船舶修理振动噪声测试、控制与评估研究

柴 凯，丰少伟，蔡敬标

(1.海军工程大学 舰船与海洋学院，湖北 武汉 430033；2.海军研究院，北京 100161)

船舶声隐身性能直接影响其生存和作战能力，具有隐蔽自己和先敌发现的双重战术意义。某船在设计和建造时，就非常重视声隐身性能的控制，匠心独具，效果显著[1]。该船不仅大量采用隔振元件、大面积敷设黏弹性阻尼材料、大范围使用动力吸振器，就连所有管路、通海阀箱等装置或结构都无处不体现着声学设计的思想。然而，其对于船舶振动噪声控制的维修保障重视程度还不够，很多技术责任单位对于为何要控制、控制什么、如何控制都还缺乏认识，大都仅局限于对隔振器、挠性接管和黏弹性材料进行更换等。没有依据减振降噪特点，系统考虑船舶修理减振降噪要求，维修保障控制范围窄、深度不够；同时，由于缺乏相应声学性能方面的技术标准、操作规程、验收指标以及管理规定，船舶在修理后，其隐身性能是否保持、是否得到恢复无法判断，甚至出现隐身性能越修越差的现象。

为确保船舶修理后的总体振动噪声性能指标不低于修理前的水平，必须结合等级修理从总体、系统和元器件3个层次对其振动噪声控制技术进行全面而深入的剖析，开展减振降噪设施的维修管理和保障研究，解决减振降噪设施的修理及振动噪声控制等问题，恢复并保持船舶振动噪声性能。

1 振动噪声控制的基本情况

该船的减振降噪系统对总体水下噪声级、噪声源的控制，动力系统及其辅助装置振动，空气噪声和导流罩设计等均提出了明确要求[2]。其中，动力系统及其辅助装置振动的控制措施如下。

1)使用大量的隔振器，以隔离机械振动向基座的传递。全船的专用型隔振器有锥形橡胶隔振器、圆柱形橡胶隔振器、双V形橡胶隔振器、剪切型橡胶隔振器、圆筒形气囊隔振器等，使用的通用型隔振器更是不计其数。

2)在液压系统、疏水系统、辅冷系统、集中润滑系统和高压空气系统等管路系统中，均安装有挠性接管，实现管路的弹性连接，补偿系统和连接设备在受到冲击时产生的位移，消减管内流体压力脉动，减小结构噪声沿管路的传递。

3)在主减速齿轮箱和主推力轴承之间采用隔音联轴器，补偿主汽轮机和主减速齿轮箱单层隔振系统输出轴与推力轴承输入轴系之间的相对径向位移，并可隔离扭转振动。

4)将轴系进行优化，将原动机和齿轮箱安装在一个公共筏架上，然后进行隔振，大大降低了主动力装置振动向船体的传递。

5)在电机、泵等振动特征频率明显的设备上安装动力吸振器，吸收系统特征频率下的振动能量，从而达到抑制低频线谱的目的。这是对隔振器缺乏线谱隔离能力的重要补充。

6)在主要振动机器的安装基座上敷设吸振覆盖层，吸收了大量的振动能量，有效控制了机械噪声源产生的振动能量向其它结构传递。

2 目前减振降噪设施存在的问题

该船具体减振降噪设施包括隔振器、挠性接管、声学覆盖层和动力吸振器4种类型元器件[3]。经调研统计，该船很多减振降噪设施的性能已下降，有的甚至失去了功效，主要问题列举如下。

1)橡胶隔振器中的橡胶部件不断受到氧气和油水的侵蚀，逐渐老化变硬，虽然表面上看不出破损，但性能已经大大下降，部分隔振器甚至已撕裂，严重影响了隔振性能。

2)黏弹性阻尼材料大都敷设在振动剧烈、工作环境比较恶劣的部位，目前大部分已接近使用年限，出现了功能退化、开裂、破损等情况；此外，在对船体结构、动力系统等部位进行修理时，部分黏弹性阻尼材料不可避免地会遭到破坏。

3)在对电机、泵进行修理过程中，经常会拆卸部分动力吸振器，由于其外形相似，容易出现不同型号的动力吸振器混装的情况，且吸振频率未进行调节，这不仅会导致设备振动加大，而且还会使辐射水声中的线谱成分更加明显；另外，动力吸振器的弹簧也存在老化现象，这会导致弹性系数的变化，从而影响其吸振性能。

4)在液压系统、疏水系统、冷却系统、消防系统和高压空气系统等管路系统中均安装有挠性接管，由于其老化和结构的破坏，目前很多挠性接管的位移补偿功能已经下降，对冲击和振动的隔离能力也会随之下降。

