基于預報的客滾船振動和噪聲控制措施分析

唐建偉，徐 昌

應用研究

基于預報的客滾船振動和噪聲控制措施分析

唐建偉1，徐 昌2

（1. 青島中遠海運國際船舶貿易有限公司，山東青島 266071；2. 中國船舶與海洋工程設計研究院，上海 200001）

客滾船的舒適性與乘客的體驗直接相關，控制作為舒適性重要衡量指標的振動和噪聲，是客滾船設計的重中之重。該文以某型客滾船為例，介紹了基于經驗和數據庫的振動和噪聲早期預報以及振動和噪聲的數值預報，同時基于上述預報的建議和結論采取相應的振動和噪聲控制措施。通過試航實測結果，驗證了預報和控制措施的有效性，為今后客滾船在設計和建造過程中振動和噪聲控制提供了可借鑒的經驗。

客滾船 振動噪聲 預報 控制

0 引言

客滾船（Ro-Ro passenger ship，ROPAX）是一種人車兩用運輸船，主要用于裝運卡車、小汽車、集裝箱拖車和游客，并為游客提供住宿和娛樂服務。因其較高的貨運時效性和乘客舒適性，在經濟發達地區的內海、海灣、海峽和沿海島嶼間的短途水運中具有一定的競爭優勢。

目前我國的客滾船運輸已形成以渤海灣為中心的渤海灣客滾運輸市場，隨著亞洲區域旅游日益活躍和中韓自貿區建設的推進，將進一步推動中韓航線客貨運事業的發展。

在中韓航線上運營的新造客滾船的快速性均可滿足貨運時效性要求，需要更加注重提高舒適性從而增加客運收入。新造客滾船需要確保能按時交船，若振動噪聲超標將導致試航后大面積的結構返工和艙室翻新，使新船和舊船無法正常銜接，給船東帶來經濟損失。此外，振動噪聲作為舒適性的重要衡量指標，也是客滾船設計的重中之重，若乘客體驗不佳，將會對船舶給出較多負面評價，會影響船舶的口碑，從而影響到船舶整個生命周期內的經濟效益。因此，在設計和建造階段需要高度重視控制船舶的振動和噪聲。對于有母型船的船型而言，可參考母型船已有措施以及實船反饋進行優化改進，有相對明確的方向。而對于全新開發的船型，振動和噪聲控制難度更大。

本文以中韓航線上全新開發的某型客滾船（以下簡稱‘本船’）的振動和噪聲控制為例，介紹船舶設計和建造過程中的振動和噪聲控制方法。

表1 船型主要參數表

圖1 船型側視圖

1 基于經驗和數據庫的振動和噪聲早期預報和建議

本船為國內首艘滿足中國船級社（CCS）COMF(VIB 2) 、COMF(NOISE 2)附加標志要求的客滾船，上述船級符號要求乘客高級艙室的最大振動量級不超過2 mm/s、最大噪聲量級不超過47 dB(A)[1-3]。而常規船舶振動和噪聲僅需要滿足ISO 6954-2000和Resolution MSC.337(91)的要求、對應的居住艙室最大振動量級不超過4 mm/s、最大噪聲量級不超過55 dB(A)。

由于本船無母型船，在船舶設計和建造階段，無法通過實際測量的方式獲得艙室的振動和噪聲值，因此需要對艙室的振動和噪聲進行早期預報，從而指導設計和設備選型。本船引入第三方對振動和噪聲進行基于經驗和數據庫的早期預報，可快速識別振動和噪聲潛在超標風險。

