船舶空调通风管路噪声经验预报方法.pdf

第45卷第2 3期2023年1 2 月舰船科学技术SHIP SCIENCEANDTECHNOLOGYVol.45,No.23Dec.,2023船舶空调通风管路噪声经验预报方法许斐(上海船舶研究设计院，上海2 0 1 2 0 3)摘要：船舶空调通风管路系统的噪声作为舱室内的主要噪声源，一直以来都受到广泛关注。本文根据声源、管路元件以及目标舱室的顺序依次分析计算，提出一种船舶空调通风管路系统的噪声经验预报方法。该方法把管路中各元件产生的气流再生噪声和噪声衰减量按经验公式分别求解，然后按照元件在管路中的布置顺序，得到管路末端声功率级，最后在目标舱室结合统计房间声学计算得到总声压级。该方法的特点是可以在设计初期对目标舱室内空调通风管路系统产生的噪声进行快速预报，无需管路元件的详细参数以及复杂的建模过程。通过计算某型集装箱船的典型房间内噪声声压级，验证了该方法的工程实用价值。关键词：空调通风系统；管路噪声；经验预报；集装箱船中图分类号：U661.44文章编号：1 6 7 2-7 6 49(2 0 2 3)2 3-0 0 56-0 6Prediction of ship HVAC noise based on empirical method(Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute,Shanghai 201203,China)Abstract:HVAC noise as the main noise source for ship cabin has been attracting widespread attention.HVAC noiseprediction is advanced according to the analysis and calculation in order of noise source,duct components and target cabin.Flow noise and sound attenuation in HVAC duct systems are calculated respectively according to empirical formula.Then,sound power levels in duct terminal are calculated according to subsequence of components.Finally,total sound pressurelevels in target cabin are combined logarithmically with statistical room acoustics.The noise prediction for this method canbe used in initial design stage without specific details and complicated modeling of the duct components.The typical HVACnoise pressure levels of a container vessel are computed,which validate the engineering practicability of this method.Key words:HVAC;duct noise;empirical method;container vessel0引言船舶的空调通风管路系统因靠近上层建筑中的舱室，如其产生的噪声过大会严重影响船员和旅客的舒适性及身心健康。国际海事组织已经对这些区域的噪声水平做了强制的限值要求。因此，在设计初期对船舶空调通风管路系统的噪声水平进行预报及控制，对船舶的设计具有重要意义。许冬 2 使用Fluent对通气管路模型内部流场进行瞬态计算，并使用Virtual.Lab软件进行声学有限元计算，得到管路气动噪声规律及更加优化的船舶管路形式。武耀 3利用Ansys对典型船舶舱室结构建模，并使用Virtual.Lab软件进行声学计算分析，对空调引起的船舶舱室噪声预报方法及声学设计方法开展研究。魏杰证等 4 使用Nastran、Fl u e n t 以及Virtual.Lab软件探讨了船舶典型通气管路噪声频谱特性和不同流速下的变化规律，并开展了扩张管降噪技术研究。柴凯等 5收稿日期：2 0 2 2 1 1-0 4作者简介：许斐（1 9 8 5），男，硕士，高级工程师，研究方向为船舶振动噪声。文献标识码：AXUFei通过Abaqus软件仿真得到挠性接管和弯管对管路系统的影响规律并开展管路系统低噪声设计试验。以上这些研究主要集中在利用有限元、边界元及计算流体力学等数值方法对一些简单的管路部件进行研究，计算成本高，且只能在有详细设计参数和计算模型后才能进行预报，不适用于船舶大量舱室的管路噪声计算。因此，缺少一种能够对全船空调通风管路系统进行前期、快速预报的流程和方法。