船舶减振降噪措施简析

张 平,于全虎

(江苏省船舶设计研究所有限公司,江苏镇江 212003)

0 引言

船舶噪声不仅影响到船员自身工作生活和身体健康,而且对水域沿岸居民的生活造成影响。产生噪声的振源是造成船舶结构疲劳破环的根源之一,对船舶的使用寿命和安全性造成影响。船舶噪声由其自身设备工作时以及外界风浪等拍击船体发出的不同频率和不同强度的声音无规律地组合而成,它包括存在于舱室部位的空气噪声,存在于船体结构中的结构噪声(即振动)以及存在于船体周围水介质中的水噪声。如何采用减振降噪措施,降低由振动源引起的船舶结构振动、降低由噪声源引起的空气噪声和结构噪声,就显得特别有意义。

1 激振力分析

船体结构产生振动的首要原因是螺旋桨和船舶主机的干扰力作用。对于螺旋桨而言,由于螺旋桨所处流场的伴流不均匀,当桨叶处在伴流峰值位置时,叶型在较大的来流攻角下产生较大的推力和切向力,随着桨的旋转,当桨叶处在较小的伴流中时,相应产生较小的推力和切向力,结果使传递到轴承上的力产生周期性的变化。同时螺旋桨在旋转时,每片桨叶均被压力场所包围,在旋转过程中,这些回转压力场就会在船底后部桨叶上方部位产生压力冲量(称为表面力),使得尾部船板上承受的压力产生周期性的变化。特别是当螺旋桨产生较大范围的空泡时,这种压力变化会有更大的幅值。

由螺旋桨旋转引起的轴承激振力,其激振频率为螺旋桨转速 ×1。

由螺旋桨表面力产生的激振力,其激振频率为螺旋桨转速×叶数(称为叶频)。

对于船舶主机而言,活塞在燃烧混合气体的推动下,通过活塞杆、连杆、曲轴、轴承传递运动会激起机械振动;燃烧过程中,气压的变化会通过燃气和扫气空气传播,在汽缸壁上产生结构振动;主机内振动会通过主机座传递到与之相连的船体结构上,引起船体结构的振动。

船体结构振动同样也会由机舱辅机或其他设备如往复式压缩机、通风机引起。

在某种状态下,由波浪运动传递到船体外板上的周期性的波浪力也会引发船体结构产生振动。

振动与噪声是共生的。当结构产生振动以后,这种往复运动传递到周边的空气场中导致了空气噪声;当振动在结构中传播至诸如舱壁、板格处再传递到空气中就导致结构噪声的产生。由于船舶主要结构材料是钢,钢的内部阻尼很小,所以结构噪声传播时能量损失非常小。

2 减振降噪措施的采用

船体振动会带来以下几个方面的不利影响:①不利于人体健康和工作效率;②不利于船体寿命和结构安全;③不利于机电设备正常工作。船舶噪声也会给人带来烦躁情绪,影响工作效率,严重时也会危及人体健康,所以必须采用各种有效措施来减振降噪。

2.1 针对螺旋桨的减振措施

我们知道,作用于螺旋桨的不均匀进流是导致振动和激起螺旋桨噪声的主要原因,因此改善船尾伴流分布,提高尾流场的均匀性,可以起到明显的减振降噪效果。具体措施有:

(1)改良船体尾部的线型。采用双尾线型、球尾、优秀的船模系列以及船尾加设尾鳍等,都能很好地改善尾部伴流。如果能通过船模试验对尾部线型进行优化,将会取得更好的效果。整流尾鳍的设置如图1所示。

图1 整流尾鳍的设置

(2)许多情况下在螺旋桨外面安装一导流管证明可明显减小振动和噪声。这是由于导流管可以平稳伴流分布。其最主要的目的是使螺旋桨的一大部分负荷可以转移到导流管上,从而减小螺旋桨的轴承负荷和空泡的产生,对于重载螺旋桨还可以提高桨的效率。为了充分利用导流管可以降低桨振动的特性,导流管必须正确安装,与螺旋桨同心,同时还要保证导流管安装部位处的船体结构刚度。

(3)尽可能加大螺旋桨和船体间的间隙。螺旋桨与周围船体间的间隙应尽可能加大,不能仅满足船级社的最低要求,这样可以大大降低由螺旋桨产生的脉动压力场传递到船板的表面力。特殊情况下,当无法增大桨与船体间的间隙时,采用特殊的减振装置——减振穴,可减弱螺旋桨作用在船体上的表面力,其主要原理是利用密闭的空气弹簧和水质量的吸振作用。减振穴的设置如图 2所示。

图2 减振穴的设置

(4)选用大侧斜螺旋桨。选用该种形式螺旋桨,首先不会影响螺旋桨性能,但可以大幅减小激振力。效果理想时可使机舱内各处振动量值减少 1/4左右,上层建筑前后振动量可减少 1/5左右。

