張 平,于全虎

(江蘇省船舶設(shè)計(jì)研究所有限公司,江蘇鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

船舶噪聲不僅影響到船員自身工作生活和身體健康,而且對(duì)水域沿岸居民的生活造成影響。產(chǎn)生噪聲的振源是造成船舶結(jié)構(gòu)疲勞破環(huán)的根源之一,對(duì)船舶的使用壽命和安全性造成影響。船舶噪聲由其自身設(shè)備工作時(shí)以及外界風(fēng)浪等拍擊船體發(fā)出的不同頻率和不同強(qiáng)度的聲音無(wú)規(guī)律地組合而成,它包括存在于艙室部位的空氣噪聲,存在于船體結(jié)構(gòu)中的結(jié)構(gòu)噪聲(即振動(dòng))以及存在于船體周圍水介質(zhì)中的水噪聲。如何采用減振降噪措施,降低由振動(dòng)源引起的船舶結(jié)構(gòu)振動(dòng)、降低由噪聲源引起的空氣噪聲和結(jié)構(gòu)噪聲,就顯得特別有意義。

1 激振力分析

船體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)的首要原因是螺旋槳和船舶主機(jī)的干擾力作用。對(duì)于螺旋槳而言,由于螺旋槳所處流場(chǎng)的伴流不均勻,當(dāng)槳葉處在伴流峰值位置時(shí),葉型在較大的來(lái)流攻角下產(chǎn)生較大的推力和切向力,隨著槳的旋轉(zhuǎn),當(dāng)槳葉處在較小的伴流中時(shí),相應(yīng)產(chǎn)生較小的推力和切向力,結(jié)果使傳遞到軸承上的力產(chǎn)生周期性的變化。同時(shí)螺旋槳在旋轉(zhuǎn)時(shí),每片槳葉均被壓力場(chǎng)所包圍,在旋轉(zhuǎn)過程中,這些回轉(zhuǎn)壓力場(chǎng)就會(huì)在船底后部槳葉上方部位產(chǎn)生壓力沖量(稱為表面力),使得尾部船板上承受的壓力產(chǎn)生周期性的變化。特別是當(dāng)螺旋槳產(chǎn)生較大范圍的空泡時(shí),這種壓力變化會(huì)有更大的幅值。

由螺旋槳旋轉(zhuǎn)引起的軸承激振力,其激振頻率為螺旋槳轉(zhuǎn)速 ×1。

由螺旋槳表面力產(chǎn)生的激振力,其激振頻率為螺旋槳轉(zhuǎn)速×葉數(shù)(稱為葉頻)。

對(duì)于船舶主機(jī)而言,活塞在燃燒混合氣體的推動(dòng)下,通過活塞桿、連桿、曲軸、軸承傳遞運(yùn)動(dòng)會(huì)激起機(jī)械振動(dòng);燃燒過程中,氣壓的變化會(huì)通過燃?xì)夂蛼邭饪諝鈧鞑?在汽缸壁上產(chǎn)生結(jié)構(gòu)振動(dòng);主機(jī)內(nèi)振動(dòng)會(huì)通過主機(jī)座傳遞到與之相連的船體結(jié)構(gòu)上,引起船體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。

船體結(jié)構(gòu)振動(dòng)同樣也會(huì)由機(jī)艙輔機(jī)或其他設(shè)備如往復(fù)式壓縮機(jī)、通風(fēng)機(jī)引起。

在某種狀態(tài)下,由波浪運(yùn)動(dòng)傳遞到船體外板上的周期性的波浪力也會(huì)引發(fā)船體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)。

振動(dòng)與噪聲是共生的。當(dāng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)以后,這種往復(fù)運(yùn)動(dòng)傳遞到周邊的空氣場(chǎng)中導(dǎo)致了空氣噪聲;當(dāng)振動(dòng)在結(jié)構(gòu)中傳播至諸如艙壁、板格處再傳遞到空氣中就導(dǎo)致結(jié)構(gòu)噪聲的產(chǎn)生。由于船舶主要結(jié)構(gòu)材料是鋼,鋼的內(nèi)部阻尼很小,所以結(jié)構(gòu)噪聲傳播時(shí)能量損失非常小。

