船舶结构振动噪声分析及其进展

摘要：船舶的辐射噪声是影响其隐身性能的主要因素，其由机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声三部分叠加而成。机械噪声为船上机械设备在运行过程中引起结构的振动，并通过基座和管路传递到船体，引起船体振动而向水下辐射的噪声。船舶在低、中速航行时，机械噪声将成为主要的辐射噪声。

引言

船舶在运行过程中使用的运转设备是产生振动与噪声的根源。船舶舱室里的振动噪声会使劳动条件恶化，对船员健康产生不利影响，给乘客带来诸多不便。因此，国际上船级社和其他机构如美国海岸警备队（U.S.Coast Guard）都规定其噪声限制，这促使船舶设计师和建造师采取各种措施去降低船体结构的振动噪声。在船舶领域，以往的实践大都是在已经设计完毕的船舶上采用特殊器材以达到减振降噪的目的。然而，这种解决问题的办法所需费用较大，如果在一开始就结合声学要求进行结构设计，则不仅节省开支，而且可以获得更大、更好的效果。因此在船舶设计阶段就进行结构的振动噪声分析是很有意义的。

1.噪声及其对人的危害

噪声，一般包含两种含义：就物理学观点讲，噪声就是各种不同频率和声压之声音的无规律组合；就生理学和心理学观点讲，凡是声级很高，造成对人体的危害，或者声级不高而使人厌烦，干扰人们的休息、睡眠、工作等一切不需要的声音都称为噪声。其危害也是多方面的：（1）噪声对语言清晰度的影响：噪声声级越强，语言清晰度就越低。在80dB的噪声环境里人们交谈已经很困难，而90dB的噪声环境里面则无法交谈。（2）噪声对人听觉的损伤：最常见的是“听觉疲劳”，即在噪声作用下，使人的听觉灵敏度暂时下降，过后很快就会恢复。这种现象也称“暂时性听力损失”。而当听觉长期暴露在强噪声环境中，至使听觉灵敏度下降变成长期的，以后不能再全部恢复，即造成“永久性听力损失”。（3）噪声危害人的健康：长期处在噪声作用下会导致中枢神经功能性障碍，表现为植物神经衰弱症侯群；强噪声作用于中枢神经，往往引起消化不良及食欲不振，从而导致肠胃病；噪声会使交感神经紧张，引起心跳过速、心率不齐、血压升高等症状。船舶舱室噪声主要对船员生理和心理的影响，如唤醒睡眠、妨碍交谈、打断思路、使人烦恼等。

2.船舶振动与噪声的控制

对于船舶振动与噪声控制，目前采用数值仿真的方法模拟船舶噪声振动问题主要基于有限元（FEM）、边界元（BEM）和统计能量分析（SEA）三种方法。有限元方法是确定性的求解方法，用于低频振动环境的预示，可以得到结构的整体模态参数。与边界元方法结合可以预示结构的振动以及内外声场的噪声辐射强度。有限元方法虽然在理论上可以在任何频率范围内求解结构的振动和噪声辐射问题，但是在求解高频问题时，由于波长很小且模态密集，要准确求解需要网格精细程度足够高（通常在一个波长范围内需要 6－10 个单元），因此模型的规模会变得非常大，求解的时间变得非常的长，反而没有了数值仿真高效的特点。其次，由于结构的高阶模态参数对许多不确定的原始参数以及许多结构细节非常的敏感，但是结构细节又不太好确定，使得有限元方法求解的精度大打折扣。另外，结构声振分析既存在振动引起的噪声辐射问题，又存在噪声引起的结构振动问题，传统的有限元方法在解决二者的耦合时比较困难。因此有限元方法通常只是用于求解低频振动噪声环境的预示。而实际上船舶的振动与噪音的控制是机舱集控室采用刚性安装的轻质五夹板内衬，其噪声插入损失不超过 20dB（A）。将集控室底甲板作双层约束阻尼处理，并采用具有减振、隔声、吸声综合降噪功能的预制组合板，拼装成一个开口朝下的箱型整体内衬，通过高阻尼隔振器座落在阻尼地板表层钢板上而不同集控室外廓接触。另外，为了减小外廓辐射声对内衬激励并减缓“空腔共鸣”与“吻合效应”，在外廓的内壁面上遍附一层矿棉毡。这些措施使集控室振动与噪声均得到有效控制，使集控室噪声插入损失达 38dB（A），同采用刚性安装轻质内衬的集控室相比，噪声插入损失约提高 19dB（A）。为减小激励幅值与减小激励的传递，除了优选主机及选择齿轮箱速比时要考虑避免由轴频激励激起船体共振外，在柴油机下设减振垫，这不仅可减小柴油机激励的传递，降低振动响应，也可减少结构固体声的传递。减振垫的参数应经理论计算，其材质宜采用橡胶，以有利于声绝缘。安装减振垫后，其油、水管路，排气管，对主机还有轴系，均必须采取弹性连接。

