客滾船振動噪聲風險管控分析

殷星杰，趙 勇，李寶功，趙彤暉

（招商局郵輪研究院（上海）有限公司，上海200137）

0 引 言

隨著航空、鐵路運輸業(yè)的不斷發(fā)展，以及人們生活節(jié)奏的不斷加快和生活質(zhì)量的不斷提高，消費者對客滾船的航速和舒適性提出了更高的要求，在高速運營環(huán)境下使客滾船具有更高的舒適度變得非常重要。振動和噪聲是影響客滾船舒適性的重要因素，因此船舶減振降噪得到了越來越多的關(guān)注。船舶的振動與噪聲源主要有主機、主推進器（如螺旋槳）、風機和空調(diào)等，其中：主機和主推進器是貨船噪聲的主要來源；風機和空調(diào)是客船（特別是乘客居住區(qū)）噪聲的主要來源。由于客船的振動噪聲分析和測量具有工作量大、涉及面廣、要求高和風險大等特點，若只是在后期被動減振降噪，不僅會耗費大量資源，而且減振降噪效果不明顯，甚至可能因振動噪聲無法滿足要求而需對船體結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，進而導致無法按期交船。本文以某客滾船的振動噪聲管控過程為例，系統(tǒng)闡述該類型船振動噪聲控制的流程和要點。

1 某客滾船振動噪聲要求

1.1 舒適度入級符號要求

挪威船級社（Net Norske Veritas，DNV）的COMF附加標志包括噪聲與振動要求（COMF V crn）和室內(nèi)氣候要求（COMF C crn）。根據(jù)舒適度評級數(shù)字（Comfort Rating Number，CRN），COMF（V crn，C crn）標準分為3 檔，其中：1 為最高要求；3 為可接受要求。本文所述客滾船滿足COMF V2 入級要求。由規(guī)范可知，本文所述客滾船的乘客區(qū)域應(yīng)滿足COMF V2 的要求，但船員區(qū)域只需滿足COMF V3 的要求。通過與ISO 6954：2000 和IMO MSC337（91）的要求相對比可知，COMF V2 的要求已完全覆蓋ISO 6954：2000 和MSC.337（91）關(guān)于振動和噪聲的要求。值得注意的是，在一定范圍內(nèi)DNV 規(guī)范是允許部分振動噪聲測量值超標的，見表1。

表1 COMF V2 最大允許超標情況

1.2 設(shè)備振動入級符號要求

船舶發(fā)生振動不僅可能損害船上必要機械和設(shè)備的正常功能，而且可能使船上的重要結(jié)構(gòu)部件產(chǎn)生疲勞損壞，VIBR附加標志要求包括已測量并評估機械、設(shè)備和部件的振動，以及機械、設(shè)備和部件附近相關(guān)結(jié)構(gòu)的振動，降低過度振動導致船上機械、設(shè)備和部件及結(jié)構(gòu)發(fā)生故障的風險，從而降低船舶運行中斷的風險。本文所述客滾船是國內(nèi)第一艘取得VIBR船級附加標志的客滾船。根據(jù)DNV規(guī)范中VIBR 的振動標準表，VIBR包含主機、發(fā)電機、軸系、齒輪箱、泵、風機、壓縮機、鍋爐和管子等大部分船用設(shè)備。

1.3 規(guī)格書額外要求

由于掛靠的碼頭靠近居民區(qū)，該系列客滾船對外部噪聲有嚴格的要求。同時，考慮到為船上的船員提供更人性化的工作條件，規(guī)格書對振動噪聲提出了更高的要求，具體如下：

1）裝卸貨時車輛甲板的噪聲不能超過80 dB（A）。

2）距離船舶60 m處的噪聲不能超過60 dB（A）（不包括背景噪聲）。該要求適用于正常港口條件下，必要的輔機和風機都正常運行的狀態(tài)，適用于距離船舶60 m處的任何位置。

3）集控室的噪聲不超過70 dB（A）（COMF V2 要求不超過75 dB（A））；機修間的噪聲不超過80 dB（A）（COMF V2 要求不超過75 dB（A））。

4）考慮到駛離碼頭時客滾船處于低轉(zhuǎn)速狀態(tài)，額外增加有害振動測試，通過測量主機在不同轉(zhuǎn)速下的振動，避開艉部結(jié)構(gòu)共振頻率，避免有害振動產(chǎn)生。