本文根据噪声源、管路元件以及目标舱室的顺序依次分析计算，提出一种船舶空调通风管路系统的噪声经验预报方法。该方法把管路中各元件产生的气流再生噪声和噪声衰减量按经验公式分别求解，然后按照元件在管路中的排列顺序，得到管路终端声功率级，最后在目标舱室结合统计房间声学 6-7 计算得到总声压级。该方法可在设计初期对目标舱室内空调通风管路系统产生的噪声进行快速预报，无需复杂的建模，可以节省计算成本。doi:10.3404/j.issn.1672-7649.2023.23.010第45卷1基本原理本文方法的基本原理如图1所示。房间常数管路元件再生噪声元件叠加噪声源声功率Fig.1 Schematic diagram of HVAC noise prediction1）通过经验公式或者设备厂商得到噪声源设备产生的气动噪声声功率级Lw；2）通过经验公式得到空调通风管路系统中，各元件再生噪声声功率级Lw和噪声衰减量Lw；按照各元件在管路中的顺序依次计算得到管路终端声功率级；3）最后在目标舱室，结合房间常数R将声功率级转化为接受点处的声压级，并和其他声源引起的声压级进行能量叠加得到房间内总声压级L,或LpA。2计算公式2.1噪声源强度计算声源的噪声级频谱最好采用设备厂商提供的实测数据，在厂商无法提供实测数据的情况下，可根据文献8 或文献9-10 中的方法进行估算。船舶空调通风管路系统中设备产生的气动噪声用声功率级Lw表示。2.2管路元件再生噪声和衰减量计算船舶空调通风管路系统中，除了声源设备产生的噪声外，管路中的元件也会产生气流再生噪声，这部分噪声也会影响最终管路出口所在位置或者房间的声压级。另外，噪声通过这些元件时也会有不同程度的衰减，噪声衰减的大小和元件的类型及参数有关。下面给出船舶空调通风管路系统中，常见元件再生噪声声功率级Lw和衰减量Lw估算的经验公式。2.2.1直管直管的气流再生噪声声功率级Lw与直管的长度无类型尺寸/m0.10.20.2 0.4矩形0.40.80.810.10.20.2 0.4圆形0.40.80.81许斐：船舶空调通风管路噪声经验预报方法目标管路引起的声压级管路终端声功率一测点位置管路元件衰减量图1管路噪声预报原理图Tab.1 Level reduction coefficient of straight air ducts倍频带衰减系数B/dBm631250.60.6(3.5)0.60.6(1.5)0.60.6(1)0.450.3(0.5)0.10.1(4.5)0.050.1(2.5)0.1(1)(0.5)57.关，而与管路中气体的流速v以及管路的横截面积S有关，可按下式估算l：Lw=7+50lgv+10lgS+Lo c t o式中：v为直管中气体的流速，m/s；S为管路的截面总声积，m；Lo c t 为各倍频带修正值，dB。压级其他声源引起的声压级表1直管段衰减系数2505000.45(3)0.3(8.5)0.45(1.5)0.3(6)0.3(2)0.15(3.5)0.15(1.5)0.1(4)0.15(4)0.15(11)0.1(2)0.15(7)0.1(1.5)0.15(5)-(1.5)0.05(3.5)(1)Lo c t =-2-2 6 1g(1.14+0.0 2(2)V式中，Jm为各倍频带中心频率，Hz。直管段的噪声衰减量Lw和直管的长度有关，可按下式估算9 ：ALw=l。式中：1为直管的长度，m；为直管单位长度的衰减系数，dB/m，与管道截面形状、面积以及管中有无吸声材料有关，可从表1中查到（表中括号里的数值为管路内壁贴敷面密度为40 8 0 kg/m，厚度为2 5mm矿物棉后的衰减系数）。2.2.2弯头和分支弯头或分支的气流再生噪声声功率级Lw可按照下式估算叫：Lw=Lw+101gAf+30lgda+50lgVa+K。式中：Af为各倍频程带宽，Hz；d a 为弯头或分支的直径，m；v a 为分支或者弯头中气体的流速，m/s；Lw 和K分别为标准声功率级和修正值，dB。Lw*=12-21.5(g,.268+(32+131g S,)g(vh/va),K=13.9(3.43-1gSt)(0.15-r/da)。式中：vh为分支主管中气体的流速，m/s；St 为Strouhal数，St=fm*da/va；Jm为各倍频带中心频率，Hz；r 为弯头或者分支管路相接处的倒圆角半径，m。对于直角弯头，其噪声衰减量Lw查表2 111 得到。10000.3(16.5)0.2(15)0.15(8)0.05(7.5)0.3(16.5)0.2(15.5)0.3(12)0.05(7.5)(3)(4)(5)(6)2.00040000.3(18)0.3(15.5)0.2(10)0.2(7)0.15(4.5)0.15(3)0.05(4)0.05(2)0.3(19)0.3(17.5)0.2(15)0.2(10)0.3(7)0.3(4.5)0.05(4)0.05(2.5)58倍频程中心频率fm/Hz直角弯头，无内衬直角弯头，弯头前、后均有内衬直角弯头，弯头前或后有内衬直角弯头带倒圆角，无内衬分支的噪声衰减量Lw与分支管截面积和总截面积的比值有关，可按照下式估算8 ：ALw=101g|1/Zs.