舰艇舱室噪声控制技术研究

（海军医学研究所，上海 200433）

1 引言

舰艇噪声是舰艇舱室环境主要有害因素之一。舰艇舱室噪声主要来自于舰艇各种机械设备、空调通风设施、电磁武器装备等，其呈现出噪声声源多、噪声频谱宽、噪声强度大、噪声作用时间长等特点。按照我国《水面舰艇舱室噪声级限制》的规定，目前我海军水面舰艇的主、辅机舱和大多数机械舱噪声水平均超过允许限值，大多数指挥室、无线电室、雷达室、声纳室及部分工作舱、住舱和其他生活舱也超过允许限值。其中，主、辅机舱大多在100dBA以上，机械舱多在83～88dBA范围，工作生活舱一般在51～87dBA范围内。长期处于高噪声环境内，不仅严重影响舰艇的作战能力，而且直接影响舰员的健康、生活及工作效率。因此，加强舰艇舱室噪声控制技术研究，减小舰员所处环境噪声，对于维护舰员身心健康，提高舰艇整体战斗力具有重要作用。

2 工程降噪

工程降噪技术是指在舰船总体论证和设计阶段，从宏观上考虑降噪措施，并根据论证中设备噪声和舱室噪声的预报或计算，通过调整总体设计方案或改进降噪措施来达到控制的要求。对于处于设计阶段的舰船，采用统计能量分析法，利用仿真软件来评估舱室噪声大小具有重要意义。

统计能量分析(SEA，Statistical Energy Analysis)方法是从统计的角度分析统计密集模态平均的振动能量传递水平，适合于中高频振动分析，分析频带较有限元和边界元法宽的多[1]。将一个复杂的结构分成多个子系统，当某个或者某些子系统受到振动激励时，子系统间就通过接触边界进行能量交换，对每个子系统都能列出一个能量平衡方程，最终得到一个高阶线形方程组，求解得到每个子系统的能量，由该能量得到需要的子系统的振动参数[2]。利用统计能量法计算振动和噪声时，将整个模型离散成若干个子系统。根据模态相似的原则划分子系统，把一些模态能量相同及模态阻尼相等的模态划分一个模态群，同时还要保证子系统有足够高的模态密度。按目前统计能量分析发展的水平，使用于解决高频内的复杂系统动力学问题，即模态密度为n(f)的子系统带宽Δf内的振型数[3]N(N=n(f)Δf)≤5。

采用统计能量法计算舱室的噪声水平，首先建立结构的子系统模型，然后根据总布置图、设备布置图和设备参数确定噪声水平以及输入功率，根据结构的尺寸和式确定子系统的统计能量参数（模态密度、自损耗因子和耦合损耗因子）；然后建立并求解船舶系统的能量平衡方程组，并根据能量与声的转换关系，将计算得到的响应值（能量）转化成舱室的噪声水平；最后结合相应的船舶舱室噪声规范对其做出评价[4]。

图1 采用统计能量法进行舱室噪声预报分析流程图

舰艇总体设计阶段，同时要考虑主噪声源集中布置，且应避免与生活舱和主要工作舱毗邻。总体布局应尽量利用空舱、贮藏舱、通道、卫生间等作为隔声空间，设备的选择与安装除了满足舰船的作战技术性能外，其空气噪声应尽可能满足《舰船噪声限值要求和测量方法舰船设备空气噪声验收限值》的要求，选用低噪声设备。这些措施在舰艇设计中能积极有效的控制舰艇总体噪声水平。

3 吸声降噪

吸声降噪时指在舱室内布置吸声材料和吸声结构来降低室内噪声的措施。吸声机理为：声波在媒质中传播时，由其引起的质点振动速度各处均不相同，存在着速度梯度，使相邻质点间产生相互作用的摩擦力和粘滞阻力，阻碍质点运动，并通过摩擦和粘滞阻力将声能转化为热能，同时，由于声波传播时媒质质点疏密程度各处也不同，所以媒质温度各处也不同，存在温度梯度，而使相邻质点间产生了热量传递，使声能不断转化为热能耗散掉。吸声结构主要分为穿孔板吸声结构、薄板共振吸声结构、微穿孔板吸声结构和各类空间吸声体。

舰艇舱室内某处的噪声，有自声源直接到达接收点的直达声；还有经过舱室壁面一次或多次反射后到达接收点的混响声，直达声和混响声相互叠加后形成复杂的室内声场。采用吸声技术来进行舱室噪声控制时，吸声技术只能降低混响声的影响而对直达声不起作用，对于混响声声压级可表示为[5]：

