辅助船空调、通风系统的噪声分析与控制

由成良

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

0 引 言

随着我国舰船不断升级换代、舰载装备功能不断提升和舰员生活水平不断改善，舰船人机环境中的噪声控制日趋重要。空调、通风系统虽不是舰船人机环境中最主要的噪声源，但由于空调、通风系统分布在舰船的各个部位，在某些局部范围和特定时段，由空调、通风系统产生的噪声已成为主要矛盾。以往的各类舰船空调、通风系统设计中已采取各种隔振、降噪措施，有些措施的效果很好，有些却并不理想。本文基于噪声及其传播的基本原理与规律，分析评价了辅助船空调与通风系统的噪声源、传播途径和特征，汇总了各类相关噪声控制的具体措施和方案，提出有效、实用的噪声控制设计方法。

1 辅助船空调、通风系统噪声的特点分析

辅助船空调、通风系统的噪声源主要包括船用冷水机组、水泵、风机等设备的机械噪声、电磁噪声以及空气动力噪声。由于辅助船的特殊性，舰员的工作和生活舱室往往不可避免会紧挨空调器室，长期噪声影响将严重损害舰员生理和心理健康［1-2］，而且一些精密仪器设备的精度和使用寿命也会因此下降。现以通风系统为例分析其噪声类型组成。

通风机运转时同时产生机械噪声、空气动力噪声。机械噪声来自轴承及旋转部件（叶轮、轴或皮带轮）的不平衡；空气动力噪声包括由旋转叶片造成的涡流噪声和旋转噪声。再来看它的电动机，它在工作时同时产生机械噪声、空气动力噪声和电磁噪声。机械噪声来自轴承及电机转子不平衡；空气动力噪声包括因电动机冷却风扇的旋转叶片造成的涡流噪声和旋转噪声；电磁噪声是由定子与转子之间交变电磁引力，磁致伸缩引起的。通风机噪声的大小取决于风机的结构形式、风量及转速等，同一台风机的最佳工况点是最高功率点和最低比声功率级点［3］。

通风管道及附件产生噪声成因分析如下：在空调送、回风系统中，气流通过吸风口，空气分配器或经过风管弯头、支管、截面突变部位及调风门、风闸时，因气流局部受阻碍而产生涡流或紊流，从而引起噪声，该类型噪声属于空气动力噪声。研究表明，空气动力噪声125 Hz的基频为最强［4］。另外，相邻舱室的噪声还会通过风管和气流的传递而产生相互干扰性噪声，干扰性噪声继而又激发空调系统的噪声。

要分析全船空调、通风系统的噪声源，就必须获得组成该系统的每一局部的噪声类型和数据。

每个设备（包括附件）的噪声数据可通过实测或计算获得，这项工作可由设备供应商完成并提供，若条件具备也可由系统设计人员完成。表1和表2是辅助船空调、通风系统常用风机和水泵的性能参数。可以看出，两者的噪声主导频率都属于低频范畴，低频噪声不仅对人体健康有着不可忽视的影响［5］，而且还会严重影响仪器设备的工作甚至能破坏金属材料的结构［6-7］。低频噪声具有波长较长，易于绕过障碍物且在钢结构中传播衰减缓慢等特点，尤为有利于在舱室密集的辅助船上全船传播。因此对低频噪声的控制是辅助船空调、通风系统噪声控制的关键。

