豪華郵船洗衣房噪聲源測量與艙室噪聲分析

沈奕成，夏利娟*，謝晨曦

(上海交通大學 a.海洋工程國家重點實驗室; b.高新船舶與深海開發裝備協同創新中心，上海 200240)

0 引 言

隨著近年來中國經濟的快速增長，中國旅游業的發展正在邁入新階段，其中郵船業的需求日漸旺盛。國際郵船協會(CLIA)《2019年國際郵船旅游業對全球經濟貢獻報告》[1]顯示，2019年中國郵船旅客數量達192萬人，位居世界第四。

豪華郵船與常規船舶的設計存在較大差異，在舒適性方面更加關注振動噪聲控制[2]。郵船噪聲會對船員和乘客的工作和居住環境產生較大影響，甚至危害身心健康，因此世界各大船級社針對郵船不同區域的噪聲限值均頒布較為嚴格的規范。豪華郵船的噪聲源種類繁多，除主機和風機等噪聲源外，還有大量服務處所與機器處所例如冷庫、廚房、洗衣房和垃圾處理間的機器設備噪聲源，以及大量隨機噪聲等。服務處所通常與居住區域接近，其振動噪聲會傳遞至附近艙室，容易對船員及乘客產生較大影響。

目前，國內對于豪華郵船噪聲源的研究還處于起步階段，尚未有文獻針對豪華郵船服務處所噪聲源進行測量分析，同時也鮮有研究將服務處所噪聲源作為對豪華郵船艙室噪聲預報的輸入。因此，開展針對豪華郵船服務處所噪聲源的研究及其艙室噪聲的分析與控制十分必要。

以豪華郵船洗衣房主要噪聲源為例，提出一種對豪華郵船服務處所穩態噪聲源進行聲功率測量與艙室噪聲分析的方法，建立豪華郵船服務處所穩態噪聲源對艙室噪聲水平影響的評估流程。

1 聲強測量法基本原理

噪聲測量可為噪聲控制分析與控制措施的評價提供數據支撐，其中噪聲源測量是噪聲測量的重要一環，噪聲測量包括噪聲強度及其特性測量[3]。噪聲強度一般是指噪聲源的聲壓級及聲功率級，噪聲源特性一般是指該噪聲源發出噪聲的時間分布與空間分布，用于對設備噪聲源的識別與定位。使用聲壓級描述噪聲源強度是不全面的，聲壓級測量結果只能描述測點位置與當前所處聲學環境下的聲波輻射特性，但聲功率是聲源在單位時間內向外輻射的聲能，為獨立于環境的客觀量，因此在評價噪聲輻射水平時需要測量噪聲源的聲功率。

聲功率的測量方法主要包括聲壓法、聲強法和振速法。聲壓法測量聲功率的條件較為苛刻，需要在混響室或消聲室中進行測量，對儀器設備的外形尺寸與安裝條件有限制，需要布置較多傳聲器。然而豪華郵船的大型設備難以進入混響室或消聲室測量，成本較高且安裝條件及尺寸不允許。振速法一般用于背景噪聲過大或設備尺寸較大的情況。聲強法則對于測試環境的要求相對較低，可在周圍環境較復雜及有非測定聲源的情況下使用，因此在豪華郵船噪聲源聲功率的測定中選擇使用聲強法。

掃描聲強法[4]使用1個聲強探頭沿1條或以上的規定路線連續移動，對垂直于測量面的聲強進行采樣，在計算各個面元局部聲功率后得到噪聲源整體聲功率級。

聲強為通過垂直于聲傳播方向的單位面積上的平均聲能量流[5]，在聲場中某點的瞬時聲強為矢量，等于該點瞬時聲壓與瞬時速度的積，在穩態聲場中瞬時聲強在一定時間內的平均值即為聲強I，計算公式如下：

(1)

式中：T為采樣時間；I(t)為瞬時聲強；t為時間；p(t)為瞬時聲壓；u(t)為瞬時質點速度。

聲強計測量原理一般分為將傳聲器與檢測質點速度的傳感器結合的p-u法和同時使用2個傳聲器的p-p法，其中p-p法較為常用。p-p法原理如圖1所示，其中：2個傳聲器相對布置；Δd為間距；p1和p2為傳聲器1和傳聲器2所測得的聲壓。