2 減振降噪措施的采用

船體振動(dòng)會(huì)帶來(lái)以下幾個(gè)方面的不利影響:①不利于人體健康和工作效率;②不利于船體壽命和結(jié)構(gòu)安全;③不利于機(jī)電設(shè)備正常工作。船舶噪聲也會(huì)給人帶來(lái)煩躁情緒,影響工作效率,嚴(yán)重時(shí)也會(huì)危及人體健康,所以必須采用各種有效措施來(lái)減振降噪。

2.1 針對(duì)螺旋槳的減振措施

我們知道,作用于螺旋槳的不均勻進(jìn)流是導(dǎo)致振動(dòng)和激起螺旋槳噪聲的主要原因,因此改善船尾伴流分布,提高尾流場(chǎng)的均勻性,可以起到明顯的減振降噪效果。具體措施有:

(1)改良船體尾部的線型。采用雙尾線型、球尾、優(yōu)秀的船模系列以及船尾加設(shè)尾鰭等,都能很好地改善尾部伴流。如果能通過船模試驗(yàn)對(duì)尾部線型進(jìn)行優(yōu)化,將會(huì)取得更好的效果。整流尾鰭的設(shè)置如圖1所示。

圖1 整流尾鰭的設(shè)置

(2)許多情況下在螺旋槳外面安裝一導(dǎo)流管證明可明顯減小振動(dòng)和噪聲。這是由于導(dǎo)流管可以平穩(wěn)伴流分布。其最主要的目的是使螺旋槳的一大部分負(fù)荷可以轉(zhuǎn)移到導(dǎo)流管上,從而減小螺旋槳的軸承負(fù)荷和空泡的產(chǎn)生,對(duì)于重載螺旋槳還可以提高槳的效率。為了充分利用導(dǎo)流管可以降低槳振動(dòng)的特性,導(dǎo)流管必須正確安裝,與螺旋槳同心,同時(shí)還要保證導(dǎo)流管安裝部位處的船體結(jié)構(gòu)剛度。

(3)盡可能加大螺旋槳和船體間的間隙。螺旋槳與周圍船體間的間隙應(yīng)盡可能加大,不能僅滿足船級(jí)社的最低要求,這樣可以大大降低由螺旋槳產(chǎn)生的脈動(dòng)壓力場(chǎng)傳遞到船板的表面力。特殊情況下,當(dāng)無(wú)法增大槳與船體間的間隙時(shí),采用特殊的減振裝置——減振穴,可減弱螺旋槳作用在船體上的表面力,其主要原理是利用密閉的空氣彈簧和水質(zhì)量的吸振作用。減振穴的設(shè)置如圖 2所示。

圖2 減振穴的設(shè)置

(4)選用大側(cè)斜螺旋槳。選用該種形式螺旋槳,首先不會(huì)影響螺旋槳性能,但可以大幅減小激振力。效果理想時(shí)可使機(jī)艙內(nèi)各處振動(dòng)量值減少 1/4左右,上層建筑前后振動(dòng)量可減少 1/5左右。

(5)增加螺旋槳槳葉數(shù)。槳葉數(shù)的增加可能會(huì)導(dǎo)致螺旋槳的敞水效率略有下降。但就表面力而言,形成空泡時(shí)螺旋槳產(chǎn)生的壓力沖量總是隨槳葉數(shù)的增加而減少,并且能使該壓力值保持在一個(gè)較低的量級(jí)上;同樣的,隨著槳葉數(shù)的增加,也會(huì)降低螺旋槳作用在軸承上的負(fù)荷,如果槳葉數(shù)為偶數(shù)時(shí),效果更佳。

(6)敷設(shè)阻尼材料。在船體內(nèi)部合適部位敷設(shè)鋼質(zhì)或橡膠質(zhì)的阻尼材料,一般是在螺旋槳上方船底板處、機(jī)艙主機(jī)座面板和腹板處、主機(jī)座前后船體結(jié)構(gòu)處、機(jī)艙前壁處,有時(shí)在與上甲板室鄰接的機(jī)艙頂甲板處等位置進(jìn)行敷設(shè)。阻尼材料的敷設(shè)一定要符合工藝要求,一定要注意鋼結(jié)構(gòu)表面的清潔工作,以保證貼合效果。利用阻尼材料在其內(nèi)部產(chǎn)生拉伸、彎曲、剪切等變形,吸收大量的入射能量,將部分振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為摩擦熱能。圖 3為降低螺旋槳和主機(jī)引發(fā)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)而敷設(shè)在不同部位的阻尼材料的示意圖。

