论船舶噪声及控制.doc

论船舶噪声的控制提要 船舶噪声对人体和环境的污染和危害已经得到世界各国和相关组织日益广泛的关注。船舶噪声的污染源主要是由于船舶动力装置及其它辅助装置自身振动及吸排气引起的。介绍了船舶的噪声源，以及传播的途径，提出应采取通过声源控制来降低船舶噪声级。前言如今，噪声污染已经成为与空气污染和水污染并列的世界三大主要污染之一，它日益成为人们普遍关心的问题。船舶环境，尤其机舱环境就存在较为严重的噪声污问题，对船员的身体、生活、休息和工作都存在很大的影响，甚至会产生心理和生上的疾病；过强的噪声还会使船上的一些精密仪器设备工作不正常、精度降低、使用寿命缩短。1970年国际劳工组织(ILO)在日内瓦召开的海事特别会议上通过了“关于船员、设备工作区有害噪声规定的建议”，建议各国政府制定限制船舶噪声的规则。目前一些造船和航运国家都制定了船舶噪声标准，作为船舶特殊环境下的健康保护标准。1船舶噪声概述1.1船舶噪声的度量描述噪声可采用两种方法：一是对噪声进行客观量度，即将噪声作为物理扰动，用描述声波客观特性的物理量来反映；二是对噪声进行主观评价，因为噪声涉及人耳的听觉特性，根据听者感觉的刺激来描述。 噪声的客观度量用声压、声强和声功率等物理量表示。声压和声强反映了声场中声的强弱，声功率反映了声源辐射噪声的大小。声压、声强和声功率等物理量的变化范围非常大，可以在六个数量级以上，同时由于人体听觉对声信号强弱刺激的反应不是线性的，而是成对数比例关系，所以实际应用中采用对数标度，以分贝（dB）为单位，即分别为声压级、声强级和声功率级等无量纲的量来度量噪声。 级是物理量相对比值的对数。分贝是级的一种无量纲单位。对于声强、声功率等反映功率和能量的物理量，分贝数等于两个量比值的常用对数乘以10 。如两个声功率值分别为 W1 和 W2 ，则分贝数为 n=101g(W1/W2)。对于声压、质点振动速度等描述声场、电磁场等的物理量，分贝数等于两个量比值的常用对数乘以 20 。当两个声压值分别为 P1 和 P2 时，声压级为 n=201g(P1/P2)。采用级进行噪声计量，可以使数值变化缩小到适当范围，与人耳的感觉接近。 1.1.1声压、声压级 由于声波的存在而产生的压力增值即为声压，单位是帕（Pa）。长期沿用的微巴（bar）也是声压单位，两者关系为 1 帕 =10 微巴。声波在空气中传播时形成压缩和稀疏交替变化，所以压力增值是正负交替变化的。但通常所讲的声压是取均方根值，叫有效声压，故实际上总是正值。 表一 声压和相应的声压级1.1.2声功率、声功率级 声功率是指单位时间内声波通过垂直于传播方向某指定面积的声能量。在噪声检测中，声功率是指声源总声功率，单位是“瓦”，记作 W。 【1】奚旦立.噪声监测系统.环境监测卷(环境工程手册) 1998:176-179(7-4) 1.1.3响度级根据人耳的听觉特性人耳感觉到的声音轻响程度并不仅仅取决于声压级的大小而是声压级与频率的综合结果通常声压级相同而频率不同的声音人听起来往往是不一样的同一声压级的高频声人听起来比低频声响所以在表征一个声音的大小或者研究噪声标准时还必须考虑声音的频率特性为此在声学中又引出一个所谓响度级LL的概念响度级是表征声音响度大小的相对量单位为phon2船舶噪声源船舶的动力机械和辅助机械在运行时发出的令人不舒适的声音。船舶噪声关系到行船的安全，例如船桥上噪声级过高会影响指挥，声呐导流罩内噪声过高会严重影响声呐设备的正常工作并干扰声呐对水下目标（暗礁、沉船、潜艇等）的探测。