舱室总声压级：

式中：Lp为直达声声压级，Lh为距离声源r处混响声的声压级，Lw为声源的声功率级，R为舱室常数，为舱室内壁总表面积，α为舱室的平均吸声系数（0<α<1）。

由（1）式可以看出，在声源声功率一定的情况下，提高平均吸声系数α是降低舱室混响声压级Lh的有效手段。在采用吸声技术时要考虑平均吸声系数α较大的吸声材料。

假设在采取吸声措施前舰船舱室的平均吸声系数为α1，舱室内的声压级为Lp1采取吸声措施后，舰船舱室的平均吸声系数变为α2，舱室内的声压级为Lp2，则吸声减噪量为：

普通钢板的平均吸声系数为0.01，假设将舰船舱室内壁表面都贴上平均吸声系数为1的吸声材料，则由（5）式可知舱室的最大降噪量为20dB。实际上在采用吸声技术前，由于舱室内壁各种防火防锈涂层以及各种设备的存在，舰船舱室内的平均吸声系数要大于0.01，在采用吸声技术后舰船舱室内的平均吸声系数也很难超过 0.5，因此舰船舱室空气声噪声控制中采用吸声技术其降噪量不会超过6～8dB。

4 隔声降噪

隔声技术主要指利用构件隔离空气声的传播从而降低噪声的方法，这种构件就是隔声结构，隔声结构主要有单层结构和由单层构件组成的双层结构以及轻质复合结构等。舰船上隔声结构的应用是比较普遍的，比如隔声罩对降低机械工作时的空气噪声起着非常大的作用，机舱集控室也是典型的隔声结构，还有各种管路的包覆，除了能降低振动沿管路的传递外，更能有效的降低管内噪声的透射和管壁振动的辐射，其隔声作用也非常明显。由于单层隔声构件隔声量随材料面密度的增大而增大，在低频区的隔声也非常困难，因此研究多层夹层复合结构是提高隔声构件隔声量的有效措施。

对噪声强烈的设备、舱室或部位，可根据具体情况采取不同方式的隔声措施，对舱室单独强噪声源采用隔声罩，在噪声源与受声部位之间设置隔声屏等。

5 噪声有源控制技术

有源噪声控制（Active Noise Control, ANC）是指人为的施加一些控制声源，令其声音和原来的噪声源辐射的噪声抵消干涉，从而达到降低噪声的目的[6]。有源控制技术主要擅长于控制低频振动噪声，与传统的无源噪声控制方式互补性极强，具有低频范围效果好、体积小、对被控系统物理特性影响小、安装设计方便，能适应未知扰动，以及系统和结构参数不确定性等优点，为控制低频噪声开辟了一个新的发展方向，成为振动噪声控制领域的研究热点。

一个典型的有源控制系统的实施应包括：参考信号传感器、控制器、误差信号传感器、次级扬声器四个主要的环节，且四个环节缺一不可。其中控制器是有源控制实施的根本，它直接决定了控制实施的有效性和控制效果，其中控制算法是控制器的核心，次级扬声器属于控制的实现环节。

图2 舱室有源控制结构示意图

目前有源控制研究在国内外已经取得了一系列的进展，但均都局限于理论上的探索、数值仿真和实验室研究的阶段，有源控制技术在舰艇舱室噪声控制中的实际应用还需进一步研究。

6 结论

舰艇舱室噪声的形成是一个非常复杂的声耦合过程，因此在舰艇设计初期就必须根据噪声容许限值标准将噪声控制理念贯穿于整个舰艇设计过程中。建造过程中，设备的选择与安装除了满足舰船的作战技术性能外，尽量选用低噪声设备。将吸声降噪、隔声降噪等噪声控制技术应用于舰艇设计制造之中，并积极开展舰艇噪声控制新技术研究，降低舰艇舱室噪声，维护舰员身心健康，提高舰艇战斗力。

[1]马纪军,张军,兆文忠.统计能量法及其在提速客车噪声预测中的应用[J].大连铁道学院学报,2005,26(1):53-56.

[2]丁少春,朱石坚,楼京俊.运用统计能量法研究壳体的振动与声辐射特性[J].船舶工程,2007,29(6):30-32.

[3]金学之.基于统计能量法的高速船舱室噪声预报与控制方法的研究[D].武汉:武汉理工大学,2009.

[4]张立.基于国际新规范的舱室噪声预报与控制技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2012.

[5]张子豪.舰船舱室空气噪声控制技术研究[D].武汉:华中科技大学,2008.

[6]陈越澎,谭林森.船舶舱室噪声控制技术综述[J].武汉造船,1995,6:34-39.