船舶与海洋工程结构物舱室间隔声测量与评价

王 峥 洪 明

（大连理工大学船舶工程学院 大连116024）

引 言

当声音在传播途径中遇到屏障物时，由于介质特性阻抗的变化，使部分声能被屏障物反射回去，一部分被屏障物吸收，另一部分声能可以透过屏障物辐射到另一空间去，透射声能是入射声能的一部分，总是小于入射能量，这种由屏障物阻碍声能传播的现象就称为隔声，其隔声原理如图1所示。隔声是研究各种结构或设备中声传递现象的一门理论与技术，主要研究如何防止外部的声音传入一个空间的内部，或防止内部的声音传到外部。

图1 隔声原理示意图

空气声是指在空气中传播的声音；空气声隔声是噪声控制中最常用的技术之一，其定义为声波在空气中传播时，使声能在传播途径中受到阻挡而不能直接通过的措施［1］。

船舶与海洋结构物的舱室结构由于受到材料等诸多因素的限制，尤其是人员居住舱室，舱室间隔声的效果在一定程度上决定了船舶的舒适性，因此舱室间的空气声隔声问题，随着近年来人们对舒适性要求的提高越来越受到船厂、船东以及船级社的重视。对于船厂、船东和船级社来说都必须遵循国际标准化组织（ISO）对于空气声隔声测量以及评价的相关标准。本文对SEVAN 300型浮式海上生产储油平台［2］（SEVAN 300 FPSO）典型舱室间的隔声进行了测量，其典型舱室如图2所示。测量内容包括平台上三个连续典型舱室间隔声性能所涉及到的参数，并利用单值评价量等对测量结果进行了评价。

图2 SEVAN 300 FPSO 典型舱室结构

在船舶与海洋结构物的舱室隔声方面，克留金［3］对隔声性能良好的舱壁进行了研究，但没有进行隔声测量和评价；奚贵昌［4］在研究船舶隔声设计—机舱集控室噪声控制的过程中对于舱壁和观察窗等的隔声做了一些介绍，但同样没有涉及具体的测量和评价。本文结合具体的工程案例和ISO相应内容，介绍了舱室间空气声隔声测量的测量方法、测量过程及隔声量的评价方式，为船舶与海洋结构物中工作及生活舱室的设计建造和检验提供参考。

1 测量和评价标准

对于建筑物或建筑构件的空气声隔声测量以及评价，涉及到的ISO标准共有三个：混响室吸声测量 ISO 354∶2003［5］；隔声的现场测量 ISO 140-4∶1998［6］；隔声评价 ISO 717-1∶1996［7］。

ISO 140-4∶1998规定除非事先约定按倍频程测量，空气声隔声现场测量应以1/3倍频程测量，对于ISO 717-1∶1996标准来说，同时包含1/3倍频程和倍频程数据的评价方法。本文只针对1/3倍频程的测量以及评价方法做了介绍，倍频程的相关方法与之类似。

本文首先依照ISO 354∶2003规定测量舱室的混响时间；然后依照ISO 140-4∶1998要求对舱室间隔声进行现场测量，结合已测得的混响时间，计算出舱室间的表观隔声量；最后，依照ISO 717-1∶1996内容，利用表观隔声量内容，进一步得出舱室隔声的单值评价量等，对舱室的隔声性能进行评价。

1.1 混响时间的测量

房间中从声源发出的声波能量，在传播过程中由于不断被壁面吸收而逐渐衰减。声波在各方向来回反射，而后又逐渐衰减的现象称为室内混响。室内混响是室内存在混响时有界空间的重要声学特性。在扩散声场中，当声源停止后，声能下降100万倍所需的时间，称为混响时间，用符号T来表示。混响时间是用来描述室内声音衰减快慢程度的量。

ISO 354∶2003对于混响时间的测量规定声源停止发声0.1 s后开始从衰变曲线上计算混响时间，或者在衰变曲线上从声压级比衰变开始时低几分贝起计算。使用的衰变范围既不能少于20 dB，也不能太大以至于使观察的衰变不能接近于一条直线。选用的衰变曲线的下端应至少高于背景噪声级10 dB。对于每一频带的混响衰变，要至少测量6次。对每一种情况，至少用一个扬声器位置和三个传声器位置，每个测点需有至少两个读数。

