◎ 余剛 易陶芳 湖北省黃岡市船舶檢驗局

1.引言

隨著海上運輸業(yè)和船舶技術的迅速發(fā)展，包括內河船舶在內的各類型船舶噸位載重量、航速等日益提高，同時內河航道特點導致內河船舶向寬大船型和大功率方向發(fā)展。由于造船技術和船體的優(yōu)化設計能力的不斷提升，船用鋼板以及相應構件相對變薄和變小，船舶重量下降，船舶結構剛度也有所下降，這些因素疊加在一起致使船體振動加劇，進而造成船舶噪聲也隨之增加。

由于內河水域人民群眾對于噪音的敏感性，內河船體噪音整治已成為一個不容忽視的問題，另外噪音和振動一直是影響船舶安全和船員健康的相關因素。文獻指出船舶噪音對船員的聽覺、休息和健康帶來了不利影響，對輪機人員的聽力損害尤其嚴重。文獻對船員職業(yè)有害因素進行了調查研究，其噪音、振動等職業(yè)危害要顯著高于中國衛(wèi)生統(tǒng)計年鑒及其他學者調查的居民患病率，輪機人員受高溫、振動、灼傷的發(fā)生率也顯著高于其他船員。因噪音和振動對于船員的身心健康影響較大，文獻開展了基于情感體驗的船舶艙室內裝設計。文獻從睡眠缺失、噪音、身體振動、船舶運動等方面開展了對船員的工作精確性和工作效率的研究，探尋確保海員良好的工作條件和職業(yè)健康的有效措施。文獻指出持續(xù)的噪聲和振動會給船員帶來較大的壓力并降低睡眠質量，進而影響船員的健康，長期振動產生的交變應力還會提高金屬疲勞的可能性和疲勞程度，威脅船體安全。針對船舶振動和噪聲污染管理和控制也趨于嚴格，中國政府出臺了一系列監(jiān)督與管理規(guī)定，包括《環(huán)境保護法》、《環(huán)境噪聲污染防治法》和《防治船舶污染內河水域環(huán)境管理規(guī)定》及其實施細則。國際海事組織頒布的第MSC.337(91)決議于2014年7月1日正式生效，體現(xiàn)了國際海事組織對船舶噪音限制的重視，及其正致力于降低船員受到噪聲的影響和傷害。為此急需對船舶進行減振設計和處理，減少振動與噪聲對船舶安全和營運人員的健康影響，進而提升船舶安全與船舶使用壽命。

2.船舶噪音來源

船舶噪聲分為空氣噪聲和結構噪聲兩部分。船舶產生噪音的源頭包括主機、輔機、風機等機械設備，基本上集中布置在機艙部位。具體見圖1所示。

圖1 船舶噪音源示意圖

3.船舶減振措施

3.1 船體減振措施及降噪

盡管船舶由鋼材制成，但由于船舶尺度較長，船舶在船長方向上有一定彈性，具有彈性體屬性，較小的激勵幅值也會導致船舶變形，并使船舶在共振區(qū)引起較大的響應。航行于內河的船舶通常采用較高轉速的主機，其在正常工況下發(fā)生低速共振的可能性較低。但為了船舶整體的節(jié)能增效，內河船舶現(xiàn)多采用減速齒輪箱來降低尾軸轉速，同時增加大螺旋槳直徑。這就使得主機在正常工況下有很大的可能性導致船體的低諧共振。為避免共振效應，船舶需要改變船舶固有頻率和激勵頻率。改變船體的固有頻率可以從船體梁的剛度方面入手。在計算船體梁極限彎曲能力時，可以致力于減少對板厚變異的影響，計算材料變異是極限彎曲能力分布參數(shù)的決定性因素。對于典型散貨船和油化船船型，較強的強甲板結構抗屈曲能力可有效提高船體梁極限彎曲能力。另外還應考慮到避免或減小應力集中。

3.2 機型選擇對內河船減振及降噪

主機與發(fā)電機組是船舶噪聲最主要的來源，是影響到機艙以及附近艙室噪聲的最主要因素。柴油機作為船的主要振動源及噪聲源，首要處理原則就要測定主機對船體結構作用特性。我們在設計階段選用“特征分析”測定方法，測量和處理旋轉機械在啟動、變速及工作過程中的振動和噪聲特征信號。這些特征信號是由于機械裝置的旋轉而引起的內部各種因素相互作用的結果。主機和發(fā)電機振動都要通過機座這個媒介傳遞給船體，進而引起船體振動，然后向周圍幅射進而形成艙室噪聲。

所以在設計階段應引起重視。應當選用不平衡慣性力較小與較小力矩的熱機作為船舶的主機和輔機。通常還要在機座下面裝設橡膠制減振墊、金屬彈簧減振墊等作為措施。對于四沖程柴油機則應當選擇大于四缸的柴油機。而對于二沖程柴油機應選用大于六缸的柴油機?？偠灾瑧斂赡苓x擇缸數(shù)較多的柴油機和恰當?shù)剡x擇主機的安裝位置，都可以減小主機和輔機引起的船體振動。

