科考船水下辐射噪声的控制措施分析与应用

陆小科， 邹丽榕， 陈晓彬， 李江波

(中船黄埔文冲船舶有限公司，广东 广州510715)

0 引 言

作为科考船核心能力，水下辐射噪声指标是科考船至关重要的性能指标之一，影响科考船水下定位、测量设备的使用和测量结果。以某型科考船为载体，从船厂建造施工角度出发，研究如何建造水下辐射噪声性能优良的科考船。

水下辐射噪声控制是一个系统性工程，包含设备选型、型线与结构设计、噪声计算、建造过程中的减振降噪工艺措施落实等。在整体上提升船舶振动噪声控制的技术水平，一方面应深入分析噪声源的特点，根据噪声成因提出有针对性的解决措施，另一方面应综合考虑环境、工程应用背景及成本等因素[1]。船厂从工程项目施工的角度考虑，主要应在措施有效性、施工便利性、成本可控性等关键要素的组合与互补方面，整合建造阶段的控制措施，整体控制全船水下辐射噪声水平。

1 水下辐射噪声源分析

水下辐射噪声按常规的“振动源强度估算-传递路径分析-接受点能量计算”方法分析[2]，该型科考船水下辐射噪声源包含机械噪声、推进器噪声和水动力噪声等，传递路径为船体结构、空气介质和海水介质。为预报11 kn自由航行工况下的全船水下辐射噪声，需要分别计算水动力噪声、机械噪声、推进器噪声及舱室空气噪声，上述4个分量的噪声通过能量叠加得到全船水下辐射噪声，结果如表1和图1所示。

图1 声压谱源级与限值线对比

表1 某型科考船全船水下辐射噪声总级 dB

由表1可知：在11 kn工况下，16 Hz～10 kHz带宽内的水下辐射噪声部分频段计算值与限值线比较接近。影响全船水下辐射噪声的主要噪声源是推进器(见图2)，其次是机械噪声(见图3)，机械噪声主要噪声源为3 000 kW柴油发电机组。具体的推进器噪声和机械噪声控制点需要从相应噪声源的水下辐射噪声分量风险区方面进行分析。

图2 推进器噪声分量

图3 机械噪声分量

由推进器水下辐射噪声分析可看出：该船推进器辐射噪声分量主要来自推进器直接辐射噪声，该部分噪声主要由推进器本身的水动力性能决定，推进器振动引起的噪声分量主要风险点在250 Hz以下区域；机械噪声水下辐射噪声分量在800 Hz以下接近或超过140 dB，是对全船水下辐射噪声影响较大的风险区，应该重点对该频段进行有效控制。

2 减振降噪措施分析

在实际项目执行过程中，设计方根据该船水下辐射噪声指标要求和噪声源的分析结果，对推进器噪声、机械噪声、水动力噪声、空气噪声等提出全面的控制措施。控制范围虽较全面，但施工量较大，工作重点不够明确，不利于船厂的进度和成本管控及整个项目资源的合理调配。因此，有必要分析该型科考船整个减振降噪工作的重点和要点，整合项目资源，有效降低全船水下辐射噪声水平。

2.1 推进器噪声控制措施分析

根据推进器噪声源分析，推进器噪声主要由桨叶旋转运动引起的直接辐射噪声及推进器激励艉部结构产生的噪声。具体控制措施分析如下：

(1)对艉部型线进行优化。通过优化外艉部型线，控制来流的均匀性，减少水流变化造成的推进器直接辐射噪声。工作重点是基本设计阶段的船型设计，在船厂建造阶段主要是保证船体结构制作满足设计要求，船厂优化空间较小。

(2)保证推进器在声学考核工况运转时不出现空泡。通过选择合适的推进器和对螺旋桨进行优化设计，控制推进器直接辐射噪声，工作重点是基本设计阶段的推进器选型及螺旋桨优化设计，在船厂建造阶段主要是保证推进器的安装满足设计要求，船厂优化空间较小。

(3)基座结构和局部结构强度设计。通过设备基座和船体结构的设计，优化船体结构的刚度、质量和阻尼特性等动力学参数，提升设备支持结构的阻振质量。该措施的输入条件是推进器运行的振动特性，根据推进器的振动特性，在详细设计阶段设计基座的型式和阻抗，在船厂建造阶段需要重点保证结构装配和设备安装精度。

