船舶振动噪声控制实例分析

魏朝辉 王帅 闫福刚

摘  要：介绍某船舶在设计建造过程中的振动噪声控制，分析其噪声与振动指标，并对船舶噪声与振动控制方法进行了较详细的论述，同时参照相关标准，对噪声与振动水平进行评价，为相关船型的噪声与振动控制提供参考。

关键词：声学;噪声（振动）源;噪声（振动）测试;噪声（振动）评价

1 概 述

船舶噪声与振动不仅损害船员的健康，妨碍船员的正常工作，而且易造成船体结构的疲劳破坏，特别是对于现代一些参与海域测量的科考船来说，振动噪声控制已经上升为一项必不可少的重要指标，所以控制船舶噪声与振动十分必要。通常情况下，船舶噪声与振动控制包括以下4个阶段：总体设计阶段、详细设计阶段、施工建造阶段和实船海试阶段。在设计阶段，可以用经验公式法或母型船的噪声与振动测试结果，同时在利用有限元、边界元和统计能量法软件仿真分析的基础上，选择噪声与振动控制元件，制定和修改实际上的船体结构设计方案。施工建造阶段严格按照设计方案施工建造。实船海试阶段既是对理论的实践验证又同时为基础设计提供重要依据。本文主要以某大型科考船为例分析船舶在设计施工建造阶段的一些振动噪声控制手段，为读者提供一些参考。

某海事系统大型测量船主要承担我国管辖海域特别是南海等深远海海域、海道的测量任务，兼顾对深远海失事船舶、遇难沉船、失联飞行器等进行应急搜寻扫测任务，以及国际联合海洋测绘交流工作。本船按无限航区设计，本船应具有良好的耐波性和操纵性，自动化程度要求高，综合布局和主要系统、设备配置满足多样化任务的要求，满足我国管辖海域特别是深远海海域（包括南海海域）海道测量作业的要求，是一艘专业性突出、多任务目标、模块化设计的现代化大型测量船舶。由于其任务使命的特点，对水下噪声以及舒适性要求较高。因此根据本船振动噪声的特点，采用了一系列控制手段，以保证其振动噪声指标。

2 振动噪声指标要求

2.1 振动响应指标

振动测量工况为主推进额定功率 80%的航行工况，船体各区域的振动应满足ISO 6954-2000 和 CCS COMF（VIB 3）的要求，ISO 6954-2000 的推荐值见表1，本船适用区域分类中 B 和 C 的要求。CCS COMF（VIB 3）具体数值见表2，考核的指标包括加速度和速度值，一般规定采用在1～80 Hz 频带范围内加速度和速度的计权均方根值，本船以严格的要求为准。

2.2 舱室噪声指标

本船的舱室噪声及甲板工作区的噪声应满足 IMO 最新舱室噪声规范要求 MSC.337（91）和 CCS COMF（NOISE 3）的要求，见表 3 的衡准要求。未列出的舱室应与表中功能相近的舱室衡准要求类似。空气噪声的要求适用于主推进额定功率 80%下的航行工况和 DP 工况（侧推功率不低于 40%）时。噪声衡准适用于所有通风系统都开启，通风流速合适并取得平衡。对厨房设备等经常使用设备也应注意，其运行时的噪声可能未超出衡准要求，但可能会使船上人员感觉不适。所有空气噪声超过 84dB（A）的舱室及甲板区域应加听力保护标志。

2.3 水下辐射噪声指标

在船舶以 11 节航速平稳直线航行时，水下辐射噪声衡准值按照挪威船级社 DNV GL 水下辐射噪声 Silent A（Light Survey）+S 指标设计，并获得相关证书。此衡准是 DNV GL 衡准 Seismic 与 Acoustic-Light Survey 的组合，前者的适用频率范围为 3.15 Hz 到 315 Hz，后者的适用频率范围为 1kHz 到 100 kHz。另外，本船的水下辐射噪声限值还按照 CCS Underwater Noise 3 设计，频率范围从 10 Hz 到 100 kHz 的 1/3 倍频带内，并至少获得 CCS Underwater Noise 3 级水下辐射噪声入级符合。具体指标如图1所示。本船各个频率段按就高要求原则作为设计指标要求。