(5)增加螺旋桨桨叶数。桨叶数的增加可能会导致螺旋桨的敞水效率略有下降。但就表面力而言,形成空泡时螺旋桨产生的压力冲量总是随桨叶数的增加而减少,并且能使该压力值保持在一个较低的量级上;同样的,随着桨叶数的增加,也会降低螺旋桨作用在轴承上的负荷,如果桨叶数为偶数时,效果更佳。

(6)敷设阻尼材料。在船体内部合适部位敷设钢质或橡胶质的阻尼材料,一般是在螺旋桨上方船底板处、机舱主机座面板和腹板处、主机座前后船体结构处、机舱前壁处,有时在与上甲板室邻接的机舱顶甲板处等位置进行敷设。阻尼材料的敷设一定要符合工艺要求,一定要注意钢结构表面的清洁工作,以保证贴合效果。利用阻尼材料在其内部产生拉伸、弯曲、剪切等变形,吸收大量的入射能量,将部分振动能转换为摩擦热能。图 3为降低螺旋桨和主机引发的结构振动而敷设在不同部位的阻尼材料的示意图。

图3 阻尼材料的设置

2.2 针对机舱设备的减振措施

机舱里的主机及其他辅机、减速齿轮箱等机器设备在工作时不可避免地会产生振动与噪声,并且噪声会以空气噪声和结构噪声两种形式同时存在,特别是当机器与结构刚性安装时,影响更甚。结合振动的特点及声音传播特性可以采取的减振降噪措施有:

(1)增加机座的尺寸和刚性。提高机座的刚性可以有效降低由机器传递过来振动的振幅。从理论方面讲,当机座的刚度足够大时,可以使机座的振动趋向于零;增加机座的尺寸则可以降低振动的幅度。当然,机座的刚性和尺寸不可能无限制的提高,还要服从于布置和经济性的需要。

(2)采用弹性支撑和弹性连接。弹性支撑一般是采用隔振器,有橡胶隔振器和金属隔振器等形式。橡胶隔振器优点是价格便宜、不易塑性变形,缺点是高温下易老化及弹性变差、可燃;金属隔振器优点是抗水耐油,高温下不变形且维护方便,缺点是价格较贵。弹性连接一般采用弹性联轴器,也是含有橡胶的元器件,它可以允许有一定的轴向和径向位移及一定的角偏差。图 4是弹性支撑和弹性连接的典型方式。

(3)敷设阻尼材料。如图 3所示,在机舱合适部位敷设阻尼材料。

图4 弹性支撑和弹性连接

2.3 针对机舱的降噪措施

机舱里的噪声主要是各种机器发出的空气噪声,在某种情况下,也可能是第二噪声源以结构噪声的形式辐射出来,比如螺旋桨在尾舱壁上激发出的结构噪声。一般来说,机舱的噪声都会在 90dB以上,足以损伤人的听力,必须采取综合性的措施进行降噪处理。可以采取的措施主要有:

(1)选用低噪声的机器设备。在机舱机电设备选型时,选用低噪声型号,从源头上注意降低机舱的总噪声。

(2)采用吸声设施降低总噪声级。吸声材料一般多采用多孔性材料或纤维性材料诸如矿渣棉、玻璃纤维织物等。当声波传递到吸声材料内部结构中时,就会引起吸声材料的振动,导致材料间的相互摩擦,振动能转换成热能。吸声材料一般用拉制的金属丝网或钢、铝质穿孔薄壁板固定在机舱围壁和天花位置处。这种结构形式必须要注意以下几点:

①钢、铝质穿孔薄壁板的穿孔面积要达到30%～40%以上;

②吸声材料不能被油烟所覆盖,不能油漆,否则会大大降低吸声性能。

(3)采用隔声罩。机器发出的噪声部分是结构噪声,部分是空气噪声。对于空气噪声部分,可以采用隔声罩将机器封闭在有效屏蔽的罩壳空间内(除了必要的冷却水和空气进出口),在罩壳内部表面尽可能多地敷设吸声材料。对于结构噪声部分,应该在机器与底座之间、罩壳与底座之间采用弹性安装。同时在空气进出口处加装消声器。机器隔声罩安装示意图如图 5所示。

(4)装设隔声屏障。声音的一个特性是遇到坚硬的表面时能非常有效地反射,如钢板能反射大约99%的声波,而且与声音的频率基本无关。隔声屏障要想取得明显效果,其高度尺寸要大于波长,所以隔声屏障适用于产生短波高频噪声的小型机械,在以反射声场占主导地位的机舱里很难起到令人满意的效果。

(5)进排气、通风管道中的消声。进排气、通风管道中的噪声也是机舱噪声的组成之一,采用安装消声器的方式可以有效降低噪声。消声器有两种结构形式:抗式消声器和阻式消声器。抗式消声器的原理是通过管道流通面积的变化,反射一部分入射声能来降低噪声。该种消声器结构简单,使用普遍,对一定的频段相当有效。阻式消声器的原理是通过吸收一部分入射的声能并将之转换为摩擦热能来降低噪声。这种消声器在一宽广的频率范围内都有效。两种消声器的结构形式如图 6所示。