3.船舶噪声的控制措施

噪声的控制是环境学的一项重要内容，其基本原理与防振、减振措施的基本原理相仿，即噪声源的控制、噪声传播途径的控制以及噪声防护设备的使用。

3.1 噪声源的控制

按船舶噪声的来源，主要可以从以下三个方面采取相应措施。

（1）螺旋桨产生的噪声控制。螺旋桨发出噪声的主要原因有尾轴的静、动平衡未校准好；螺旋桨运转时产生的乱流以及桨叶通过水流时的周期性压力变化；空泡时，气泡的发生和破裂形成周期性的爆破音；桨叶上固有振动频率与叶片形成的涡流引起共鸣，形成螺旋桨的“唱音”。因此，螺旋桨产生的噪声控制，应重点采用预防的方法来实现。（2）主、辅机产生的噪声控制。控制主、辅机产生的噪声可以合理选用低噪声设备，从源头上减少船舶的舱室噪声，这也是舱室噪声控制的最有效办法。（3）通风和空调调节系统噪声控制。通风和空调调节系统应采用低速、低噪声风机；风机应安装减振器，出风口处应安装消声器，风机出风口管道和舱室中出风口处管道内应安放吸声材料；风机与刚性风管连接处改用软管过渡或采用软性接头，以降低固体噪声的传播；舱室送风管与空气分配器之间，应同样采用软风管过渡。

3.2 噪声传播途径的控制以及噪声防护设备的使用

噪声控制最积极有效的办法是从声源上去考虑。在传播途径上控制噪声主要是阻断和屏蔽声波的传播或是声波传播的能量随距离加大而衰减。因此控制噪声传播途径可从声源和接收器位置的选择，增加传播距，隔声吸声和消声等手段入手。

（1）舱室的合理布置。舱室的布置除了要满足常规设计的要求外，还必须从声学角度来考虑。布置的最基本原则是使声学要求高的舱室离声源舱室尽可能远些。大型船舶可将居住区和机舱分区设置，若机舱和居住区混在一起而无法分离，则机舱四周应设置那些无噪声要求的舱室，如卫生间、储藏室及通道等。（2）隔声技术。为了降低柴油机和发电机组运行时所传播的噪声，可以在机组表面粘贴约束阻尼或使用隔声罩。在机舱结构允许的条件下，可在机组部分直接安置一只散热通风轻型钢结构组合式的通风隔声罩。隔声罩用来阻隔主机向外辐射噪声，它能适用于各种不同环境下的各类机械噪声的控制。隔声罩的实际隔声效果除取决于结构和理论隔声量外，还与罩内壁材料的平均吸声系数有着密切关系。（3）吸声技术。若机舱内声源经过声波的多次反射，其噪声级比同样的声源在露天的噪声级要高十几分贝。由于机舱内混响声十分严重，特别是多台机组同时工作时尤其如此。因此有必要在机舱内粘贴吸声材料，可以使混响声大大降低。类似船舶的实际处理效果表明，安装了铝合金微穿孔板材料以后，机舱内的噪声可以降低18db以上。

4.结束语

随着认识的不断深化和测试手段的日臻完善，人们环保意识的增强，船舶噪声标准将更加严格，因此对船舶噪声的控制提出了更高的要求。在对船舶噪声控制时还应注意到，在实际中往往受到船舶造价和造船厂技术条件的限制，因此在船舶设计阶段就应考虑船舶噪声控制的因素，并在船舶建造过程中注意噪声控制设计工艺的实施。