沈奕成，夏利娟*，謝晨曦

(上海交通大學(xué) a.海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室; b.高新船舶與深海開(kāi)發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240)

0 引 言

隨著近年來(lái)中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，中國(guó)旅游業(yè)的發(fā)展正在邁入新階段，其中郵船業(yè)的需求日漸旺盛。國(guó)際郵船協(xié)會(huì)(CLIA)《2019年國(guó)際郵船旅游業(yè)對(duì)全球經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)報(bào)告》[1]顯示，2019年中國(guó)郵船旅客數(shù)量達(dá)192萬(wàn)人，位居世界第四。

豪華郵船與常規(guī)船舶的設(shè)計(jì)存在較大差異，在舒適性方面更加關(guān)注振動(dòng)噪聲控制[2]。郵船噪聲會(huì)對(duì)船員和乘客的工作和居住環(huán)境產(chǎn)生較大影響，甚至危害身心健康，因此世界各大船級(jí)社針對(duì)郵船不同區(qū)域的噪聲限值均頒布較為嚴(yán)格的規(guī)范。豪華郵船的噪聲源種類繁多，除主機(jī)和風(fēng)機(jī)等噪聲源外，還有大量服務(wù)處所與機(jī)器處所例如冷庫(kù)、廚房、洗衣房和垃圾處理間的機(jī)器設(shè)備噪聲源，以及大量隨機(jī)噪聲等。服務(wù)處所通常與居住區(qū)域接近，其振動(dòng)噪聲會(huì)傳遞至附近艙室，容易對(duì)船員及乘客產(chǎn)生較大影響。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于豪華郵船噪聲源的研究還處于起步階段，尚未有文獻(xiàn)針對(duì)豪華郵船服務(wù)處所噪聲源進(jìn)行測(cè)量分析，同時(shí)也鮮有研究將服務(wù)處所噪聲源作為對(duì)豪華郵船艙室噪聲預(yù)報(bào)的輸入。因此，開(kāi)展針對(duì)豪華郵船服務(wù)處所噪聲源的研究及其艙室噪聲的分析與控制十分必要。

以豪華郵船洗衣房主要噪聲源為例，提出一種對(duì)豪華郵船服務(wù)處所穩(wěn)態(tài)噪聲源進(jìn)行聲功率測(cè)量與艙室噪聲分析的方法，建立豪華郵船服務(wù)處所穩(wěn)態(tài)噪聲源對(duì)艙室噪聲水平影響的評(píng)估流程。

1 聲強(qiáng)測(cè)量法基本原理

噪聲測(cè)量可為噪聲控制分析與控制措施的評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)支撐，其中噪聲源測(cè)量是噪聲測(cè)量的重要一環(huán)，噪聲測(cè)量包括噪聲強(qiáng)度及其特性測(cè)量[3]。噪聲強(qiáng)度一般是指噪聲源的聲壓級(jí)及聲功率級(jí)，噪聲源特性一般是指該噪聲源發(fā)出噪聲的時(shí)間分布與空間分布，用于對(duì)設(shè)備噪聲源的識(shí)別與定位。使用聲壓級(jí)描述噪聲源強(qiáng)度是不全面的，聲壓級(jí)測(cè)量結(jié)果只能描述測(cè)點(diǎn)位置與當(dāng)前所處聲學(xué)環(huán)境下的聲波輻射特性，但聲功率是聲源在單位時(shí)間內(nèi)向外輻射的聲能，為獨(dú)立于環(huán)境的客觀量，因此在評(píng)價(jià)噪聲輻射水平時(shí)需要測(cè)量噪聲源的聲功率。