动力装置的噪声主要包括主机、柴油发电机组、齿轮箱及主辅机的排气管产生的噪声。它是船上最强的噪声源，该噪声的强弱决定了柴油机船的噪声级。它既有进排气系统空气动力噪声，又有运动部件的撞击和主机本身不平衡而产生振动所造成的机械噪声。它是船上最强的噪声源，该噪声的强弱决定了柴油机船的噪声级。2.1动力装置的噪声2.1.1空气动力噪声2.1.1.1由主机进气流动产生的噪声例如功率为5000Kw、燃油消耗率为2009(Kwh)的柴油机，当其过量空气系数为2时，每秒所需空气量约为8Kg，在标准状况下为62m3S，如果进气管直径为035m，则其平均流速可达64ms，再考虑到各缸的进气必然存在间断性和不均匀性，于是在进气管中就会出现空气动力噪声并向四周传播，形成空气动力噪声场。2.1.1.2排气噪声排气噪声主要有排气压力脉动噪声、气流通过气阀等处发生的涡流声、由于边界层气流扰动发生的噪声和排气出口喷流噪声。在多缸柴油机排气噪声的频谱分析中，低频处有一明显的噪声峰值，即低频噪声。这是由于柴油机每一缸气阀开启时，缸内燃气突然高速喷出，气流冲击到排气阀后面的气体上，使其产生压力巨变而形成压力波，从而激发噪声。由于各缸排气阀是在指定的相位上周期性进行，因而这是一种周期性的噪声。柴油机的排气管中还存在气柱的共振噪声，气流喷射噪声、气流与气道壁形成涡流噪声也包含多种频率成分，一旦与共振频率吻合便会激发噪声。另外排气系统中气体的共振在主机与烟囱之间的排气管中形成强烈的压力脉动(驻波)，除了引起涡轮鼓风机和排气管系统的振动外，还可在船舶烟囱附近产生振动，在这种情况下，人们会感到噪声如一种遍布全身的“压力”。在桥楼产生高噪声级的噪声源，最常见的就是这种排气噪声。2.1.1.3来自增压器气流的噪声对废气涡轮增压器来讲，空气与压气机叶片之间的相对速度很大，在叶片附近必然会出现大量涡流，在形成强烈而尖厉的振动而发出噪声。2.1.2柴油机的燃烧噪声柴油机的燃油喷人缸内发火燃烧的初期(相当于速燃期)，缸内压力上升速度非常快，形成很高的压力波动由火焰中心向四周传播，形成燃烧噪声场。柴油机在较高负荷区工作时发出的低沉噪声就是它产生的，但由于缸套的隔离，噪声级并不太高。该压力波传至缸套时还将引起缸套振动而伴发噪声，但已属于机械噪声。2.1.3金属撞击和摩擦噪声柴油机的配气机构之间、气阀和阀座之间、高压油泵的滚轮和柱塞之间、喷油器的针阀和针阀体之间、活塞金属撞击和摩擦噪声，这些噪声大都属于高频域。当气阀间隙偏大或凸轮形状磨损较多时，噪声级也可达到较高的程度。2.2螺旋桨噪声主要有旋转噪声和空化噪声（当桨叶表面的水分子压力降低到水的汽化压力以下时，产生汽泡，汽泡上升后破裂）。旋转噪声是螺旋桨在不均匀流场中工作引起干扰力（其频率主要决定于桨轴转速乘桨叶数，常称为叶频）和螺旋桨的机械不平衡引起的干扰力（其频率为桨轴转速，常称为轴频）所产生的噪声。螺旋桨出现空化现象以后，船舶水下噪声主要决定于螺旋桨噪声。出现空化时的航速称为临界航速。空化噪声具有连续谱的特征，空化噪声特性与桨叶片形状、桨叶面积、叶距分布等因素有关。在一定转速下，随着螺旋桨叶片旋转产生的涡旋的频率与桨叶固有频率相近时，产生桨鸣。2.3水动力噪声主要是由于高速海流的不规则起伏作用于船体，激起船体的局部振动并向周围媒质（空气、水）辐射的噪声。此外，还有船下附着的空气泡撞击声呐导流罩，湍流中变化的压力引起壳板振动所辐射的噪声（声呐导流罩内的噪声一部分就是因此产生的）等等。