船舶機(jī)艙噪聲控制

來源：《艦船科學(xué)技術(shù)》2003.5.船舶機(jī)艙噪聲控制摘要：隨著船舶朝大型、高速方向發(fā)展，其機(jī)艙內(nèi)推進(jìn)主機(jī)和柴油發(fā)電機(jī)組的噪聲問題越來越嚴(yán)重。本文對(duì)機(jī)艙內(nèi)噪聲的綜合治理方法，如對(duì)推進(jìn)主機(jī)進(jìn)行隔振、安裝進(jìn)排氣消聲器；對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組安裝進(jìn)排氣消聲器、使用隔聲罩；在機(jī)艙內(nèi)粘貼吸聲材料以降低混響噪聲等作了介紹。通過綜合治理，可使機(jī)艙內(nèi)噪聲降低40dB以上，甲板上噪聲降低26dB以上，取得了很好的控制效果。關(guān)鍵詞：噪聲控制；推進(jìn)主機(jī)；柴油發(fā)電機(jī)組；機(jī)艙0引言隨著船舶朝大型化、高速化、復(fù)雜化方向發(fā)展，它所配備的推進(jìn)主機(jī)以及發(fā)電機(jī)組也朝著高轉(zhuǎn)速、高強(qiáng)度、大功率方向發(fā)展。因此，其振動(dòng)和噪聲問題越來越嚴(yán)重，人們對(duì)其振動(dòng)和噪聲控制也更為關(guān)心和重視。由于船舶的推進(jìn)動(dòng)力以及發(fā)電機(jī)組都布置在狹小的機(jī)艙內(nèi)，機(jī)艙內(nèi)的兩大噪聲源：推進(jìn)主機(jī)（通常為柴油機(jī)）噪聲和發(fā)電機(jī)組（通常為柴油發(fā)電機(jī)組）噪聲，使機(jī)艙內(nèi)的工作環(huán)境十分惡劣，再加上船員在機(jī)艙內(nèi)的工作時(shí)間較長，因此，這種強(qiáng)噪聲不僅嚴(yán)重影響船員的工作效率，損害了他們的身心健康，還嚴(yán)重污染周圍環(huán)境，影響旅客的正常工作和休息，所以有必要對(duì)機(jī)艙內(nèi)的噪聲進(jìn)行控制。機(jī)艙內(nèi)的噪聲是由推進(jìn)主機(jī)噪聲和柴油發(fā)電機(jī)組的噪聲混合而成，其中，推進(jìn)主機(jī)的主要噪聲源有：空氣動(dòng)力性噪聲和機(jī)械噪聲141?？諝鈩?dòng)力性噪聲主要包括進(jìn)、排氣噪聲、風(fēng)扇噪聲和燃燒噪聲。這部分噪聲直接向發(fā)動(dòng)機(jī)周圍的空氣中輻射。排氣噪聲是指氣缸內(nèi)高溫高壓廢氣隨排氣田間斷開閉周期性地噴射到排氣管內(nèi)而產(chǎn)生高速脈動(dòng)氣流，對(duì)于非增壓柴油機(jī)，它是柴油機(jī)的最大噪聲源，其中又以廢氣通過氣閥時(shí)產(chǎn)生的渦流噪聲最強(qiáng)，其頻譜特性是以低頻為主的寬頻帶噪聲；而對(duì)于帶增壓器的高增壓柴油機(jī)，增壓器吸氣時(shí)產(chǎn)生的氣流脈動(dòng)基頻噪聲及其各次諧波噪聲與進(jìn)氣管口空氣的強(qiáng)烈渦流噪聲疊加，從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的高頻進(jìn)氣噪聲，其噪聲聲壓級(jí)甚至比排氣噪聲還大。風(fēng)扇噪聲是由旋轉(zhuǎn)的葉片周期性地打擊空氣質(zhì)點(diǎn)，引起空氣的壓力脈動(dòng)產(chǎn)生噪聲。燃燒噪聲是指，由于氣缸內(nèi)燃燒所形成的壓力振動(dòng)通過缸蓋、活塞連桿、曲軸、機(jī)體向外輻射的噪聲，這種噪聲主要集中于柴油機(jī)燃燒的急燃期和緩燃期。