小i=1式中：Si为分支支管的截面积，m；S,为第i根分支支管的截面积，m；n 为分支的数量。2.2.3变径管变径管气流再生噪声声功率级L可按照下式估算：Lw=A+BlgV-3K。(8)式中：v为变径管中气体的流速，m/s；A、B分别为和频率有关的系数，dB，可由表3查到；K为与变径角度有关的修正值，可由表4得到。表3系数A、BTab.3Coefficient A、B倍频带中心频率fm/Hz系数/dB63A47.2B27.3修正值/dB020214041505158 59636468 6973 74808190K98变径管的噪声衰减量L可通过下式进行估算13：Lw=10 1g(9)式中：r=Sj/S2为变径管截面比值；Si为入口截面积，m；S2 为出口截面积，m。如果人口管和出口管截面不是这种突变情况，而是平稳过渡，即有一定斜度，且过渡段的长度相对波长来说比较长，则这种截面过渡的噪声衰减量可忽略不计。舰船科学技术表2 弯头噪声衰减量ALWTab.2 Level reduction Lw o f v a r i o u s 9 0 b e n d s6312537310281212525048.652.822.915.2表4修正值KTab.4 Correction K变径管圆锥角度/76(r+1)2)4r第45卷噪声衰减量LdB25050063101468332.2.4消声器消声器作为管路中降噪的主要元件，其气流再生噪声声功率级Lw以及噪声衰减量Lw一般可从消声器的生产厂商得到。对于空调通风管路系统中常用的阻(7)性消声器的气流再生噪声可按照下式估算：Lw=96.51g v-20.41g Apt-19.7+Lo c t +K。式中：v为消声器中气体的流速，m/s；4p t 为气流通过消声器前后的压力差，Pa；Lo c t 为各倍频带修正量，dB；K 为与消声器直径以及流速有关的修正值，dB。Locr=30.6 71.41g S,+64.7(1g S,)2-26.7(1gS,)3+3.4(1gS,)4,K=15.51gD-16.21gv+21.9。式中：St为Strouhal数，St-fmD/v；Jm为各倍频带中心频率，Hz；D 为消声器的直径，m。2.2.5 风口管路终端的送风口或回风口的气流再生噪声声功500100052.854.213.09.85432110003181032.000率级L可按照下式估算叫l：57.2(2Apt5.3Lw=10+601gv+101g式中：v为管路出口处气体的流速，m/s；S为管路出口的截面积，m；p 为管路中气体的密度，kg/m；4p,为气体通过管路出口前后的压力差，Pa；Lo c t 为倍频带修正值，可由表5得到，dB。表5倍频带修正值ALoctTab.5 Octave band adjustments for air opening倍频带中心频率fm/HzALoc/dB63上限-6-5-5-5下限-10管路终端风口的噪声衰减量L可按照下式估算2：ALw=101g/1+(14)元fmd2.000318103+101gS+Locto12525050010002.000-8-16-9-94000318103-9-171.88kc8000318103(10)(11)(12)(13)4000-26-20-32第45卷式中：m为各倍频带中心频率，Hz；c 为管路终端风口中气体的声速，m/s；d 为风口的直径，m；k 为与风口所处位置有关的系数，风口位于自由空间时，k=1，风口位于房间内，k=0.8。2.2.6阀门对于反转式百叶阀和同步式百叶阀的气流再生噪声可分别按下式估算13：(2p tLw=10+601g(v)+221gP.2(2p tLw=10+601g(v)+281gO12式中：v为入口管内流速，m/s；p 为气体的密度，kg/m；4p,为压力差，Pa；S为入口管截面积，m；4Loct为倍频带修正值，取值如图2 所示，图中h为阀门开口高度。-30-351Relativ fequenz/rlaive fteueny w-Aps w图2 百叶阀各倍频带修正值Fig.2 Octave band adjustments for damper valve2.3管路元件叠加根据估算得出空调通风管路系统中，各元件的噪声声功率级L和衰减量Lw，然后按照元件的实际排列顺序，可得管路终端出口处的声功率级。假设管路中总共有n个元件，第i个管路元件的再生噪声声功率级和衰减量分别记为Li,和Lw，通过第i个元件后输出的声功率级为Liw-ou，如图3所示。声源元件元件元件元件图3管路元件组合示意Fig,3 Combination diagram for duct components当噪声源产生的噪声经过第1个管路元件后的声功率级可按照下式计算：(17)式中：L%-ou为噪声源输出的声功率级，dB；Lw-o u 为噪声通过第1个元件后的声功率级，dB；L和LW分别为管路中，第1个元件的气流再生噪声功率级和衰许斐：船舶空调通风管路噪声经验预报方法+101g(S)+Lo c t)(15)+101g(S)+Lo c t o(16)h=130.200mmh-80.130mm5105010059.