聲功率的測(cè)量方法主要包括聲壓法、聲強(qiáng)法和振速法。聲壓法測(cè)量聲功率的條件較為苛刻，需要在混響室或消聲室中進(jìn)行測(cè)量，對(duì)儀器設(shè)備的外形尺寸與安裝條件有限制，需要布置較多傳聲器。然而豪華郵船的大型設(shè)備難以進(jìn)入混響室或消聲室測(cè)量，成本較高且安裝條件及尺寸不允許。振速法一般用于背景噪聲過(guò)大或設(shè)備尺寸較大的情況。聲強(qiáng)法則對(duì)于測(cè)試環(huán)境的要求相對(duì)較低，可在周圍環(huán)境較復(fù)雜及有非測(cè)定聲源的情況下使用，因此在豪華郵船噪聲源聲功率的測(cè)定中選擇使用聲強(qiáng)法。

掃描聲強(qiáng)法[4]使用1個(gè)聲強(qiáng)探頭沿1條或以上的規(guī)定路線連續(xù)移動(dòng)，對(duì)垂直于測(cè)量面的聲強(qiáng)進(jìn)行采樣，在計(jì)算各個(gè)面元局部聲功率后得到噪聲源整體聲功率級(jí)。

聲強(qiáng)為通過(guò)垂直于聲傳播方向的單位面積上的平均聲能量流[5]，在聲場(chǎng)中某點(diǎn)的瞬時(shí)聲強(qiáng)為矢量，等于該點(diǎn)瞬時(shí)聲壓與瞬時(shí)速度的積，在穩(wěn)態(tài)聲場(chǎng)中瞬時(shí)聲強(qiáng)在一定時(shí)間內(nèi)的平均值即為聲強(qiáng)I，計(jì)算公式如下：

(1)

式中：T為采樣時(shí)間；I(t)為瞬時(shí)聲強(qiáng)；t為時(shí)間；p(t)為瞬時(shí)聲壓；u(t)為瞬時(shí)質(zhì)點(diǎn)速度。

聲強(qiáng)計(jì)測(cè)量原理一般分為將傳聲器與檢測(cè)質(zhì)點(diǎn)速度的傳感器結(jié)合的p-u法和同時(shí)使用2個(gè)傳聲器的p-p法，其中p-p法較為常用。p-p法原理如圖1所示，其中：2個(gè)傳聲器相對(duì)布置；Δd為間距；p1和p2為傳聲器1和傳聲器2所測(cè)得的聲壓。

圖1 p-p法原理示例

當(dāng)聲波沿傳聲器軸向傳播時(shí)，聲壓p1和p2之間存在聲壓梯度[6]：

(2)

(3)

式(2)和式(3)中：p為聲壓；x為距離；ρ0為介質(zhì)密度；u為質(zhì)點(diǎn)振速。

當(dāng)2個(gè)傳聲器間距Δd遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)λ時(shí)，?p(t)/?x可近似改寫為p1(t)-p2(t)/Δd，同時(shí)2個(gè)傳聲器中點(diǎn)的聲壓可認(rèn)為是p1(t)與p2(t)的平均值，因此p-p法測(cè)得聲強(qiáng)為

(4)

聲強(qiáng)法測(cè)算聲功率需要假定一個(gè)包絡(luò)待測(cè)噪聲源的測(cè)量面，在此測(cè)量面內(nèi)除待測(cè)噪聲源外，無(wú)其余聲源，通常使用半球面或六面體面作為待測(cè)噪聲源的測(cè)量面[7]。因此，由聲強(qiáng)法測(cè)算得到的聲功率W[8]表示為

W=?SIn(x,y)ds

(5)

式中：S為測(cè)量面；In(x,y)為坐標(biāo)點(diǎn)(x,y)處法向聲強(qiáng)；s為二次積分中微分部分。

(6)