圖1 p-p法原理示例

當聲波沿傳聲器軸向傳播時，聲壓p1和p2之間存在聲壓梯度[6]：

(2)

(3)

式(2)和式(3)中：p為聲壓；x為距離；ρ0為介質密度；u為質點振速。

當2個傳聲器間距Δd遠小于波長λ時，?p(t)/?x可近似改寫為p1(t)-p2(t)/Δd，同時2個傳聲器中點的聲壓可認為是p1(t)與p2(t)的平均值，因此p-p法測得聲強為

(4)

聲強法測算聲功率需要假定一個包絡待測噪聲源的測量面，在此測量面內除待測噪聲源外，無其余聲源，通常使用半球面或六面體面作為待測噪聲源的測量面[7]。因此，由聲強法測算得到的聲功率W[8]表示為

W=?SIn(x,y)ds

(5)

式中：S為測量面；In(x,y)為坐標點(x,y)處法向聲強；s為二次積分中微分部分。

(6)

式中：In(x,y,z)為坐標點(x,y)處瞬時聲強，即為聲強探頭實測值。

2 聲強法測試

2.1 測試環境、儀器與待測設備

測試位于噪聲源設備生產測試車間。聲強探頭為丹麥GRAS公司50GI型聲強探頭；數據采集器由NI 公司的9231型C系列聲振輸入模塊與9171型緊湊型數據采集器機箱組成；信號采集和儲存分析使用SignalPad測控軟件。

相關文獻與設備廠家實地調研結果表明，洗衣房主要振動噪聲源為洗脫機與烘干機，因此主要將某型全自動工業洗脫機與某型工業烘干機作為測量研究對象，額定容量均為50 kg。

2.2 掃描相關參數

常見的家用/工業洗滌設備多為形狀規則的六面體設備，且由于進出水管道布置要求，一般安裝于貼近磚石結構墻的位置，其背面靠近墻體反射面可不予測量，因此選擇將設備正、左、右、上共4面作為測量面。以工業洗脫機為例，測量面劃分如圖2所示，并將洗脫機的每個測量面劃分為2×2的網格，每個網格掃描時間為20 s；測量頻帶為1/3倍頻程50～6 300 Hz；聲強探頭掃描路徑為Z字形，該路徑在收斂速度上優于ISO 9614-2推薦的方形及直線加圓弧的掃描路徑[8]，掃描路徑如圖3所示。

圖2 待測設備測量面示例

圖3 掃描路徑示例

2.3 測試結果與聲功率計算

在掃描后得到設備各測量面的聲強級，后續計算轉換為噪聲源整體聲功率。工業洗脫機典型工況主要分為水洗過程與高速脫水過程，2個過程中的聲功率級頻譜圖如圖4所示。工業烘干機輻射聲功率級頻譜圖如圖5所示。噪聲源總體輻射聲功率級結果如表1所示。

表1 噪聲源總體輻射聲功率級計算結果 dB(A)

由圖4可知：洗脫機高速脫水過程中的空氣輻射噪聲顯著高于水洗過程，這與常識及主觀感受一致；水洗過程中的噪聲峰值位于400～800 Hz的中頻帶；高速脫水過程中的噪聲峰值位于2 000～3 150 Hz的中高頻帶。由圖5可知：烘干機噪聲峰值位于中心頻率為800 Hz的頻帶，噪聲主要成分為中高頻噪聲。

圖4 工業洗脫機聲功率級頻譜圖

圖5 工業烘干機聲功率級頻譜圖

國內與工業洗滌設備相關的規范并未設定噪聲限值，但根據GB 19606—2004《家用和類似用途電器噪聲限值》[9]，家用洗衣機的脫水噪聲聲功率級限值為72 dB(A)，顯然相較于家用洗衣機，工業洗脫機在高速脫水過程中的噪聲較大，同時豪華郵船洗衣房日處理量較大，主洗衣房通常集中設置多臺工業設備，噪聲較大。洗衣房通常安排在居住區域附近，其噪聲傳遞至附近艙室，會影響船員與乘客的工作和居住體驗，因此有必要研究豪華郵船主洗衣房噪聲源對艙室噪聲的影響。