圖3 阻尼材料的設(shè)置

2.2 針對(duì)機(jī)艙設(shè)備的減振措施

機(jī)艙里的主機(jī)及其他輔機(jī)、減速齒輪箱等機(jī)器設(shè)備在工作時(shí)不可避免地會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)與噪聲,并且噪聲會(huì)以空氣噪聲和結(jié)構(gòu)噪聲兩種形式同時(shí)存在,特別是當(dāng)機(jī)器與結(jié)構(gòu)剛性安裝時(shí),影響更甚。結(jié)合振動(dòng)的特點(diǎn)及聲音傳播特性可以采取的減振降噪措施有:

(1)增加機(jī)座的尺寸和剛性。提高機(jī)座的剛性可以有效降低由機(jī)器傳遞過來(lái)振動(dòng)的振幅。從理論方面講,當(dāng)機(jī)座的剛度足夠大時(shí),可以使機(jī)座的振動(dòng)趨向于零;增加機(jī)座的尺寸則可以降低振動(dòng)的幅度。當(dāng)然,機(jī)座的剛性和尺寸不可能無(wú)限制的提高,還要服從于布置和經(jīng)濟(jì)性的需要。

(2)采用彈性支撐和彈性連接。彈性支撐一般是采用隔振器,有橡膠隔振器和金屬隔振器等形式。橡膠隔振器優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜、不易塑性變形,缺點(diǎn)是高溫下易老化及彈性變差、可燃;金屬隔振器優(yōu)點(diǎn)是抗水耐油,高溫下不變形且維護(hù)方便,缺點(diǎn)是價(jià)格較貴。彈性連接一般采用彈性聯(lián)軸器,也是含有橡膠的元器件,它可以允許有一定的軸向和徑向位移及一定的角偏差。圖 4是彈性支撐和彈性連接的典型方式。

(3)敷設(shè)阻尼材料。如圖 3所示,在機(jī)艙合適部位敷設(shè)阻尼材料。

圖4 彈性支撐和彈性連接

2.3 針對(duì)機(jī)艙的降噪措施

機(jī)艙里的噪聲主要是各種機(jī)器發(fā)出的空氣噪聲,在某種情況下,也可能是第二噪聲源以結(jié)構(gòu)噪聲的形式輻射出來(lái),比如螺旋槳在尾艙壁上激發(fā)出的結(jié)構(gòu)噪聲。一般來(lái)說(shuō),機(jī)艙的噪聲都會(huì)在 90dB以上,足以損傷人的聽力,必須采取綜合性的措施進(jìn)行降噪處理。可以采取的措施主要有:

(1)選用低噪聲的機(jī)器設(shè)備。在機(jī)艙機(jī)電設(shè)備選型時(shí),選用低噪聲型號(hào),從源頭上注意降低機(jī)艙的總噪聲。

(2)采用吸聲設(shè)施降低總噪聲級(jí)。吸聲材料一般多采用多孔性材料或纖維性材料諸如礦渣棉、玻璃纖維織物等。當(dāng)聲波傳遞到吸聲材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)中時(shí),就會(huì)引起吸聲材料的振動(dòng),導(dǎo)致材料間的相互摩擦,振動(dòng)能轉(zhuǎn)換成熱能。吸聲材料一般用拉制的金屬絲網(wǎng)或鋼、鋁質(zhì)穿孔薄壁板固定在機(jī)艙圍壁和天花位置處。這種結(jié)構(gòu)形式必須要注意以下幾點(diǎn):

①鋼、鋁質(zhì)穿孔薄壁板的穿孔面積要達(dá)到30%～40%以上;

②吸聲材料不能被油煙所覆蓋,不能油漆,否則會(huì)大大降低吸聲性能。

(3)采用隔聲罩。機(jī)器發(fā)出的噪聲部分是結(jié)構(gòu)噪聲,部分是空氣噪聲。對(duì)于空氣噪聲部分,可以采用隔聲罩將機(jī)器封閉在有效屏蔽的罩殼空間內(nèi)(除了必要的冷卻水和空氣進(jìn)出口),在罩殼內(nèi)部表面盡可能多地敷設(shè)吸聲材料。對(duì)于結(jié)構(gòu)噪聲部分,應(yīng)該在機(jī)器與底座之間、罩殼與底座之間采用彈性安裝。同時(shí)在空氣進(jìn)出口處加裝消聲器。機(jī)器隔聲罩安裝示意圖如圖 5所示。

