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减振降噪技术在高速船舶上的应用

作者:未知

  摘    要:目前高速船的应用越来越广泛,高速船的舒适性在业界越来越关注,减振降噪技术应用空间也越来越大。本文基于高速船的特点,对减振降噪技术的分类、发展应用现状作了简单介绍,同时归纳了典型的应用案例。
  关键词:减振降噪;隔音;高速船
  中图分类号:U667.7                                  文献标识码:A
  Abstract:  At present, the application of high-speed vessel is more and more extensive. The comfort of high-speed vessel is concerned in shipbuilding industry. Based on the characteristics of high-speed vessel, this paper briefly introduces the classification, development and application status of vibration and noise reduction technology, and summarizes typical application cases.
  Key words: Vibration and Noise Reduction; Sound proofing; High-Speed Vessel;
  1   引言
  随着人民生活水平的逐步提高,高速船的应用越来越广泛,特别是近年来珠三角地区全铝合金高速客船的广泛应用,极大地提高了水运市场的效率与活力。根据船舶设计理论可知,高速船追求轻量化设计,其结构一般不会有太多的富余,加上高速船本身配备的高转速大功率主机,振动和噪声问题自然就容易暴露[1]。在高速船应用的早期,人们还没有特别在意船的结构振动和噪声问题,但随着生活质量的提高,这些问题逐步引起乘客、船员和客运企业的重视,特别是对高速客船的乘坐环境提出了更为严格的要求。因此,如何在高速船上均衡第应用减振降噪技术正成为造船公司关注的热点。
  2   高速船减振降噪技术
  高速船的噪声源一般分为三类:机械噪声、推进器噪声、水(气)动力噪声。
  (1)机械噪声:主要有主机、辅机、风机、泵、空调机组及其相关部件运行时产生的噪声;
  (2)推进器噪声:主要是喷水推进器流道内的高速水流声和螺旋桨空泡噪声、谐鸣声;
  (3)水动力噪声:主要是高速水流不规则起伏时,作用于船体所产生的拍击振动噪声[2];
  (4)气动力噪声:航速30 kn及以上的高速船,由于其上层建筑的结构外形原因,高速前行时会自然产生类似尖叫的风鸣音。
  减振降噪技术的核心:首先是识别振动源和噪声源;然后是研究其产生原因以及特性;再从船舶舱室的总体布置、结构设计着手,分别针对源头、传播途径和终端采取相应的控制措施。
  声音来源于振动,要消除噪音在于消除振动。但振动往往无法达到完全消除的效果,故隔音降噪工程一般是从减少振动开始,结合隔音、吸音技术,通过三方面综合作用来实现。
  2.1  阻尼材料
  阻尼材料能有效控制结构振动和噪声,其原理是利用材料本身的粘弹特性,将振动引起的机械能转化为热能,逐渐散失在空气中,达到减振降噪的目的。
  阻尼材料在机器处所和舱室均可使用,通过刮涂、喷涂的施工方法,将材料敷设在船体结构表面,改变结构的固有频率、减少结构的吻合和共振效应,达到较好的减振降噪效果。
  船用阻尼材料主要有片状型材、阻尼钢板和涂料三种类型[3]:
  (1)片状型材:目前已经很少使用,原因是其对底材的处理工艺较为复杂,若遇上形式复杂的结构和曲度较大的部位,往往难以施工。
  (2)阻尼钢板:是近年来的主要使用类型。阻尼钢板为复合型材料,由一层粘弹性材料和一定厚度的间断小片钢板(或铝板)敷在船体板内表面,形成金属-阻尼-金属结构,阻尼效果好。额外敷设的钢板(或铝板)厚度,需要通过模拟计算或使用经验来选定。其缺点是需要额外增加钢板(或铝板),导致减振方案的整体重量较大,影响高速船航速性能,使用前要考虑整船的航速性能储备。
  (3)阻尼涂料:是近来年使用较多的一种新型阻尼材料,其材料本身制造工艺简单,现场施工作业方便, 减振降噪性能优秀。该材料只需在基体的表面上喷涂、滚刷或抹涂,干燥后即可形成抗紫外线、防水、不易开裂及可燃性极低的固化层,能有效地吸收和消散振动能量,从而达到减振的目的。阻尼涂料无需金属板配合使用,整体方案重量轻,非常适合高速船。
  2.2  隔振技术
  隔振技術,是指在振源与其他设备或结构设施之间安装带有一定弹性的装置或组合材料,使得两者之间的连接由刚性转变为弹性,从而阻隔或减少振动传递,达到减振降噪的目的。对于高速船而言,振动源主要有主机、发电机组、空调压缩机组、进排气风机和管系等。
  2.3  隔音技术
