包 容 李寒林 吳井霞 洪常晉 顧嘉陽 王琦超

(1．集美大學(xué)輪機工程學(xué)院，福建 廈門 361021；2．福建省船舶與海洋工程重點實驗室，福建 廈門 361021；3. 船舶輔助導(dǎo)航技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，福建 廈門 361021)

1 概述

船舶噪聲對人體和環(huán)境的危害非常嚴(yán)重，目前國際海事組織對如何降低船舶噪聲十分重視。在船舶中，電力拖動設(shè)備運行時常常產(chǎn)生較為嚴(yán)重的噪聲問題。目前，對船舶電力拖動設(shè)備噪聲的控制方法只采用簡單的設(shè)備隔振墊，完整的控制方法還沒有落實。但是，由于船舶電力拖動設(shè)備噪聲不僅對設(shè)備性能的完整性會產(chǎn)生影響，而且會給船員的身心健康帶來一定的負(fù)面影響。因此，研究船舶電力拖動設(shè)備噪聲產(chǎn)生的機理和控制方法是十分必要的。

1970年，國際勞工組織(ILO)在日內(nèi)瓦召開的海事特別會議上通過了《關(guān)于船員、設(shè)備工作區(qū)有害噪聲規(guī)定的建議》，建議各國政府制定限制船舶噪聲的規(guī)則。目前一些造船和航運國家都制定了船舶噪聲標(biāo)準(zhǔn)，作為船舶特殊環(huán)境下的健康保護標(biāo)準(zhǔn)[1]。本文根據(jù)各電力拖動設(shè)備工作空間、工作環(huán)境的差異，研究具體的噪聲控制方法，通過相關(guān)常用的噪聲控制技術(shù)，設(shè)計一套船舶電力拖動設(shè)備噪聲控制系統(tǒng)。

2 噪聲產(chǎn)生機理與控制技術(shù)

船舶電力拖動設(shè)備產(chǎn)生噪聲的一大主要原因就是拖動電機的工作運轉(zhuǎn)。拖動電機產(chǎn)生噪聲一般由三部分組成：空氣動力性噪聲、機械性噪聲和電磁噪聲[2]。目前的噪聲控制技術(shù)有吸聲技術(shù)、隔聲技術(shù)、消聲技術(shù)和隔振及阻尼減振技術(shù)，但是單一的技術(shù)應(yīng)用對于噪聲的控制并不明顯，所以探究如何有機結(jié)合這些技術(shù)來實現(xiàn)有效地控制拖動電機噪聲的產(chǎn)生才是首要任務(wù)。

2.1 噪聲產(chǎn)生機理

2.1.1 空氣動力性噪聲

產(chǎn)生空氣動力性噪聲的機理比較簡單，其主要是由拖動電機產(chǎn)生。為了冷卻拖動電機運行時發(fā)熱而產(chǎn)生的溫度，需要而在機內(nèi)安裝冷卻風(fēng)扇，船舶電力拖動設(shè)備的拖動電機均裝有冷卻風(fēng)扇，拖動電機進排氣方式有機身殼外排和冷卻風(fēng)扇直排?？諝鈩恿π栽肼曉窗L(fēng)扇噪聲、進排氣噪聲、換氣噪聲，設(shè)備運行時拖動電機的噪聲聽起來為嗡嗡作響[3]。

2.1.2 機械性噪聲

機械噪音是指在工作中因零件間的外力或內(nèi)力而產(chǎn)生的機械裝置的內(nèi)部振動和噪音，包括低頻噪音、高頻噪音、結(jié)構(gòu)共振噪音等。因為機械噪音占了很大的比例，所以控制機械噪音是主要課題。

2.1.3 電磁噪聲

電磁噪聲是由于電磁場而引起。電機徑向電磁力的周期性變化或是不平衡磁力會導(dǎo)致磁致伸縮和振動從而產(chǎn)生電磁噪聲。由于定子和轉(zhuǎn)子的本身特有的結(jié)構(gòu)特性在振動時也會影響到電磁噪聲。電磁力即使很弱，當(dāng)和固有頻率共振時也會產(chǎn)生很大的電磁噪聲。

2.2 噪聲控制技術(shù)

2.2.1 吸聲技術(shù)