3.3 船體的結構設計及降噪

空氣噪音與結構噪音也是船舶噪音的重要因素之一。船舶噪音可以通過空氣或者船舶自身傳播，通常難以解決的原因在于其強度大、頻率跨度大。因此，使用單一的隔振措施不足以得到很好的減振和降噪效果。當前處理船舶噪音的方式主要采用隔聲或吸聲技術。排氣消音降噪設備是指一種包括多通體、多孔管材和具有吸音作用的材料的排氣消音器。船舶消音器主體結構較為緊湊，其外層可使用不銹鋼或玻璃鋼制作，具有不易腐蝕的特點。這種船舶消音器主要安裝于主機的排氣設備，排出氣體進入消音器上的諸多孔道，通過冷卻水的作用使氣體流動速度與壓力迅速下降，進而大幅度降低主機的噪音。屏蔽材料設置的孔道直徑越小，其噪音降噪效果越好。另外一種常用的隔音降噪設備的降噪原理為阻隔聲音傳播。船舶機艙中大部分噪音的來源是眾多機械設備和其引發(fā)的船體本身產生的空氣噪音。其解決方案是將柴油機等發(fā)音機械用隔聲罩罩起來，阻止聲音的外泄。其本質是阻隔聲音，而并不能降低噪聲且此類設備較為復雜，會給監(jiān)視與維護過程帶來一些困難。目前船上多采用隔聲集控室，將人與聲源隔離起來。一般內河船舶較小，集控室沒有足夠的空間，但隨著內河船舶不斷大型化，此類方案將逐漸具有可操作性。隨著排氣消音器技術的發(fā)展，可以考慮增加其使用深度和廣度，這樣可以從本質上降低噪音對人、船以及環(huán)境的影響。類似的結構也可以考慮設計到船體結構中，從本質上進行噪音的控制。

3.4 船舶機械設備減振

船舶主機、發(fā)電機、鼓風機及主輔機排氣管等機械設備本身均帶有運動部件，其在工作時將持續(xù)產生激勵，進而引發(fā)船體振動。從各方面考慮振動都是有害因素，其不僅會造成機器自身的損壞，而且會造成其他結構、設備的損害并產生較大的噪音。因此可以在保證各種設備與外界相連的所有管路、導管電纜等具有足夠彈性的同時，在設備與其固定的基座之間采用彈性支承。合理應用彈性連接設備支座，使其受力后產生彈性變形并吸收一部分的振動，同時也能阻斷振動的傳播，達到振動源頭隔離的效果。其工作原理如圖2所示。應用彈性安裝的典型范例為瓦錫蘭機型，安裝了該柔性主機支座裝置的船舶，其主機周邊噪聲得到了平均15～20分貝的有效降低。

圖2 彈性基腳簡要模型[5]

3.5 船舶線型選擇和減振

船舶尾部線型也將直接影響螺旋槳的效率。從水線面線型角度考慮，對于雙機船，為避免水流分離而發(fā)生漩渦和振動，船舶尾段的縱向斜度應大于30度。船舶尾部要保持順滑，不應采用凹形，而應選用直線形。單槳船螺旋槳區(qū)的水線面以平直為宜，縱向斜度不應大于20度，終端(尾柱處)也不應過分寬闊，同時應避免水線反曲處的斜度過大。對于橫剖面線型角度，單槳或雙尾船尾部的線型最好采用U型構成整流穴以令水流勻稱，并盡量使螺旋槳盤面上部的伴流峰值減小，進而減小螺旋槳造成的脈動壓力。

3.6 螺旋槳選擇及減振

船舶螺旋槳的選擇也是船體振動的主要影響因素。螺旋槳誘導的表面力和空泡會使船舶產生劇烈的尾振。因而在船舶設計階段選擇合適的螺旋槳槳葉傾斜度、螺距、盤面比、厚度分布和葉片數(shù)顯得尤為重要。葉數(shù)多和盤面比較大的螺旋槳可大大減少空泡、降低表面力并減弱振動。因此必須保證螺旋槳的建造質量，例如降低螺距誤差，平衡試驗等應符合規(guī)范要求。因此在設計階段，應合理選擇和布置螺旋槳，改善尾部線型使螺旋槳來流和去流順暢。另外，于螺旋槳上方船體內敷設水泥、于此處船底板開設避振穴等都可有效避免船體過度振動?？梢圆捎么髠刃睒?，降低尾部螺旋槳區(qū)域伴流影響和避免螺旋槳唱音等。

圖3 大側斜槳示意圖

3.7 室內裝飾降噪

船舶艙室是為船上人員提供工作和休息的空間。該空間應以船上人員為中心，應更加注重他們的身心健康和情感需求。可以通過對船員艙室的壁板、艙室房門、天花板、布風形式等進行整體聲學考慮?？蛇x用高隔聲壁板、隔聲門或低噪聲布風器，同時使用復合巖棉板材料進行頂棚和壁面裝飾有助于隔聲或弱化艙室中的噪聲?？梢詫㈤T與壁面連接處更換為軟連接或布置隔音套以滿足隔音要求。另外船舶采用空調式布風器，也可以較大程度降低風噪的產生和影響。通過以上設計和建造措施可以從室內裝飾降噪角度幫助船員的起居和工作空間避免噪聲的影響。

4.總結

綜上所述，船舶的振動和噪音控制是影響在船工作人員的身心健康、船舶安全和船舶使用壽命的重要因素。本文通過對船舶技術發(fā)展的趨勢和人民群眾對安全、舒適的工作環(huán)境要求出發(fā)，分析了振動和噪音產生的原因，開展了相關研究，采取針對性的技術手段進行了更適宜人員起居和工作的船舶設計與設備的布置，同時強調了安裝環(huán)節(jié)的改善措施，致力于通過多種技術對船舶振動和噪音進行技術處理。這類技術對于提升我國船舶裝備技術能力、幫助海員享有安全的工作場所和體面的生活環(huán)境，提升船員勞動權益保障，以及促進我國航運業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。