3 船舶振动噪声实际控制途径

3.1 船舶振动噪声控制流程

（1）在船体初步设计阶段，评估船体低阶固有频率，避免和主要动力设备发生共振;根据振动、噪声及水下噪声指标要求，参与主要动力设备的技术谈判，在相关动力设备技术要求中明确振动噪声参数;

（2）在详细设计阶段，对全船的振动响应、舱室噪声以及水下噪声进行计算评估，根据计算结果与技术规格书的具体指标进行比较，对评估中的风险区域考虑增加减振降噪措施（动力设备的隔振、船体结构优化、设备的降噪、舱室处理等）;

（3）在动力设备的振动噪声水平验收过程中，负责检验振动噪声是否达到相关动力设备技术要求，在船体建造过程中，负责减振降噪措施落实到位;

（4）在航行试验过程中，负责测试全船的局部振动响应、舱室噪声、水下噪声、以及声学设备自噪声等。

3.2 螺旋桨降噪

基于 NV571 TVI 或同類型分析对叶片和梢涡空泡引起的螺旋桨噪声进行计算，该计算基于实际的伴流和螺旋桨几何尺寸并得出螺旋桨产生的水下辐射噪声水平。在螺旋桨选型确定并保证性能的前提下，减小螺旋桨引起的脉动压力，提高轴系安装精度要求，降低螺旋桨引起的轴承力。

3.3 发电机组减振

对于振动噪声有较高要求的船舶，如本船满足DNV Silent A（Light Survey）+S指标，发电机组需采取双层隔振型式进行安装（发电机组设备商自带双层隔振），尤其需要关注低频段的减振效果;柴油发电机组所有对外管子接口，如燃油、滑油、淡水、压缩空气等管路接口处均配置合适的挠性接管。由于露天甲板噪声值不大于75 dB（A），为了减少主柴油发电机组的噪声通过排气系统传递，其排气应加装消声器，4 台发电机组配置的消声器最小衰减不小于35 dB（A），按照排气口1 m 处低频噪声（100 Hz 以下）不大于 80 dB（A）进行设计，以确保船上人员不产生明显的低频不适。并且主柴油发电机组排烟管采用弹性吊架和弹性支撑安装，消声器采用弹性支撑，排烟管段根据需要设置不锈钢波纹管。

3.4 泵组减振

本船泵组以离心泵为主，当离心泵叶轮高速旋转时，带动叶片间的液体旋转，由于离心力的作用，液体从叶轮中心被甩向叶轮外缘，动能随之增加。当液体进入泵壳后，由于蜗壳形泵壳中的流道逐渐扩大，液体流速逐渐降低，一部分动能转变为静压能，于是液体以较高的压强沿排出口流出。

离心泵在使用过程中难免会有噪声及振动的现象，目前对大测船泵组的减振控制措施，如辅淡水冷却泵、舱底消防泵、压载水泵、柴油输送泵、直升机甲板消防泵、真空系统收集装置真空泵组，按照单层隔振进行设计，隔振效果可以达到 20 dB 以上，能够满足减振降噪的要求。而对于主海水冷却泵、辅海水冷却泵、主淡水冷却泵（重量、流量较大）则需要采用效果更高的隔振装置，如双层隔振设计，隔振效果可以达到 35 dB 以上（加速度总振级，频率范围 10 Hz～10 kHz）。其中，隔振泵组所有对外管子接口，如：柴油、海水、淡水、压缩空气等管路接口处均配置合适的挠性接管，挠性接管法兰或接头材质根据需求选择碳钢或不锈钢，根据介质选用耐油、耐海水、抗老化、阻燃的软管，使用温度范围为-20 ℃～100 ℃。

3.5 空压机减振

空压机在运行过程中，电动机与压缩主机均会产生较大的机械振动，考虑到空压机是舱室振动噪声的主要振动噪声源，单层隔振无法达到限值要求，因此对空压机采用双层隔振设计。

3.6 变压器减振

对于变压器设备主体振动，采用单层隔振，能够有效地减弱中高频电磁噪声的产生和传播，实船测试在 10 Hz～10 kHz 范围内加速度振级落差单层隔振装置能够达到 15 dB 以上。

3.7 分油机减振

分油机是现代船舶的重要辅助设备，用于燃油及滑油的净化处理。基本原理是利用分离盘之间的微小间隙和分油机高速旋转的离心力将杂质颗粒和水分等密度较大的成分分离出去。分油机减振措施采用隔振器进行隔振设计，并且油、水、气管路均采用金属软管进行连接，能够有效减弱分油机振动的传递。

