某型船舶电力拖动设备的噪声产生机理与控制研究*

包 容 李寒林 吴井霞 洪常晋 顾嘉阳 王琦超

(1．集美大学轮机工程学院，福建 厦门 361021；2．福建省船舶与海洋工程重点实验室，福建 厦门 361021；3. 船舶辅助导航技术国家地方联合工程研究中心，福建 厦门 361021)

1 概述

船舶噪声对人体和环境的危害非常严重，目前国际海事组织对如何降低船舶噪声十分重视。在船舶中，电力拖动设备运行时常常产生较为严重的噪声问题。目前，对船舶电力拖动设备噪声的控制方法只采用简单的设备隔振垫，完整的控制方法还没有落实。但是，由于船舶电力拖动设备噪声不仅对设备性能的完整性会产生影响，而且会给船员的身心健康带来一定的负面影响。因此，研究船舶电力拖动设备噪声产生的机理和控制方法是十分必要的。

1970年，国际劳工组织(ILO)在日内瓦召开的海事特别会议上通过了《关于船员、设备工作区有害噪声规定的建议》，建议各国政府制定限制船舶噪声的规则。目前一些造船和航运国家都制定了船舶噪声标准，作为船舶特殊环境下的健康保护标准[1]。本文根据各电力拖动设备工作空间、工作环境的差异，研究具体的噪声控制方法，通过相关常用的噪声控制技术，设计一套船舶电力拖动设备噪声控制系统。

2 噪声产生机理与控制技术

船舶电力拖动设备产生噪声的一大主要原因就是拖动电机的工作运转。拖动电机产生噪声一般由三部分组成：空气动力性噪声、机械性噪声和电磁噪声[2]。目前的噪声控制技术有吸声技术、隔声技术、消声技术和隔振及阻尼减振技术，但是单一的技术应用对于噪声的控制并不明显，所以探究如何有机结合这些技术来实现有效地控制拖动电机噪声的产生才是首要任务。

2.1 噪声产生机理

2.1.1 空气动力性噪声

产生空气动力性噪声的机理比较简单，其主要是由拖动电机产生。为了冷却拖动电机运行时发热而产生的温度，需要而在机内安装冷却风扇，船舶电力拖动设备的拖动电机均装有冷却风扇，拖动电机进排气方式有机身壳外排和冷却风扇直排。空气动力性噪声源包括风扇噪声、进排气噪声、换气噪声，设备运行时拖动电机的噪声听起来为嗡嗡作响[3]。

2.1.2 机械性噪声

机械噪音是指在工作中因零件间的外力或内力而产生的机械装置的内部振动和噪音，包括低频噪音、高频噪音、结构共振噪音等。因为机械噪音占了很大的比例，所以控制机械噪音是主要课题。

2.1.3 电磁噪声

电磁噪声是由于电磁场而引起。电机径向电磁力的周期性变化或是不平衡磁力会导致磁致伸缩和振动从而产生电磁噪声。由于定子和转子的本身特有的结构特性在振动时也会影响到电磁噪声。电磁力即使很弱，当和固有频率共振时也会产生很大的电磁噪声。

2.2 噪声控制技术

2.2.1 吸声技术

当噪声碰撞到吸声材料或结构时，其中一部分的声能被吸收，剩下的被反射的噪声逐渐减弱，然后我们听到的噪声就非常小了。多孔吸声材料和共振吸声结构这两大类是对吸声技术不同应用而产生的结果。

①多孔吸声材料。多孔吸声材料内部一般会有很多小孔通向材料表面，有着良好的透气效果。有纤维状、颗粒状、泡沫状三种构造。

②共振吸声结构。按照共振吸声结构原理设计而成的具有良好吸音性能的吸音部件，称为共振吸声结构。

2.2.2 隔声技术

采用隔音部件来分离噪声源和接收机，降低噪声传播路径中的噪声污染的技术被称为隔音技术。隔音原理是，当有噪音入射到墙壁面时，由于声波的作用，墙壁会以一定的方式振动。一般的防音对策是，像隔音屏障、隔音罩、隔音室那样，可以降低20～50dB的噪音水平。

2.2.3 消声技术

消音技术的原理是通过安装在气流的管道上、或放入排气口中而使噪音衰减的装置，将声能转换成热能，有效地降低空气动力噪音。

消声器种类繁多，结构复杂。消声器可根据在不同环境条件下的应用而分为以下几个部分:：阻性消声器、抗性消声器、扩散性消声器和阻抗复合式消声器。这几种消声器在形式、性能和主要用途上都有着很大的差别，如表1为消声器分类表。

其中最常用的为阻性消声器，阻性消声器的消声原理为：利用吸声材料的吸声作用，使沿通道传播的噪声不断被吸收而逐渐衰减。 当声波进入消声器中，会引起阻性消声器内多孔材料中的空气和纤维振动，由于摩擦阻力和粘滞阻力，使一部分声能转化为热能而散失掉，就起到消声的作用[4]。在风机噪声控制中消声器的应用最为常见，如图1为片式阻性消声器外形结构示意图。