1.1 振動早期預報及建議

為便于車輛上下，客滾船車輛艙內通常不設縱艙壁和支柱，因此車輛艙上方的住艙甲板無法得到連續的垂向支撐，振動問題會較為突出。受限于船旗國對救生艇布置高度的要求，本船救生艇需在5甲板車輛艙兩側。為方便車輛上下，避免中煙囪與舷側救生艇凹入處形成行駛路線上的“瓶頸”問題，本船機艙煙囪布置在舷側。由于沒有中煙囪，甲板梁跨距與船寬相等，對橫向強度和上層甲板的振動不利。在總布置初步確定之后，通過第三方基于數據庫的早期預報。分解振動控制指標，如螺旋槳總脈壓和空泡引起的脈壓值、主機單層隔振等。另外，基于經驗，認為尾部甲板的振動通常較大，建議在7甲板尾部增加縱向艙壁。

1.2 噪聲早期預報及建議

對于最高等級噪聲要求的船舶（如 NOISE 1），多數為豪華郵輪，通常采用電力推進形式，與常規推進相比有較大的成本增加。而對NOISE 2等級，通過合理的降噪設計，常規推進也可以達到要求。歐洲主流豪華客滾船通常為NOISE 2級。本船在設計初期，在總布置初步確定之后，通過與第三方進行基于數據庫的早期預報。分解噪聲源控制指標，如主機、排氣管、風機、空調器等；對各層甲板的噪聲值進行初步預報。對浮動甲板布置、隔聲絕緣等提供初步建議。

2 基于早期預報的振動和噪聲控制措施

振動和噪聲早期預報的建議基本可以分為兩類，一類是在設計理念和設備選型上主動去控制、減少振動噪聲源，另一類是采取各類積極措施去降低振動和噪聲的傳遞。

2.1 振動和噪聲源控制

本船的船用設備較多，因此振動和噪聲源也多。主要振動和噪聲源包括螺旋槳、柴油機主機、柴油發電機組、空調機組、貨艙風機、機艙風機、機艙空壓機、機艙泵組、液壓泵組、以及各類管道等。因此需要根據早期預報對不同振動和噪聲源的控制指標來優化設計和設備選型。

2.1.1 螺旋槳設計

螺旋槳的各種設計要素相互制約，因此需從推進效率、空泡、振動及強度等方面進行權衡，同時應適當加大低振動噪音在螺旋槳設計中的權重，從而達到合理的設計目標。控制螺旋槳的振動和噪音可以從一下幾方面考慮：

1）螺旋槳葉片數的選擇：一般認為，若螺旋槳的直徑和葉面積相同，則葉數少者效率高，但葉數多對減小振動有利。本船選擇5葉槳，對減小振動有利。

2）螺旋槳直徑的選擇：考慮與船體尾部型線的配合，保持足夠的間隙，避免產生過大的激振力。通常情況下，該間隙不得小于船級社規范所要求的值。一般在相同推進功率下，螺旋槳直徑越大，激振力越小。在滿足規范對槳葉梢與船體間隙要求下，本船將螺旋槳直徑適當加大至4.8 m。

3）螺旋槳空泡：螺旋槳葉梢產生的梢渦空泡對螺旋槳剝蝕無直接影響，但梢渦空泡在船體表面崩潰時會導致船體尾部的劇烈振動，還會引起不必要的噪聲問題。云狀空泡不僅對螺旋槳剝蝕最為嚴重，而且也是強烈的噪聲源，危害最大[4]。本船對螺旋槳空泡性能進行了設計優化，通過空泡試驗驗證，設計槳未出現導致螺旋槳剝蝕的面空泡和云狀空泡，梢渦空泡也在正常范圍內。

4）螺旋槳引起的激振力：本船在線型設計階段，著重對尾部線型和軸支架形式和剖面進行優化，從而使螺旋槳的伴流場更加均勻。在半流場無法進一步改善的情況下，還可增加螺旋槳的側斜角來降低激振力。本船采用的是中側斜槳。通過脈動壓力試驗驗證，本船設計槳的脈動壓力試驗值為2.1 kPa，在早期預報的限制范圍內。

