基于“源-路徑-接受點”的精細化船舶艙室降噪設計

顧向彥 ,任奕舟,黃佳錚,孟寧

(1.中國船舶及海洋工程設計研究院,上海 200011;2.92569部隊,海南 三亞 572000)

某型船(同型共3艘)的1號船在航行試驗中發現醫務室噪聲超標,實測值為60.5 dB(A)。在2號船的改進方案中,增設以下降噪措施進行改進:①在醫務室內使用穿孔天花板進行吸聲降噪;②在A甲板隔離空艙靠機艙棚一側設置4 mm厚面密度為8 kg/m2的隔音墊進行隔聲處理。實施該方案,2號船試航發現該醫務室實測聲壓級為57.5 dB(A),仍超過規范限制要求。該型船醫務室布置A甲板,靠生活樓右舷側壁與后端壁,醫務室左側與機艙棚相鄰;醫務室下方主甲板的艙室為垃圾間與更衣室;醫務室上層對應位置為船員娛樂室,娛樂室為非噪聲源艙室,可以認為醫務室內噪聲不受娛樂室的影響。艙室布置簡見圖1。

圖1 該船甲板室3層甲板艙室位置布置示意

在設計之初,為了盡可能降低艙室噪聲超標風險,在醫務室與機艙棚之間已設置隔離空艙,對機艙棚傳入醫務室的空氣噪聲進行隔聲處理;在醫務室所在甲板上表面敷設由20 mm厚巖棉與30 mm厚甲板敷料組成的浮動地板對地板進行隔振處理。但是在1、2號船試航實驗中該艙室實測聲壓級為60.5 dB(A)與57.5 dB(A),超過規范限制要求。為提高降噪設計的合理性并保證3號船不出現超標現象,嘗試通過計算模型還原1、2號船的超標現象,分析對標后的計算模型的中間分項,對不同類型的影響因素有針對性地采取降噪措施,并由上述過程總結出一套精細化降噪設計方法。

1 計算方法與理論

采用基于“源-路徑-接受點”的系統化半經驗型計算方法[1-2]對該案例進行計算分析。該方法基于房間聲學理論,在計算分析中的中間數據對工程師全部透明開放,中間過程準確性可控,不需要借助專業的計算軟件以及三維計算模型,適合局部艙室的問題分析。大量實船預報案例以及國內外使用情況證明該方法滿足工程精度要求。對比于統計能量法,本方法需要大量相對準確的各類傳遞損失實測或經驗數據作為計算輸入參數,并且對于規模較大的復雜模型預報建模過程工作量巨大。

基于“源-路徑-接受點”的系統分析方法可以將內部無噪聲源的艙室的聲壓級進行分解,得到各影響因素及聲學分項,便于后續計算分析,因素分解見圖2。

圖2 基于系統分析方法的接受點聲壓級影響因素分解

2 計算分析

2.1 問題復現

基于1號船實測的聲源艙室數據,根據對應的布置、結構及內裝相關圖紙,對醫務室、垃圾間及機艙棚進行復算,將計算結果與在對應房間內不同位置實測數據進行對比,見表1。

表1 1號船3個相關房間聲壓級對比 dB

表1中,3個相關艙室的A計權聲壓級計算值全部落在實測值范圍內,并且輸入的噪聲源數據是基于試航實測,計算模型的輸入輸出均與實際情況匹配。因此,判斷該計算模型與1號船實際情況相吻合,可以將計算模型中的數據用于降噪方案分析。

2.2 計算模型分項拆解

2.2.1 空氣噪聲與結構噪聲

根據計算模型,影響艙室噪聲的組成從大類上分為空氣噪聲與結構噪聲兩大類。因此,首先對這兩大類噪聲分項進行拆解。

醫務室的噪聲在模型中包括以下幾個部分:船上各類機器設備傳入醫務室的結構噪聲;垃圾間及機艙棚這兩個相鄰艙室經艙壁或甲板透射傳入醫務室的空氣噪聲;醫務室內空調通風系統的風口作為艙室內部噪聲源引起的空氣噪聲。由于風口的實際聲功率在船上不具備實測條件,因此將A計權總聲功率及不超過45 dB(A)的經驗數據帶入計算模型。各部分輸入醫務室的聲功率級見表2,各倍頻程頻帶數據均經過A計權網絡處理。

