基于“源-路径-接受点”的精细化船舶舱室降噪设计

顾向彦 ,任奕舟,黄佳铮,孟宁

(1.中国船舶及海洋工程设计研究院,上海 200011;2.92569部队,海南 三亚 572000)

某型船(同型共3艘)的1号船在航行试验中发现医务室噪声超标,实测值为60.5 dB(A)。在2号船的改进方案中,增设以下降噪措施进行改进:①在医务室内使用穿孔天花板进行吸声降噪;②在A甲板隔离空舱靠机舱棚一侧设置4 mm厚面密度为8 kg/m2的隔音垫进行隔声处理。实施该方案,2号船试航发现该医务室实测声压级为57.5 dB(A),仍超过规范限制要求。该型船医务室布置A甲板,靠生活楼右舷侧壁与后端壁,医务室左侧与机舱棚相邻;医务室下方主甲板的舱室为垃圾间与更衣室;医务室上层对应位置为船员娱乐室,娱乐室为非噪声源舱室,可以认为医务室内噪声不受娱乐室的影响。舱室布置简见图1。

图1 该船甲板室3层甲板舱室位置布置示意

在设计之初,为了尽可能降低舱室噪声超标风险,在医务室与机舱棚之间已设置隔离空舱,对机舱棚传入医务室的空气噪声进行隔声处理;在医务室所在甲板上表面敷设由20 mm厚岩棉与30 mm厚甲板敷料组成的浮动地板对地板进行隔振处理。但是在1、2号船试航实验中该舱室实测声压级为60.5 dB(A)与57.5 dB(A),超过规范限制要求。为提高降噪设计的合理性并保证3号船不出现超标现象,尝试通过计算模型还原1、2号船的超标现象,分析对标后的计算模型的中间分项,对不同类型的影响因素有针对性地采取降噪措施,并由上述过程总结出一套精细化降噪设计方法。

1 计算方法与理论

采用基于“源-路径-接受点”的系统化半经验型计算方法[1-2]对该案例进行计算分析。该方法基于房间声学理论,在计算分析中的中间数据对工程师全部透明开放,中间过程准确性可控,不需要借助专业的计算软件以及三维计算模型,适合局部舱室的问题分析。大量实船预报案例以及国内外使用情况证明该方法满足工程精度要求。对比于统计能量法,本方法需要大量相对准确的各类传递损失实测或经验数据作为计算输入参数,并且对于规模较大的复杂模型预报建模过程工作量巨大。

基于“源-路径-接受点”的系统分析方法可以将内部无噪声源的舱室的声压级进行分解,得到各影响因素及声学分项,便于后续计算分析,因素分解见图2。

图2 基于系统分析方法的接受点声压级影响因素分解

2 计算分析

2.1 问题复现

基于1号船实测的声源舱室数据,根据对应的布置、结构及内装相关图纸,对医务室、垃圾间及机舱棚进行复算,将计算结果与在对应房间内不同位置实测数据进行对比,见表1。

表1 1号船3个相关房间声压级对比 dB

表1中,3个相关舱室的A计权声压级计算值全部落在实测值范围内,并且输入的噪声源数据是基于试航实测,计算模型的输入输出均与实际情况匹配。因此,判断该计算模型与1号船实际情况相吻合,可以将计算模型中的数据用于降噪方案分析。

2.2 计算模型分项拆解

2.2.1 空气噪声与结构噪声

根据计算模型,影响舱室噪声的组成从大类上分为空气噪声与结构噪声两大类。因此,首先对这两大类噪声分项进行拆解。

医务室的噪声在模型中包括以下几个部分:船上各类机器设备传入医务室的结构噪声;垃圾间及机舱棚这两个相邻舱室经舱壁或甲板透射传入医务室的空气噪声;医务室内空调通风系统的风口作为舱室内部噪声源引起的空气噪声。由于风口的实际声功率在船上不具备实测条件,因此将A计权总声功率及不超过45 dB(A)的经验数据带入计算模型。各部分输入医务室的声功率级见表2,各倍频程频带数据均经过A计权网络处理。

