由成良

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

0 引 言

隨著我國艦船不斷升級換代、艦載裝備功能不斷提升和艦員生活水平不斷改善，艦船人機環(huán)境中的噪聲控制日趨重要?？照{、通風系統(tǒng)雖不是艦船人機環(huán)境中最主要的噪聲源，但由于空調、通風系統(tǒng)分布在艦船的各個部位，在某些局部范圍和特定時段，由空調、通風系統(tǒng)產生的噪聲已成為主要矛盾。以往的各類艦船空調、通風系統(tǒng)設計中已采取各種隔振、降噪措施，有些措施的效果很好，有些卻并不理想。本文基于噪聲及其傳播的基本原理與規(guī)律，分析評價了輔助船空調與通風系統(tǒng)的噪聲源、傳播途徑和特征，匯總了各類相關噪聲控制的具體措施和方案，提出有效、實用的噪聲控制設計方法。

1 輔助船空調、通風系統(tǒng)噪聲的特點分析

輔助船空調、通風系統(tǒng)的噪聲源主要包括船用冷水機組、水泵、風機等設備的機械噪聲、電磁噪聲以及空氣動力噪聲。由于輔助船的特殊性，艦員的工作和生活艙室往往不可避免會緊挨空調器室，長期噪聲影響將嚴重損害艦員生理和心理健康［1-2］，而且一些精密儀器設備的精度和使用壽命也會因此下降?，F(xiàn)以通風系統(tǒng)為例分析其噪聲類型組成。

通風機運轉時同時產生機械噪聲、空氣動力噪聲。機械噪聲來自軸承及旋轉部件（葉輪、軸或皮帶輪）的不平衡；空氣動力噪聲包括由旋轉葉片造成的渦流噪聲和旋轉噪聲。再來看它的電動機，它在工作時同時產生機械噪聲、空氣動力噪聲和電磁噪聲。機械噪聲來自軸承及電機轉子不平衡；空氣動力噪聲包括因電動機冷卻風扇的旋轉葉片造成的渦流噪聲和旋轉噪聲；電磁噪聲是由定子與轉子之間交變電磁引力，磁致伸縮引起的。通風機噪聲的大小取決于風機的結構形式、風量及轉速等，同一臺風機的最佳工況點是最高功率點和最低比聲功率級點［3］。

通風管道及附件產生噪聲成因分析如下：在空調送、回風系統(tǒng)中，氣流通過吸風口，空氣分配器或經過風管彎頭、支管、截面突變部位及調風門、風閘時，因氣流局部受阻礙而產生渦流或紊流，從而引起噪聲，該類型噪聲屬于空氣動力噪聲。研究表明，空氣動力噪聲125 Hz的基頻為最強［4］。另外，相鄰艙室的噪聲還會通過風管和氣流的傳遞而產生相互干擾性噪聲，干擾性噪聲繼而又激發(fā)空調系統(tǒng)的噪聲。

要分析全船空調、通風系統(tǒng)的噪聲源，就必須獲得組成該系統(tǒng)的每一局部的噪聲類型和數(shù)據(jù)。

每個設備（包括附件）的噪聲數(shù)據(jù)可通過實測或計算獲得，這項工作可由設備供應商完成并提供，若條件具備也可由系統(tǒng)設計人員完成。表1和表2是輔助船空調、通風系統(tǒng)常用風機和水泵的性能參數(shù)?？梢钥闯觯瑑烧叩脑肼曋鲗ьl率都屬于低頻范疇，低頻噪聲不僅對人體健康有著不可忽視的影響［5］，而且還會嚴重影響儀器設備的工作甚至能破壞金屬材料的結構［6-7］。低頻噪聲具有波長較長，易于繞過障礙物且在鋼結構中傳播衰減緩慢等特點，尤為有利于在艙室密集的輔助船上全船傳播。因此對低頻噪聲的控制是輔助船空調、通風系統(tǒng)噪聲控制的關鍵。