之所以测量混响时间，是因为要对等效吸声量A进行估算，等效吸声量的估算是按照赛宾（Sabine）公式来确定的：

式中：A为等效吸声量，m2；V为接收室容积，m3；T为测量混响时间，s。

1.2 舱室间隔声的现场测量

ISO 140-4∶1998规定两个房间之间在扩散声场条件下隔声的现场测量方法，给出随频率变化的空气隔声量。室内平均声压级L应按如下计算：

式中：Lj为室内n个不同测点的声压级，dB。

按ISO 140-4∶1998所需要测量的数据包括以下两个方面。

1.2.1 舱室背景噪声级的测量与修正

测量舱室背景噪声级以保证在接收室的测量不受诸如接收室外的噪声、接收系统电噪声或声源与接收系统间的串音等外部噪声的干扰。

ISO 140-4∶1998对于舱室背景噪声级的现场测量方法有详细的描述，其规定背景噪声级应比信号和背景噪声叠加的总声级至少低6 dB（最好低10 dB以上）。如果大于10 dB，则不予修正，如果声压级差小于10 dB而大于6 dB，应按照标准推荐的公式对声压级进行修正：

式中：Lsb为信号和背景噪声叠加测量的总声压级，

dB；Lb为仅背景噪声存在测量的声级，dB。

1.2.2 舱室声压级的测量

ISO 140-4∶1998规定：如果两个房间容积不同，在计算标准化声压级差时，应选择大房间作为声源室，不允许采用相反的方法。计算表观隔声量时，单方向测试或两个方向测试的结果都可以使用。即扬声器位置是在同一个房间内，或者交换声源室以相反的方向重复测试，并在每个房间内取一个或多个声源位置。测试时应注意以下两点：首先，使用单个声源时，至少应放置两个声源位置。在这种情况下，如果使用固定传声器测点时最少测量10次，使用移动传声器时最少测量2次。其次，使用多个声源同时发声，其型号应该相同且以同样大小的电平但不相干的信号驱动。在这种情况下，如果使用固定传声器测点时最少测量5次，使用移动传声器时最少测量1次。

舱室结构的声压级测试完毕后，需计算表观隔声量R′，其又称为表观隔声损失。假设两个房间中的声场都充分扩散，表观隔声量按下式计算：

式中：D为声压级差，dB；S为隔声的面积，m2；A为接收室的等效吸声量m2，该值由式（1）求得。

1.3 舱室间隔声的评价

由于按照ISO 140-4∶1998的测量结果是一组随频率变化的数值，既不方便使用也很难进行比较。因此有必要规定一种方法，将一组数值转换成一个能代表所测对象隔声性能的单值量，使得不同建筑物或建筑构件的隔声性能可以相互比较。

计权隔声量是一种较合理的评价空气声隔声性能的单值评价量，通过基准曲线与隔声频率特性曲线进行比较而确定。按照ISO 717-1∶1996规定的方法，将测量值计权后得到的单值Xw称为单值评价量。规范要求使用计权隔声的单值评价主要有两个原因：一是计权隔声考虑到了人耳的听觉特性和大部分构件的隔声特性；二是用单值的形式可以比较不同构件的隔声特性，即直观又方便。不同建筑物或建筑构件的隔声性能可以用单值评价量进行比较。

单值评价量并未考虑噪声源对建筑物或建筑构件实际隔声效果的影响，并不能对特殊频带的隔声进行描述。但是在实际舱室中，噪声的频带分布可能不均匀，会出现某一频带的噪声比较突出的情况。而且人耳对于各个频带噪声的敏感程度也不一样，人耳对于高频声音（特别是频率在1 000～5 000 Hz之间的声音）比较敏感；而对于低频声音（特别是对于100 Hz以下的声音）不敏感。所以实测计算出的表观隔声量并不能准确地反映人耳感觉到的隔声效果。A、B、C和D是国际电工委员会（IEC）规定的四种计权网络。其中A计权的频率响应与人耳对宽频带声音的灵敏度相当，目前A计权已被大多数管理机构和工业部门的管理条例普遍采用，已成为最广泛采用的评价参量。根据某些特殊频谱修正后的单值评价量，可以在一定程度上描述建筑物或建筑构件对于这些特殊频带的隔声效果。对于以生活噪声为代表的中高频成分较多的粉红噪声源和以交通噪声为代表的中低频成分较多的交通噪声源，ISO 717-1∶1996给出了粉红噪声和交通噪声的两个频谱修正量，而且其给出的粉红噪声和交通噪声的两个频谱修正量都是按照A计权给出的，按照其修正后的数值在一定程度上能表述人耳对于隔声的反应程度和对特殊频带的隔声效果。

粉红噪声频谱修正量：将计权隔声值转换为试件隔绝粉红噪声时试件两侧空间的A计权声压级差所需的修正值C1，dB。根据ISO 717-1∶1996，用单值评价量Xw+C1表征试件对类似粉红噪声频谱的噪声（中高频噪声）的隔声性能。

