4) 低噪聲建造工藝涉及各個建造技術專業，需要各專業配合和遵循，屬于總體工藝范疇。

1.2 工藝因素

由振動和噪聲的傳播理論可知：影響船舶某處振動和噪聲量級的因素有二，即振源(噪聲源)的干擾量級和傳遞路徑的傳遞效率。振源的干擾量級屬于建造工藝不可控的范疇，傳遞效率則在很大程度上依賴于建造工藝的優劣。低噪聲建造工藝的目的就在于通過對建造過程中工藝參數的控制和匹配達到降低振動和噪聲傳遞效率的目的。

在船舶建造過程中，影響傳遞路徑的工藝因素數量多且復雜，還存在多種工藝參數耦合的現象。圖1 和圖2分別為旋轉(往復)型機械設備和管系的振動傳遞路徑示例。由圖1和圖2可知：安裝過程中涉及的每個零部件和安裝步驟都需要有相應的安裝工藝參數相匹配，包括對中精度、緊固力矩、阻抗特性、剛度、柔度等。參數多、范圍廣是傳遞路徑中涉及工藝參數最大的特點，工藝因素無處不在，工藝控制與施工工藝方法密切相關。

2 低噪聲建造工藝發展現狀

2.1 國外現狀

歐美海軍強國在船舶振動噪聲研究過程中十分重視設計、材料及工藝一體化發展，在先進的聲學設計基礎上，同時開發低噪聲建造工藝作為保障。在提高船舶總體性能的同時，全面強化聲學設計，并將聲學設計貫穿在船舶設計和建造的全過程中。國外聲學設計過程和船舶設計同步，如圖3所示，分為5個階段：概念設計、初步設計、詳細設計、建造、檢測與評估。各階段層次分明、目標明確，而且每個階段又自成一個閉環控制鏈，確保階段目標的實現，最終實現總體聲學目標[2]。

美國在某型號船舶的建造過程中，特別重視振動噪聲傳遞路徑的控制，采用主動隔振裝置、智能彈簧、主被動聯合支座等主動控制技術，有效地降低船舶水下輻射噪聲，量級已與海洋背景噪聲相當。法國某型號特種船的建造，在圍繞“安靜”這一概念上幾乎花費建造總工作量的80%，才達到“安靜”目標，整個研制過程中所使用的設備、材料及采用的工藝全都圍繞著“安靜”要求開展工作，如消聲覆蓋層選用、泵噴推進裝置的設計和安裝、浮筏安裝、大型機械設備的安裝、管道的減振安裝連接、電纜的減振安裝連接等。

2.2 國內現狀

在船舶減振降噪技術研究領域，設計層面和新材料研發層面取得較大成就，主要體現在低噪聲設備的研究、隔振器的研究及新材料的應用等方面[3-10]；但設備安裝工藝研究層面僅有少量關于某些特性工藝參數的研究。吳江海等[11-12]、舒禮偉[13]通過試驗和仿真分別研究典型工藝參數(管路介質、支撐位置、支撐剛度等)對管系振動噪聲的影響；王鵬等[14]通過仿真研究隔振系統中墊片表面的工藝質量與隔振器剛度之間的關系，并給出墊片表面加工精度的建議值；于李洋等[15]通過試驗和仿真，研究設備基座墊片厚度和接觸面積等工藝參數對設備振動傳遞特性的影響。

近年來，國內各總裝船廠越來越重視低噪聲建造工藝的研究，少數船廠還成立專門的減振降噪工藝研究室，但總體而言，低噪聲建造工藝的發展存在不平衡、不充分的現象。主要表現在下列4個方面：

(1) 建造工藝與設計、材料技術發展不平衡。建造上主要依據設計和材料的技術要求進行，大多依賴經驗，定性為主，工藝有效性難以測評，而且限于局部，缺乏體系性研究。針對噪聲預報，主流商業軟件及一些行業特殊軟件比較適合于設計層面，尚未有效開展針對建造工藝參數對噪聲的影響預報，缺乏有效數據積累，工藝參數的設置也較為模糊。

(2) 水面與水下發展不平衡。除了工藝本身外，低噪聲建造工藝還牽涉許多生產管理意識問題，總體來看，由于水下船舶噪聲指標要求更嚴，水面、水下造船單位在工藝意識和施工要求上還有一定差距。

