船舶艙室振動噪聲預(yù)報研究進(jìn)展與趨勢

邱鵬，李國誠

（武警海警學(xué)院機(jī)電管理系,浙江 寧波 315801）

隨著現(xiàn)代生活水平的提高，人們對船舶的舒適性能的要求越來越高，并且能夠采用相關(guān)技術(shù)和裝備改善傳統(tǒng)的船舶艙室振動噪聲的弊端[1]。船舶艙室振動噪聲的危害主要有以下幾個方面：①會對聽力產(chǎn)生損傷。特別是機(jī)艙的工作人員，由于柴油機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)，會帶來劇烈的振動噪聲；②會對交談產(chǎn)生干擾。特別是船舶機(jī)艙噪聲級要遠(yuǎn)大于語言聲級時，帶來很大的交談困擾；③會對居住性產(chǎn)生一定的干擾。在艙室休息的人員，會受到船舶航行時發(fā)出的振動噪聲的影響，都會有睡眠質(zhì)量差的困擾，影響次日的精神狀態(tài)[2]；④會對生理有一定的影響。振動噪聲的長時間的刺激存在會讓腦皮層的興奮和抑制產(chǎn)生平衡的失調(diào)，帶來的是條件反射的異常，人的腦血管功能也會紊亂，從而產(chǎn)生神經(jīng)衰弱綜合癥等等，同時也會引起心率加快，血壓升高等不良反應(yīng)[4]；⑤會對故障警報聲帶來誤判。船舶的較大的振動會造成機(jī)器設(shè)備的共振等，進(jìn)而引發(fā)精密儀器的損壞，同時振動噪聲會掩蓋機(jī)器故障的警報聲，從而引發(fā)一些后續(xù)的安全事故等；⑥會對船舶隱蔽性能有較大的影響。當(dāng)前水下潛艇、潛航器、魚雷以及軍艦等，都對隱蔽性能要求較高，但是船舶振動噪聲的影響一直沒有得到本質(zhì)改善，嚴(yán)重影響了軍隊作戰(zhàn)能力和任務(wù)的執(zhí)行等。由此可見，船舶的振動噪聲會對船上人員、船舶本身以及任務(wù)執(zhí)行等都會產(chǎn)生巨大的危害和影響，因此有必要對船舶振動噪聲的相關(guān)問題展開研究。

1 振動噪聲來源

當(dāng)前，船舶的主要振動噪聲主要歸納為以下幾個來源：一是船舶推進(jìn)系統(tǒng)帶來的振動噪聲，二是各類機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)帶來的噪聲，三是水動力噪聲以及電磁性噪聲等。其中，推進(jìn)系統(tǒng)的重點噪聲是螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)時發(fā)出的噪聲，機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲包括有柴油機(jī)、齒輪、軸承以及泵組等噪聲，水動力噪聲依據(jù)是否有結(jié)構(gòu)振動區(qū)的存在，又分為流噪聲和流激噪聲，當(dāng)船舶的航行速度達(dá)到一定值時，就會在船體局部表面附近發(fā)生空化現(xiàn)象，帶來空泡的噪聲。電磁噪聲是指交變磁場的相互作用，產(chǎn)生周期性的交變力所引起的磁振動帶來的噪聲，如：變電器、發(fā)電機(jī)組等產(chǎn)生的噪聲。柴油機(jī)和螺旋槳又是船舶振動噪聲中占據(jù)比例最大的，柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，會帶來劇烈的自身振動和軸系的振動，并隨著船用柴油機(jī)增壓度的提高，所帶來的噪聲也是越來越大，同時高速船舶的螺旋槳也會隨著轉(zhuǎn)速的提高，引發(fā)較大的軸系振動噪聲和水動力噪聲[3]。

2 預(yù)報方法

（1）振動預(yù)報方法。在計算船舶振動時，要先預(yù)報船舶振動激勵值，船舶振動激勵值的預(yù)報方法主要有現(xiàn)場試驗測量法、理論方法以及經(jīng)驗預(yù)報法等，其中現(xiàn)場試驗測量法，能夠測量結(jié)果可靠，但是試驗成本高，操作步驟復(fù)雜，理論方法一方面忽略了粘性流的作用，另一方面又因為復(fù)雜的計算量不太適用于工程計算。基于經(jīng)驗公式的方法就顯得十分便利，特別在螺旋槳的激勵值預(yù)報中受到了廣泛的青睞，在船舶的設(shè)計階段，大部分是基于經(jīng)驗公式的方法開展激勵的評估，該方法的特點是簡單方便，效率高，評估精確度誤差在工程要求范圍之內(nèi)。再通過有限元方法，借助MSC.Patran 軟件平臺建立了船舶的有限元模型，輸入激勵值，在分別加載垂向與水平不同階次的附連水以后，將系統(tǒng)質(zhì)量陣與剛度陣提交至Nastran 軟件，采用Lanczos 計算方法評估船舶的水平振動與垂向振動模態(tài)特性全船模型，展開船舶振動評估[4]。