5)相关技术保障单位除对隔振器有一定的技术积累之外，严重缺乏其它减振降噪设施的结构组成、设计原理、技术参数、性能特点等声学数据，且大部分减振降噪设施的修理尚未开展，相关的技术要求和工艺方法还未掌握，对该船修理声学状态的变化控制尚存在一定困难。

根据相关减振降噪元器件的修理技术要求，隔振器、黏弹性阻尼材料、挠性接管、动力吸振器等在船舶中修时必须全部恢复其声学性能。因此，该船中修中减振降噪设施的修理问题已经日益突出。需通过研究，解决以下问题：一是修理范围，即应该对哪些系统、设备或元器件进行修理；二是考核依据，即通过修理达到什么样的效果才算合格。

3 振动噪声测试

对该船主要机械设备的振动、从设备传递至基座的振动、隔振装置隔振效果和轴系振动等进行测试，建立相应的声学数据库，跟踪掌握该船的振动声学状态，从而为修理提供必要的数据支持。

3.1 测试内容

该船主要测量机械设备及其隔振装置的振动加速度和振动烈度。具体被测物理量及范围包括：振动加速度，10～8 000 Hz；对转速低于600 r/min的机组，分析带宽可取2～4 000 Hz；振动速度，10～1 000 Hz；对转速低于600 r/min的机组，分析带宽可取2～1 000 Hz。

还应测量该船轴系的振动加速度、轴心轨迹和轴功率。具体被测物理量及范围包括：振动加速度，10～8 000 Hz；振动位移2～400 Hz。

3.2 测试数据分析

对机械设备、筏架、基座、管路和轴系振动加速度测试数据进行以下分析：①振动加速度1/3倍频程谱(10～10 000 Hz)；②振动加速度级总级(10～10 000 Hz)；③振动加速度傅里叶变换(FFT)谱频(10～1 000 Hz)；④振动加速度频带有效值(10～1 000 Hz)；⑤隔振装置、挠性接管的隔振效果计算。

对设备振动速度数据进行以下分析：①振动速度FFT频谱(10～1 000 Hz)；②被测设备的振动烈度。

4 振动噪声控制

为了对该船的振动噪声水平进行有效控制，确保修理后总体振动噪声性能指标不低于修理前的水平，可从以下几方面开展工作。

4.1 振动噪声控制大纲的制定

通过制订该船修理振动噪声控制大纲，从顶层角度规划修理过程中振动噪声控制的执行规范、采取的技术途径、实施方案和步骤等，并以此大纲作为依据，来指导该船等级修理振动噪声控制的设计、施工和检验。编制的“振动噪声控制大纲”，主要包括以下内容。

1)动力设备振动噪声控制。对改换装设备及修理工程范围内的设备提出振动噪声控制指标要求，并满足相应的国军标要求。

2)舱室空气噪声的控制。对某一航速下，各舱室的空气噪声水平提出要求。

3)橡胶隔振元器件的控制。更换的橡胶隔振元器件必须与原用隔振元器件在固有频率、隔振效果等隔振性能指标上相当，并对其接口关系、在盐雾、温度等方面提出要求。

4)动力吸振器的控制。对更换的动力吸振器的吸振频率、吸振效果等性能指标提出要求。

5)黏弹性声学材料的控制。对更换的黏弹性声学材料的结构、固有频率、隔声、抑振、盐雾、温度等方面提出要求。

6)挠性接管的控制。对更换的挠性接管的结构、材料特性、固有频率、隔振、偏移补偿等性能提出要求，并规定应与所属系统一起进行密性试验，保证接管接头处无泄漏。

7)修理低噪声施工工艺控制。编写设备安装过程中涉及管路、马脚、隔振装置、隔振元器件等低噪声安装的施工工艺指导性文件。

4.2 减振降噪元器件技术要求的编制

为规范该船减振降噪元器件的型号组成、特性、材料等技术参数以及试验与检验、质量保证、安装与使用等要求，必须制定严格的“减振降噪元器件技术要求”，从而有效控制备件的研制及换装工程的质量[4]。编制的“减振降噪元器件技术要求”主要包括以下内容。

1)橡胶隔振器元件技术要求。对其尺寸、重量、额定载荷，额定载荷作用下静变形、静刚度、动刚度以及与额定承载质量组成的系统在垂直方向的自由振动频率等参数提出要求，对其试验与检验方法进行规定。