2 振動噪聲風險管控流程

客滾船的振動噪聲風險管控從基本設(shè)計開始，貫穿設(shè)計、建造和驗證全過程，是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，根據(jù)設(shè)計階段的劃分情況可分為3 個階段5 類內(nèi)容，流程見圖1。

圖1 振動噪聲風險管控流程

2.1 設(shè)計初期階段

在設(shè)計初期，由于輸入資料不足，對振動噪聲的預(yù)報難以做到十分準確，而此時布置結(jié)構(gòu)尚有很大的調(diào)整空間，該階段的振動噪聲風險管控的成本最低，但對經(jīng)驗和專業(yè)性的要求最高。設(shè)計初期階段振動噪聲風險管控的主要內(nèi)容如下。

1）布置核查。對初版布置圖進行核查，對比規(guī)范要求、規(guī)格書要求和掛旗國要求，找出振動噪聲高風險區(qū)域進行評估和修改。

2）振源評估。根據(jù)振動噪聲要求，對比同類型船相關(guān)設(shè)備的參數(shù)，對初期協(xié)議設(shè)備參數(shù)進行核查，并通過與設(shè)備廠商協(xié)同合作，進一步優(yōu)化設(shè)備參數(shù)。

2.2 設(shè)計中期階段

在設(shè)計中期階段，在輸入資料已基本確認的情況下，通過對振動噪聲進行定量仿真分析，根據(jù)仿真計算結(jié)果進行更加合理、更具有數(shù)據(jù)支撐作用的結(jié)構(gòu)修改和優(yōu)化。該階段也是整個振動噪聲風險管控中最重要的階段，設(shè)計前期根據(jù)經(jīng)驗做出的結(jié)構(gòu)修改和布置優(yōu)化都會在仿真分析中得到驗證，設(shè)計后期做出的修改也要進行方案跟蹤和驗證反饋。

該階段振動噪聲風險管控的主要內(nèi)容是仿真分析，包括有限元分析（Finite Element Analysis，F(xiàn)EA）、統(tǒng)計能量分析（Statistical Energy Analysis，SEA）和計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）分析。圖2 為仿真分析流程。

圖2 仿真分析流程

2.3 設(shè)計后期和建造階段

在設(shè)計后期階段，整個船體結(jié)構(gòu)和設(shè)備已固化，此時對結(jié)構(gòu)和設(shè)備進行更改的成本最高，甚至可能導致交船延期等嚴重后果。同時，該階段可對振動噪聲進行直接測量，能直接獲得實際數(shù)據(jù)。該階段振動噪聲風險管控的主要內(nèi)容如下。

1）方案追蹤。對于涉及多個專業(yè)的振動噪聲問題，不僅涉及大量的設(shè)備布置，而且涉及結(jié)構(gòu)強度的多專業(yè)協(xié)同設(shè)計問題，從設(shè)計初期就要跟蹤整個設(shè)計方案，隨著設(shè)計的不斷深入，協(xié)調(diào)解決設(shè)計方案存在的問題。對布置核查、振源評估和仿真分析中產(chǎn)生的與修改方案相關(guān)的圖紙進行專業(yè)分類，對所有與振動噪聲相關(guān)的圖紙進行各專業(yè)跟蹤，并實時更新圖紙信息，保證所有專業(yè)能協(xié)同工作，并達到減振降噪的效果。

2）實船驗證。按測試條件對有關(guān)振動噪聲的所有測試項目進行分類，根據(jù)現(xiàn)場情況進行測量安排，并按實際測量結(jié)果進行修改。本文所述客滾船的全部測量項目、測量地點、測量工況和預(yù)估時間見表2。

表2 本文所述客滾船的全部測量項目、測量地點、測量工況和預(yù)估時間

3 振動噪聲風險管控要點

3.1 布置核查的要點

3.1.1 艙室布置調(diào)整

盡早確認總布置圖，并根據(jù)規(guī)范和規(guī)格書的要求對高風險艙室和區(qū)域進行調(diào)整：

1）將集控室和機修間等噪聲標準高的艙室布置到遠離主機的位置，或用其他艙室分隔起來，對靠近主機的艙壁做襯板或隔斷形成空氣間隙；2）對于本身屬于噪聲源的艙室，比如空調(diào)機間，盡可能地將其布置在遠離要求較高的居住艙室的位置；3）居住區(qū)標準最高的豪華套間盡量避免布置在艉部和風道附近。