表1 空调系统常用风机（50 Hz交流电源）的性能参数

表2 空调系统常用水泵（50 Hz交流电源）的性能参数

2 辅助船空调、通风系统噪声的控制

2.1 声学系统的组成

如图1所示，声学系统一般由声源、传播途径和接收器三部分组成。据此，可以从声源、声传播途径以及接收器三方面控制噪声。

图1 声学系统基本组成

2.2 声传播的特点

声波传播的实质是振动能量的传播。声波在传播过程中遇到障碍物时将产生反射、透射和衍射。

2.2.1 声波的反射和透射

当声波Pi从A媒质传播到A、B两种媒质的界面时，一部分声能量Pr会在界面上发生反射，继续在A媒质中传播，另一部分声能量Pt则透射到媒质B中。

图2 声波的反射和透射

假定传播到界面上的声波是平面波，可仿照光学中的反射定律得出声强的反射系数r和透射系数τ：

上述ρ是媒质的密度，c是媒质中的声速，两者的乘积称为平面声波的声阻抗率。

r和τ反映了媒质对入射声波的吸收和隔离性能，通常把r值小的材料称为吸声材料，把τ值小的称为隔声材料。

2.2.2 声波的衍射

声波在传播过程中遇到小孔或障碍物时，如果孔或障碍物尺寸与波长λ相比很小时，声波能够绕过小孔或障碍物的边缘前进，这种现象称为声波的衍射。波长较长的声波更易绕过障碍物继续传播，因此采用屏障隔声，对高频声波有较好的降噪效果，而对低频声波降噪效果较差。

2.2.3 声波的衰减

声波在空间传播时将产生发散性衰减，并且由于空气吸收、外围壁面吸收以及屏障等，会发生声传播过程中的附加衰减。

（1）声传播过程中的发散衰减

声波在传播过程中，波阵面随距离的增加而增大，声能扩散，声强衰减。以辐射功率为W的点声源为例，距声源中心为r的球面上的声强为：

声强级为：

其中，LW为声源的声功率级。

（2）声传播过程中的附加衰减

声传播的附加衰减是由于声波在媒质中传播时，引起媒质的质点振动且存在速度梯度，使相邻质点间产生相互作用的摩擦和黏滞阻力，将声能转化为热能耗散掉。

2.3 在声源处抑制噪声

2.3.1 优化间接式空调机组的结构形式

由于舱室空间有限，间接式空调机组的回风箱设计得过短、出风箱设计得过矮，造成了很大的局部阻力。这会导致风机风压被迫加大，电动机功率和噪声随之增加；又由于回风箱、出风箱局部阻力增加，气流产生更大的涡流和紊流造成了系统内空气动力噪声的增加，并通过空调风管向舱室扩散。应优化间接式空调机组的结构形式，避免采用局部阻力过大的回风箱和出风箱。

2.3.2 选择低噪声通风机

在理论上，通风机的空气动力噪声大小与其转速、叶轮直径大小和外壳的结构形式、叶片倾角、叶片数和通风机工作状态有关；而产品的加工、安装精度是一台通风机机械噪声大小的最主要决定因素。所以，在空调、通风系统中，若采用离心式通风机，应尽可能选用低转速、后弯叶片形式；若采用轴流式或混流式通风机应尽可能选用低转速、小直径形式。另外，结构合理性、装配精密性、良好的动静平衡性都是选择通风机时应充分关注的要素。近年来，辅助船空调、通风系统中普遍采用的管道风机，在噪声、重量、安装方面有突出的优势，特别适用于通风量较小且安静的处所，比如卧室卫生间、试验室、会议室等。

2.3.3 合理划分空调区域

在设计划分空调区域时，应与其他相关专业协调，合理布置舱室及确定空调风管走向和尺寸，使各舱室的布置及组合既满足其他专业的需要，又有利于空调系统的设置，应尽量做到：

（1）划分空调区域时，应控制每台间接式空调机组的空调负荷和风量，从而避免选择过大风量和功率的空调通风机，达到控制噪声源强度的目的；

（2）划分空调区域时，应避免采用过长、阻力过大的送风管、回风管和新风管，从而降低空调通风机的风压，降低风机电动机的功率，达到控制噪声源强度的目的。

由于辅助船具有舱容较小、舱室功能和数量多且杂的特性，通常舱室划分不能完全符合空调设计要求，往往既增加了间接式空调机组的功率和噪声，又因过多过长的风管设置而额外占有了船上宝贵的空间。所以合理布置舱室及合理确定空调风管走向和尺寸，是一项需要各专业共同协调完成的工作。