表2 输入医务室的声功率级LW dB

由表2可见,结构声辐射的A计权声功率比空气噪声影响因素高10 dB(A)以上,因此判断机器设备沿船体结构传递到医务室的结构噪声占医务室噪声的主导。

2.2.2 各个面辐射出的结构噪声的拆解

为进一步探究舱室边界的各个面辐射出的结构噪声对舱室噪声的具体影响,对组成医务室空间的6个结构面辐射出的噪声进行拆解。

结构噪声在舱室会通过各个表面辐射到舱室环境中,影响舱室整体的噪声水平。医务室6个围壁面均由钢制围壁组成,从机器设备传递到每个面的结构噪声传递路径都有所不同,根据实际船体结构计算传递到医务室各个围壁及甲板面的结构噪声在传递路径上的传递损失。

根据医务室各个围壁及甲板的板架结构形式,使用“结构-空气声”传递函数[3]计算钢板向舱室内辐射的声功率。

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

(1)

式中:S为舱壁表面积,m2;σrad为舱壁辐射效率;f为1/1倍频程中心频率,Hz;LLV为振动速度级插入损失,dB。

其中,医务室地板(A甲板)敷设了主要由岩棉和甲板敷料组合成的浮动地板,起到了一定的减振降噪作用,需要考虑浮动地板的隔振效果及表面辐射效率对地板辐射的声功率级的影响。将浮动地板材料厂家在声学实验室实测给出的振动速度级插入损失LLV和10·lg(σrad)带入计算,见表3,评估浮动地板对医务室地板的结构声辐射的降噪效果。

表3 浮动地板的振动速度级插入损失LLV和10·lg(σrad)

由此得到的医务室6个围壁面分别向医务室的结构声辐射在医务室产生的声压级,见表4。

表4 各个围壁面输入医务室的结构声辐射在医务室内的产生的声压级LP dB

从表4中A计权数据可以较明显看出,在医务室地板敷设了浮动地板的情况下,地板的结构声辐射对医务室的影响已经不占主导,后端壁的结构声辐射在医务室内产生的声压级已经高于医务室限值55 dB(A),左、右端壁产生的声压级叠加后也超过55 dB(A)限制。

根据以上计算分析,在当前设计状态下,该型船医务室噪声超标的主导因素是四周钢制围壁产生的结构声辐射。

2.3 降噪设计

考虑在医务室钢制围壁内侧敷设阻尼材料(阻尼层加约束层)。但实际工程项目中,建造方在四周围壁及医务室天花板共5个围壁内表面均敷设阻尼材料,并保留2号船采用的穿孔吸声天花板及隔音垫。为了使计算匹配工程实际情况,验证降噪措施加载在数据模型中的合理性,使得试航数据可以与计算结果进行对照匹配,3号船预报计算按照实船状态进行。

阻尼材料对于钢制围壁的降噪效果主要来自于3方面。

1)阻尼材料增大了结构噪声传递路径上的损耗因子,其影响按经验公式[4]计算。

TL=13.6η/λ

(2)

式中:η为普通甲板或敷设阻尼层甲板的等效损耗因子,计算中根据经验η取0.02;λ为沿甲板传递的结构波的波长,m。

2)在阻尼材料舱室内表面,从钢围壁传递到阻尼材料外表面存在振动速度级插入损失,采用材料厂商实测值。

3)阻尼材料表面的辐射效率与钢围壁结构不同,采用厂商实测的10·lg(σrad)。振动速度级插入损失LLV与10·lg(σrad)的厂商实测数据见表5。

表5 阻尼材料的振动速度级插入损失LLV和10·lg(σrad)

考虑阻尼材料作用,计算医务室各围壁面结构声辐射在医务室内的产生的声压级,见表6。

表6 敷设阻尼材料后医务室各围壁面的结构声辐射在医务室内的产生的声压级LP dB

从表6可见,医务室地板的结构声辐射不受阻尼材料影响,维持初始状态;其余各围壁板在医务室内产生的声压级均降低至40 dB(A)以下,同时低于地板的结构声辐射在医务室内的产生的声压级10 dB(A),不会对医务室整体噪声水平产生主要影响。此时,结构声辐射的是医务室地板占主导因素。

结合机舱棚与垃圾间传入医务室的空气噪声以及医务室内空调布风器产生的空气噪声,计算当前状态下医务室的A计权声压级见表7。

表7 3号船各分项在医务室内产生的声压级以及医务室的总声压级LP dB

计算过程中,考虑了由于医务室左端壁敷设了阻尼材料,进一步提高了隔离空舱的隔声效果,对机舱棚传入的空气噪声有更高的隔声量。

3号船试航实测数据由测试公司及建造方反馈,医务室实测值为50.7 dB(A),与预报值相差仅1.1 dB,说明预报计算与试航实测的情况基本吻合。表明使用本方法评估降噪措施可行。