表2 輸入醫務室的聲功率級LW dB

由表2可見,結構聲輻射的A計權聲功率比空氣噪聲影響因素高10 dB(A)以上,因此判斷機器設備沿船體結構傳遞到醫務室的結構噪聲占醫務室噪聲的主導。

2.2.2 各個面輻射出的結構噪聲的拆解

為進一步探究艙室邊界的各個面輻射出的結構噪聲對艙室噪聲的具體影響,對組成醫務室空間的6個結構面輻射出的噪聲進行拆解。

結構噪聲在艙室會通過各個表面輻射到艙室環境中,影響艙室整體的噪聲水平。醫務室6個圍壁面均由鋼制圍壁組成,從機器設備傳遞到每個面的結構噪聲傳遞路徑都有所不同,根據實際船體結構計算傳遞到醫務室各個圍壁及甲板面的結構噪聲在傳遞路徑上的傳遞損失。

根據醫務室各個圍壁及甲板的板架結構形式,使用“結構-空氣聲”傳遞函數[3]計算鋼板向艙室內輻射的聲功率。

TF=10·lg(S)+10·lg(σrad)-20·lg(f)-LLV+20

(1)

式中:S為艙壁表面積,m2;σrad為艙壁輻射效率;f為1/1倍頻程中心頻率,Hz;LLV為振動速度級插入損失,dB。

其中,醫務室地板(A甲板)敷設了主要由巖棉和甲板敷料組合成的浮動地板,起到了一定的減振降噪作用,需要考慮浮動地板的隔振效果及表面輻射效率對地板輻射的聲功率級的影響。將浮動地板材料廠家在聲學實驗室實測給出的振動速度級插入損失LLV和10·lg(σrad)帶入計算,見表3,評估浮動地板對醫務室地板的結構聲輻射的降噪效果。

表3 浮動地板的振動速度級插入損失LLV和10·lg(σrad)

由此得到的醫務室6個圍壁面分別向醫務室的結構聲輻射在醫務室產生的聲壓級,見表4。

表4 各個圍壁面輸入醫務室的結構聲輻射在醫務室內的產生的聲壓級LP dB

從表4中A計權數據可以較明顯看出,在醫務室地板敷設了浮動地板的情況下,地板的結構聲輻射對醫務室的影響已經不占主導,后端壁的結構聲輻射在醫務室內產生的聲壓級已經高于醫務室限值55 dB(A),左、右端壁產生的聲壓級疊加后也超過55 dB(A)限制。

根據以上計算分析,在當前設計狀態下,該型船醫務室噪聲超標的主導因素是四周鋼制圍壁產生的結構聲輻射。

2.3 降噪設計

考慮在醫務室鋼制圍壁內側敷設阻尼材料(阻尼層加約束層)。但實際工程項目中,建造方在四周圍壁及醫務室天花板共5個圍壁內表面均敷設阻尼材料,并保留2號船采用的穿孔吸聲天花板及隔音墊。為了使計算匹配工程實際情況,驗證降噪措施加載在數據模型中的合理性,使得試航數據可以與計算結果進行對照匹配,3號船預報計算按照實船狀態進行。

阻尼材料對于鋼制圍壁的降噪效果主要來自于3方面。

1)阻尼材料增大了結構噪聲傳遞路徑上的損耗因子,其影響按經驗公式[4]計算。

TL=13.6η/λ

(2)

式中:η為普通甲板或敷設阻尼層甲板的等效損耗因子,計算中根據經驗η取0.02;λ為沿甲板傳遞的結構波的波長,m。

2)在阻尼材料艙室內表面,從鋼圍壁傳遞到阻尼材料外表面存在振動速度級插入損失,采用材料廠商實測值。

3)阻尼材料表面的輻射效率與鋼圍壁結構不同,采用廠商實測的10·lg(σrad)。振動速度級插入損失LLV與10·lg(σrad)的廠商實測數據見表5。

表5 阻尼材料的振動速度級插入損失LLV和10·lg(σrad)

考慮阻尼材料作用,計算醫務室各圍壁面結構聲輻射在醫務室內的產生的聲壓級,見表6。

表6 敷設阻尼材料后醫務室各圍壁面的結構聲輻射在醫務室內的產生的聲壓級LP dB

從表6可見,醫務室地板的結構聲輻射不受阻尼材料影響,維持初始狀態;其余各圍壁板在醫務室內產生的聲壓級均降低至40 dB(A)以下,同時低于地板的結構聲輻射在醫務室內的產生的聲壓級10 dB(A),不會對醫務室整體噪聲水平產生主要影響。此時,結構聲輻射的是醫務室地板占主導因素。