3.1.2 支柱結(jié)構(gòu)調(diào)整

來自機艙和乘客區(qū)的結(jié)構(gòu)性噪聲可能通過客艙區(qū)域的支柱傳播。增加支柱一方面能改變甲板固有頻率避免共振，另一方面能直接與甲板連接并傳遞結(jié)構(gòu)噪聲。雖然設(shè)計前期無法通過全船振動響應(yīng)分析評估增加支柱的影響，但根據(jù)船級社經(jīng)驗，用短艙壁結(jié)構(gòu)代替支柱能減少結(jié)構(gòu)性噪聲的傳播，提高舒適度。事實上，支柱的設(shè)計應(yīng)在船舶的結(jié)構(gòu)設(shè)計、艙室布置和重量控制上找到合適的平衡點。

3.1.3 艙室單元

為解決房間現(xiàn)場安裝質(zhì)量問題、效率問題和振動噪聲問題，采用房間單元的設(shè)計制造方案。房間單元在工廠車間制作，施工空間和照明充足，可100%還原噪聲測試的工藝條件，施工質(zhì)量遠超過散裝房間。房間單元的天花板與甲板無任何連接，能從源頭上避免甲板振動帶來的結(jié)構(gòu)噪聲。

3.2 振源評估的要點

3.2.1 推進器設(shè)計優(yōu)化

為確保船舶的振動和噪聲水平可接受，控制螺旋槳的激勵是很重要的。必須與推進器廠商緊密合作，從廠商良好的設(shè)計出發(fā)，對系統(tǒng)的參數(shù)進行優(yōu)化，在達到敞水效率目標函數(shù)的情況下優(yōu)化螺旋槳的激振力，實現(xiàn)對空泡現(xiàn)象的控制。

3.2.2 主機選型和軸系減振

在對船用主機進行選型時，不僅要滿足性能參數(shù)的要求，而且應(yīng)考慮振動問題。對主機的不平衡力矩進行評估，根據(jù)評估結(jié)果考慮是否需要頂部支撐。若需要頂部支撐，則根據(jù)減振效果和經(jīng)濟性考慮采用何種方式的頂部支撐。

相比于普通貨船，客滾船的艉軸更長，需配置懸臂梁支撐，此種情況下的回轉(zhuǎn)振動對艉部居住處所的舒適性影響較大，嚴重時會引起船體震顫、軸承磨損和螺旋槳錐部大端折損等。正確的軸系計算非常重要，設(shè)計時要考慮軸承間距和基座剛度對計算結(jié)果的影響，特別是基座剛度，有些軸承廠商使用無限剛度計算會導致計算結(jié)果出現(xiàn)偏差。

3.2.3 機器彈性支座

在訂購機器設(shè)備時，應(yīng)將VIBR的振動標準告知制造廠商，以保證具有良好的振動基礎(chǔ)。為減少機械傳到船舶結(jié)構(gòu)上的振動，可將機械安裝在盡可能軟的彈性支架上。重型和高噪聲機械（如柴油發(fā)電機）應(yīng)安裝在彈性支座的雙級上。機械+彈性支座系統(tǒng)的自然頻率要小于機械運行頻率的2 倍。

3.3 仿真分析的要點

3.3.1 參數(shù)假定

輸入資料的難點基本上集中在設(shè)備輸入資料方面，因為前期受設(shè)備訂貨周期的影響，加上對設(shè)備參數(shù)進行調(diào)整優(yōu)化需要相當長的時間，前期通過主要參數(shù)假定進行仿真計算是切實可行的提高效率的方法。如客滾船螺旋槳的脈動壓力可取2.5 kPa；主機不平衡力根據(jù)主機選型，采用經(jīng)驗載荷計算；風機轉(zhuǎn)速可按通風量預(yù)估。

3.3.2 模型簡化

雖然合理地簡化模型能節(jié)約大量工作時間，但考慮到上層建筑的模態(tài)計算中甲板與甲板之間的耦合效應(yīng)會影響計算結(jié)果的準確性，在進行上層建筑局部模態(tài)分析時盡可能地采用比強度分析范圍更大的模型，對分析位置的建模范圍應(yīng)至少向上和向下分別延伸2 層甲板。