2.4辅助机械噪声辅助机械一般功率较小，噪声的强度相对说来也较低。辅助机械包括各种舱室机械如水泵、油泵、风机、锅炉等，甲板机械如货物装卸设备、锚绞设备以及各种挖泥机等工作机构等。锅炉噪声主要在燃烧室附近较明显，自然通风时空气卷入火焰及可燃物小团粒随机爆裂；人工通风时通风机是主要的噪声源。液压系统的噪声，可来自液体动力引起的冲击力、脉动、气穴声和机械振动及管道、油箱的共呜声等。空调通风系统也是船舶舱室主要噪声源之一。但是，如果泵和风机等设备安装在临近驾驶室或客舱附近而不采取防噪措施，也容易造成严重的噪声干扰。3船舶噪声控制任何声学系统的主要环节是声源、传输途经和受者。它们之间既有正作用，也有反作用。例如一个机器装在屋角，声功率输出就会加大；一个报告人面对听者增多时就会自动提高嗓门等等。因此，情况比较复杂。控制噪声就应当从声源控制、途径控制和受者保护三方面着手。具体采取哪一种或哪几种措施，则应从经济、技术及满足要求等方面综合考虑决定。3.1声源控制噪声 声源控制噪声是噪声控制中最根本和最有效的手段，研究发声机理、限制噪声的发生成了近年来最受重视的问题。例如改进机器的动平衡，隔离声源的振动部分，使用阻尼材料，改进润滑或改变共振频率，破坏共振等，对气流噪声和撞击噪声的研究，近年也颇有进展。3.2传输途径控制传输途径中的控制是最常用的办法，因为一旦机器设计制造和安装完毕，再从生源上控制噪声就受到限制，在传输途径中却容易实现例如隔声、隔振、吸声等都是有效措施，可以起到事后补救的作用。在工厂设计及船舶上层建筑布置中，合理布置可对降低噪声干扰起到重要作用，船舶居住舱室应与机舱等噪声源尽量隔离。使用机罩、消声器等从接近声源处降低噪声，用不同材料使传输途径不连续以控制结构噪声等，都是行之有效的好办法。目前对空气噪声一般采取消声、隔声和吸声处理；而对结构噪声的主要隔声措施是减振、隔振等。3.2.1吸声处理 利用吸声材料和吸声结构来降低室内噪声的降噪技术称为吸声。材料的吸声性能常用吸声系数表示，它是指声波入射到材料表面时，被材料吸收的声能与入射声能之比，用a表示。一般材料的吸声系数在0.01一100之间。只有当吸声系数a0.2的材料才能称为吸声材料。 多孔吸声材料的吸声效果最好，被普遍采用，它分纤维型、泡沫型和颗粒型三种，纤维型多孔吸声材料有玻璃纤维、矿渣棉、毛毡、甘蔗纤维、木丝板等。泡沫型吸声材料有聚氨基甲酯酸泡沫塑料。颗粒型吸声材料有膨胀珍珠岩和微引，吸声砖等。应当注意，吸声材料只吸收反射声，而对声源直接发出的直达声是毫无吸声效果的，因此，当原来房间的吸声效能较高时，如果还用吸声处理来降噪、就不会达到预期的的效果。吸声处理的方法只是在房间不大或原来吸声效果较差的场合才能发挥其减噪作用。3.2.2隔声处理 利用墙板、门窗、隔声罩等隔声构件将噪声源与受者分隔开来，使噪声在传播途径中受阻以减弱噪声的传递，这种方法称作隔声。它是有效而又应用十分广泛的办法。按噪声传递方式可分为空气传声(简称空气声)和固体传声(简称固体声)或结构传声两种。空气声指声源直接激发空气振动而产生的声波，并借助空气介质直接传入人耳。固体声是指生源直接激发固体构件振动而发出的声音。固体构件的振动(如锤击地面)以弹性波的形式在墙壁及楼板等构件中传播。在传播中向周围空气辐射发出声波。实际上，声音的传播往往是空气传声和固体传声两者的组合。对于实心的均匀墙体，其隔声能力决定于墙壁的单位面积重量，其值越大，隔声性能越好。隔声罩是抑制机械噪声的较好办法，隔声罩由罩板阻尼涂料和吸声层构成。