2.1.2設備選型

振動和噪聲源設備選型主要取決于成本，本船在預算造價范圍內對主要振動和噪聲源設備選型考慮如下：

1）主機和發電機：主機和發電機要求廠家提供優良的錐形減振器，以及采用單層彈性隔振安裝來降低振動和噪聲。

2）主機和發電機的消音器：主機和發電機的排氣管需向上穿過生活和娛樂區，排氣噪聲與上述需控制振動噪聲的艙室較近，需重點關注。本船主機排煙管出口需滿足在不同頻率段噪聲低于90 dB(A)，為滿足上述排煙管出口噪聲要求，為每臺主機的排煙管各布置了1臺火星熄滅式通用消音和1臺低頻消音器。主發電機組排氣管上布置火星熄滅式消音器，消音量為35 dB(A)，消音量高于貨船25 dB(A)的消音量。

3）主空壓機：主空壓機采用單層彈性隔振塊安裝，振動噪聲優于常規的鋼墊安裝。

4）機艙風機：機艙風機采用彈性隔振安裝，振動噪聲優于常規的鋼法蘭直接安裝。本船由于風機室層高限制無法布置風機消音器，因此將消音器方案改為風機室整體消音方案。

5）空調系統：空調風機選用低噪聲高效風機，并且風機安裝采用減震器等減振措施。空調箱與艙室之間的圓供風風管采用消音風管，回風管和矩形風道采用消音器以減小噪聲的傳遞。

6）貨艙風機：選用低噪聲高效風機，并且風機安裝采用減震器等減振措施。同時風機基座預留空間，將根據后續評估結果適當刷阻尼約束結構降低振動傳遞。貨艙風機與室外之間設置消音器，減小百葉窗出口的噪聲。

2.2 振動和噪聲傳播途徑控制

早期預報對振動和噪聲源的控制需要考慮到技術和成本的限制，在振動和噪聲源因上述原因無法進一步降低情況下，可考慮采取控制傳播途徑的措施來降低振動噪聲轉化或者消耗振動噪聲能量。同時還可優化艙室布局，將振動和噪聲要求高的房間布置在遠離振動和噪聲源處。

2.2.1 船體方面

參照振動噪聲的早期預報報告，合理優化全船結構布置，保證結構連續性，形成橫縱向連續的強框架。合理布置支柱，盡可能將支柱布置在艙壁的同一平面內，增加船體結構剛性。采用高橫梁預開孔形式，增加甲板板架的整體剛度。主機座與船體縱桁供面布置，盡量向兩端延伸，并設置橫向支撐。優化船體結構固有頻率，避開主要激振源的工作頻率，以避免共振。

同時有針對性地對7甲板尾部區域布置進行修改，增加了2個縱向艙壁，以期減少7甲板振動。另外，對7～9甲板，在設計中，盡量保證主要結構構件的連續性，在合理位置增加立柱和局部艙壁，保證一定程度上的垂向連續性，雖然結構重量略有增加，但減少了振動風險。

2.2.2 內裝方面

參照振動噪聲的早期預報報告，對噪聲較高的區域布置浮動地板和阻尼。在產生噪聲的地方如空調器室，刷阻尼約束結構并敷設隔音絕緣，以減小噪聲對外界的影響。布風器、靜壓箱、抽風頭等采用撓性連接，減小振動、噪聲的傳遞。天花板、壁板系統采用彈性構件，減小振動和噪聲的傳播。