式中：In(x,y,z)為坐標(biāo)點(diǎn)(x,y)處瞬時(shí)聲強(qiáng)，即為聲強(qiáng)探頭實(shí)測(cè)值。

2 聲強(qiáng)法測(cè)試

2.1 測(cè)試環(huán)境、儀器與待測(cè)設(shè)備

測(cè)試位于噪聲源設(shè)備生產(chǎn)測(cè)試車間。聲強(qiáng)探頭為丹麥GRAS公司50GI型聲強(qiáng)探頭；數(shù)據(jù)采集器由NI 公司的9231型C系列聲振輸入模塊與9171型緊湊型數(shù)據(jù)采集器機(jī)箱組成；信號(hào)采集和儲(chǔ)存分析使用SignalPad測(cè)控軟件。

相關(guān)文獻(xiàn)與設(shè)備廠家實(shí)地調(diào)研結(jié)果表明，洗衣房主要振動(dòng)噪聲源為洗脫機(jī)與烘干機(jī)，因此主要將某型全自動(dòng)工業(yè)洗脫機(jī)與某型工業(yè)烘干機(jī)作為測(cè)量研究對(duì)象，額定容量均為50 kg。

2.2 掃描相關(guān)參數(shù)

常見(jiàn)的家用/工業(yè)洗滌設(shè)備多為形狀規(guī)則的六面體設(shè)備，且由于進(jìn)出水管道布置要求，一般安裝于貼近磚石結(jié)構(gòu)墻的位置，其背面靠近墻體反射面可不予測(cè)量，因此選擇將設(shè)備正、左、右、上共4面作為測(cè)量面。以工業(yè)洗脫機(jī)為例，測(cè)量面劃分如圖2所示，并將洗脫機(jī)的每個(gè)測(cè)量面劃分為2×2的網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格掃描時(shí)間為20 s；測(cè)量頻帶為1/3倍頻程50～6 300 Hz；聲強(qiáng)探頭掃描路徑為Z字形，該路徑在收斂速度上優(yōu)于ISO 9614-2推薦的方形及直線加圓弧的掃描路徑[8]，掃描路徑如圖3所示。

圖2 待測(cè)設(shè)備測(cè)量面示例

圖3 掃描路徑示例

2.3 測(cè)試結(jié)果與聲功率計(jì)算

在掃描后得到設(shè)備各測(cè)量面的聲強(qiáng)級(jí)，后續(xù)計(jì)算轉(zhuǎn)換為噪聲源整體聲功率。工業(yè)洗脫機(jī)典型工況主要分為水洗過(guò)程與高速脫水過(guò)程，2個(gè)過(guò)程中的聲功率級(jí)頻譜圖如圖4所示。工業(yè)烘干機(jī)輻射聲功率級(jí)頻譜圖如圖5所示。噪聲源總體輻射聲功率級(jí)結(jié)果如表1所示。

表1 噪聲源總體輻射聲功率級(jí)計(jì)算結(jié)果 dB(A)

由圖4可知：洗脫機(jī)高速脫水過(guò)程中的空氣輻射噪聲顯著高于水洗過(guò)程，這與常識(shí)及主觀感受一致；水洗過(guò)程中的噪聲峰值位于400～800 Hz的中頻帶；高速脫水過(guò)程中的噪聲峰值位于2 000～3 150 Hz的中高頻帶。由圖5可知：烘干機(jī)噪聲峰值位于中心頻率為800 Hz的頻帶，噪聲主要成分為中高頻噪聲。

圖4 工業(yè)洗脫機(jī)聲功率級(jí)頻譜圖

圖5 工業(yè)烘干機(jī)聲功率級(jí)頻譜圖

國(guó)內(nèi)與工業(yè)洗滌設(shè)備相關(guān)的規(guī)范并未設(shè)定噪聲限值，但根據(jù)GB 19606—2004《家用和類似用途電器噪聲限值》[9]，家用洗衣機(jī)的脫水噪聲聲功率級(jí)限值為72 dB(A)，顯然相較于家用洗衣機(jī)，工業(yè)洗脫機(jī)在高速脫水過(guò)程中的噪聲較大，同時(shí)豪華郵船洗衣房日處理量較大，主洗衣房通常集中設(shè)置多臺(tái)工業(yè)設(shè)備，噪聲較大。洗衣房通常安排在居住區(qū)域附近，其噪聲傳遞至附近艙室，會(huì)影響船員與乘客的工作和居住體驗(yàn)，因此有必要研究豪華郵船主洗衣房噪聲源對(duì)艙室噪聲的影響。