罩板一殷用1一3mm厚的钢板，也可用密度较大的木质纤维板。罩壳用金属板时要涂一定厚度的阻尼层。在罩板上垫衬吸声材料，这样可以加倍地增加隔声量。如隔声罩用的钢板太薄，罩壳面积又很大，而罩壳与机器或基础是刚性连接时，隔声罩可能变成一个噪声放大器，这种情况应引起特别注意。在加工隔声罩时，要注意隔声罩的密封，但在热力机械中都有进、排气和冷却管道等，这些管道将隔声罩与外界连通，对隔声十分不利。因此，在进风口和徘气口处还应装上由钢板、阻尼层、吸声层等组成的专门的消声装置。3.2.3消声器处理 消声器是一种控制气流沿管道传播的消声设备。主要安装在进、排气口或气流通过的管道内，在噪声控制中得到广泛应用。按其工作原理，消声器可分成吸收式和反作用式两类。1吸收式消声器。这类消声器是通过吸声材料来降噪的，它利用吸声材料的吸声作用使沿通道传播的噪声不断被吸收的装置。噪声降低量取决于该噪声的频率、管道长度和吸收材料的厚度等。 2反作用式消声器。这是用一个或多个小室来反射和衰减入射的声能，它主要借助于通道截面的突然扩张或设置旁通共振腔使噪声降低的装置。反作用式消声器与吸收式消声器不同，它内部不装任何吸声材料，仅依靠管道截面积的改变，共振腔或旁路管等在声传播过程中，引起声阻抗的改变而产生声能的反射与消耗。各式风机消声器，按气流的压力分为高压、中压和低压等类型，多采用阻性消声器及微穿孔板式等。空压机消声器，主要用于进气消声，加在空气滤清器的前后，有抗性、阻抗组合式及微穿孔板组合式等。鼓风机消声器，多用阻性或阻抗组合式。高压排气放空消声器，多用小孔扩散消声器，阻抗组合式与微穿孔式等。内燃机排气消声器，多采用抗性或微穿孔板组合。3.3受着保护在机器多而人少(例如船舶机舱)，或降低机器噪声不现实或不经济的情况下，对受者的保护是重要手段。人员可以带上护耳器(耳罩或耳塞)，防声头盔或在隔声间(如机舱集控室)内值班操作，对一些灵敏仪器(如雷达、微机、电子显微镜、灵敏仪表等)，也可用隔声、隔振加以保护。采取噪声控制措施，必须在船舶设计和建造各个阶段认真考虑。使用可靠的噪声预测技术，分析所要选用的各种设备，事先考虑各主要减噪措施，定出最佳的声学设计效果。如航行船舶上噪声污染已经形成，再更换或修改机械设备，所需代价无疑将更大。3.4船舶噪声的防护船舶噪声的防护，必须在船舶设计时就应加以考虑，因为在以后阶段，采取减噪措施要受到很大限制。船舶噪声控制问题的解决办法。首先是使用噪声小的主机、辅机和螺旋桨，并且能合理地安置噪声源，使其向船舶传播较少的声音和振动能量。其次是合理进行船舶舱室的布置，把要求噪声小的舱室尽可能离噪声源远一些。由于船舶结构有利于噪声及其振动的传播，因而只靠采用小噪声机器和依赖相应的噪声源及舱室连系的布置，是不可能达到令人满意的声学环境的，还必须在船舶舱室里采用吸声、隔声和隔振设施。 船上的噪声主要来自机舱，而机舱的噪声几乎总是来自主机和辅机的振动，以及将燃气或空气从这些机械中吸入与排出的风机噪声和流动噪声。因此，描述船上噪声降低的变化总是从机舱中噪声的产生和抑制开始的，其降低噪声的途径是：将机器或整个机舱与船上其他部分隔绝开来，增加噪声在结构中的传输损耗，使之传到居住舱室的噪声很小。3.4.1机舱噪声控制对策 机舱是船舶动力装置的集中地，主辅机等各种机器设备发出的噪声，响遍整个舱室，经久不息。在大型低速柴油机为主机的机舱里，其噪声主要是空气噪声；以中速柴油机为主机的机舱，其噪声由强度相当的空气噪声和结构噪声混成；以高速柴油机为主机的机舱里，则主要是结构噪声。