3 降噪方案精简

由于3号船实测值为50.7 dB(A),比规范限值低4.3 dB,结合已有的各分项因素的计算分析,可判断实际工程中采用的降噪方案相对保守,在今后的设计中可以精简不必要的降噪措施,降低建造成本,减少空船重量并降低重心,提高降噪方案的费效比。

3.1 结构噪声与阻尼材料

依据表4中数据,医务室天花板的辐射声压级明显低于四周围壁,并且四周围壁敷设阻尼后,在结构噪声从声源到天花板的传递路径路径上又增加了阻尼损耗,天花板的结构声辐射的声压级可随之降低。另外,天花板的阻尼材料敷设在B甲板下方,从工艺角度看属于背面施工工艺,现场施工难度较大,且有结构加强筋的阻碍,施工难度加大。因此尝试在计算模型中取消天花板阻尼,测试其对最终结果的影响。计算结果,取消天花板阻尼后,天花板结构声辐射产生的声压级为42.0 dB(A),相比于1号船完全不使用阻尼材料的情况下天花板的辐射声压级48.2 dB(A)已经有6.2 dB的降低,并且从绝对值上不会影响医务室整体噪声水平。因此,认为可以取消医务室天花板的阻尼材料。

3.2 穿孔吸声内饰天花板

穿孔吸声内饰天花板能够在舱室内部产生吸声效果,对舱室内降噪产生有利影响。根据厂商提供的实验室吸声系数测试数据,计算表明,穿孔吸声内饰天花板对于该医务室仅产生2.6 dB的降噪量。但是由于医务室对于环境清洁要求的特殊性,穿孔吸声天花板内部填充的岩棉层相对不易清洁消毒,对医务室的实际使用的卫生清洁条件可能产生不利影响,故考虑取消穿孔吸声天花板。

3.3 隔音垫与隔离空舱

从机舱棚传入的空气噪声经隔离空舱隔声后相比于其他分项明显是小量,因此不需要在此处额外敷设噪声隔音垫。并且,在医务室左端壁敷设的阻尼材料本身就可进一步提高钢板对空气噪声的隔声量。隔离空舱的主要降噪原理与隔音垫基本类似,区别在于隔离空舱对结构噪声的传递有小幅度的衰减作用,去掉隔离空舱将左端壁改为单层围壁敷设阻尼材料,结构声辐射相比有隔离空舱时略有提高。另外,考虑实际船舶需要满足医务室与机舱棚之间A60防火要求,可在机舱棚内做A60防火绝缘,同时起到防火和机舱棚内吸声的效果。

综合以上分析,在计算模型中取消隔音垫及隔离空舱,医务室左端壁改为单层钢制围壁,内侧为敷设阻尼材料,机舱棚一侧使用常规吸声绝缘材料。经计算,左端壁结构声辐射在医务室产生的声压级为38.6 dB(A),空气噪声仍为一个小量,对医务室整体的声压级仍不产生主要影响。因此,可以取消该处隔离空舱及隔音垫。

基于声学计算精简降噪措施后,该船医务室的声压级预报值为52.3 dB(A),能满足55 dB(A)的规范限制要求,且有2.7 dB的设计余量。

4 结论

区别于以往降噪设计主要依据预报计算中舱室声压级最终结果给出经验性降噪措施,提出一种根据声学分项贡献量指导降噪措施设计的精细化降噪设计方法。本方法基于各声学分项因素的计算结果,清晰地找到引起整体舱室噪声超标的主要矛盾,进行针对性精准降噪设计。在保证达到规范要求的前提下,精细化降噪设计方法通过“对症下药”的方式选取最合适的降噪措施,给出成本更低,施工工艺更简单,重量更轻的精细化降噪设计方案。

对于“源-路径-接受点”方法中涉及的各声学分项贡献的研究,在今后还需跟进实验,如各围壁面板的全频段振动测试、围壁结构的结构声辐射衰减测试等,以便更明确地验证声学分项贡献研究的可靠性与准确性。