3 艙室噪聲預(yù)報(bào)計(jì)算

3.1 統(tǒng)計(jì)能量分析原理

統(tǒng)計(jì)能量分析(Statistical Energy Analysis，SEA)主要應(yīng)用于航空航天、船舶和車輛等交通運(yùn)輸工具的復(fù)雜系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)。SEA使用統(tǒng)計(jì)模態(tài)概念，將振動(dòng)能量作為描述振動(dòng)的基本參數(shù)，根據(jù)振動(dòng)波與模態(tài)間的內(nèi)在聯(lián)系，建立分析聲場(chǎng)和結(jié)構(gòu)的耦合動(dòng)力學(xué)方程，適用于分析含有高頻和高模態(tài)密度的復(fù)雜系統(tǒng)。

統(tǒng)計(jì)是指研究對(duì)象是由隨機(jī)變量組成的統(tǒng)計(jì)總體，其結(jié)果并非為模型某一部位的精確動(dòng)力響應(yīng)，而是統(tǒng)計(jì)意義上某一子系統(tǒng)空間的平均動(dòng)力學(xué)響應(yīng)[10]；能量是指研究對(duì)象子系統(tǒng)間的耦合作用使用能量方程描述，通過(guò)聯(lián)立求解所有子系統(tǒng)的能量方程組，得到各系統(tǒng)的頻域能量響應(yīng)結(jié)果，再轉(zhuǎn)換為聲壓級(jí)與振動(dòng)加速度的預(yù)報(bào)值。

SEA法主要參數(shù)如下：

(1)外界輸入功率

外界輸入功率為振動(dòng)噪聲源對(duì)子系統(tǒng)的激勵(lì)輸入，主要包括各類機(jī)械設(shè)備形成的振動(dòng)噪聲等，通常使用1/3倍頻程進(jìn)行外界輸入功率的試驗(yàn)測(cè)量或理論計(jì)算。

(2)模態(tài)密度

模態(tài)密度用于描述系統(tǒng)存儲(chǔ)能量能力大小，為子系統(tǒng)在帶寬范圍內(nèi)Δf的模態(tài)數(shù)N：在N≤1時(shí)，定義為低頻區(qū)；在1

(3)內(nèi)損耗因子

內(nèi)損耗因子描述子系統(tǒng)阻尼損耗特性，為子系統(tǒng)在單位頻率內(nèi)單位時(shí)間損耗的能量與平均儲(chǔ)存能量之比。

(4)耦合損耗因子

耦合損耗因子為功耗從子系統(tǒng)i至子系統(tǒng)j的一種測(cè)量，表示2個(gè)子系統(tǒng)間的耦合作用大小，類比于熱力學(xué)中的熱傳導(dǎo)系數(shù)，分為結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)間、聲場(chǎng)與聲場(chǎng)間和結(jié)構(gòu)與聲場(chǎng)間的耦合。

對(duì)于N個(gè)子系統(tǒng)組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其能量平衡方程可寫成如下形式[11]：

(7)

式中：ω為分析頻率；ηi為內(nèi)損耗因子；ni為模態(tài)密度；ηij為耦合損耗因子；Ei為子系統(tǒng)能量；Pi為外界輸入能量；i為子系統(tǒng)編號(hào)，i=1，2，3，…，N。SEA在定義上述參數(shù)后，可根據(jù)能量平衡方程求出各子系統(tǒng)能量，進(jìn)一步求出各項(xiàng)聲學(xué)參數(shù)。