機(jī)械噪聲是指，由于空氣壓力及機(jī)件的慣性作用，使相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件之間產(chǎn)生撞擊和振動(dòng)而激發(fā)的噪聲，它主要包括活塞的撞擊噪聲、齒輪機(jī)構(gòu)噪聲、配氣機(jī)材噪聲、高壓油泵噪聲、軸承噪聲、不平衡慣性力引起的機(jī)體振動(dòng)和噪聲等。而柴油發(fā)電機(jī)組的噪聲主要由柴油機(jī)噪聲和發(fā)電機(jī)噪聲混合而成，其中，柴油機(jī)的噪聲源與推進(jìn)主機(jī)的噪聲源基本相同，特點(diǎn)也類似；發(fā)電機(jī)的噪聲源主要是機(jī)械噪聲和電磁噪聲，這些噪聲是由發(fā)電機(jī)的電磁力、軸承、轉(zhuǎn)子的機(jī)械不平衡性，電刷和換向器之間的摩擦、電刷和滑環(huán)之間的摩擦等所產(chǎn)生。另外冷卻空氣在電機(jī)內(nèi)部還會(huì)形成湍流噪聲。1機(jī)艙噪聲的測(cè)量及其特點(diǎn)現(xiàn)以某船為例，其推進(jìn)主機(jī)為2臺(tái)6L20/27柴油機(jī)，額定功率為600kw，額定轉(zhuǎn)速為1000r/min；其柴油發(fā)電機(jī)組（3臺(tái)，其中1臺(tái)備用）中柴油機(jī)為化TBD234V6,額定功率為186kW，額定轉(zhuǎn)速為1500r/min；發(fā)電機(jī)為1FC6286—4SA4S，額定功率為150kW。首先，對(duì)推進(jìn)主機(jī)的噪聲進(jìn)行測(cè)量，可得額定轉(zhuǎn)速下倍頻程各中心頻率處的噪聲聲壓級(jí)A）,如圖1所示。其次，對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的噪聲進(jìn)行測(cè)量，所得額定轉(zhuǎn)速下倍頻程各中心頻率處的噪聲級(jí)如圖2所示。由圖1可知，柴油機(jī)的排氣噪聲高達(dá)109.8dB,且呈明顯的低頻特性，聲能量集中在31.5-5MHZ的頻率范圍內(nèi)，其中主要頻率為31.5Hz和63Hz（理論上主要頻率為f=50Hz），而進(jìn)氣噪聲高達(dá)112.9dB,且呈明顯的高頻特性，聲能量主要集中在1?16kHz范圍內(nèi)；由圖2可知，柴油發(fā)電機(jī)組的排氣噪聲為103.7dB,其主要頻率為63Hz和125Hz（理論上主要頻率為f=Hz）；而進(jìn)氣噪聲為99dB，其主要頻率為500Hz?16kHz。總的說來，推進(jìn)主機(jī)的噪聲遠(yuǎn)大于柴油發(fā)電機(jī)組的噪聲，因此，它是整個(gè)船舶最大的噪聲源。另外，推進(jìn)主機(jī)強(qiáng)烈的機(jī)械振動(dòng)可通過機(jī)艙底部傳播到整個(gè)船舶，從而產(chǎn)生嚴(yán)重的低頻輻射噪聲；同時(shí)柴油發(fā)電機(jī)組的進(jìn)排氣噪聲以及機(jī)械噪聲也不能忽視。由于機(jī)艙內(nèi)低頻、中頻和高頻噪聲都有，特別是推進(jìn)主機(jī)和柴油發(fā)電機(jī)組同時(shí)工作時(shí)還存在強(qiáng)烈的混響噪聲，再加上機(jī)艙空間狹小，因此噪聲治理難度很大。針對(duì)這種情況，我們重點(diǎn)對(duì)幾個(gè)主要噪聲源進(jìn)行控制：推進(jìn)主機(jī)的進(jìn)排氣噪聲、燃燒噪聲和機(jī)械噪聲；柴油發(fā)電機(jī)組的進(jìn)排氣噪聲和電磁噪聲等。