减量,dB。以此按照顺序依次计算噪声通过每一个管路元件后的声功率级，当通过第i个元件后，输出的声功率级计算公式为：(18)式中：Lw-ou为通过第i个元件后的声功率级，dB；Li-om为通过第i-1个元件（前一个元件）后的声功率级，dB；Li 和Li分别为第i个元件的气流再生噪声声功率级和衰减量，dB。根据式(18)，当计算到第n个元件时，可得管路终端风口处输出的声功率级。2.4目标位置声压级计算计算得出管路终端风口的声功率级之后，就可以求得任意目标位置的声压级，按照风口所在房间的位置，房间内任意一点处的声压级可以通过下式进行计算：Lp=Lw+101g(19)4元r2R式中：Q为指向性因数，取值和风口所在房间的位置有关（见图4）。当出口在房间中央时，Q-1；当出口在房间各表面中央时，Q=2；当出口在房间各边线中央时，Q=4；当出口在房间各角落时，Q=8。r 为计算点距离风口的距离，m；R 为风口所在房间的房间常50010003.000数，。V203Fig.4 Directivity factor Q of the opening location式中：S为舱室内各表面的总面积，m；为舱室平均吸声系数。&=S式中：S,为舱室内各个表面的面积，m；;为舱室内各个表面上的吸声系数，可查文献12-13 得到。假如风口处于外部空间，比如空调新风口或风机排风口，那么计算声压级时，式（19)括号中的第二项Q4图4风口位于房间中的位置S&R=1-ZS;Qi(20)(21)60就可忽略，如声波在室外按照球面波传播，则式(19)中Q-1。3计算实例以某型集装箱船为例，图5为该箱船B甲板左舫的风管布置图。考察抽风机噪声对医院的影响。从图中可看出，医院通风管路系统中主要的元件依次有：风雨密通风百叶窗、抽风机、直管、分支、直管、止回风闸、带箱子通风栅，计算过程列于表6 中。根据表6 的计算结果，最终得到了右侧房间内的A计权总声压级为50.4dB(A)。将该数值和房间的噪声限值进行比较，由于该房间为医院，根据IMO的限值要求为55dB(A)，故计算满足要求。可看出，该房间的空调引起的噪声占比最重，其次是风机引起的噪声，其他外部设备引起的背景噪声占比最小。这也说明了上建房间的噪声一般由空调通风管路的噪声引起。假如管路噪声的计算超过了噪声限值，就需要施加额外的降噪措施，如增加消声器或在管路内贴敷吸声材料以提高管路中噪声的衰减量等，此时只需在表格中增加或修改相关元件的流噪声以及衰减量即可。倍频带中心频率/Hz63抽风机出口端声功率级计算元件0-抽风机风量-9 0 0 m/h,静压P,F200Pa元件1-直管流速v=6.2m/s，直径d-0.2m长度1-3.55m元件2-分支进管流速和直径Vh=6.2 m/s&dh=0.2 m,出管流速和直径va=3.8 m/s&da=0.2 m元件3-直管流速v=3.8m/s，直径d-0.2m,长度1-2.0 2 m元件4-止回风闸流速v=3.8 m/s,截面积S-0.03m,气体密度p=1.1kg/m3元件5-弯头进管流速和直径vi=3.8 m/s&di=0.2 m,出管流速和直径va=3.8 m/s&da=0.2 m元件6-通风栅流速v=1.7m/s,风口截面积S-0.072m舰船科学技术285KDRYING.ROOM353三219三STA313303070R100表6 房间内声压级计算Tab.6 Calculation for sound pressure level of roomJm40L26.30.240.030.82.138.6L14.60.138.6L426.6AZ4038.827.10.039.129.712.531.4第45卷BBECKB甲板31650mmDN3535CREWDJNDRY80015DNR100UPELEVATOR20031522.60R100N图5通风管路布置示意图Fig.5 Layout of HVAC duct125250515124.722.10.40.450.750.727.824.02.12.148.548.512.38.80.20.248.348.325.824.30048.448.322.817.70.00.048.448.329.729.77.23.241.545.3257650R10R100电梯40.4m5001000514718.212.90.50.750.546.319.514.62.12.148.344.24.00.00.30.448.043.721.617.50048.043.812.05.71.02.047.041.829.727.21.10.446.041.57002R1604337220004.00044396.70.00.70.743.338.39.23.42.12.141.136.10.00.00.40.440.735.711.10.00040.735.70.00.03.03.037.732.717.27.20.20.137.632.78000390.00.738.30.02.136.10.00.435.70.0035.70.03.032.70.00.132.6第45卷续表6倍频带中心频率/Hz房间参数长度L=4.75m，宽度B=7.2m,高度H=2.1 m,风口位于舱室天花中央Q-2测点距离风口r=1m空调噪声背景噪声房间总声压级注：空调引起的噪声声压级计算方法和上面类似；背景噪声指的外部声源（比如主机、螺旋桨等）引起的房间内的声压级，计算方法见参考文献15：房间内总声压级为风机、空调和背景噪声三者能量的叠加。