2.2.3 電氣方面

配電板、集控臺、駕控臺等大型落地式設備增加減震橡膠墊。機械設備控制箱按廠家標準設備設置減震器。

機艙區及機3甲板機械區燈具采用掛鉤式，以便減少震動的影響。車輛艙內燈具采用減震器。室外燈外采用減震盤。

2.2.4 機裝方面

排煙管吊架：為降低排煙管的振動噪聲，本船排煙管將采用靜音型吊架，且對排煙管支撐和吊架的布置位置進行全面的計算。

貨艙風機室內圍壁敷設隔音絕緣減小噪聲的傳遞。

3 基于數值預報控制振動和噪聲

在結構設計完成后，基于廠商提供振動和噪聲源數據對振動和噪聲進行數值分析。可以為達到振動和噪聲要求提供更精確的技術保障，減少船舶后期修改，保證交船期。

3.1 振動數值計算的結論

7甲板跨層的登船大廳，8甲板尾部餐廳、第二主豎區內艙房和VIP套間位置，9甲板冷庫、第二主豎區兩舷房間和第一主豎區高級船員住艙超標。

圖2 9甲板第一輪振動數值計算結果云圖

3.2 基于數值計算的振動控制

通過分析結論，得出大梁高度降低的區域，振動問題比較突出，典型如9甲第四主豎區空調器室頂部，8甲廚房頂部，5甲尾部裝高車區域；立柱對減小振動有一定的效果，典型如8甲板和9甲板第一主豎區，立柱范圍內均有效降低了振動水平。

組織船廠、設計院、船檢一起討論、研究解決方案；修改方案以增加甲板板架剛度為主，在部分區域增加局部艙壁、立柱和縱桁，兼顧減振要求和實際放樣可行性。

通過二次振動評估結果，大部分區域的振動幅值得到了顯著降低，僅8、9甲板在第一主豎區有個別住艙幅值偏大。在核查模型后進行了修改，并將第二輪發現的部分超標艙室進行了修改，增加了局部縱桁。并進行了第三次振動評估，評估結果滿足要求。本船經試航振動實測，振動測量結果均在COMF(VIB 2)舒適性衡準限值內。

圖3 9甲板第三輪振動數值計算結果云圖

3.3 噪聲數值計算的結論

基于提供的設備噪聲數據和隔聲設計方案，主要艙室內的噪聲預報值可以滿足CCS船級符號COMF(NOISE 2)的要求。

3.4 基于數值計算的噪聲控制

表2 典型位置噪聲計算值與實測值對比

組織船廠、船級社和設計院在召開噪聲專題討論會，就噪聲計算報告中的材料屬性、安裝節點要求、等效措施等進行了溝通和澄清。

主要結論如下：7甲板尾部部分艙室需采取浮動地板，以達到規范要求，船廠提供與振動噪聲報告中等效的節點形式，得到船級社的確認，可滿足規范要求；并對部分設備安裝和工藝節點提出了要求，如排氣管彈性安裝，內裝板與振動較大的鋼圍蔽之間的彈性連接等，船廠確認將在施工時注意；對于部分船廠擬采用的等效節點，如7甲板尾部浮動地板、集控室地板，經與船級社確認，船廠的方案可以達到相似的降噪效果。本船試航噪聲實測結果滿足CCS 附加標志COMF(NOISE 2)的要求。

4 結論

本文介紹了客滾船在不同設計建造階段控制振動和噪聲的措施。同時，簡述了基于經驗和數據庫的早期振動和噪聲預報以及基于數值計算的振動和噪聲預報對客滾船振動和噪聲控制的作用。旨在為業界內客滾船的振動和噪聲控制提供一些合理建議。

[1] 中國船級社. 鋼質海船入級規范[M]. 北京: 中國人民交通出版社, 2016.

[2] 中國船級社. 船上振動控制指南[M]. 北京: 中國人民交通出版社, 2012.

[3] 中國船級社. 船舶及產品噪聲控制與檢測指南[M]. 北京: 中國人民交通出版社, 2013.

[4] 船舶工業集團總公司. 船舶設計實用手冊[M]. 北京: 國防工業出版社, 2013．

Forecast-based analysis of vibration and noise control measures for Ro-Ro passenger ship

Tangjianwei1；Xuchang2

（1. COSCO Ship(Qingdao) Co., Ltd., Qingdao 266071, China; 2. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200001, China)

U664

A

1003-4862（2022）07-0011-05

2021-09-26

唐建偉（1975-），男，碩士，輪機長/工程師。研究方向：新造船監造及技術應用。E-mail:tang.jianwei@coscoshipping.com