因此只能采用綜合治理的方法：對(duì)推進(jìn)主機(jī)進(jìn)行隔振，安裝進(jìn)料卜氣消聲器；對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組安裝進(jìn)排氣消聲器，使用隔聲罩；在機(jī)艙內(nèi)部粘貼吸聲材料以降低混響噪聲。1）隔振由于推進(jìn)主機(jī)是安裝在機(jī)艙的底部，其基礎(chǔ)缺乏減振、隔振措施，故推進(jìn)主機(jī)運(yùn)行時(shí)，其振動(dòng)通過基礎(chǔ)傳聲，導(dǎo)致低頻噪聲的產(chǎn)生，盡管其聲壓級(jí)并不太高，但聲波傳播速度快而衰減較慢，且具有較強(qiáng)的穿透能力，因此危害較大。由于隔離振動(dòng)源是消除振動(dòng)和噪聲最常用、最有效的措施，故我們?cè)诎惭b推進(jìn)主機(jī)時(shí)，把推進(jìn)主機(jī)的底盤用彈性減振器與機(jī)艙底部相連，并且放置一個(gè)既有一定剛度又有一定阻尼的減振器，這樣可以大大減少機(jī)組的機(jī)械振動(dòng)所產(chǎn)生的低頻噪聲，同時(shí)可以大大緩解低頻振動(dòng)所引起的結(jié)構(gòu)疲勞和破壞。（2）安裝進(jìn)、排氣消聲器由于進(jìn)排氣噪聲是推進(jìn)主機(jī)的兩個(gè)最大的噪聲輻射源，因此，抑制進(jìn)排氣噪聲最簡單且最有效的方法就是在進(jìn)氣管和排氣管上分別安裝進(jìn)氣消聲器和排氣消聲器。由于進(jìn)氣噪聲里寬頻帶，高頻段比較突出，故選擇的消聲裝置應(yīng)以降低高頻噪聲為主，同時(shí)兼顧中低頻噪聲的控制，因此，我們選用多級(jí)復(fù)合式消聲裝置，即在金屬穿孔板內(nèi)填纖維性吸聲材料的片式阻抗消聲結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)置幾個(gè)空腔作為膨脹室，用來消除中低頻噪聲，實(shí)際選用的是5LFS型片式消聲器，它可減低進(jìn)氣噪聲達(dá)36dB以上。由于排氣噪聲聲壓級(jí)高，排氣速度高，因此，所選用的消聲器既要大大降低排氣速度，但又不能使排氣壓力降低過大，即要把握以下原則；第一，盡量降低排氣通道中各部件的氣流速度，因?yàn)橥七M(jìn)主機(jī)的排氣速度在70m／s左右，這樣高的速度會(huì)使消聲器內(nèi)壓力損失急劇增加，產(chǎn)生的再生噪聲也會(huì)使消聲器失效；第二，盡量減小排氣通道中直角彎頭的次數(shù)，并擴(kuò)大排氣管截面。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，有效降低摩擦壓力損失和局部壓力損失的關(guān)鍵是增加排氣通道截面，使其中的氣流速度減小，雖然減少直角彎頭的次數(shù)也可降低壓力損失，但效果不如減小流速好。根據(jù)需要我們選擇了T701—6型阻抗復(fù)合式消聲器（在抗性消聲器后再接阻性消聲器），外型尺寸為18mmX1400mX900mlm,經(jīng)測(cè)量排氣噪聲（排氣管出口0.5m處）可減少33dB以上。3柴油發(fā)電機(jī)組的噪聲控制（1） 安裝進(jìn)、排氣消聲器選擇內(nèi)襯玻璃棉的管式阻性消聲器作為進(jìn)氣消聲器，可以降低進(jìn)氣噪聲18dB；而選擇膨脹系數(shù)為砌m=16的雙節(jié)內(nèi)接式的擴(kuò)張式（抗性）消聲器，可降低排氣噪聲22dB以上。（2） 使用隔聲罩為了降低柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)所傳播的噪聲，可以使用隔聲罩或在機(jī)組表面粘貼約束阻尼。