根据上述方法，可依次计算出船上所有房间内的声压级。表7 列出了该箱船典型房间内计算得到的声压级并与实船试航测试结果进行了比较。可看出，预报值普遍大于实测值，预报相对比较保守，但误差在工程可接收的范围内。表7 典型舱室计算值和实测值比较Tab.7 Comparison of calculated and measured values for typicalcabinA计权声压级dB/A舱室名称限值厨房75船员餐厅60高级船员餐厅60船员娱乐室60高级船员娱乐室60健身房60理货室60船舶办公室60会议室60苏伊士船员间55医院554结语本文介绍一种预报船舶空调通风管路系统噪声的方法和流程。通过计算管路中，元件气流再生噪声声功率级和噪声衰减量，得到管路出口处声功率级，最后在目标舱室结合房间声学得到总声压级。以某型集装箱船为例，预报了该船典型房间内空调通风管路系许斐：船舶空调通风管路噪声经验预报方法Jm63房间内抽风机引起的声压级计算R15Lw-Lp5.8Lp27.7权值26.2LpA1.5LpA33.1LpA11.5LpA33.2预报值实测值72.37058.45758.25657.45557.15457.65852.8505956545350.65150.450611252508.3013.043.25.239.541.9-16.1-8.623.433.3A计权声压级LpA=42.7dB(A)房间内总声压级计算33.639.721.424.434.741.3A计权总声压级LpA=50.4dB(A)统引起的噪声声压级，验证了该方法的有效性。该方法的特点是可以在设计初期就可对超标舱室做出相应地降噪措施，避免了设计后期的大量修改，可作为船舶空调通风管路系统前期噪声预报的一种快捷、有效的方法。参考文献：1 Resolution MSC 337(91).Adoption of the code on noise lev-els on board shipsS.2012.误差【2 许冬.船舶管路气动噪声数值模拟及优化D.大连：大连理工大学,2 0 15.+2.33 正武耀.船舶舱室内空调噪声预报与声学设计D.哈尔滨：哈+1.4尔滨工程大学，2 0 12.4魏杰证，林永水，吴卫国，等.船舶通气管路噪声特性数值分+2.2析与控制.武汉理工大学学报（交通科学与工程版），+2.42018,42(12):283287.+3.1【5】柴凯，楼京俊，朱石坚，等.船舶典型管路系统低噪声设计研究.噪声与振动控制，2 0 2 1.41（12）：156-16 2+19 9.+0.46杜功焕，朱哲民，龚秀芬.声学基础M.第3版.南京：南京+2.8大学出版社,2 0 12.7贺启环.环境噪声控制工程M.北京：清华大学出版社，+32011.+18 中国船级社.船舶及产品噪声控制与检测指南S.2013.-0.49 FICHER R W,BURROUGHS C B,NELSON D L.Designguide for shipboard airborne noise controlR.New York:The+0.4Society of Naval Architects and Marine Engineers,1983.10 R.W.Ficher,and L.Boroditsky,Supplement to the designguide for shipboard airborne noise controlR.New York:TheSociety of Naval Architects and Marine EngineersR,2001.11 VDI 2081 partl.Noise generation and noise reduction in air-conditioning systems.2001.12 马大酋.噪声与振动控制工程手册M.北京：机械工业出版社,2 0 0 2.13 吕玉恒.噪声控制与建筑声学设备和材料选用手册M.北京：化学工业出版社，2 0 11.50017.796.541.9-3.238.742.726.145.3100020.167.037.1037.145.431.648.12.00018.976.833.31.234.541.632.246.3400016.606.228.7129.733.224.341.4800014.235.529.1-1.128.018.934.235.3