表1 空調系統(tǒng)常用風機（50 Hz交流電源）的性能參數(shù)

表2 空調系統(tǒng)常用水泵（50 Hz交流電源）的性能參數(shù)

2 輔助船空調、通風系統(tǒng)噪聲的控制

2.1 聲學系統(tǒng)的組成

如圖1所示，聲學系統(tǒng)一般由聲源、傳播途徑和接收器三部分組成。據(jù)此，可以從聲源、聲傳播途徑以及接收器三方面控制噪聲。

圖1 聲學系統(tǒng)基本組成

2.2 聲傳播的特點

聲波傳播的實質是振動能量的傳播。聲波在傳播過程中遇到障礙物時將產生反射、透射和衍射。

2.2.1 聲波的反射和透射

當聲波Pi從A媒質傳播到A、B兩種媒質的界面時，一部分聲能量Pr會在界面上發(fā)生反射，繼續(xù)在A媒質中傳播，另一部分聲能量Pt則透射到媒質B中。

圖2 聲波的反射和透射

假定傳播到界面上的聲波是平面波，可仿照光學中的反射定律得出聲強的反射系數(shù)r和透射系數(shù)τ：

上述ρ是媒質的密度，c是媒質中的聲速，兩者的乘積稱為平面聲波的聲阻抗率。

r和τ反映了媒質對入射聲波的吸收和隔離性能，通常把r值小的材料稱為吸聲材料，把τ值小的稱為隔聲材料。

2.2.2 聲波的衍射

聲波在傳播過程中遇到小孔或障礙物時，如果孔或障礙物尺寸與波長λ相比很小時，聲波能夠繞過小孔或障礙物的邊緣前進，這種現(xiàn)象稱為聲波的衍射。波長較長的聲波更易繞過障礙物繼續(xù)傳播，因此采用屏障隔聲，對高頻聲波有較好的降噪效果，而對低頻聲波降噪效果較差。

2.2.3 聲波的衰減

聲波在空間傳播時將產生發(fā)散性衰減，并且由于空氣吸收、外圍壁面吸收以及屏障等，會發(fā)生聲傳播過程中的附加衰減。

（1）聲傳播過程中的發(fā)散衰減

聲波在傳播過程中，波陣面隨距離的增加而增大，聲能擴散，聲強衰減。以輻射功率為W的點聲源為例，距聲源中心為r的球面上的聲強為：

聲強級為：

其中，LW為聲源的聲功率級。

（2）聲傳播過程中的附加衰減

聲傳播的附加衰減是由于聲波在媒質中傳播時，引起媒質的質點振動且存在速度梯度，使相鄰質點間產生相互作用的摩擦和黏滯阻力，將聲能轉化為熱能耗散掉。

2.3 在聲源處抑制噪聲

2.3.1 優(yōu)化間接式空調機組的結構形式

由于艙室空間有限，間接式空調機組的回風箱設計得過短、出風箱設計得過矮，造成了很大的局部阻力。這會導致風機風壓被迫加大，電動機功率和噪聲隨之增加；又由于回風箱、出風箱局部阻力增加，氣流產生更大的渦流和紊流造成了系統(tǒng)內空氣動力噪聲的增加，并通過空調風管向艙室擴散。應優(yōu)化間接式空調機組的結構形式，避免采用局部阻力過大的回風箱和出風箱。

2.3.2 選擇低噪聲通風機

在理論上，通風機的空氣動力噪聲大小與其轉速、葉輪直徑大小和外殼的結構形式、葉片傾角、葉片數(shù)和通風機工作狀態(tài)有關；而產品的加工、安裝精度是一臺通風機機械噪聲大小的最主要決定因素。所以，在空調、通風系統(tǒng)中，若采用離心式通風機，應盡可能選用低轉速、后彎葉片形式；若采用軸流式或混流式通風機應盡可能選用低轉速、小直徑形式。另外，結構合理性、裝配精密性、良好的動靜平衡性都是選擇通風機時應充分關注的要素。近年來，輔助船空調、通風系統(tǒng)中普遍采用的管道風機，在噪聲、重量、安裝方面有突出的優(yōu)勢，特別適用于通風量較小且安靜的處所，比如臥室衛(wèi)生間、試驗室、會議室等。