交通噪声频谱修正量：将计权隔声值转换为试件隔绝交通噪声时试件两侧空间的A计权声压级差所需的修正值C2，dB。根据ISO 717-1∶1996，用单值评价量Xw+C2表征试件对类似交通噪声频谱的噪声（中低频噪声）的隔声性能。

ISO 717-1∶1996规定，频谱修正量Cj必须按照下式计算：

式中：j为频谱序号，j=1为粉红噪声频谱，j=2为交通噪声频谱；Xw为所求得的单值评价量；i为100～3 150 Hz的1/3倍频程中心频率序号；Lij为第j号频谱的第i频带的声压级；Xi为第i个频带的测量量，在本文中是指表观隔声量R′。

2 SEVAN 300 FPSO典型舱室间隔声的测量与评价

2.1 舱室隔声的测量

由图2可以看出，待测舱室是3个连接在一起的舱室结构，3个舱室之间通过两个隔声舱壁相隔。这种隔声舱壁材料是高减声型嵌镶板，是专门用于隔声的舱壁材料，如图3所示。在进行声学测量时为了操作方便，将3个舱室分别记为舱室1、舱室2和舱室3。将舱室1作为声源舱室和舱室2组成声源室-接收室系统，记为S-S型如图4所示；将舱室3作为声源舱室和舱室2组成声源室-接收室系统，记为L-S型如图5所示。也就是说舱室2在两种类型的声源室-接收室系统中都是接收舱室。

图3 舱室间的材料（型号：W-C50R）

图4 S-S型舱室结构图

舱室结构的几何参数如表1所示。

表1 舱室的几何参数

图5 L-S型舱室结构图

测试所用的仪器应满足140-4∶1998的相关要求。本次测试仪器及软件如表2所示。

2.1.1 接收舱室混响时间的测量

按照ISO 140-4∶1998要求，对接收室的混响时间进行测量。参照ISO 354∶2003，在接收室内布置三个固定传声器和一个无指向性球面声源。利用多通道声学分析仪对每个固定传声器测取三组数据；变换声源和传声器的位置，利用多通道声学分析仪再一次对每个固定传声器读取三组数据，按照标准布置（见下页图6）。这样共得到18组数据，再运用声学分析软件中的RT样板处理这18组数据，得到每个1/3倍频程中心频率所对应的接收室的混响时间，如表3所示。

表2 测试仪器

图6 舱室2声源和传声器的布置

2.1.2 舱室背景噪声的测量

按照ISO 140-4∶1998要求，对三个舱室结构的背景噪声进行了测量。测量时分别将6个固定传声器按标准要求放置在待测舱室中，其传声器按照ISO 140-4∶1998布置如图7所示。利用多通道声学分析仪处理从6个固定传声器测得的1/3倍频程中心频率的背景噪声信号。利用公式（2）分别计算三个舱室背景噪声的平均声压级，计算后的背景噪声平均声压级（如图8所示）。

表3 舱室2的混响时间

图7 舱室1、2和3传声器布置

图8 舱室1、2和3的背景噪声平均声压级

2.1.3 舱室声压的测量与结果处理

按照ISO 140-4∶1998要求，对声源舱室和接收舱室的声压差进行测量。在声源舱室布置6个固定传声器和一个无指向性球面声源，在接收房间布置6个固定传声器。利用多通道声学分析仪处理从声源房间的6个固定传声器和接收房间的6个固定传声器测得的1/3倍频程中心频率的噪声信号；更换声源以及固定传声器的位置，再次利用多通道声学分析仪处理从声源房间的6个固定传声器和接收房间的6个固定传声器测得的1/3倍频程中心频率的噪声信号。这样就得到了12组声源房间的和接收房间的1/3倍频程中心频率的声压级，利用式（2）分别计算得到声源房间和接收房间的平均声压级。其声源和传声器按照ISO 140-4∶1998布置如图9所示。考虑到背景噪声的影响，需要对所测得的舱室声压级与之前测得的背景噪声声压级进行对比，其测得的声压级与背景噪声声压级差结果如图10所示。

图9 S-S型和L-S型舱室声源和传声器布置

图10 舱室声压级与背景噪声声压级差

由图10可见，S-S型舱室结构的接收舱室和声源舱室与L-S型舱室结构的声源舱室的声压级在所有1/3倍频程中心频率处与背景噪声的声压级之差都大于10 dB，L-S型舱室结构的接收舱室的声压级在3 150 Hz处与背景噪声的声压级差在6～10 dB之间，所以需要对L-S型舱室结构的接收舱室的声压级利用式（3）进行修正。