當(dāng)噪聲碰撞到吸聲材料或結(jié)構(gòu)時，其中一部分的聲能被吸收，剩下的被反射的噪聲逐漸減弱，然后我們聽到的噪聲就非常小了。多孔吸聲材料和共振吸聲結(jié)構(gòu)這兩大類是對吸聲技術(shù)不同應(yīng)用而產(chǎn)生的結(jié)果。

①多孔吸聲材料。多孔吸聲材料內(nèi)部一般會有很多小孔通向材料表面，有著良好的透氣效果。有纖維狀、顆粒狀、泡沫狀三種構(gòu)造。

②共振吸聲結(jié)構(gòu)。按照共振吸聲結(jié)構(gòu)原理設(shè)計而成的具有良好吸音性能的吸音部件，稱為共振吸聲結(jié)構(gòu)。

2.2.2 隔聲技術(shù)

采用隔音部件來分離噪聲源和接收機，降低噪聲傳播路徑中的噪聲污染的技術(shù)被稱為隔音技術(shù)。隔音原理是，當(dāng)有噪音入射到墻壁面時，由于聲波的作用，墻壁會以一定的方式振動。一般的防音對策是，像隔音屏障、隔音罩、隔音室那樣，可以降低20～50dB的噪音水平。

2.2.3 消聲技術(shù)

消音技術(shù)的原理是通過安裝在氣流的管道上、或放入排氣口中而使噪音衰減的裝置，將聲能轉(zhuǎn)換成熱能，有效地降低空氣動力噪音。

消聲器種類繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。消聲器可根據(jù)在不同環(huán)境條件下的應(yīng)用而分為以下幾個部分:：阻性消聲器、抗性消聲器、擴散性消聲器和阻抗復(fù)合式消聲器。這幾種消聲器在形式、性能和主要用途上都有著很大的差別，如表1為消聲器分類表。

其中最常用的為阻性消聲器，阻性消聲器的消聲原理為：利用吸聲材料的吸聲作用，使沿通道傳播的噪聲不斷被吸收而逐漸衰減。 當(dāng)聲波進入消聲器中，會引起阻性消聲器內(nèi)多孔材料中的空氣和纖維振動，由于摩擦阻力和粘滯阻力，使一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能而散失掉，就起到消聲的作用[4]。在風(fēng)機噪聲控制中消聲器的應(yīng)用最為常見，如圖1為片式阻性消聲器外形結(jié)構(gòu)示意圖。

表1 消聲器分類表

圖1 片式阻性消聲器外形結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.4 隔振及阻尼減振技術(shù)

機械設(shè)備運轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生振動，振動可由空氣或連接部分傳遞?？梢栽跈C械設(shè)備的連接部位之間設(shè)置彈簧或者彈性墊，從而引起彈性變化，起到對振動的緩沖效果，并明顯的削弱振動。另外，根據(jù)支撐材料的電阻能量消耗，基礎(chǔ)傳達的振動變?nèi)?，降低聲音的輻射是防振噪聲降低技術(shù)的基本原理，振動時使用的彈性裝置稱為防振器。

在設(shè)備的基座與支座之間的剛性連接加裝金屬彈簧隔振器可有效地預(yù)防由船舶搖晃和設(shè)備本身運行不穩(wěn)定造成的振動所引起的機械性噪聲；在主要噪聲源拖動電機部位，在其底座與設(shè)備基座之間加裝金屬彈簧隔振器或隔振墊，可有效降低由電機本身運行不平衡和船舶搖晃引起振動而造成的電機的機械性噪聲。如圖2為金屬彈簧隔振器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 金屬彈簧隔振器結(jié)構(gòu)示意圖

3 船舶電力拖動設(shè)備噪聲控制方案

電力拖動設(shè)備產(chǎn)生的噪聲一般都為機械噪聲，但是由于部件加工不精細(xì)或無降噪結(jié)構(gòu)，船舶電力拖動設(shè)備的噪聲并不能得到有效控制，一般控制噪聲從三個方面，分別是從噪聲源，噪聲傳播途徑和個體接收者進行。但由于從噪聲源方面進行大規(guī)模的設(shè)備改造來控制實現(xiàn)比較困難，且不經(jīng)濟；從個體接收者方面的控制，并不能從根本解決問題。因此，本文從船舶電力拖動設(shè)備噪聲的傳播途徑來設(shè)計噪聲控制方案，不僅能夠長期有效的最大化降低設(shè)備噪聲，而且經(jīng)濟投入相對不高。