2.3.3 合理劃分空調區(qū)域

在設計劃分空調區(qū)域時，應與其他相關專業(yè)協(xié)調，合理布置艙室及確定空調風管走向和尺寸，使各艙室的布置及組合既滿足其他專業(yè)的需要，又有利于空調系統(tǒng)的設置，應盡量做到：

（1）劃分空調區(qū)域時，應控制每臺間接式空調機組的空調負荷和風量，從而避免選擇過大風量和功率的空調通風機，達到控制噪聲源強度的目的；

（2）劃分空調區(qū)域時，應避免采用過長、阻力過大的送風管、回風管和新風管，從而降低空調通風機的風壓，降低風機電動機的功率，達到控制噪聲源強度的目的。

由于輔助船具有艙容較小、艙室功能和數(shù)量多且雜的特性，通常艙室劃分不能完全符合空調設計要求，往往既增加了間接式空調機組的功率和噪聲，又因過多過長的風管設置而額外占有了船上寶貴的空間。所以合理布置艙室及合理確定空調風管走向和尺寸，是一項需要各專業(yè)共同協(xié)調完成的工作。

2.3.4 降低系統(tǒng)風量和優(yōu)化風管設計

降低系統(tǒng)風量有利于降低風管內空氣流速從而減少風管內空氣動力噪聲。對于空調螺旋送風管而言，主管流速低于13 m/s，噪聲可被較好控制。

對空調及通風風管的三通、彎頭、調風門等，應盡量做成流線型、漸變型或設置導流葉片，以減小空氣流動阻力。

風道斷面擴大時，其擴張角應盡量小于20°；風道斷面縮小時，其收縮角應盡量小于45°；矩形風管斷面的長寬比盡量小于3.5。

風機出口最好有長度為出口邊長1.5～2.5倍的直管段，以避免渦流。如果受空間限制不能滿足上述要求，出口管的轉彎方向應順著風機葉輪轉動的方向，或在彎管中設導流葉片。

采用較厚鋼板制作風管，以避免由于風管剛度不夠而引起的振動和噪聲。

盡量采用大規(guī)格的空調布風器，以降低空氣流速減少渦流。

2.4 在傳播途徑中控制噪聲

2.4.1 空調系統(tǒng)形式的選擇

為有效控制空調系統(tǒng)的噪聲，輔助船空調系統(tǒng)形式盡量采用間接式空調系統(tǒng)。這樣就能將冷水機組和水泵布置得遠離生活與工作艙室，使來自這兩大噪聲源的噪聲在傳播過程中大幅衰減，最終留在生活和工作艙室區(qū)域的噪聲源只有間接式空調機組和風機。

2.4.2 采取吸聲、消聲措施

吸聲主要通過在布置有冷水機組、水泵、空調機組等噪聲源的艙室的艙壁上敷設吸聲材料，由吸聲材料將艙室內的聲能部分地吸收掉，以減少噪聲向外擴散。常用的多孔吸聲材料有：玻璃棉、礦渣棉、毛氈等。實驗數(shù)據(jù)表明：多孔吸聲材料對高頻噪聲吸聲效果相當明顯，而對低頻噪聲吸聲效果不明顯。例如超細玻璃棉，當容重20 kg/m3、厚度為50 mm時，對125 Hz聲波的吸收系數(shù)α僅為0.1，而對500 Hz聲波的吸收系數(shù)α為0.85。這對于以低頻噪聲為主的輔助船空調、通風系統(tǒng)并不適用。由此可見，設計過程中，獲得噪聲源的頻率數(shù)據(jù)并采取有針對性的技術措施至關重要。