3.8 风机减振

对风机来说，减振是非常有必要的，它不仅能增加风机的使用寿命，还能降低成本，节约能源，而且风机的平稳运行将使居住和工作环境安静舒适。使用隔振器可以有效地降低风机的振动，降低共振出现的情况，是保护风机与管道的一种重要工具。本船采用专用隔振器处理。

3.9 应急发电机组减振

应急发电机组用于海上应急工况的供电，并采用单层隔振安装（设备商自带）;排气系统加装排气消声器（设备商自带），消声效果不小于 25dB（A）。所有对外管子接口均配置合適的挠性接管，其中关于排烟管、消声器与船体的安装，船厂与船东、设备商沟通确认，根据实际需求选择弹性吊架、弹性支撑或常规吊架、常规支撑进行安装，排烟管段根据需要设置不锈钢波纹管，应急发电机室敷设吸音材料。应急发电机室进排风消声器消声量不低于 15 dB，阻力不高于 200 Pa。

3.10 机舱风机室声学处理

机舱通风机组共 4 台，采用立式低噪声轴流变频风机，其中 2 台可逆转。其中机舱风机风量约52000 m3/h，静压约700 Pa，风机出口的原始噪声不大于98 dB（A），消声降噪处理后百叶窗 1 m 外噪声不大于 73±5 dB（A） ，方案如下：

（1）每个风机房设 4 个手动百叶窗，百叶窗手动轮在室外，开孔尺寸1 300×2 000 ，百叶窗厚度 180 mm，流通面积约为开孔面积70%，有效通风面积约为 7.5 m2，阻力损失约100 Pa;

（2）风机房的隔声门开在舷侧;除盐雾装置厚度不大于 180 mm，安装在室内;

（3）为改善系统阻力，取消百叶窗处的消声器和风机上方消声器;

（4）百叶窗、除盐雾装置和滤器组件的消声量预估 3～5 dB;

（5）在滤器组件和风机之间设置一排消声片（6 个/套），每个消声片大小为 L1000×T300×H2100 ，重约 86 kg/个;消声量约为 15 dB，阻力损失约为 50 Pa，重约 700 kg/套;

（6）为防止声泄漏，在舱壁和消声器之间增设一块挡板，截面尺寸为700×2 100 ，可拆卸，若要检修滤器或消声器，可拆除挡板进出。

3.11 上建风机声学降噪

上建风机主要是进排气噪声，对所在噪声要求较高的房间需要进行降噪处理，因此对于超过对应舱室噪声要求的风机采取消声处理，如应急发电机机械通风管路、主甲板测量会议室风机、温盐深工作室风机、病房抽风机、主甲板卫生处所机械通风、登艇甲板会议室风机、洗衣间排风机、厨房抽风机、监控室送风管路、空调新风口等布置消声器;无风管的，在结构内增加消声单元和相关消声措施。

3.12 空调、冷藏、通风系统降噪

HVAC（Heating， Ventilation and Air Conditioning） 设备商应保证所有 HVAC 系统能够满足低于舱室相应噪声要求5～10dB 的要求，对于未能满足要求的舱室，设备商可以通过加消声器或者其他措施满足噪声要求。噪声分析应包括所有服务于居住处所和工作处所的 HVAC 系统，对于每个系统，可仅评价最近端风管的舱室及管路设计中最不利的舱室。

HVAC 系统的噪声控制将包括但不限于以下一些措施：

（1）将冷水机组、空调器尽量布置在下层甲板，与生活舱室和测量作业舱室保持一定距离，防止噪声直接传播。

（2）空调器通风机的变频调速，采用中压低噪声离心通风机变频调速控制， 在满足空调工况及系统阻力前提下，有效降低送风噪声和风机振动。空调器采用双层壁板，内外钢板采用不锈钢 316L 板，内含岩棉，具有优良的隔音效果。

（3）选用独立低噪声单元式空调机，生活楼内尽量采用低噪声的管道风机，以降低风机噪声对生活舱室的影响。离心及轴流通风机设消音静压箱以降低风机噪声。

（4）通风机、水泵的进出口管道采用弹性联接，风机、水泵、电机安装在减振基础上，以减少噪声的传播。空调器风机带减振器。冷水机组的压缩机减振安装，冷水机组带减振器且连接管路采用弹性连接。