(3) 工藝研究的條件和數據積累不充分。國內船舶建造行業能夠開展減振降噪工藝試驗的專業設施不足，難以有效支撐工藝試驗研究。工藝試驗、實船建造的數據積累不充分，難以對船舶的工藝狀態與振動噪聲水平建立對應關系，難以剖析工藝參數的影響水平。

(4) 建造行業技術交流和專業技術人才培養不充分。從事低噪聲建造工藝的研究人員主要是輪機專業兼職，一般依靠經驗積累，缺乏對低噪聲建造工藝的系統性分析、研究，亟需加強低噪聲工藝技術人才隊伍的培養。

另外，由于低噪聲建造工藝是核心工藝，國外資料難搜索，國內船廠都視為工藝法寶，有限的工藝數據難以實現技術共享，甚至有的工藝問題沒有得到有效的甄別。

3 低噪聲建造工藝的發展思路

結合我國船舶行業低噪聲建造工藝現狀，為加快低噪聲建造工藝發展，提高建造工藝對型號研制的技術貢獻度，對低噪聲建造工藝的發展做出下列思考：

(1) 建立完善低噪聲建造工藝技術體系。噪聲主要包括水下輻射噪聲和艙室噪聲2個方面，結合船舶的建造流程[16]，可從5個方面建立船舶低噪聲建造工藝技術體系，包括船體建造、機械設備安裝、管路安裝、艙室內裝及減振消聲元器件安裝等。技術體系框架如圖4所示。

圖4 船舶低噪聲建造工藝技術體系框架

(2) 分步分階段建立試驗條件。低噪聲建造工藝研究必須有足夠的試驗數據支撐。目前行業內相關的工藝研究試驗條件仍很匱乏，嚴重制約低噪聲工藝技術的研究，后續需逐步建立減振降噪工藝試驗室，為低噪聲建造工藝研究提供保障。

(3) 加強合作進行數據積累。建立低噪聲建造工藝數據庫，需要測試數據支撐。測試包括實船測試和試驗室測試兩部分。

實船測試包括建造階段測試和服役階段測試。建造階段測試可由相關船廠與工藝所聯合實施，測試數據作為建造工藝分析改進的依據；服役階段測試主要依靠船舶裝備自帶的噪聲振動監測設備和維修廠測試，從而形成完整的測試數據，便于總體所、工藝所、船廠等單位開展數據分析。

試驗室測試分為3個方向：一是針對實船測試僅能獲取既定狀態下振動和噪聲數據的局限性，試驗室開展關重設備的復原和擴展測試，挖掘更優化的工藝參數區間；二是針對實船測試不能持續進行但對整船的振動噪聲持續有貢獻的設備，在試驗室開展測試，研究其持續運行過程中的振動和噪聲量級的變化并總結變化規律；三是針對一些特征比較簡單的設備，直接研究其低噪聲安裝工藝，用所獲取的參數指導船廠的工作實施。

(4) 成立組織加強技術交流。低噪聲建造工藝技術是一項綜合技術，須加強設計、建造工藝團隊之間的技術交流合作、充分溝通，及時發現問題、解決問題，促進工藝技術與設計技術、材料技術的融合，共同推進振動噪聲控制技術的突破，為我國建造新一代安靜型船舶共同發揮作用。

(5) 結合建造需求加快制訂工藝標準。依托型號需求，重點圍繞振動噪聲較大的動力設備及相關系統，研究編制如動力設備基座、隔振器、管路系統等低噪聲安裝工藝規程，并結合實船建造進行反饋驗證，形成低噪聲建造工藝及檢驗驗收系列標準，規范后續船實施低噪聲建造。

(6) 基于數據分析開發工藝研究工具。建立低噪聲建造工藝模型和工藝數據庫，通過對工藝方法和數據分析，獲取低噪聲建造的工藝規律，進而開發低噪聲工藝研究數值仿真工具。利用數值仿真工具預測更優化的工藝參數，制訂新的工藝措施，指導船廠的工作實施，從本質上提高低噪聲建造工藝技術水平。

4 結 語

船舶振動噪聲控制是一項系統工程，主要涉及設計、材料、建造等3個方面。隨著現代船舶對靜音要求越來越高，作為振動噪聲系統工程最后一道環節，低噪聲建造的重要性日益凸顯。提煉低噪聲建造的工藝內涵和工藝因素，分析國內外低噪聲建造工藝的發展現狀，結合我國船舶總裝建造方面的技術基礎，對加快船舶低噪聲建造工藝的發展有一定借鑒作用。