2)挠性接管技术要求。对其结构、材料特性、固有频率、隔振、偏移补偿、抗冲击位移等性能提出要求。

3)动力吸振器技术要求。对其体积、重量、尺寸、接口关系、减振效果以及工作条件等性能指标提出要求。

4)黏弹性阻尼材料技术要求。对其结构、尺寸、声学性能、物理机械性能、环境适应性能、粘贴性能、毒性及使用寿命等指标提出要求。

4.3 减振降噪设施修理原则工艺的编制

对该船减振降噪系统的关键修理技术进行研究，并针对相关设备、结构或元器件编制相应的修理原则工艺，以此作为修理厂制订修理施工工艺和作业指导书的依据，指导现场维修工作。编制的“减振降噪修理原则工艺”主要包括以下内容。

1)隔振器修理原则工艺。对重点设备隔振装置拆卸、修理以及恢复安装等各项步骤的技术要求，以及需用到的专用工具、检验仪表及特制工装提出要求。

2)挠性接管修理原则工艺。对该船挠性接管的拆卸、修理以及恢复安装等各项步骤的技术要求，以及需用到的专用工具、检验仪表及特制工装提出要求。

3)动力吸振器修理原则工艺。对该船吸振器的拆除、安装与调试步骤及工艺流程提出要求。

4)黏弹性阻尼材料修理原则工艺。对该船黏弹性阻尼材料的入厂检验、敷设工艺、施工条件、敷设后的检验方法提出要求。

4.4 修理人员的培训

通过对减振降噪系统维修保障技术的深入研究，组织编制技术队伍建设所需的培训教材，包括水面船舶修理振动噪声控制培训手册、维修施工人员责任说明书、施工项目验收细则、总体责任单位抽检检验细则、不合格项目整改实施细则等文件。

对相关维修保障人员进行培训，培训内容包括振动噪声基本理论知识、该船减振降噪措施应用情况，并介绍隔振器、管路系统振动噪声控制、螺旋桨修理的振动噪声控制、阻尼降噪技术、维修工艺与船舶声隐身的关系以及船舶振动噪声测量技术，使相关维修保障人员在装备维修保障过程中建立起自觉维护船舶声隐身性能的意识，了解修理中的声学控制措施和要点，避免修理工作中的失误。

5 振动噪声控制评价

制定该船修理前后振动噪声评估方法，以及修理过程中的声学检查细则，为相关系统、设备以及元器件的修理提供技术指导和依据，评估修后振动噪声控制工作的成效[4]。

5.1 修前评估

1)制定减振降噪设施的检测与评估方法。

2)对全船相关系统、结构、设备和元器件进行修前检测，并结合等级修理修理技术方案确定具体修理范围和重难点工程。

3)记录该船相关系统、结构、设备和元器件的修前振动噪声数据，作为修后考核的依据。

5.2 修理过程的检测与评估

1)减振降噪元器件的质量检测。对修理阶段需要换装的减振降噪元器件，原则上采用同型号的元器件。由技术责任单位制定相关元器件的采购标准和技术要求，选择专业生产厂家组织生产，加强过程控制，严格按标准要求进行检测和验收。为确保质量，可以提高元器件的抽检样品数。

2)强化维修阶段声学质量控制检查。在计划修理中，根据维修相关标准、图纸文件，制定维修阶段声学状态检验细则，明确检查项目和检查要求。承修厂应按要求将项目维修、检验落实到人，实行层层监管，严格控制施工质量，并进行全面的检查。

在此基础上，由总体技术责任单位牵头，成立专项工作组，督促承修厂的修理和检查工作，并根据修理厂维修进度分阶段有重点组织抽查和复查，以便及时发现问题及时改进。

5.3 修后振动噪声状态评估

1)根据减振降噪设施的检测方法对全船相关系统、结构、设备和元器件进行修后检测。

2)制定减振降噪设施修后评估方法，并按照该方法将修后测量结果与修前数据进行对照分析，评价修理的成效，并对修理中的不足提出具体整改措施。

5.4 声学数据的管理

根据测试与评估结果建立相应的声学数据平台，以跟踪、掌握该船的振动噪声状态，为各维修保障工作提供必要的数据支持[5]。

6 结束语

本文从总体、系统和元器件3个层次对某船的振动噪声控制技术进行全面剖析，从振动噪声控制技术反设计、减振降噪元器件的技术指标体系建立、减振降噪系统修理技术文件编制、振动噪声控制评价体系建立、声学数据平台建立、人员培训及教材编制等方面，深入研究该船减振降噪系统保障性、维修性设计思想，客观分析和总结技术特点，吸收先进的系统设计理念，以及总结在保障工作中的成熟经验，从而为同类船舶的减振降噪系统维修保障提供借鉴和参考。