2.3.4 降低系统风量和优化风管设计

降低系统风量有利于降低风管内空气流速从而减少风管内空气动力噪声。对于空调螺旋送风管而言，主管流速低于13 m/s，噪声可被较好控制。

对空调及通风风管的三通、弯头、调风门等，应尽量做成流线型、渐变型或设置导流叶片，以减小空气流动阻力。

风道断面扩大时，其扩张角应尽量小于20°；风道断面缩小时，其收缩角应尽量小于45°；矩形风管断面的长宽比尽量小于3.5。

风机出口最好有长度为出口边长1.5～2.5倍的直管段，以避免涡流。如果受空间限制不能满足上述要求，出口管的转弯方向应顺着风机叶轮转动的方向，或在弯管中设导流叶片。

采用较厚钢板制作风管，以避免由于风管刚度不够而引起的振动和噪声。

尽量采用大规格的空调布风器，以降低空气流速减少涡流。

2.4 在传播途径中控制噪声

2.4.1 空调系统形式的选择

为有效控制空调系统的噪声，辅助船空调系统形式尽量采用间接式空调系统。这样就能将冷水机组和水泵布置得远离生活与工作舱室，使来自这两大噪声源的噪声在传播过程中大幅衰减，最终留在生活和工作舱室区域的噪声源只有间接式空调机组和风机。

2.4.2 采取吸声、消声措施

吸声主要通过在布置有冷水机组、水泵、空调机组等噪声源的舱室的舱壁上敷设吸声材料，由吸声材料将舱室内的声能部分地吸收掉，以减少噪声向外扩散。常用的多孔吸声材料有：玻璃棉、矿渣棉、毛毡等。实验数据表明：多孔吸声材料对高频噪声吸声效果相当明显，而对低频噪声吸声效果不明显。例如超细玻璃棉，当容重20 kg/m3、厚度为50 mm时，对125 Hz声波的吸收系数α仅为0.1，而对500 Hz声波的吸收系数α为0.85。这对于以低频噪声为主的辅助船空调、通风系统并不适用。由此可见，设计过程中，获得噪声源的频率数据并采取有针对性的技术措施至关重要。

消声指降低沿管道传递的空气动力噪声，即在空调、通风风管中设置消声器，当气流通过时降低噪声。根据消声器的结构型式、消声原理的差别，可以分为阻性消声器、共振性消声器、抗性消声器、复合式消声器。

阻性消声器的消声原理是利用阻性吸声材料消耗声能以降低噪声。对中、高频噪声消声性能良好，而对低频噪声消声性能较差，该种消声器局部阻力系数较小。

共振性消声器的消声原理是利用特定空间内空气共振效果将声能转变为热能，从而起到消声作用。由于采用共振原理，这种消声器的消声频率选择性较明显，常用于消除低频、特定频率范围的噪声，且局部阻力系数较小。

抗性消声器的消声原理是利用管道内的截面突变，使沿着风管传播的声波向声源方向反射或者在腔室内来回反射，以至消失，从而起到消声作用。对低频、中频噪声消声性能良好，该种消声器局部阻力系数较大。

复合式消声器是将对低、中频有效的抗性消声器和对高频有效的阻性、共振性消声器复合而成的一种消声器。它既有吸声材料，又有共振器和穿孔屏等滤波元件。该种消声器消声量大，消声频率范围宽，目前在辅助船及各类型舰船的空调、通风系统中应用相当广泛。

为了精确地消除空调、通风系统的噪声，设计中应根据噪声源的频率值，量化各消声器的各项参数。每个消声器都应是针对某个具体系统、具体部位而设计制造的。

2.4.3 采取隔声、隔振措施

隔声是指将噪声传播途径隔开，使噪声与要求安静的舱室隔绝。某些辅助船将离心通风机放在消声风机箱内，风管则与风机箱相连，以避免通风机噪声的传播。在某些场合，可根据需要为制冷压缩机、水泵、风机等噪声源设置隔声罩。风机箱、隔声罩的优点是体积小、效果比较明显，但有时会使运转设备的通风散热、装拆检修、操作运行、仪表监视等方面带来一些麻烦，必须采取相应的措施。