3 艙室噪聲預報計算

3.1 統計能量分析原理

統計能量分析(Statistical Energy Analysis，SEA)主要應用于航空航天、船舶和車輛等交通運輸工具的復雜系統動力響應。SEA使用統計模態概念，將振動能量作為描述振動的基本參數，根據振動波與模態間的內在聯系，建立分析聲場和結構的耦合動力學方程，適用于分析含有高頻和高模態密度的復雜系統。

統計是指研究對象是由隨機變量組成的統計總體，其結果并非為模型某一部位的精確動力響應，而是統計意義上某一子系統空間的平均動力學響應[10]；能量是指研究對象子系統間的耦合作用使用能量方程描述，通過聯立求解所有子系統的能量方程組，得到各系統的頻域能量響應結果，再轉換為聲壓級與振動加速度的預報值。

SEA法主要參數如下：

(1)外界輸入功率

外界輸入功率為振動噪聲源對子系統的激勵輸入，主要包括各類機械設備形成的振動噪聲等，通常使用1/3倍頻程進行外界輸入功率的試驗測量或理論計算。

(2)模態密度

模態密度用于描述系統存儲能量能力大小，為子系統在帶寬范圍內Δf的模態數N：在N≤1時，定義為低頻區；在1

(3)內損耗因子

內損耗因子描述子系統阻尼損耗特性，為子系統在單位頻率內單位時間損耗的能量與平均儲存能量之比。

(4)耦合損耗因子

耦合損耗因子為功耗從子系統i至子系統j的一種測量，表示2個子系統間的耦合作用大小，類比于熱力學中的熱傳導系數，分為結構與結構間、聲場與聲場間和結構與聲場間的耦合。

對于N個子系統組成的復雜結構系統，其能量平衡方程可寫成如下形式[11]：

(7)

式中：ω為分析頻率；ηi為內損耗因子；ni為模態密度；ηij為耦合損耗因子；Ei為子系統能量；Pi為外界輸入能量；i為子系統編號，i=1，2，3，…，N。SEA在定義上述參數后，可根據能量平衡方程求出各子系統能量，進一步求出各項聲學參數。

3.2 艙室預報模型

使用聲振分析軟件VA One進行豪華郵船艙室噪聲預報。研究對象為大型豪華郵船AIDA ASIA號，該船主要參數如表2所示。

表2 豪華郵船主要參數

為反映洗衣房噪聲的傳播過程，同時提高計算效率，在試算后將艙室模型范圍確定為沿型深方向從雙層底至DECK 3，沿船長方向從FR224橫艙壁至FR280橫艙壁，沿型寬方向為左舷外板至右舷外板，模型如圖6所示，其中：主洗衣房艙室范圍為DECK B至DECK A、FR248至FR264、左舷至右舷。使用有限元分析軟件Patran建立艙室有限元模型，在建模時將部分小尺度艙室與附近結構合并，進行必要的簡化，而后導入VA One劃分子系統，建立統計能量模型。艙室噪聲預報模型共計292個加筋板子系統、43個聲腔子系統，使用半無限長流體模擬舷外水質量對船體的影響，與濕表面子系統相連。根據SEA方法原理，子系統在單一頻帶下需要滿足模態數N≥5的要求，因此在計算模態數后，將計算頻帶劃分為1/3倍頻程下125～8 000 Hz。

圖6 艙室噪聲預報模型

根據該型豪華郵船艙室布置，主洗衣房內部設置4臺工業洗脫機與4臺工業烘干機，考慮噪聲最大的情況，以所有設備開啟、工業洗脫機均處于高速脫水狀態作為計算工況，將第2節的噪聲源1/3倍頻程下聲功率級加載于主洗衣房聲腔子系統。