3.2 艙室預(yù)報(bào)模型

使用聲振分析軟件VA One進(jìn)行豪華郵船艙室噪聲預(yù)報(bào)。研究對(duì)象為大型豪華郵船AIDA ASIA號(hào)，該船主要參數(shù)如表2所示。

表2 豪華郵船主要參數(shù)

為反映洗衣房噪聲的傳播過(guò)程，同時(shí)提高計(jì)算效率，在試算后將艙室模型范圍確定為沿型深方向從雙層底至DECK 3，沿船長(zhǎng)方向從FR224橫艙壁至FR280橫艙壁，沿型寬方向?yàn)樽笙贤獍逯劣蚁贤獍?，模型如圖6所示，其中：主洗衣房艙室范圍為DECK B至DECK A、FR248至FR264、左舷至右舷。使用有限元分析軟件Patran建立艙室有限元模型，在建模時(shí)將部分小尺度艙室與附近結(jié)構(gòu)合并，進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化，而后導(dǎo)入VA One劃分子系統(tǒng)，建立統(tǒng)計(jì)能量模型。艙室噪聲預(yù)報(bào)模型共計(jì)292個(gè)加筋板子系統(tǒng)、43個(gè)聲腔子系統(tǒng)，使用半無(wú)限長(zhǎng)流體模擬舷外水質(zhì)量對(duì)船體的影響，與濕表面子系統(tǒng)相連。根據(jù)SEA方法原理，子系統(tǒng)在單一頻帶下需要滿足模態(tài)數(shù)N≥5的要求，因此在計(jì)算模態(tài)數(shù)后，將計(jì)算頻帶劃分為1/3倍頻程下125～8 000 Hz。

圖6 艙室噪聲預(yù)報(bào)模型

根據(jù)該型豪華郵船艙室布置，主洗衣房?jī)?nèi)部設(shè)置4臺(tái)工業(yè)洗脫機(jī)與4臺(tái)工業(yè)烘干機(jī)，考慮噪聲最大的情況，以所有設(shè)備開(kāi)啟、工業(yè)洗脫機(jī)均處于高速脫水狀態(tài)作為計(jì)算工況，將第2節(jié)的噪聲源1/3倍頻程下聲功率級(jí)加載于主洗衣房聲腔子系統(tǒng)。

3.3 艙室噪聲預(yù)報(bào)結(jié)果

艙室噪聲預(yù)報(bào)結(jié)果如圖7所示。由于水中的參考聲壓與空氣中的參考聲壓不同，且噪聲預(yù)報(bào)不關(guān)注液艙噪聲水平，因此在云圖中隱藏液艙聲腔子系統(tǒng)。由于在模型中其余與主洗衣房較遠(yuǎn)的艙室噪聲水平較低，因此僅列出主洗衣房及相鄰艙室聲壓級(jí)，如表3所示。

圖7 艙室噪聲預(yù)報(bào)結(jié)果

表3 主洗衣房及其相鄰艙室聲壓級(jí) dB(A)

由表3可知：在主洗衣房單一艙室噪聲源的影響下，主洗衣房及其周圍艙室聲壓值均未超過(guò)中國(guó)船級(jí)社(CCS)《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》[12]噪聲限值。但主洗衣房自身艙室及其相連走廊噪聲較大，主洗衣房聲壓級(jí)達(dá)62.97 dB(A)，船員長(zhǎng)時(shí)間在內(nèi)工作對(duì)身體會(huì)有一定程度損傷，同時(shí)與噪聲上限值接近，因此同樣需要對(duì)艙室噪聲進(jìn)行控制。