3.4 方案追蹤要點

3.4.1 煙囪布置

煙囪出口是主機傳播噪聲的主要出口，也是船體結(jié)構(gòu)的重要組成部分，不僅涉及輪機專業(yè)的主機排氣管、脫硫脫氮設(shè)備和消音器，而且涉及總體煙囪布置、煙囪結(jié)構(gòu)強度問題和振動噪聲問題。煙囪的布置空間關(guān)系到消音器的布置，影響煙囪高度，會對COMF V2 振動噪聲和外部噪聲產(chǎn)生很大的影響。

3.4.2 軸系布置

軸系布置涉及螺旋槳、主機、軸基座和結(jié)構(gòu)支架等一系列設(shè)備的設(shè)計，以及空泡試驗、臺架試驗、軸系對中問題和回轉(zhuǎn)振動問題，不僅影響總體布置和結(jié)構(gòu)強度，而且對COMF V2 振動噪聲、有害振動和VIBR有很大影響。

3.4.3 豪華間布置

豪華間作為乘客區(qū)對振動噪聲要求最高的艙室，本身存在很大風險，其中總體布置、內(nèi)裝設(shè)計、結(jié)構(gòu)加強和空調(diào)通風設(shè)計都會對COMF V2 振動噪聲水平產(chǎn)生影響。

3.4.4 風機布置

風機作為貫穿全船的通風設(shè)備，是客滾船的主要噪聲源，其布置不僅涉及風機本身的設(shè)計問題，比如通風量、壓降等，而且關(guān)系到總體布置、結(jié)構(gòu)風道設(shè)計和消音片布置，更與最多的噪聲問題相關(guān)，關(guān)系到外部噪聲、車輛甲板噪聲和COMF V2 要求。

3.5 實船驗證要點

3.5.1 碼頭測試

碼頭測試包括停船時的測量和動車時的測量。系泊動車雖然不是正常的營運工況，但對振動風險排查有一定的參考價值。碼頭測試內(nèi)容主要包括：

1）碼頭動車后的上層建筑風險排查（欄桿、桅桿、燈和甲板的振動問題）；

2）碼頭動車后的機艙設(shè)備風險排查（管子和支架的振動問題）；

3）碼頭停船時的隔聲測量和外部噪聲測量（房間門和家具是否安裝到位，沖擊聲試驗采用甲板敷料測試，和車輛甲板風機噪聲問題）。

3.5.2 預(yù)試航測試

因客滾船自身的復(fù)雜性和規(guī)范對客滾船的特殊要求，應(yīng)對其首制船進行一次預(yù)試航，以盡可能地降低風險。在預(yù)試航過程中使船舶潛在的風險暴露出來，以便在正式試航前完成相應(yīng)整改。

4 結(jié) 語

客滾船建造是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其舒適性要求對振動與噪聲的技術(shù)參數(shù)提出了嚴格的要求。噪聲振動的專業(yè)性較強，引發(fā)噪聲振動的因素非常復(fù)雜。前期設(shè)計要求考慮的內(nèi)容較多，設(shè)計初期更多地考慮開展振動噪聲風險改善布置，設(shè)備廠商進行參數(shù)優(yōu)化，從而有可能用較低的成本避免很多風險，但這對設(shè)計能力有很高的要求。在設(shè)計中期，在輸入信息具備的條件下，通過專業(yè)的振動噪聲仿真預(yù)報，能給出非常好的建設(shè)性意見。在設(shè)計后期和建造階段，雖然能通過直接對船上的設(shè)備和處所進行振動噪聲測量得到實際的數(shù)據(jù)，但該階段一旦振動噪聲不滿足要求，進行修改的代價非常大。近年來，船體振動和噪聲問題一直困擾著船廠和船東，有時甚至會出現(xiàn)嚴重的后果影響交船，本文梳理了全設(shè)計周期內(nèi)的振動噪聲風險管控經(jīng)驗，總結(jié)了設(shè)計各階段降低振動噪聲風險的重點和具體措施，形成了一套行之有效的振動噪聲風險管控流程，可供同類型客滾船或豪華郵輪的設(shè)計建造參考。