（5）控制风管流速，风管采用中低速送回風，以降低管系噪声。

（6）采用优质低噪声的变风量布风器，以控制房间末端噪声。

（7）在通风管道上设置消音附件，选择优质送/排风末端装置，根据需要在风管或进出风口处设置消声器或消音设备，降低风管系统噪声。配有变风量布风器和低噪声布风器，使空调房间内噪声控制在要求的范围。选用优质螺旋风管及风管附件，确保不会因系统漏风造成噪声。

（8）空调系统中的布风器和消声器应尽量选用进口设备，并提供风量和消音指标，并获得船东和设计单位认可。

3.13 管路系统减振

船上管路振动也是引起船体局部振动的一个重要原因，对减振有要求的管路系统，隔振管夹应包括一定厚度橡胶垫，橡胶垫由邵氏硬度为 40～50的橡胶制成。根据管路的振动特性，主要是排烟管路脉动压力，通过管路系统的重量计算弹性吊架的数量、间隔距离、刚度和固有频率，选择合适的刚度和承重量的弹性吊架。

其中燃油净化管系、燃油驳运管系、燃油日用管系、滑油驳运及净化管系、主推进器滑油管系、海水冷却管系、主淡水冷却管系、辅淡水冷却管系等有减振要求的管系需要做弹性管夹。

对于主机排烟管、焚烧炉排烟管、燃油热水锅炉弹性吊架和弹性支撑应装在船体的结构加强部位。

所有隔振安装的机械设备应装有液体、气体、电和空调通风的挠性接管。在任何情况下，挠性接管的性能应适用于所处理的液体、气体的压力、温度及耐化学性。而且，液体、气体系统的挠性接管不应比相应设备的隔振装置硬。在三个正交方向上挠性接管的弹性应相同。

3.14 其他

本船声学设备最终的安装位置基于设备商的推荐，并考虑到因机械噪声、船体和附体的流动噪声及系统间的干扰的影响。集成措施中应包含控制所有声学设备的同步触发系统，以尽量减小声学系统之间的相互干扰。传感器适用于在海上环境下连续运行，其安装位置应远离排水舷口及尽量减小流动扰动的影响。传感器避免首部下泄空泡及其噪声影响。传感器避免船体干扰，并且不影响进坞。

4 航行工况振动响应结论

4.1 试航时船舶运行状态

4.1.1 航行工况

船舶在平静海况（低于 3 级海况）下以巡航航速航行。测试船舶舱室的振动、噪声，测试时的工况记录在测量报告中。

4.1.2 DP工况

船厂、船东、DP 设计方商定一种模拟 DP 推进器系统工作的噪声测量工况。DP 推进器的工作条件大致相当于船舶营运的设计环境条件，进行噪声测量时 DP 推进器的输出功率不小于其最大功率的 40%。测试时的工况记录在测量报告中。DP 工况下测试舱室的噪声。

4.1.3 船舶状态

海上试航工况下噪声测试时船舶状态要求如下：

（1）船舶浮态

测量应在船舶压载工况下进行，确保螺旋桨完全浸没水中，且在保证船舶试航浮态的前提下，螺旋桨的浸没深度应尽可能大。测量时船舶应尽可能保证直航。测量时船舶的实际状态应记录在检测报告中。

（2）发电机组运行状态

振动噪声测量时，发电机组应根据测量工况要求，将机组开启到对应工况并保持稳定：

航行工况为主机开启 3 150kW×2+1 600kW×1;

DP 工况测试时，侧推推进器的输出功率应不小于其最大功率的 40%，机组以满足运行要求尽可能低的工况运行。

（3）辅机运行状态

在航行和 DP 工况下，船上所有对应所需的机械设备、航行仪器、无线电和雷达装置等都已经处于其相应的工作状态，并保持稳定。

4.2 海试船舶振动噪声实测结果

从本船在航行情况下各层甲板振动实际测量结果（见表4）可以看出，各层甲板振动响应结果可以满足 ISO6954-2000、CCS3 级舒适度的限值指标。实验结果船体局部振动无论是在 DP 工况，还是在Transit工况，各测点的三向数据均落在IS06954-84的“轻微振动”区域内。因此对本船采用的振动噪声控制方法予以肯定。

参考文献

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