在機(jī)艙通風(fēng)條件允許的情況下，可以用隔聲罩把整個(gè)機(jī)組（除進(jìn)排氣管以及其它散熱部件）隔離開來；若通風(fēng)條件不是很好，可以在局部進(jìn)行粘貼，并且盡可能多貼，特別是要在薄壁結(jié)構(gòu)處貼，因?yàn)樵诒”诮Y(jié)構(gòu)處貼的降噪效果要遠(yuǎn)好于厚壁結(jié)構(gòu)。我們所設(shè)計(jì)的隔聲罩，內(nèi)附泡沫鋁（因?yàn)榕菽X的吸聲頻帶寬，吸聲效果好），外用硬塑料包裝，其吸聲系數(shù)與中心頻率的關(guān)系如表1所示。由表1可知，吸聲系數(shù)的平均值為0.4047。由吸聲理論計(jì)算可知用進(jìn)種吸聲材料比不采用任何吸聲措施可以降低13.1dB,而經(jīng)實(shí)際測(cè)量可知，使用隔聲罩以后，距離柴油機(jī)中點(diǎn)lm處的噪聲降低了12dB。但是在用隔聲罩或粘貼約束阻尼時(shí)應(yīng)注意：機(jī)組的進(jìn)氣問題要合理解決，要確保進(jìn)氣量充足；不要造成回流，以保證機(jī)組功率不受影響。表15363125O25500聲數(shù)吸M800000112006001-聲數(shù)吸系4機(jī)艙內(nèi)混響聲的控制由于機(jī)艙內(nèi)混響聲十分嚴(yán)重，特別是多臺(tái)機(jī)組（包括推進(jìn)主機(jī)和柴油發(fā)電機(jī)組）同時(shí)工作時(shí)尤其如此，因此有必要在機(jī)艙內(nèi)粘貼吸聲材料。我們采用鋁合金微穿孔板材料，因?yàn)槲⒋┛装逦暯Y(jié)構(gòu)具有可觀的吸聲系數(shù)和吸聲頻率范圍，并且具有清潔、無污染、不受環(huán)境限制（可以在高溫、高濕以及有氣流沖擊和腐蝕等條件下使用）等優(yōu)點(diǎn)。通過對(duì)機(jī)艙多處粘貼吸聲材料，可以使混響聲大大降低。經(jīng)測(cè)量，安裝了吸聲材料以后，機(jī)艙內(nèi)的噪聲也可以降低18dB以上。但是粘貼吸聲材料也為機(jī)組散熱以及進(jìn)排氣等帶來一定的不便之處。由于對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組使用了隔聲罩或粘貼了約束阻尼，在機(jī)艙內(nèi)粘貼了吸聲材料，因此必須解決好機(jī)艙散熱、降低機(jī)艙溫度等問題，我們采取的措施是自然遇風(fēng)輔以強(qiáng)制通風(fēng)。機(jī)組散熱除了由發(fā)電機(jī)自身的風(fēng)機(jī)直接向外排風(fēng)外，另行使用導(dǎo)風(fēng)罩，加大排氣窗，在機(jī)艙壁面上開設(shè)進(jìn)、出風(fēng)口。進(jìn)風(fēng)采用4臺(tái)6A低噪聲軸流風(fēng)扇；出風(fēng)日位置分別對(duì)著推進(jìn)主機(jī)和柴油發(fā)電機(jī)組上的風(fēng)扇，并安裝導(dǎo)風(fēng)箱，將推進(jìn)主機(jī)和柴油發(fā)電機(jī)組的散熱導(dǎo)出室外，同時(shí)在出風(fēng)口外安裝排風(fēng)消聲道，消聲道兩側(cè)為消聲百葉窗，使氣流通暢，這時(shí)機(jī)艙內(nèi)的熱量可以加軸流風(fēng)扇強(qiáng)制通風(fēng)解決，這樣可以大大降低機(jī)艙內(nèi)的溫度。經(jīng)過采取一系列的降噪措施及其它輔助措施后，機(jī)艙內(nèi)的噪聲大大降低，而其溫度只比控制前升高10°C左右，推進(jìn)主機(jī)和柴油發(fā)電機(jī)組的功率損失都在3%以下，總的說來