隔振是指采取合理的措施，消除设备与基座之间的刚性连接，以降低由设备振动传给基座所激发的噪声。具体方式有：在产生振动的空调、通风设备和它们的基座之间采取隔振措施，比如使用各种材质、结构形式的隔振器；风管、液管与设备连接处采用软性连接；风管与吊架接触处应垫橡胶等软弹性材料，以防止风管振动和噪声的传递。

隔振器的选择必须根据振源设备重量、振动频率，经计算或查表确定。通过隔振器后垂直单向地传递给甲板力的幅值与设备交变激发力幅值之比值称为振动系统（无阻尼）的传递率T［8］，可通过下式获得：

式中：f为振源的扰动频率（Hz）；

f0为振动系统的固有频率（Hz）。

对于单向振动系统的固有频率而言，它有如下特性：

式中：K为弹性隔振材料的静态刚度（N/m）；

m为振动系统的质量（kg）。

从降低振动传递率的角度来说，希望弹性隔振材料的静态刚度K小一些，然而，对于大多数弹性材料而言，能承受负载大的材料刚度大，承载能力小的材料刚度小。所以，在实际工程应用中，必须根据具体情况加以设计选择。

从上式可见，增加振动系统的质量可以降低振动系统的固有频率，从而有利于隔振效果。具体方法是在运转设备（如水泵）下附加质量块，质量块的质量应大于设备的质量，并安装在隔振器上。

2.5 接收器上加载保护措施隔离噪声

在紧邻冷水机组、空调器、水泵等高噪声舱室的区域，若不可避免的存在需要在低噪声环境中进行的工作，则可以采用设置隔声间的方式消除噪声的影响。隔声间通常是包括隔声、吸声、消声和减振等多种措施的噪声治理装置。通常用插入损失IL评价隔声间综合降噪效果，IL为被保护处安装隔声间前后的声压级之差［8］。

式中：A为隔声间内表面的总吸声量，m2；

S为隔声间内表面总面积，m2；

Si为第 i个构件的面积，m2；

TLi为第i个构件的隔声量，dB。

在满足隔声间平均隔声量要求的前提下，各构件隔声量按等透声原理设计，即各构件的透声系数与面积的乘积均相等。例如一般门窗的透声系数较大，而舱壁的透声系数较小，因此隔声间应该采用较小的门窗。

2.6 有源消声技术

上述噪声控制方法都属于被动或无源式的控制方法，这些方法对控制中高频噪声较为有效，但因为低频噪声波长较长，容易绕过吸声结构或材料，从而使得实际控制效果较差。图3所示的有源消声是利用次级声源的声波与原有噪声源的声波干涉，从而达到消声目的［9］。

图3 有源消声原理图

在控制点前一定距离用传感器拾取噪声源声信号，经过控制器将其调制到噪声传播到控制点应具有的特性，在该点用次级声源发出与噪声反相的声波，以抵消原有噪声。在控制点后设有误差传感器，用于对控制器进行微调，形成自适应系统。该方法特别适用于以低频为主的辅助船空调、通风系统噪声控制。但目前由于技术不够成熟，在辅助船上鲜有应用，因此，后期还需进一步加强该技术的实船试验研究。

3 结 论

本文对辅助船空调、通风系统噪声进行了较细致的分析总结，提出一系列切实有效的解决方案。不过在实船设计过程中，必须做好具体的测量、计算、分析工作，才能得到控制某个具体噪声源噪声及防止其扩散的有效解决方案。

噪声控制的具体措施和方案因船而异，虽然目前无法做到无代价彻底消除噪声，不过随着技术的不断进步，现时无法解决的一些技术难题以后会逐步得以解决。

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