3.1 總體控制方案

對于船舶電力拖動設(shè)備，由于設(shè)備部件制造工藝基本固定，難以改進，從聲源上減噪的效果并不明顯，是不切合實際的。而在傳播途徑上采取措施，不僅可以明顯降低噪聲，投入成本也是不高的，具體方案設(shè)計圖如圖3船舶電力拖動設(shè)備噪聲控制方案圖所示。

圖3 船舶電力拖動設(shè)備噪聲控制方案圖

3.2 各部分組件

3.2.1 隔聲間

將船舶電力拖動設(shè)備單獨用噪聲隔聲間隔離起來，將設(shè)備的總體噪聲適當(dāng)?shù)呐c外界進行隔離。遇到惡劣海況時，對于甲板電力拖動設(shè)備而言，可以一定程度的使其免遭如臺風(fēng)暴雨，海浪侵襲等對設(shè)備帶來的諸如腐蝕之類的損壞。隔聲間的選擇方案可根據(jù)工作空間不同進行選擇，在甲板機械工作條件下，選用YZS-GSP系類隔聲間。

3.2.2 電源箱

將原來的電源控制部分改造成電源控制箱，安裝在隔音室的外部墻壁上。這樣將設(shè)備隔離起來，使在場工作船員不用直接與設(shè)備接觸，方便操作，可以最大化的減小船員所受到的噪聲。

3.2.3 金屬彈簧隔振器、隔振墊

對于船舶電力拖動設(shè)備，考慮其與船舶一起海上航行，受海洋環(huán)境影響，振動比較厲害，一般選用ZTG金屬彈簧隔振器。ZTG型阻尼彈簧減振器構(gòu)造簡易，應(yīng)用方便，可調(diào)整減振器的安裝高度。表2為ZTG型金屬彈簧隔振器的分類表。隔振器的選擇應(yīng)該根據(jù)實際需要選擇[5]，根據(jù)實際船型的電力拖動設(shè)備，考慮電力拖動設(shè)備重量約2600 kg，因此本設(shè)計選用4個ZTG-L-700型號的金屬彈簧隔振器。

表2 常見ZTG型金屬彈簧隔振器的分類表

3.2.4 消聲器

拖動電機的主要噪聲是空氣動力性噪聲，為了較大程度地降低其噪聲，主要設(shè)計思想是在拖動電機輻射氣流噪聲最強的部位即冷卻風(fēng)扇進出氣口處加裝消聲器，把電機的冷卻風(fēng)扇進排氣噪聲控制在容許的范圍內(nèi)，是較為理想的方法。但這種消聲器應(yīng)具有對氣流阻力小,安裝后不影響電機冷卻散熱，并使得電機的溫升要能夠控制在允許范圍之內(nèi)、體積小、重量輕、便于安裝與拆卸的優(yōu)點[6]。

3.2.5 隔聲間通風(fēng)風(fēng)扇

考慮到隔聲間內(nèi)部，設(shè)備本身散熱條件和天氣環(huán)境，需要在隔聲間的隔聲墻上設(shè)計安裝通風(fēng)風(fēng)扇，這種通風(fēng)風(fēng)扇形式簡單，無需借助船舶電力來維持運行，僅靠自然風(fēng)，如海風(fēng)、船舶航行帶來的氣流風(fēng)等作為通風(fēng)風(fēng)扇的運行能量[7]。

對噪聲控制方案的各個構(gòu)件部位，可供參考的價格與隔聲量見表3。其中消聲器的具體價格需要根據(jù)拖動電機冷卻風(fēng)扇進排氣出口處的尺寸大小和所需內(nèi)部消聲片數(shù)量和材料來考量[8]。

表3 控制方案各部件價格與隔聲量

4 結(jié)論

針對某型船舶電力拖動設(shè)備的噪聲問題，本文總結(jié)噪聲產(chǎn)生來源和機理，根據(jù)常用的噪聲控制技術(shù)，設(shè)計船舶電力拖動設(shè)備噪聲控制系統(tǒng)方案，在對船舶電力拖動設(shè)備噪聲的控制方案設(shè)計中，根據(jù)具體條件分析研究，找出主要噪聲源，并根據(jù)其噪聲性質(zhì)的強弱，結(jié)合設(shè)備所處工作環(huán)境，合理選用噪聲控制裝置，給出相應(yīng)控制方案圖，采用此方案降噪效果好，成本可控，可推廣應(yīng)用至現(xiàn)有船舶噪聲改造工程。