3.4 內(nèi)裝材料對(duì)艙室噪聲影響

豪華郵船需要在船體結(jié)構(gòu)上敷設(shè)內(nèi)裝材料，一般分為結(jié)構(gòu)材料與絕緣材料，可在一定程度上改善船體結(jié)構(gòu)的吸聲能力，影響艙室噪聲的聲壓級(jí)水平。豪華郵船內(nèi)裝材料敷設(shè)如圖8所示。VA One中的內(nèi)裝材料模擬通過(guò)Noise Control Treatment實(shí)現(xiàn)。結(jié)合AIDA ASIA號(hào)的實(shí)際情況，確定艙室內(nèi)裝材料如表4所示，其中：Layer 1～Layer 5多層材料從鋼結(jié)構(gòu)側(cè)至艙室聲腔流體側(cè)按順序布置，Layer 1為絕緣材料，Layer 3～Layer 5為內(nèi)裝艙壁或天花板結(jié)構(gòu)各層材料。浮動(dòng)地板敷設(shè)于各層甲板上方，防火艙壁與防火天花板敷設(shè)于具有防火分隔要求的艙室內(nèi)，除液艙等部分艙室外，其余艙室布置隔聲艙壁與隔聲天花板。添加內(nèi)裝材料的艙室噪聲預(yù)報(bào)結(jié)果如圖9和表5所示。由表5可知：豪華郵船內(nèi)裝材料對(duì)噪聲的吸收與阻隔效果明顯，與表3未添加內(nèi)裝材料的艙室噪聲相比，主洗衣房聲壓級(jí)降低6.15 dB(A)，上層船員艙室聲壓級(jí)降低均達(dá)12 dB(A)以上。

圖8 豪華郵船內(nèi)裝材料敷設(shè)示例

表4 艙室內(nèi)裝材料

圖9 添加內(nèi)裝材料后艙室噪聲預(yù)報(bào)結(jié)果

表5 添加內(nèi)裝材料的主洗衣房及其相鄰艙室聲壓級(jí) dB(A)

分析噪聲傳播機(jī)理，船舶艙室噪聲控制較有效的方法是從噪聲源及其所處位置入手[13]。如圖10所示：在無(wú)內(nèi)裝情況下，主洗衣房艙室噪聲主要位于800～5 000 Hz頻帶內(nèi)，但在添加內(nèi)裝材料后，個(gè)別頻帶吸聲最高可達(dá)15 dB(A)，吸聲效果明顯，主洗衣房中高頻噪聲得到有效改善。

圖10 主洗衣房聲壓級(jí)頻譜圖

4 結(jié) 論

以豪華郵船主洗衣房主要振動(dòng)噪聲源為例，使用掃描聲強(qiáng)法確定工業(yè)洗脫機(jī)與烘干機(jī)聲功率，建立SEA模型，對(duì)局部艙室噪聲進(jìn)行預(yù)報(bào)分析，并研究郵船內(nèi)裝材料對(duì)艙室噪聲的控制作用，結(jié)論如下：

(1)使用掃描聲強(qiáng)法確定豪華郵船服務(wù)處所噪聲源聲功率，快速有效，可在不受場(chǎng)地限制的情況下對(duì)穩(wěn)態(tài)噪聲源進(jìn)行測(cè)量分析。測(cè)量結(jié)果表明，豪華郵船主洗衣房噪聲源輻射噪聲較大，尤其是洗脫機(jī)在高速脫水過(guò)程中，船員長(zhǎng)期工作身心健康易受影響。

(2)艙室噪聲預(yù)報(bào)結(jié)果顯示，主洗衣房聲壓級(jí)為62.97 dB(A)，已接近上限值，同時(shí)其周圍艙室噪聲較大，尤其是同層甲板的相鄰艙室；典型的豪華郵船內(nèi)裝材料對(duì)主洗衣房設(shè)備產(chǎn)生的噪聲控制效果較為明顯，不僅相鄰艙室噪聲水平下降較大，而且主洗衣房艙室內(nèi)部較高的中高頻噪聲可得到有效吸收。

(3)完整闡述對(duì)豪華郵船服務(wù)處所穩(wěn)態(tài)噪聲源進(jìn)行測(cè)量分析的流程，可為其余服務(wù)處所穩(wěn)態(tài)噪聲源的研究提供參考。