3.3 艙室噪聲預報結果

艙室噪聲預報結果如圖7所示。由于水中的參考聲壓與空氣中的參考聲壓不同，且噪聲預報不關注液艙噪聲水平，因此在云圖中隱藏液艙聲腔子系統。由于在模型中其余與主洗衣房較遠的艙室噪聲水平較低，因此僅列出主洗衣房及相鄰艙室聲壓級，如表3所示。

圖7 艙室噪聲預報結果

表3 主洗衣房及其相鄰艙室聲壓級 dB(A)

由表3可知：在主洗衣房單一艙室噪聲源的影響下，主洗衣房及其周圍艙室聲壓值均未超過中國船級社(CCS)《鋼質海船入級規范》[12]噪聲限值。但主洗衣房自身艙室及其相連走廊噪聲較大，主洗衣房聲壓級達62.97 dB(A)，船員長時間在內工作對身體會有一定程度損傷，同時與噪聲上限值接近，因此同樣需要對艙室噪聲進行控制。

3.4 內裝材料對艙室噪聲影響

豪華郵船需要在船體結構上敷設內裝材料，一般分為結構材料與絕緣材料，可在一定程度上改善船體結構的吸聲能力，影響艙室噪聲的聲壓級水平。豪華郵船內裝材料敷設如圖8所示。VA One中的內裝材料模擬通過Noise Control Treatment實現。結合AIDA ASIA號的實際情況，確定艙室內裝材料如表4所示，其中：Layer 1～Layer 5多層材料從鋼結構側至艙室聲腔流體側按順序布置，Layer 1為絕緣材料，Layer 3～Layer 5為內裝艙壁或天花板結構各層材料。浮動地板敷設于各層甲板上方，防火艙壁與防火天花板敷設于具有防火分隔要求的艙室內，除液艙等部分艙室外，其余艙室布置隔聲艙壁與隔聲天花板。添加內裝材料的艙室噪聲預報結果如圖9和表5所示。由表5可知：豪華郵船內裝材料對噪聲的吸收與阻隔效果明顯，與表3未添加內裝材料的艙室噪聲相比，主洗衣房聲壓級降低6.15 dB(A)，上層船員艙室聲壓級降低均達12 dB(A)以上。

圖8 豪華郵船內裝材料敷設示例

表4 艙室內裝材料

圖9 添加內裝材料后艙室噪聲預報結果

表5 添加內裝材料的主洗衣房及其相鄰艙室聲壓級 dB(A)

分析噪聲傳播機理，船舶艙室噪聲控制較有效的方法是從噪聲源及其所處位置入手[13]。如圖10所示：在無內裝情況下，主洗衣房艙室噪聲主要位于800～5 000 Hz頻帶內，但在添加內裝材料后，個別頻帶吸聲最高可達15 dB(A)，吸聲效果明顯，主洗衣房中高頻噪聲得到有效改善。

圖10 主洗衣房聲壓級頻譜圖

4 結 論

以豪華郵船主洗衣房主要振動噪聲源為例，使用掃描聲強法確定工業洗脫機與烘干機聲功率，建立SEA模型，對局部艙室噪聲進行預報分析，并研究郵船內裝材料對艙室噪聲的控制作用，結論如下：

(1)使用掃描聲強法確定豪華郵船服務處所噪聲源聲功率，快速有效，可在不受場地限制的情況下對穩態噪聲源進行測量分析。測量結果表明，豪華郵船主洗衣房噪聲源輻射噪聲較大，尤其是洗脫機在高速脫水過程中，船員長期工作身心健康易受影響。

(2)艙室噪聲預報結果顯示，主洗衣房聲壓級為62.97 dB(A)，已接近上限值，同時其周圍艙室噪聲較大，尤其是同層甲板的相鄰艙室；典型的豪華郵船內裝材料對主洗衣房設備產生的噪聲控制效果較為明顯，不僅相鄰艙室噪聲水平下降較大，而且主洗衣房艙室內部較高的中高頻噪聲可得到有效吸收。

(3)完整闡述對豪華郵船服務處所穩態噪聲源進行測量分析的流程，可為其余服務處所穩態噪聲源的研究提供參考。