消聲指降低沿管道傳遞的空氣動力噪聲，即在空調、通風風管中設置消聲器，當氣流通過時降低噪聲。根據(jù)消聲器的結構型式、消聲原理的差別，可以分為阻性消聲器、共振性消聲器、抗性消聲器、復合式消聲器。

阻性消聲器的消聲原理是利用阻性吸聲材料消耗聲能以降低噪聲。對中、高頻噪聲消聲性能良好，而對低頻噪聲消聲性能較差，該種消聲器局部阻力系數(shù)較小。

共振性消聲器的消聲原理是利用特定空間內空氣共振效果將聲能轉變?yōu)闊崮埽瑥亩鸬较曌饔谩Ｓ捎诓捎霉舱裨恚@種消聲器的消聲頻率選擇性較明顯，常用于消除低頻、特定頻率范圍的噪聲，且局部阻力系數(shù)較小。

抗性消聲器的消聲原理是利用管道內的截面突變，使沿著風管傳播的聲波向聲源方向反射或者在腔室內來回反射，以至消失，從而起到消聲作用。對低頻、中頻噪聲消聲性能良好，該種消聲器局部阻力系數(shù)較大。

復合式消聲器是將對低、中頻有效的抗性消聲器和對高頻有效的阻性、共振性消聲器復合而成的一種消聲器。它既有吸聲材料，又有共振器和穿孔屏等濾波元件。該種消聲器消聲量大，消聲頻率范圍寬，目前在輔助船及各類型艦船的空調、通風系統(tǒng)中應用相當廣泛。

為了精確地消除空調、通風系統(tǒng)的噪聲，設計中應根據(jù)噪聲源的頻率值，量化各消聲器的各項參數(shù)。每個消聲器都應是針對某個具體系統(tǒng)、具體部位而設計制造的。

2.4.3 采取隔聲、隔振措施

隔聲是指將噪聲傳播途徑隔開，使噪聲與要求安靜的艙室隔絕。某些輔助船將離心通風機放在消聲風機箱內，風管則與風機箱相連，以避免通風機噪聲的傳播。在某些場合，可根據(jù)需要為制冷壓縮機、水泵、風機等噪聲源設置隔聲罩。風機箱、隔聲罩的優(yōu)點是體積小、效果比較明顯，但有時會使運轉設備的通風散熱、裝拆檢修、操作運行、儀表監(jiān)視等方面帶來一些麻煩，必須采取相應的措施。

隔振是指采取合理的措施，消除設備與基座之間的剛性連接，以降低由設備振動傳給基座所激發(fā)的噪聲。具體方式有：在產生振動的空調、通風設備和它們的基座之間采取隔振措施，比如使用各種材質、結構形式的隔振器；風管、液管與設備連接處采用軟性連接；風管與吊架接觸處應墊橡膠等軟彈性材料，以防止風管振動和噪聲的傳遞。

隔振器的選擇必須根據(jù)振源設備重量、振動頻率，經計算或查表確定。通過隔振器后垂直單向地傳遞給甲板力的幅值與設備交變激發(fā)力幅值之比值稱為振動系統(tǒng)（無阻尼）的傳遞率T［8］，可通過下式獲得：

式中：f為振源的擾動頻率（Hz）；

f0為振動系統(tǒng)的固有頻率（Hz）。

對于單向振動系統(tǒng)的固有頻率而言，它有如下特性：

式中：K為彈性隔振材料的靜態(tài)剛度（N/m）；

m為振動系統(tǒng)的質量（kg）。

從降低振動傳遞率的角度來說，希望彈性隔振材料的靜態(tài)剛度K小一些，然而，對于大多數(shù)彈性材料而言，能承受負載大的材料剛度大，承載能力小的材料剛度小。所以，在實際工程應用中，必須根據(jù)具體情況加以設計選擇。

從上式可見，增加振動系統(tǒng)的質量可以降低振動系統(tǒng)的固有頻率，從而有利于隔振效果。具體方法是在運轉設備（如水泵）下附加質量塊，質量塊的質量應大于設備的質量，并安裝在隔振器上。

