内河船舶减少振动和噪音的对策研究

◎ 余刚 易陶芳 湖北省黄冈市船舶检验局

1.引言

随着海上运输业和船舶技术的迅速发展，包括内河船舶在内的各类型船舶吨位载重量、航速等日益提高，同时内河航道特点导致内河船舶向宽大船型和大功率方向发展。由于造船技术和船体的优化设计能力的不断提升，船用钢板以及相应构件相对变薄和变小，船舶重量下降，船舶结构刚度也有所下降，这些因素叠加在一起致使船体振动加剧，进而造成船舶噪声也随之增加。

由于内河水域人民群众对于噪音的敏感性，内河船体噪音整治已成为一个不容忽视的问题，另外噪音和振动一直是影响船舶安全和船员健康的相关因素。文献指出船舶噪音对船员的听觉、休息和健康带来了不利影响，对轮机人员的听力损害尤其严重。文献对船员职业有害因素进行了调查研究，其噪音、振动等职业危害要显著高于中国卫生统计年鉴及其他学者调查的居民患病率，轮机人员受高温、振动、灼伤的发生率也显著高于其他船员。因噪音和振动对于船员的身心健康影响较大，文献开展了基于情感体验的船舶舱室内装设计。文献从睡眠缺失、噪音、身体振动、船舶运动等方面开展了对船员的工作精确性和工作效率的研究，探寻确保海员良好的工作条件和职业健康的有效措施。文献指出持续的噪声和振动会给船员带来较大的压力并降低睡眠质量，进而影响船员的健康，长期振动产生的交变应力还会提高金属疲劳的可能性和疲劳程度，威胁船体安全。针对船舶振动和噪声污染管理和控制也趋于严格，中国政府出台了一系列监督与管理规定，包括《环境保护法》、《环境噪声污染防治法》和《防治船舶污染内河水域环境管理规定》及其实施细则。国际海事组织颁布的第MSC.337(91)决议于2014年7月1日正式生效，体现了国际海事组织对船舶噪音限制的重视，及其正致力于降低船员受到噪声的影响和伤害。为此急需对船舶进行减振设计和处理，减少振动与噪声对船舶安全和营运人员的健康影响，进而提升船舶安全与船舶使用寿命。

2.船舶噪音来源

船舶噪声分为空气噪声和结构噪声两部分。船舶产生噪音的源头包括主机、辅机、风机等机械设备，基本上集中布置在机舱部位。具体见图1所示。

图1 船舶噪音源示意图

3.船舶减振措施

3.1 船体减振措施及降噪

尽管船舶由钢材制成，但由于船舶尺度较长，船舶在船长方向上有一定弹性，具有弹性体属性，较小的激励幅值也会导致船舶变形，并使船舶在共振区引起较大的响应。航行于内河的船舶通常采用较高转速的主机，其在正常工况下发生低速共振的可能性较低。但为了船舶整体的节能增效，内河船舶现多采用减速齿轮箱来降低尾轴转速，同时增加大螺旋桨直径。这就使得主机在正常工况下有很大的可能性导致船体的低谐共振。为避免共振效应，船舶需要改变船舶固有频率和激励频率。改变船体的固有频率可以从船体梁的刚度方面入手。在计算船体梁极限弯曲能力时，可以致力于减少对板厚变异的影响，计算材料变异是极限弯曲能力分布参数的决定性因素。对于典型散货船和油化船船型，较强的强甲板结构抗屈曲能力可有效提高船体梁极限弯曲能力。另外还应考虑到避免或减小应力集中。

3.2 机型选择对内河船减振及降噪

主机与发电机组是船舶噪声最主要的来源，是影响到机舱以及附近舱室噪声的最主要因素。柴油机作为船的主要振动源及噪声源，首要处理原则就要测定主机对船体结构作用特性。我们在设计阶段选用“特征分析”测定方法，测量和处理旋转机械在启动、变速及工作过程中的振动和噪声特征信号。这些特征信号是由于机械装置的旋转而引起的内部各种因素相互作用的结果。主机和发电机振动都要通过机座这个媒介传递给船体，进而引起船体振动，然后向周围幅射进而形成舱室噪声。

所以在设计阶段应引起重视。应当选用不平衡惯性力较小与较小力矩的热机作为船舶的主机和辅机。通常还要在机座下面装设橡胶制减振垫、金属弹簧减振垫等作为措施。对于四冲程柴油机则应当选择大于四缸的柴油机。而对于二冲程柴油机应选用大于六缸的柴油机。总而言之，应当可能选择缸数较多的柴油机和恰当地选择主机的安装位置，都可以减小主机和辅机引起的船体振动。