（2）噪聲預(yù)報方法。主要分為經(jīng)驗公式方法，有限元法，邊界元法等以及現(xiàn)場測量方法等，其中經(jīng)驗公式法可參考《船舶噪聲控制》[5]書中提及的方法，該類方法主要是針對某一類船舶而言具有一定的可靠性，對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜或者不常見類型船舶就缺乏預(yù)報準(zhǔn)確度。目前，借助采用有限元法進(jìn)行噪聲預(yù)報比較常見，建立全船聲學(xué)預(yù)報模型，輸入噪聲激勵，確定SEA 參數(shù)，借助VA One 聲學(xué)軟件進(jìn)行噪聲評估，該方法能夠較好地分析噪聲場的分布，同時可進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。邊界元法則是以有限元法為基礎(chǔ)，通Helmholtz 方程推算為邊界積分方程而來。邊界元法對有限元法的不足進(jìn)行了妥善的處理，在計算船舶艙室噪聲時所必需的工作量方面有了明顯的減少，降低了成本。現(xiàn)場測量法可采用當(dāng)下的聲學(xué)探頭將噪聲進(jìn)行現(xiàn)場測量[6]，通過信號轉(zhuǎn)換器進(jìn)行聲量的收集和分析，該方法操作簡單，測量結(jié)果也有一定的可靠性。

3 控制措施

船舶艙室振動噪聲的控制方法種類較多，從控制艙室噪聲的位置上可分為：振動噪聲源控制、傳播控制和接收控制等[7]。

（1）振動噪聲源控制。例如，在船舶詳細(xì)設(shè)計時要避免共振現(xiàn)象，其次船舶機(jī)器振動帶來的噪聲影響較大，可在建造時添加緩沖基座、裝置隔振器等，可在螺旋槳設(shè)計時也要充分考慮脈動壓力、空泡等影響，可選擇振動和噪聲級較低的主機(jī)和輔機(jī)等，減少振動來源。

（2）傳播控制。實踐中，通過一定的吸聲材料進(jìn)行噪聲控制，在目前的船舶中，一般是采用多孔的吸聲材料進(jìn)行聲音的傳播控制，當(dāng)下常用的材料為顆粒型，纖維型、泡沫型等，也可在氣流通過的地區(qū)加裝消聲器等達(dá)到降噪的作用。

（3）接收控制。噪聲的接收者主要分為物和人，一般物可放在具有隔音效果的房間中，避免噪聲沖擊和振動帶來的精密儀器設(shè)備的不可挽回的損壞等，人可采用耳塞或者防聲頭盔等屏蔽聲音的輸入[8]。

4 未來趨勢

隨著科技和裝備的快速發(fā)展，當(dāng)前對于船舶振動噪聲的控制以及船舶隱蔽性的要求都能得到很大的改善。船舶柴油機(jī)和螺旋槳運(yùn)轉(zhuǎn)帶來的艙室噪聲還是主要來源，占據(jù)了很大的比例，無軸集成電機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的出現(xiàn)，較好地避免了傳統(tǒng)的振動噪聲的出現(xiàn)和發(fā)展，并且已經(jīng)成功應(yīng)用在了現(xiàn)代船舶推進(jìn)中，該推進(jìn)系統(tǒng)中無軸推進(jìn)的設(shè)計將電流驅(qū)動取代了軸系系統(tǒng)帶來的振動，用電力推進(jìn)替換了傳統(tǒng)的柴油機(jī)動力系統(tǒng)，在船舶隱蔽性以及居住性能的改善方面都取得了一定的成就，并且該無軸集成電機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)已經(jīng)引起了國內(nèi)外眾多學(xué)者的研究興趣，也成功研制了一些樣機(jī)，隨著今后科技的進(jìn)步，會得到更充沛的發(fā)展，并有效改善現(xiàn)有的船舶噪聲的弊端和危害[9]。

5 總結(jié)

船舶艙室振動與噪聲對于船體結(jié)構(gòu)安全、艙室舒適性能、設(shè)備使用性能以及隱蔽性能都有一定的影響和危害。論文總結(jié)了振動噪聲的危害、來源、預(yù)報方法以及相關(guān)的控制措施，并討論了船舶振動噪聲的后續(xù)綠色健康發(fā)展的趨勢，所作船舶振動噪聲領(lǐng)域的深入研究具有十分重要的意義。