2.5 接收器上加載保護措施隔離噪聲

在緊鄰冷水機組、空調器、水泵等高噪聲艙室的區(qū)域，若不可避免的存在需要在低噪聲環(huán)境中進行的工作，則可以采用設置隔聲間的方式消除噪聲的影響。隔聲間通常是包括隔聲、吸聲、消聲和減振等多種措施的噪聲治理裝置。通常用插入損失IL評價隔聲間綜合降噪效果，IL為被保護處安裝隔聲間前后的聲壓級之差［8］。

式中：A為隔聲間內表面的總吸聲量，m2；

S為隔聲間內表面總面積，m2；

Si為第 i個構件的面積，m2；

TLi為第i個構件的隔聲量，dB。

在滿足隔聲間平均隔聲量要求的前提下，各構件隔聲量按等透聲原理設計，即各構件的透聲系數(shù)與面積的乘積均相等。例如一般門窗的透聲系數(shù)較大，而艙壁的透聲系數(shù)較小，因此隔聲間應該采用較小的門窗。

2.6 有源消聲技術

上述噪聲控制方法都屬于被動或無源式的控制方法，這些方法對控制中高頻噪聲較為有效，但因為低頻噪聲波長較長，容易繞過吸聲結構或材料，從而使得實際控制效果較差。圖3所示的有源消聲是利用次級聲源的聲波與原有噪聲源的聲波干涉，從而達到消聲目的［9］。

圖3 有源消聲原理圖

在控制點前一定距離用傳感器拾取噪聲源聲信號，經過控制器將其調制到噪聲傳播到控制點應具有的特性，在該點用次級聲源發(fā)出與噪聲反相的聲波，以抵消原有噪聲。在控制點后設有誤差傳感器，用于對控制器進行微調，形成自適應系統(tǒng)。該方法特別適用于以低頻為主的輔助船空調、通風系統(tǒng)噪聲控制。但目前由于技術不夠成熟，在輔助船上鮮有應用，因此，后期還需進一步加強該技術的實船試驗研究。

3 結 論

本文對輔助船空調、通風系統(tǒng)噪聲進行了較細致的分析總結，提出一系列切實有效的解決方案。不過在實船設計過程中，必須做好具體的測量、計算、分析工作，才能得到控制某個具體噪聲源噪聲及防止其擴散的有效解決方案。

噪聲控制的具體措施和方案因船而異，雖然目前無法做到無代價徹底消除噪聲，不過隨著技術的不斷進步，現(xiàn)時無法解決的一些技術難題以后會逐步得以解決。

［1］高菲，張季平.噪聲對健康的影響［J］.生物學教學，2007，32（2）：10～11.

［2］胡琳琳.噪聲對人體健康影響的分析［J］.污染防治技術，2009，22（1）：26～27.

［3］中國船舶工業(yè)總公司.船舶設計實用手冊（輪機分冊）［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1999.570～573.

［4］郝火凡，張翠玲.空調系統(tǒng)噪聲研究及控制［J］.蘭州交通大學學報（自然科學版），2005，24（1）：87～90.

［5］孟蘇北.城市住宅區(qū)低頻噪聲對人類健康的危害［J］.中國醫(yī)藥導報，2007，4（35）：17～19.

［6］谷家錦.高聲強次聲和低頻聲的研究［J］.噪聲與振動控制，1999（2）：6～8.

［7］蔣安邦，肖騫.低頻聲波對金屬材料的破壞和治理［J］.工程建設與設計，2006（3）：76～78.

［8］楊紅偉，孫金鳳，王艷，等.噪聲控制新技術與消聲器設計選用及質量檢驗標準規(guī)范實用手冊［M］.北京：北方工業(yè)出版社，2006.175～176.

［9］孫飛.封閉空間低頻噪聲ANC技術仿真試［D］.沈陽：沈陽航空工業(yè)學院.2010.