由推进器噪声控制措施分析可看出：在推进器噪声控制措施方面，建造阶段核心是提高基座区域的阻抗值，即在允许的条件下尽可能提高推进器基座及周边区域结构的刚度和质量，同时通过安装精度的控制尽可能保证推进器在设计状态下运行。

2.2 机械振动噪声控制措施分析

机械噪声源包括推进电机、柴油发电机组、大功率海水泵、机舱风机等动力设备，集中在机舱、辅机舱、推进电机舱、风机室等舱室，通过基座与非支撑件激励船体振动并向水下辐射噪声。根据噪声源分析，该型科考船机械振动噪声对水下辐射噪声影响较大，同时是船厂可有效控制的重要水下辐射噪声源。机械设备的种类和数量较多，对水下辐射噪声的影响差别较大，因此针对机械噪声的控制措施较多。具体控制措施分析如下：

(1)振源设备指标分解。振源设备振动特性是机械噪声根源，选择合适设备可有效降低减振降噪方案难度。振源设备指标分解是根据水下辐射噪声限值指标要求，将振动噪声指标分解至每项设备振动噪声要求的过程。但在实际操作过程中，过高的指标要求会带来订货成本大幅增加及设备技术谈判过程艰难等问题，不合理分解可能得不偿失。船厂采购原则是选择在市场上振动噪声性能较好的设备，并根据同型号设备振动噪声经验数据对设备制造质量进行要求，根据设备的振动噪声经验数据及振动噪声分解指标进行相应的隔振设计，而不是纠结于不切实际的要求。

(2)振源设备隔振设计。在振源设备指标分解后，需要根据振源设备对水下辐射噪声的贡献程度选择和设计振源设备隔振方式，常规的有单层隔振、双层隔振及浮筏隔振等。发电机组正常选择双层隔振，在有条件的情况下可选择隔振性能更好的浮筏隔振；其他大功率水泵等可选择浮筏隔振；功率和影响较小的设备选择单层隔振。以往研究表明：单层隔振效率一般在10～20 dB；双层隔振效率优于单层隔振装置，可达30～40 dB；浮筏隔振效率略低于通常的双层隔振，但其可以较轻的质量换取合适的隔振效果。由于该型科考船空间紧凑、质量控制要求高，因此选择浮筏隔振可进一步减小船舶振动噪声。船厂在隔振设计中应平衡质量和成本，选择综合成本和效果较好的方案。

(3)基座结构阻尼处理。基座结构阻抗是设备减振基础，设备安装区域的结构在设计上固有频率必须与激励频率错开，避免发生共振；提高设备基座结构的刚度和质量，可提高其机械阻抗，减少设备振动能量向船体传递。船厂在施工过程中可在结构声传递路径上设置不连续以抑制结构声传递的方法[3]，提高结构阻抗。船舶机电设备主激励频率通常在1 kHz以下[3]，而阻尼对振动能量的吸收效果往往正比于振动速度，在振动速度不明显区域基本不起效果。大面积敷设阻尼不仅会额外增大船舶质量及影响舱容，同时大幅增加建造成本。根据噪声源分析，高频噪声传递特性及其他国外机构如挪威船级社(DNV)关于水下辐射噪声的建议措施，阻尼基本在距离设备较近位置，一般在设备基座处敷设基本可达到较好效果，大面积阻尼敷设不利于水下辐射噪声控制的费效比。

(4)设备隔振安装。设备隔振安装是减振降噪措施的落实，具体包括设备和材料验收、设备基座检验、支架检查、隔振器布置和安装等，整个措施的核心是必须严格执行设备隔振的施工工艺，防止与其他设备、管路和船体短路，同时保证隔振装置性能。

(5)管路隔振安装。管路振动多为中高频振动，来源于管内流体空化[4]。中高频噪声传播距离较小，对船舶总体辐射噪声虽有一定影响，但其衰减较快且多呈现为船体局部振动声辐射现象，对船舶总体辐射噪声的贡献较为有限。由于具有中高频特征及分布范围广泛的特点，管路振动噪声是船舶自噪声的主要来源，为保证声学设备正常工作，管路振动噪声控制是重要的工作内容。机械振动激励传递可通过挠性接管进行有效控制，而由流体激励产生的中高频噪声可通过少安装阀门、加大弯管半径、降低管路内介质流速及合理确定布设阀门位置等措施进行有效控制。管路振动噪声通过固定管路码脚传递，在全频段范围，码脚振动加速度级比基座高7～10 dB；在中高频段，码脚振动加速度级比基座高15 dB以上[5]。根据该特性，对应的减振措施包括码脚设计应具备足够的刚度、带隔振效果的管码、合理的管路结构等。需要在前期制订正确的管路设计原则和正确的施工工艺，并在建造施工中严格实施。