3.3 船体的结构设计及降噪

空气噪音与结构噪音也是船舶噪音的重要因素之一。船舶噪音可以通过空气或者船舶自身传播，通常难以解决的原因在于其强度大、频率跨度大。因此，使用单一的隔振措施不足以得到很好的减振和降噪效果。当前处理船舶噪音的方式主要采用隔声或吸声技术。排气消音降噪设备是指一种包括多通体、多孔管材和具有吸音作用的材料的排气消音器。船舶消音器主体结构较为紧凑，其外层可使用不锈钢或玻璃钢制作，具有不易腐蚀的特点。这种船舶消音器主要安装于主机的排气设备，排出气体进入消音器上的诸多孔道，通过冷却水的作用使气体流动速度与压力迅速下降，进而大幅度降低主机的噪音。屏蔽材料设置的孔道直径越小，其噪音降噪效果越好。另外一种常用的隔音降噪设备的降噪原理为阻隔声音传播。船舶机舱中大部分噪音的来源是众多机械设备和其引发的船体本身产生的空气噪音。其解决方案是将柴油机等发音机械用隔声罩罩起来，阻止声音的外泄。其本质是阻隔声音，而并不能降低噪声且此类设备较为复杂，会给监视与维护过程带来一些困难。目前船上多采用隔声集控室，将人与声源隔离起来。一般内河船舶较小，集控室没有足够的空间，但随着内河船舶不断大型化，此类方案将逐渐具有可操作性。随着排气消音器技术的发展，可以考虑增加其使用深度和广度，这样可以从本质上降低噪音对人、船以及环境的影响。类似的结构也可以考虑设计到船体结构中，从本质上进行噪音的控制。

3.4 船舶机械设备减振

船舶主机、发电机、鼓风机及主辅机排气管等机械设备本身均带有运动部件，其在工作时将持续产生激励，进而引发船体振动。从各方面考虑振动都是有害因素，其不仅会造成机器自身的损坏，而且会造成其他结构、设备的损害并产生较大的噪音。因此可以在保证各种设备与外界相连的所有管路、导管电缆等具有足够弹性的同时，在设备与其固定的基座之间采用弹性支承。合理应用弹性连接设备支座，使其受力后产生弹性变形并吸收一部分的振动，同时也能阻断振动的传播，达到振动源头隔离的效果。其工作原理如图2所示。应用弹性安装的典型范例为瓦锡兰机型，安装了该柔性主机支座装置的船舶，其主机周边噪声得到了平均15～20分贝的有效降低。

图2 弹性基脚简要模型[5]

3.5 船舶线型选择和减振

船舶尾部线型也将直接影响螺旋桨的效率。从水线面线型角度考虑，对于双机船，为避免水流分离而发生漩涡和振动，船舶尾段的纵向斜度应大于30度。船舶尾部要保持顺滑，不应采用凹形，而应选用直线形。单桨船螺旋桨区的水线面以平直为宜，纵向斜度不应大于20度，终端(尾柱处)也不应过分宽阔，同时应避免水线反曲处的斜度过大。对于横剖面线型角度，单桨或双尾船尾部的线型最好采用U型构成整流穴以令水流匀称，并尽量使螺旋桨盘面上部的伴流峰值减小，进而减小螺旋桨造成的脉动压力。

3.6 螺旋桨选择及减振

船舶螺旋桨的选择也是船体振动的主要影响因素。螺旋桨诱导的表面力和空泡会使船舶产生剧烈的尾振。因而在船舶设计阶段选择合适的螺旋桨桨叶倾斜度、螺距、盘面比、厚度分布和叶片数显得尤为重要。叶数多和盘面比较大的螺旋桨可大大减少空泡、降低表面力并减弱振动。因此必须保证螺旋桨的建造质量，例如降低螺距误差，平衡试验等应符合规范要求。因此在设计阶段，应合理选择和布置螺旋桨，改善尾部线型使螺旋桨来流和去流顺畅。另外，于螺旋桨上方船体内敷设水泥、于此处船底板开设避振穴等都可有效避免船体过度振动。可以采用大侧斜桨，降低尾部螺旋桨区域伴流影响和避免螺旋桨唱音等。

图3 大侧斜桨示意图

3.7 室内装饰降噪

船舶舱室是为船上人员提供工作和休息的空间。该空间应以船上人员为中心，应更加注重他们的身心健康和情感需求。可以通过对船员舱室的壁板、舱室房门、天花板、布风形式等进行整体声学考虑。可选用高隔声壁板、隔声门或低噪声布风器，同时使用复合岩棉板材料进行顶棚和壁面装饰有助于隔声或弱化舱室中的噪声。可以将门与壁面连接处更换为软连接或布置隔音套以满足隔音要求。另外船舶采用空调式布风器，也可以较大程度降低风噪的产生和影响。通过以上设计和建造措施可以从室内装饰降噪角度帮助船员的起居和工作空间避免噪声的影响。

4.总结

综上所述，船舶的振动和噪音控制是影响在船工作人员的身心健康、船舶安全和船舶使用寿命的重要因素。本文通过对船舶技术发展的趋势和人民群众对安全、舒适的工作环境要求出发，分析了振动和噪音产生的原因，开展了相关研究，采取针对性的技术手段进行了更适宜人员起居和工作的船舶设计与设备的布置，同时强调了安装环节的改善措施，致力于通过多种技术对船舶振动和噪音进行技术处理。这类技术对于提升我国船舶装备技术能力、帮助海员享有安全的工作场所和体面的生活环境，提升船员劳动权益保障，以及促进我国航运业的可持续发展具有重要意义。