因此，必须针对实际情况，综合考虑，对进、排气口，管壁的空气噪声，可首先采用消声器和绝缘层，对于小型机器，可将其全部围起来。加围壁措施是利用声源与围壁内表面间的空层作为减少声振动的介质。这使声辐射仅在声源隔离间内部进行，可有效地减噪。为使声振动隔离良好，其隔离空间必须足够大。同时，围壁应有好的隔声性能，以免空气噪声穿透围壁。为防止围壁内声反射叠加，围壁内表面还应具有吸声性能。在机舱的上下甲板及四周装吸声材料。 对主机的结构噪声，一般通过减振支承来减噪。在小型高速主机上可采用弹性支承，采用橡胶或特殊塑料等，将机器与船体隔开。但对大型主机，目前仍难于实施。此外，对大型主机采取的声振控制措施尚不完善。要从人的方面采取措施防止听力受害。在机舱内设置集中控制室是普遍采取的有效办法。在集中控制室内噪声可控制在75dB以下，就能提供一个较好的工作环境。对于机舱集控室的隔声结构，应同时考虑空气噪声和结构噪声的隔声问题，必须了解两者的具体传播途径，加以妥善隔断才能获得理想的隔声效果。 3.4.2居住舱室噪声控制对策 在进行船舶舱室总布置时，应遵循两个基本原则：1)噪声要集中在规定的区域内，最好在船尾部；2)把对噪声要求高的舱室尽可能远离噪声源的集中区域。在一般情况下，对居住舱室产生影响的几乎全部来自机舱的结构传播噪声。因此，隔声措施是解决居住舱室减噪的主要办法，即切断与有噪声源舱室结构体的联系，如采取浮筑结构，在承重楼板与地面之间夹一弹性垫层并把上下两层完全隔开，不使地面层与任何基层结构(包括墙体)有刚性连接。这样，对撞击隔声和空气隔声都非常有效，适宜于安静要求高的情况。如果把居住舱室装在隔振支撑上，也非常有效，现在已有不少船舶采用。不过把居住舱室同机舱在结构上分隔开来，对中、高频噪声有用，在低速机的船上作用不大。3.4.3甲板区的消声 船舶露天甲板区域，有机舱中的风机从甲板上吸人空气和主、辅机的排气所产生的噪声。它们的噪声级高达8594dB，直接影响驾驶台工作人员的工作和船员休息，而且对港口和航道的周围环境产生严重的噪声污染。对于机舱吸、排气引起的低频噪声，可以采用消声器。但是一般的消声系统，很难使噪声降低30 dB(尤其对低频噪声)。常采用反作用式消声器，尺寸虽大一些，但减噪效果较明显，可达到标准要求。在露天甲板上，噪声控制的范围要求达70一50dB。最后需要说明的是，船舶噪声常与船舶振动相伴而生，一旦船舶振动激起船体某种振动方式的结构共振时，通常其影响不仅是带来某种不舒适感，而且会损坏船体结构，这对航行中的船舶是一个致命问题。4技术展望4.1主机副机等主动设备的的噪声控制为了处理高频噪声主动控制设备大多工作在低频率范围但在理论上主动控制设备可在所有频率范围内工作。对于振动采用振动型(自由状态下的)激励器感应器受机器运动的触发，随之控制系统输出一组根据机体运动决定的驱动频率信号。如果振动速度增加或降低，激震器的对抗力也随之变化。用于主动控制激励器的4 个方法1 直接固定于机体上的惯性振荡器，克服机体本身的不平衡力2 固定于基座底下结构上的惯性振荡器克，服传到基座上的力3 与基座并联安装的惯性振荡器，阻止振动传播，当机体向下运动时挤压基座，当机体向上运动时，扩张基座或过在结构上产生与基座产生的力相反的力克服机体的惯性4 与基座串联安装的振荡器其运动正好补偿机体的惯性运动。液压式、气动式、压电式、磁致伸缩式、电磁式或许还有记忆合金都可以采用。每一种型式各有利弊，液压式振荡器可以支撑机器的静载荷，可产生较大的力和位移但在自由频率上不够“软”。