(4)裝設(shè)隔聲屏障。聲音的一個(gè)特性是遇到堅(jiān)硬的表面時(shí)能非常有效地反射,如鋼板能反射大約99%的聲波,而且與聲音的頻率基本無(wú)關(guān)。隔聲屏障要想取得明顯效果,其高度尺寸要大于波長(zhǎng),所以隔聲屏障適用于產(chǎn)生短波高頻噪聲的小型機(jī)械,在以反射聲場(chǎng)占主導(dǎo)地位的機(jī)艙里很難起到令人滿意的效果。

(5)進(jìn)排氣、通風(fēng)管道中的消聲。進(jìn)排氣、通風(fēng)管道中的噪聲也是機(jī)艙噪聲的組成之一,采用安裝消聲器的方式可以有效降低噪聲。消聲器有兩種結(jié)構(gòu)形式:抗式消聲器和阻式消聲器?？故较暺鞯脑硎峭ㄟ^管道流通面積的變化,反射一部分入射聲能來(lái)降低噪聲。該種消聲器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,使用普遍,對(duì)一定的頻段相當(dāng)有效。阻式消聲器的原理是通過吸收一部分入射的聲能并將之轉(zhuǎn)換為摩擦熱能來(lái)降低噪聲。這種消聲器在一寬廣的頻率范圍內(nèi)都有效。兩種消聲器的結(jié)構(gòu)形式如圖 6所示。

圖5 機(jī)器隔聲罩安裝示意圖

圖6 消聲器的結(jié)構(gòu)形式

需要注意的是:當(dāng)機(jī)艙中有多處噪聲源時(shí),僅把一個(gè)次要聲源降低幾個(gè)分貝是徒勞的,因?yàn)樗鼘?duì)總噪聲的影響是微乎其微的。表 1顯示了不同降噪方式產(chǎn)生的不同降噪效果。由表 1可見,若要降低噪聲級(jí),必須找到區(qū)域的主要聲源,采取各種行之有效的措施加以解決。

表1 采用各種降噪措施后的減噪效果

3 避免共振措施

船體結(jié)構(gòu)在多種激振源和不同振動(dòng)頻率的聯(lián)合作用下,設(shè)計(jì)參數(shù)選擇不當(dāng)時(shí)極有可能產(chǎn)生共振現(xiàn)象。在設(shè)計(jì)當(dāng)中首先應(yīng)該避免下述情況的發(fā)生:

(1)避免螺旋槳與船體結(jié)構(gòu)、主機(jī)及軸系發(fā)生共振現(xiàn)象。主要通過增加螺旋槳的葉數(shù)即葉頻來(lái)避免與船體結(jié)構(gòu)、軸系的自然頻率相近,避免與主機(jī)的汽缸數(shù)、沖程數(shù)和葉數(shù)相等或成整數(shù)倍。有時(shí)通過調(diào)整螺旋槳安裝角度,使螺旋槳推力激振力與曲軸縱振動(dòng)激振力相抵消也是有效的方法。

(2)調(diào)整局部結(jié)構(gòu)的形式。不同結(jié)構(gòu)形式的固有頻率是不一樣的。當(dāng)有共振發(fā)生的可能時(shí),可采用調(diào)整局部結(jié)構(gòu)的類型、設(shè)置支柱等方式來(lái)改變結(jié)構(gòu)固有頻率以避開共振。需要注意的是在振動(dòng)節(jié)點(diǎn)處設(shè)支柱是無(wú)效的,在振幅最大處設(shè)置支柱最有效。

(3)提高結(jié)構(gòu)的剛度。在沒有其他更好辦法的情況下,可以加大結(jié)構(gòu)尺寸規(guī)格來(lái)提高局部結(jié)構(gòu)的剛度,加強(qiáng)局部結(jié)構(gòu)的邊界約束條件,從而降低結(jié)構(gòu)對(duì)振動(dòng)的響應(yīng)值,將振動(dòng)控制在可接受的程度上。