  隔音是指采取一定的措施,把噪音隔绝在其传播途中。当声波遇到匀质障碍物(如装饰板、橡胶板、结构板等)时,由于材料阻抗特性发生变化,一部分被障碍物吸收,大部分声音被障碍物反射回去,最终只有一小部分声音能透过障碍物辐射到另一空间去。隔音技术在高速船降噪方案当中发挥着相当重要的作用。   2.4  吸音技术
  具有吸音功能的材料能够吸收和消耗声音能量。吸音材料内部结构一般是众多均匀或不均匀的孔隙,声波进入材料后在孔隙之间来回反射,使相当一部分声音能量转化为热能并散失在空气中[1]。吸音材料在日常生活中较为常见,由于高速船需要考虑整船重量控制,往往把吸音材料结合防火隔热材料一起考虑。
  2.5  优化上建外形结构
  对于空气引起的气动力噪声,解决办法是优化上层建筑结构造型,使风流不易形成气穴,让高速气流均匀后移,从而避免产生空气风鸣。
  3   减振降噪产品发展现状
  (1)阻尼涂料
  当前最主流的阻尼涂料是水基型阻尼涂料,它是由快干型水基弹性阻尼复合物和粘合剂组成,能有效地吸收和消散振动能量,并减少基板的吻合效应和共振效应。
  水基型阻尼涂料的最大特点是轻量、无毒,室内室外均可适用,并具有卓越的防火特性,符合国际防火标准;阻尼涂料施工简单,只需在基体的表面上喷涂、滚刷或抹涂。干燥后,可形成抗紫外线、防水、不易开裂及可燃性极低的固化层。
  水基型阻尼涂料的密度约为1.6 g/cm3。判断该材料声学性能的主要参数为复合损耗因子,损耗因子主要的影响因素是温度和频率。
  (2)吸音棉及吸音无纺布
  高速船在考虑吸音棉的时候,往往与防火结构材料结合使用。目前常用的吸音棉主要有岩棉、陶瓷棉、复合型矿物棉,容重一般是24~150 kg/m3,实际应用时可根据防火等级和吸音棉的隔音性能综合考虑。一般来说,容重24 kg/m3、厚度100 mm的吸音棉,吸声系数(NRC)可达0.95、隔声等级(STC)可达48 dB。
  (3)隔音垫
  隔音垫是一种重量较大、但性能较好的隔音材料,能有效减少噪声的传播,可用于船舶机械舱室和船员舱室降噪。市场上的隔音垫密度一般在2~10 kg/m2,这种重而薄的材料能很好地吸收和隔离通过墙壁、天花板、地板的噪声,达到非常理想的隔音效果。但对于储备浮力不多的高速船型,需要谨慎核算空船重量后再决定是否采用。
  (4)减振消音连接件
  减振消音连接件种类很多,常见的有弹性机脚、排烟管软接头、波纹管等。对于高速船而言,此类产品应该尽量采用,能起到事半功倍的效果。比如:排烟管穿舱时采用波纹管,并使用弹性吊架,不仅能显著降低振动传递,还能延长设备使用寿命;小型船舶还可以将上建建筑与主船体实施弹性连接。
  风道噪音往往容易被忽略,尤其是通往机械处所的通风道。比如:机舱噪音以及机舱抽风机噪音非常容易通过风道传递到舱外,最终导致与风道结构相邻舱室噪音值升高。此时,安装方便、结构简单的风管消音器就能发挥出关键工作。根据测试,正确使用风管消音器,噪音值能降低7~28 dB左右。
  (5)浮动/阻尼地板
  无论是浮动地板还是阻尼地板,其最终目的及作用是通过隔开振动来减少传递至甲板面的噪音。
  浮动地板主要通过岩棉、橡胶垫等材料均布在甲板敷料与甲板结构之间,形成缓冲或中空层,以隔离或降低振动能量的传递,从而实现减振效果。
  阻尼地板材料质轻、粘弹性好,常用于甲板主层或附层结构的减震,且可粘合不同的地板材料,施工方便,特别适用于调平不平整的表面。将阻尼地板材料安装在两个刚性甲板面之间,能起到很好的减振效果,减少甲板与下方结构的振动噪音、脚步声以及撞击声传播。阻尼地板对于空传噪声和室内活动声音的隔声等级(STC)可达48 dB。
  4   减振降噪在高速船上的應用案例
  2017年,我司承接的“新时代”号高速豪华交通船,由于船东对噪音提出了比一般高速客船更高的要求,我们针对性地做了一套综合减振降噪方案,最终实测达到了较好的效果。
  (1)船舶基本情况
  总长40.8  m、总宽8.7 m、沿海航区、全铝合金结构、喷水推进、设计航速28 kn、主机满负荷时的转速2450 r/mis。各舱室划分布置见图2。
  (2)噪音要求
  (3)减振降噪方案
  由于本船对乘客处所的噪音要求均在70分贝以下,加之机舱与主甲板客舱存在将近4 m的交叉区域,机械处所的振动与噪音极容易传递到主甲板直至上甲板,故需要采取综合性的减振降噪方案,如表2所列。
  (4)实测结果
  根据实船航行试验,经采取各项措施后噪音测量结果良好,各项指标均满足设计要求,如表3所列。
  5   结语
  高速船减振降噪是一项综合性工程,涉及船舶各个专业。当前可采用的措施各式各样,需要在重量和降噪效果上加以权衡。随着新材料的研发和减振降噪技术以及配套产品的快速发展,高速船的舒适性也将得到进一步的提高。
  参考文献
  [1] 邱斌. 高速船全频段舱室噪声预报与控制方法的研究 [D]. 武汉理工大学,2010.
  [2] 郦茜. 高速船噪声预报与控制的方法研究 [D]. 武汉理工大学,2010.
  [3] 张平. 船舶减振降噪措施简析 [J]. 江苏船舶,2010.
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