表1 消声器分类表

图1 片式阻性消声器外形结构示意图

2.2.4 隔振及阻尼减振技术

机械设备运转时会产生振动，振动可由空气或连接部分传递。可以在机械设备的连接部位之间设置弹簧或者弹性垫，从而引起弹性变化，起到对振动的缓冲效果，并明显的削弱振动。另外，根据支撑材料的电阻能量消耗，基础传达的振动变弱，降低声音的辐射是防振噪声降低技术的基本原理，振动时使用的弹性装置称为防振器。

在设备的基座与支座之间的刚性连接加装金属弹簧隔振器可有效地预防由船舶摇晃和设备本身运行不稳定造成的振动所引起的机械性噪声；在主要噪声源拖动电机部位，在其底座与设备基座之间加装金属弹簧隔振器或隔振垫，可有效降低由电机本身运行不平衡和船舶摇晃引起振动而造成的电机的机械性噪声。如图2为金属弹簧隔振器结构示意图。

图2 金属弹簧隔振器结构示意图

3 船舶电力拖动设备噪声控制方案

电力拖动设备产生的噪声一般都为机械噪声，但是由于部件加工不精细或无降噪结构，船舶电力拖动设备的噪声并不能得到有效控制，一般控制噪声从三个方面，分别是从噪声源，噪声传播途径和个体接收者进行。但由于从噪声源方面进行大规模的设备改造来控制实现比较困难，且不经济；从个体接收者方面的控制，并不能从根本解决问题。因此，本文从船舶电力拖动设备噪声的传播途径来设计噪声控制方案，不仅能够长期有效的最大化降低设备噪声，而且经济投入相对不高。

3.1 总体控制方案

对于船舶电力拖动设备，由于设备部件制造工艺基本固定，难以改进，从声源上减噪的效果并不明显，是不切合实际的。而在传播途径上采取措施，不仅可以明显降低噪声，投入成本也是不高的，具体方案设计图如图3船舶电力拖动设备噪声控制方案图所示。

图3 船舶电力拖动设备噪声控制方案图

3.2 各部分组件

3.2.1 隔声间

将船舶电力拖动设备单独用噪声隔声间隔离起来，将设备的总体噪声适当的与外界进行隔离。遇到恶劣海况时，对于甲板电力拖动设备而言，可以一定程度的使其免遭如台风暴雨，海浪侵袭等对设备带来的诸如腐蚀之类的损坏。隔声间的选择方案可根据工作空间不同进行选择，在甲板机械工作条件下，选用YZS-GSP系类隔声间。

3.2.2 电源箱

将原来的电源控制部分改造成电源控制箱，安装在隔音室的外部墙壁上。这样将设备隔离起来，使在场工作船员不用直接与设备接触，方便操作，可以最大化的减小船员所受到的噪声。

3.2.3 金属弹簧隔振器、隔振垫

对于船舶电力拖动设备，考虑其与船舶一起海上航行，受海洋环境影响，振动比较厉害，一般选用ZTG金属弹簧隔振器。ZTG型阻尼弹簧减振器构造简易，应用方便，可调整减振器的安装高度。表2为ZTG型金属弹簧隔振器的分类表。隔振器的选择应该根据实际需要选择[5]，根据实际船型的电力拖动设备，考虑电力拖动设备重量约2600 kg，因此本设计选用4个ZTG-L-700型号的金属弹簧隔振器。

表2 常见ZTG型金属弹簧隔振器的分类表

3.2.4 消声器

拖动电机的主要噪声是空气动力性噪声，为了较大程度地降低其噪声，主要设计思想是在拖动电机辐射气流噪声最强的部位即冷却风扇进出气口处加装消声器，把电机的冷却风扇进排气噪声控制在容许的范围内，是较为理想的方法。但这种消声器应具有对气流阻力小,安装后不影响电机冷却散热，并使得电机的温升要能够控制在允许范围之内、体积小、重量轻、便于安装与拆卸的优点[6]。

3.2.5 隔声间通风风扇

考虑到隔声间内部，设备本身散热条件和天气环境，需要在隔声间的隔声墙上设计安装通风风扇，这种通风风扇形式简单，无需借助船舶电力来维持运行，仅靠自然风，如海风、船舶航行带来的气流风等作为通风风扇的运行能量[7]。

对噪声控制方案的各个构件部位，可供参考的价格与隔声量见表3。其中消声器的具体价格需要根据拖动电机冷却风扇进排气出口处的尺寸大小和所需内部消声片数量和材料来考量[8]。

表3 控制方案各部件价格与隔声量

4 结论

针对某型船舶电力拖动设备的噪声问题，本文总结噪声产生来源和机理，根据常用的噪声控制技术，设计船舶电力拖动设备噪声控制系统方案，在对船舶电力拖动设备噪声的控制方案设计中，根据具体条件分析研究，找出主要噪声源，并根据其噪声性质的强弱，结合设备所处工作环境，合理选用噪声控制装置，给出相应控制方案图，采用此方案降噪效果好，成本可控，可推广应用至现有船舶噪声改造工程。