利用修正后的舱室声压级得到声源室和接收室的声压级差D，根据式（1）得到S-S型舱室结构和L-S型舱室结构接收室的吸声量A，最后利用式（4）得到表观隔声量R′。

从图11可以看出，无论是S-S型舱室结构还是L-S型舱室结构，其对于高频区噪声的隔声效果都比较明显，而对于低频区噪声的隔声效果不是很好。

图11 S-S型和L-S型舱室结构的表观隔声量

2.2 舱室隔声的测量结果评价及评价

按照ISO 140-4∶1998要求，参照ISO 717-1∶1996对接收舱室的隔声性能进行评价。首先将基准值曲线（用来对表观隔声量计权的曲线）向表观隔声量曲线移动，每步1 dB，直至不利偏差（某一频带的表观隔声量低于该频带移动后的基准值分贝数，为正数）之和尽量地大，但不超过32.0 dB为止。此时，移动后的基准值曲线上，500 Hz对应的整分贝数，就是对应于该型舱室结构表观隔声量的单值评价量Xw′。

S-S型舱室结构和L-S型舱室结构的单值评价量计算结果如图12和图13所示。

图12 S-S型舱室结构的单值评价量计算

图13 L-S型舱室结构的单值评价量计算

按照ISO 717-1∶1996所给出的方法进行频谱修正。利用式（5）分别得到粉红噪声源的频谱修正量C1和交通噪声源的频谱修正量C2。最终得到的代表S-S型舱室和L-S型舱室的隔声特性的评价结果为：

其表示，S-S型舱室的单值评价量为42 dB，对于粉红噪声修正后的隔声量为39 dB，对于交通噪声修正后的隔声量为34 dB；L-S型舱室的单值评价量为49 dB，对于粉红噪声修正后的隔声量为46 dB，对于交通噪声修正后的隔声量为40 dB。

从图14可以看出：无论是单值评价量、粉红噪声修正还是交通噪声修正后的隔声量，L-S型舱室的隔声效果都要较S-S型舱室的隔声效果要好一些；结合图11可以看到，S-S型舱室和L-S型舱室对于中高频噪声的隔声效果要较中低频噪声的隔声效果要好一些。也就是说如果人员处于舱室2中如图15所示，当舱室1和舱室3中的相同噪声源同时发出噪声时，人一般会感觉到舱室1发出的噪声更大，而且对于低频噪声更加明显。

图14 舱室隔声评价结果

图15 舱室隔声示意图

3 结 论

本文结合SEVAN 300 FPSO舱室结构隔声测量试验，对舱室结构的隔声测量以及评价问题作了较为详细的描述。测量和评价中还应注意以下问题：

（1）舱室隔声的测量：在整个的现场测量过程中应该严格按照ISO 140-4∶1998的要求来执行，尤其是对于声源以及传声器的布置方面，其对于测量结果影响很大，不同舱室的布置应该灵活运用标准；背景噪声的影响不可避免，测量时尽量选择外界背景噪音较平稳时段。

（2）舱室隔声的测量仪器：测量仪器的精密程度和抗干扰程度在一定程度上决定了试验测量结果的准确性，试验仪器的选择应符合相关测量标准要求，而且在试验前要进行测试及校准。

（3）舱室隔声测量的结果按照ISO 717-1∶1996进行单值评价量的计算时，应该同时计算粉红噪声频谱以及交通噪声频谱的修正值。这样才能得出舱室隔声评价量的完整指标。

［1］ 洪宗辉，潘仲麟.环境噪声控制工程［M］.北京: 高等教育出版社，2002.

［2］ LI X，HONG M.Field Measurements of Airborne Sound Insulation between Rooms［R］，SM457 Project at Hantong Heavy Industry Corporation，Nantong，Jiangsu，China，Dalian University of Technology，2009.

［3］ 克留金 и и，程光榕.隔音性能良好的船舶舱壁［J］.武汉造船，1974（2）: 52-56.

［4］ 奚贵昌.船舶隔声设计——机舱集控室的噪声控制［J］.噪声与振动控制，1982（1）: 53-58.

［5］ ISO 354.Acoustics—Measurement of sound absorption in a reverberation room ［S］.2003.

［6］ ISO 140-4.Acoustics—Measurement of sound insulation in buildings and of building elements—Part 4: Field measurements of airborne sound insulation between rooms［S］.1998.

［7］ ISO 717-1.Acoustics—Rating of sound insulation in buildings and of building elements—Part 1: Airborne sound insulation ［S］.1996.