4 船用阻尼、降噪材料的研究發(fā)展概況

阻尼是減振降噪技術(shù)中有效控制結(jié)構(gòu)振動(dòng)和噪聲的方法之一,它利用材料的粘彈性將振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉,從而達(dá)到減振降噪的目的。阻尼、降噪材料在船舶減振降噪工程應(yīng)用中起著必不可少的的重要作用,尤其是在艙室降噪方面,通過敷設(shè)阻尼、降噪材料并結(jié)合其他降噪措施,可以收到滿意的效果。

船用阻尼材料的開發(fā)和應(yīng)用已有三四十年的歷史,目前主要分為片狀型材、阻尼鋼板和涂料三種類型。早期的片狀材料以瀝青系列制品為主,價(jià)格低廉,來(lái)源廣泛,但阻尼性能較差。隨后出現(xiàn)的橡膠型片材,因其阻尼性能較瀝青材料有較大的提高,在船舶上得到廣泛應(yīng)用。但它也存在一些難以克服的缺點(diǎn),如對(duì)底材的處理要求相當(dāng)嚴(yán)格,施工時(shí)需用特殊的膠粘劑粘貼,常因粘貼不牢造成脫落,導(dǎo)致阻尼性能下降。對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)(如碰釘、馬腳、焊縫等)和曲率較大的施工部位,橡膠型片材的應(yīng)用受到限制。阻尼鋼板是近幾年開發(fā)出的新型阻尼材料,該材料是將一層粘彈材料復(fù)合在兩層相同厚度的鋼板之間,形成所謂“夾心阻尼結(jié)構(gòu)”,具有阻尼效果好,外表美觀的優(yōu)點(diǎn);缺點(diǎn)是材料比重較大,剪裁困難,尤其是焊接工藝復(fù)雜,焊接過程中粘彈材料易燃燒損壞,影響其阻尼性能,同時(shí)由于其成本較高,應(yīng)用受到限制。阻尼涂料作為一種新型的阻尼材料,因其具有制造工藝簡(jiǎn)單,施工方便,性能優(yōu)異等特點(diǎn),發(fā)展極為迅速。初期的阻尼涂料為溶劑型,以瀝青為主要成膜物,加入其他樹脂、助劑、填料及有機(jī)溶劑混合而成,不僅阻尼性能差,而且易燃易爆,使用不安全,污染環(huán)境,應(yīng)用受到很大限制。20世紀(jì) 80年代中后期,國(guó)內(nèi)外開始對(duì)水性阻尼涂料進(jìn)行研究和應(yīng)用工作,并取得了較好的效果。水性阻尼涂料雖然解決了污染和易燃易爆等問題,但存在干燥時(shí)間長(zhǎng),厚涂困難的缺點(diǎn)。在氣溫較低,濕度較大的情況下,該類涂料施工受到很大限制。我國(guó)相關(guān)科研機(jī)構(gòu)從“七?五”開始進(jìn)行新型阻尼涂料的研究工作,先后研制成功無(wú)溶劑阻燃型系列阻尼涂料,克服了以往船用阻尼材料在阻尼性、工藝性和實(shí)用性等方面的諸多不足,成為綜合性能較好的阻尼材料之一。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述,在船舶設(shè)計(jì)過程中,可以在以下幾方面采取減振降噪措施:

(1)減少激振力,通過增大距離方式或采用激振力相位相反的干擾力。

(2)彈性隔振,不使振源向外傳遞振動(dòng),或者使外界的振動(dòng)不傳入振動(dòng)體。

(3)設(shè)置吸振裝置(在合適位置處敷設(shè)阻尼材料),吸收振動(dòng)能量。

(4)減小振動(dòng)響應(yīng)量值,即增加振動(dòng)體的剛性和質(zhì)量;

(5)采用封閉、反射、吸聲材料方式降噪。

(6)采用避免共振措施等。

通過上述措施的綜合應(yīng)用,一定能夠明顯降低振動(dòng)噪聲。

[1] 彼得森JW E,斯托姆J.船舶噪聲控制[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1983.

[2] 張佐厚,胡志安.船舶推進(jìn)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社, 1980.

[3] 張平,楊輝.常規(guī)螺旋槳設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析[J].江蘇船舶,2006, 23(3):1-3.

[4] 劉東暉,黃微波,櫪宇潤(rùn),王寶柱,陳酒姜,徐德喜.T54/T60阻尼涂料在艦船減振降噪工程中的應(yīng)用[J].船舶,1997,(4):40-46.