气动系统不太可能承受机器的重量，但力大且不加控制时可能较“软”。压电和磁致伸缩系统部可承受机器重量，产生很小的位移，在不加控制时可能非常“硬”。电磁系统不能承受机器重量，可以产生较大位移，在小力度水平上且不加控制时可能较“软”另一种主动控制噪声的方法是采用主动磁性支承架传统的机械支承架将旋转体产生的不平衡力传到固定的部件上进而继续传到船体结构和和船体上而主动磁性支架能在径向产生不同推力的磁场通常能够支承旋转部分因而隔绝了机械接触完全靠通过使用阻尼材料来吸收振动能也可以降低噪音因此常用它制作结构构件或把它应用到噪音传播区的结构构件上这种阻尼材料在所有结构传播噪音的区域内必须连续无间断地使用否则将会降低阻尼的效果除了传播途径磁场强度可以通过调节产生磁场的电流频率来调整以产生不同的抵消力主动控制也应用于高压管路系统噪声控制低压通常应用被动技术处理在高压管路系统中振动能通过液体流动并通过管子传递所以采用双重消除系统需要使用不同的激励器来消除之对于液压部件规定使用穿壁式设备如同小活塞一样工作通过产生与现有压力变化相反的压力场来改变压力场。4.2新型吸声材料的应用上建舱室噪声的来源之一是由结构的振动产生的噪声，这些噪声并且还可以通过固体结构进行传播。在最接近机舱的上甲板是控制噪声的主要区域，经过噪声预估报告的分析，上甲板的舱室，尤其是居住舱室的噪音值一般都会超标，这样就必须采取积极有效的措施进行噪声控制。广船国际公司建造的38 500 DWT系列油船和50 500 DWT系列化学品船都成熟地运用了丹麦的SIKA敷料进行噪声控制，成功而有效的控制了超标的舱室噪声，使其满足了相关的噪音标准。现就SIKACUFADAN敷料在降低船舶舱室噪声方面的应用作详细介绍。丹麦SIEA CUFADAN敷料被广泛用于船舶与海洋工程上，其主要特点与作用可归纳为如下几点：重量轻、降噪优、绝热、防火。SIKA敷料根据不同的使用需求分为多种类型，有普通的轻质甲板敷料、露天甲板敷料、表面流平敷料、A一60防火敷料、浮动地板敷料等等，而其中对减振、降噪最有效果的就是型号为PK一90 STEEL+LITOSILO的浮动地板敷料。其结构如图PK一90 STEEL+LITOSILO浮动地板敷料的降噪原理噪声是可以通过固体结构进行传播的。房间的噪声主要来自于大面积板的振动，特别在其共振时更为严重，为了控制这种大面积板的振动，可以在薄的钢板上紧紧贴上或喷涂一层内摩擦阻力大的粘弹性、高阻尼材料，PK一90 Steel中的PURED就是这种粘弹性高分子涂料配制成的阻尼浆，这种措施称为减振阻尼，它是噪声与振动控制的重要手段之一。阻尼材料抑制板的振动，同样是利用材料的内损耗原理，当振动作用在涂以阻尼材料的金属板面上，金属板面作弯曲振动时，阻尼层也随之振动，一弯一折使得阻尼层时而被压缩，时而被拉伸，阻尼材料内部分子的相对位移，由于摩擦而损耗一部分振动能量，减弱了金属板面的弯曲振动，从而降低了金属板的噪声辐射。在PIJRED涂层上再覆盖镀锌钢砖构成约束阻尼层。共振时，阻尼层一面受到约束层的约束，另一面又随结构的振动而使阻尼发生了较大的剪切变形，此种约束阻尼层相对自由阻尼层有着更好的抑制效果。5结束语对于声源控制噪声，采用合理设计，研究噪声的产生机理入手，这是最有效的方法。但是在实际中，有些噪声不可避免，如发电柴油机的噪声齿轮箱及主辅机的排气管产生的噪声。只得通过传播途径和受着保护来处理，消声、隔声和吸声处理又是非常常用的方法，所以科研者也应该在这方面入手。鸣谢参考文献