图5 机器隔声罩安装示意图

图6 消声器的结构形式

需要注意的是:当机舱中有多处噪声源时,仅把一个次要声源降低几个分贝是徒劳的,因为它对总噪声的影响是微乎其微的。表 1显示了不同降噪方式产生的不同降噪效果。由表 1可见,若要降低噪声级,必须找到区域的主要声源,采取各种行之有效的措施加以解决。

表1 采用各种降噪措施后的减噪效果

3 避免共振措施

船体结构在多种激振源和不同振动频率的联合作用下,设计参数选择不当时极有可能产生共振现象。在设计当中首先应该避免下述情况的发生:

(1)避免螺旋桨与船体结构、主机及轴系发生共振现象。主要通过增加螺旋桨的叶数即叶频来避免与船体结构、轴系的自然频率相近,避免与主机的汽缸数、冲程数和叶数相等或成整数倍。有时通过调整螺旋桨安装角度,使螺旋桨推力激振力与曲轴纵振动激振力相抵消也是有效的方法。

(2)调整局部结构的形式。不同结构形式的固有频率是不一样的。当有共振发生的可能时,可采用调整局部结构的类型、设置支柱等方式来改变结构固有频率以避开共振。需要注意的是在振动节点处设支柱是无效的,在振幅最大处设置支柱最有效。

(3)提高结构的刚度。在没有其他更好办法的情况下,可以加大结构尺寸规格来提高局部结构的刚度,加强局部结构的边界约束条件,从而降低结构对振动的响应值,将振动控制在可接受的程度上。

4 船用阻尼、降噪材料的研究发展概况

阻尼是减振降噪技术中有效控制结构振动和噪声的方法之一,它利用材料的粘弹性将振动机械能转化为热能消耗掉,从而达到减振降噪的目的。阻尼、降噪材料在船舶减振降噪工程应用中起着必不可少的的重要作用,尤其是在舱室降噪方面,通过敷设阻尼、降噪材料并结合其他降噪措施,可以收到满意的效果。

船用阻尼材料的开发和应用已有三四十年的历史,目前主要分为片状型材、阻尼钢板和涂料三种类型。早期的片状材料以沥青系列制品为主,价格低廉,来源广泛,但阻尼性能较差。随后出现的橡胶型片材,因其阻尼性能较沥青材料有较大的提高,在船舶上得到广泛应用。但它也存在一些难以克服的缺点,如对底材的处理要求相当严格,施工时需用特殊的胶粘剂粘贴,常因粘贴不牢造成脱落,导致阻尼性能下降。对于复杂结构(如碰钉、马脚、焊缝等)和曲率较大的施工部位,橡胶型片材的应用受到限制。阻尼钢板是近几年开发出的新型阻尼材料,该材料是将一层粘弹材料复合在两层相同厚度的钢板之间,形成所谓“夹心阻尼结构”,具有阻尼效果好,外表美观的优点;缺点是材料比重较大,剪裁困难,尤其是焊接工艺复杂,焊接过程中粘弹材料易燃烧损坏,影响其阻尼性能,同时由于其成本较高,应用受到限制。阻尼涂料作为一种新型的阻尼材料,因其具有制造工艺简单,施工方便,性能优异等特点,发展极为迅速。初期的阻尼涂料为溶剂型,以沥青为主要成膜物,加入其他树脂、助剂、填料及有机溶剂混合而成,不仅阻尼性能差,而且易燃易爆,使用不安全,污染环境,应用受到很大限制。20世纪 80年代中后期,国内外开始对水性阻尼涂料进行研究和应用工作,并取得了较好的效果。水性阻尼涂料虽然解决了污染和易燃易爆等问题,但存在干燥时间长,厚涂困难的缺点。在气温较低,湿度较大的情况下,该类涂料施工受到很大限制。我国相关科研机构从“七◦五”开始进行新型阻尼涂料的研究工作,先后研制成功无溶剂阻燃型系列阻尼涂料,克服了以往船用阻尼材料在阻尼性、工艺性和实用性等方面的诸多不足,成为综合性能较好的阻尼材料之一。

5 结语

综上所述,在船舶设计过程中,可以在以下几方面采取减振降噪措施:

(1)减少激振力,通过增大距离方式或采用激振力相位相反的干扰力。

(2)弹性隔振,不使振源向外传递振动,或者使外界的振动不传入振动体。

(3)设置吸振装置(在合适位置处敷设阻尼材料),吸收振动能量。

(4)减小振动响应量值,即增加振动体的刚性和质量;

(5)采用封闭、反射、吸声材料方式降噪。

(6)采用避免共振措施等。

通过上述措施的综合应用,一定能够明显降低振动噪声。

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