結合機艙棚與垃圾間傳入醫務室的空氣噪聲以及醫務室內空調布風器產生的空氣噪聲,計算當前狀態下醫務室的A計權聲壓級見表7。

表7 3號船各分項在醫務室內產生的聲壓級以及醫務室的總聲壓級LP dB

計算過程中,考慮了由于醫務室左端壁敷設了阻尼材料,進一步提高了隔離空艙的隔聲效果,對機艙棚傳入的空氣噪聲有更高的隔聲量。

3號船試航實測數據由測試公司及建造方反饋,醫務室實測值為50.7 dB(A),與預報值相差僅1.1 dB,說明預報計算與試航實測的情況基本吻合。表明使用本方法評估降噪措施可行。

3 降噪方案精簡

由于3號船實測值為50.7 dB(A),比規范限值低4.3 dB,結合已有的各分項因素的計算分析,可判斷實際工程中采用的降噪方案相對保守,在今后的設計中可以精簡不必要的降噪措施,降低建造成本,減少空船重量并降低重心,提高降噪方案的費效比。

3.1 結構噪聲與阻尼材料

依據表4中數據,醫務室天花板的輻射聲壓級明顯低于四周圍壁,并且四周圍壁敷設阻尼后,在結構噪聲從聲源到天花板的傳遞路徑路徑上又增加了阻尼損耗,天花板的結構聲輻射的聲壓級可隨之降低。另外,天花板的阻尼材料敷設在B甲板下方,從工藝角度看屬于背面施工工藝,現場施工難度較大,且有結構加強筋的阻礙,施工難度加大。因此嘗試在計算模型中取消天花板阻尼,測試其對最終結果的影響。計算結果,取消天花板阻尼后,天花板結構聲輻射產生的聲壓級為42.0 dB(A),相比于1號船完全不使用阻尼材料的情況下天花板的輻射聲壓級48.2 dB(A)已經有6.2 dB的降低,并且從絕對值上不會影響醫務室整體噪聲水平。因此,認為可以取消醫務室天花板的阻尼材料。

3.2 穿孔吸聲內飾天花板

穿孔吸聲內飾天花板能夠在艙室內部產生吸聲效果,對艙室內降噪產生有利影響。根據廠商提供的實驗室吸聲系數測試數據,計算表明,穿孔吸聲內飾天花板對于該醫務室僅產生2.6 dB的降噪量。但是由于醫務室對于環境清潔要求的特殊性,穿孔吸聲天花板內部填充的巖棉層相對不易清潔消毒,對醫務室的實際使用的衛生清潔條件可能產生不利影響,故考慮取消穿孔吸聲天花板。

3.3 隔音墊與隔離空艙

從機艙棚傳入的空氣噪聲經隔離空艙隔聲后相比于其他分項明顯是小量,因此不需要在此處額外敷設噪聲隔音墊。并且,在醫務室左端壁敷設的阻尼材料本身就可進一步提高鋼板對空氣噪聲的隔聲量。隔離空艙的主要降噪原理與隔音墊基本類似,區別在于隔離空艙對結構噪聲的傳遞有小幅度的衰減作用,去掉隔離空艙將左端壁改為單層圍壁敷設阻尼材料,結構聲輻射相比有隔離空艙時略有提高。另外,考慮實際船舶需要滿足醫務室與機艙棚之間A60防火要求,可在機艙棚內做A60防火絕緣,同時起到防火和機艙棚內吸聲的效果。

綜合以上分析,在計算模型中取消隔音墊及隔離空艙,醫務室左端壁改為單層鋼制圍壁,內側為敷設阻尼材料,機艙棚一側使用常規吸聲絕緣材料。經計算,左端壁結構聲輻射在醫務室產生的聲壓級為38.6 dB(A),空氣噪聲仍為一個小量,對醫務室整體的聲壓級仍不產生主要影響。因此,可以取消該處隔離空艙及隔音墊。

基于聲學計算精簡降噪措施后,該船醫務室的聲壓級預報值為52.3 dB(A),能滿足55 dB(A)的規范限制要求,且有2.7 dB的設計余量。

4 結論

區別于以往降噪設計主要依據預報計算中艙室聲壓級最終結果給出經驗性降噪措施,提出一種根據聲學分項貢獻量指導降噪措施設計的精細化降噪設計方法。本方法基于各聲學分項因素的計算結果,清晰地找到引起整體艙室噪聲超標的主要矛盾,進行針對性精準降噪設計。在保證達到規范要求的前提下,精細化降噪設計方法通過“對癥下藥”的方式選取最合適的降噪措施,給出成本更低,施工工藝更簡單,重量更輕的精細化降噪設計方案。

對于“源-路徑-接受點”方法中涉及的各聲學分項貢獻的研究,在今后還需跟進實驗,如各圍壁面板的全頻段振動測試、圍壁結構的結構聲輻射衰減測試等,以便更明確地驗證聲學分項貢獻研究的可靠性與準確性。