由机械振动噪声控制措施分析可看出：机械噪声控制是船厂在整个水下辐射噪声控制工作中的重点，无论是设备采购、基座设计还是设备和管路安装，涉及范围、流程、工艺均较广，尤其是阻尼材料施工范围可能与设计方存在较大分歧，对全船质量和成本影响较大。

2.3 水动力噪声控制措施分析

水动力噪声由水流流经船体湿表面产生的湍流脉动压力激励船体振动产生的噪声及通海管路流体脉动向水下辐射的噪声。在考核航速下水动力噪声对全船水下辐射噪声贡献量不大，仅从水下辐射噪声角度无须采取有针对性的降噪措施。但水动力噪声对声呐自噪声贡献量则需要考虑，特别是艏部型线和流场、艏部气泡抑制等对声呐自噪声影响较大。具体控制措施分析如下：

(1)艏部和船体型线优化。针对在船体航行过程中产生的气泡进行艏部和船体型线优化，可减小艏部气泡生成和抑制气泡倒冲，主要工作集中在详细设计阶段，船厂优化空间较小。

(2)船体结构局部加强。针对水动力噪声与结构产生的共振，足够强度的结构设计有利于降低紊流压力脉动强度增大处的噪声辐射，主要工作集中在详细设计阶段的结构设计方面，船厂主要工作是在按图施工基础上增加结构强度，提升空间不大。

(3)艏部区域开孔减小。针对船体开孔在航行状态下容易产生气泡的情况，减小艏部区域开孔，如减小艏部推进装置底板合龙间隙。船厂主要工作是在生产设计过程中避免在影响声学导流罩的区域开孔，在无法避免的情况下应尽可能减小开孔尺寸。

由水动力噪声控制措施分析可看出：水动力噪声优化主要目标是控制声呐部位自噪声，可通过型线优化、结构加强、开孔设计等减少自噪声，船厂需要根据自噪声要求对声呐平台区域采取有针对性的改进措施。

2.4 其他噪声控制措施分析

除上述水下辐射噪声控制措施外，还有一些针对舱室空气噪声分量的控制措施，如在机舱区域设置吸声板、隔声罩，其目的是减小机舱空气噪声，同时减小机舱空气噪声对水下辐射噪声的影响。根据噪声源影响分析，是否设置吸声板和隔声罩并不会对考核工况下的水下辐射噪声造成较大影响，但其施工难度反而会对整个建造过程的工序和进度造成严重影响，并产生较大的空间和经济成本。

3 实测结果对比分析

某型科考船水下辐射噪声的重点风险点是800 Hz以下频段，振动噪声控制措施重点针对该频段。实船建造完成，根据规范要求对水下辐射噪声进行验证，具体结果如图4所示。

图4 某型科考船水下辐射噪声实测值

由实测结果可看出：一方面，全船水下辐射噪声在1 000 Hz以下，尤其是在400 Hz以下，测试结果比计算值下降较为明显，说明减振降噪措施针对性较强，达到预期目的；另一方面，水下辐射噪声测试结果与计算值有一定偏差，尤其是在400 Hz以下，部分频段偏差较大，整体方案存在优化空间。

4 结 论

通过上述分析，得出结论如下：

(1)推进器噪声对水下辐射噪声影响较大，但船厂的有效措施仅限于提高基座结构的刚度和质量。

(2)机械噪声控制是船厂在整个水下辐射噪声控制工作中的重点。

(3)管路振动噪声对水下辐射噪声影响相对有限，但却是自噪声主要来源，需要进行有效控制。

(4)从水下辐射噪声控制整体收益来看，在确保舱室空气噪声满足限值要求的情况下，可适当缩减舱室空气噪声控制成本占比。

随着近年来国内科考船的任务需求提高，关于水下辐射噪声的建造要求越来越高，一味加大减振降噪措施投入不仅不利于全船综合性能提升，而且不利于全船建造成本控制。通过某型科考船减振降噪措施有针对性的分析与综合应用实船测试结果对比，说明合理整合减振措施非常必要，只有通过系统性分析，综合考虑环境和经济因素，进行客观取舍，才能达到较优的综合效果。