0 引　言

船舶在营运过程中由于设备的使用会产生噪声，当噪声过高时会给船上人员的正常生活与工作带来困扰，严重时甚至会影响人们的身体健康。为了使船上人员远离噪声的困扰，提高船员的居住舒适性，2012年，国际海事组织（IMO）第91届海上安全委员会（MSC）通过了关于SOLAS修正案的决议（MSC. 337（91决议）），该项决议在参考权衡DE53提案和IMO A468（Ⅻ）噪声规范后，制定了新的《船上噪声等级规则》，即MSC 337（91）。新的规范已于2014年7月1日起强制生效，噪声响应超标的船舶将直接面临罚款、延期交船、巨资整改、甚至弃船的风险。

以2万箱级超大型集装箱船为目标船型，该船型具有明显的规模经济性效益，超大型集装箱船可以有效降低单箱运输成本，且不会大幅增加船舶的港口费用，因此深受船东与航运公司的追捧。本文采用统计能量分析方法对2万箱级超大型集装箱船进行舱室噪声预报，分析各舱室的噪声值，并通过标准限值判断舱室噪声水平。在海上开展噪声测量试验，并将测量值与预报结果进行对比，判断预报的精准度。该计算方法与测量结果可为相似船型的噪声预报评估提供参考。

1 舱室噪声预报 1.1 建立统计能量分析模型

选用统计能量分析方法预报超大型集装箱船的舱室噪声值，这种方法采用统计的思想，利用能量去分析复杂结构在外载荷作用下的声振响应。统计能量分析方法相较于有限元计算方法对计算机的计算能力和计算效率要求较低，优越性明显，并且其计算精度也被工程应用所认可，目前已经在工程上被广泛应用。

文中2万箱级超大型集装箱船为双岛型船舶，即上层建筑位于船中区域，机舱棚与烟囱位于船尾区域。在建立声学子系统时，为了充分考虑船上人员工作与生活区域内的噪声，声学模型范围应包括船中与船尾部分，而对于通常无人的船首部分，这里予以忽略。此外，从全船结构动力学特性计算结果分析，该型船的全船扭转1阶弯曲振动固有频率在0.37 Hz附近，垂向1阶弯曲振动固有频率在0.52 Hz附近。船舶整体结构固有频率与噪声计算起始频率（63 Hz）相比较相差较大。因此，全船整体振动并不会对噪声评估区域产生较大的影响，这证明了本文所选的声学模型范围是合理的。

依照2万箱级超大型集装箱船的结构图纸，建立有限元模型，并生成中间格式文件；将此文件导入到VA One计算软件中，按照统计能量中对子系统的划分原则和船舶结构特点，将船舶结构划分为声学模型中的平板子系统与声腔子系统，构建基于统计能量分析方法的声学预报模型。为了在计算中模拟船舶实际吃水工况，模型中定义1个半无限流体子系统，该系统与水线以下船底部和舷侧平板子系统相连接，模拟实船在流体中的声辐射。2万箱级超大型集装箱船统计能量模型如图1所示。

1.2 确定模型参数

船体结构材料为钢结构，材料密度ρ=7 850 kg/m³，弹性模量E=2.1×10¹¹ N/m²，泊松比μ=0.3。舱室内装材料可根据设计图纸在VA One软件中通过“Noise Control Treatments”模块进行定义。该模块优势在于当无法获得总的材料参数时，可对该材料分层设置。相较于总的材料参数而言，单层材料参数更易获得。

统计能量分析方法预报精度受3个主要参数影响，即模态密度、内损耗因子和耦合损耗因子。

根据统计能量法的精度要求，子系统的模态密度必须足够高，分析带宽内模态数超过5时，应用统计能量分析方法在此区间的计算精度是可以保证的。为了验证本模型的计算精度，确定合适的计算频率范围，图2给出了典型子系统的模态数计算结果。从图中可以看出，本船声学模型在63～8 000 Hz频率范围内，模态数基本大于5，因此采用统计能量法进行舱室噪声计算分析可行。

内损耗因子是指子系统在单位频率内单位时间损耗能量与平均储存能量之比。这里平板子系统的内损耗因子参考船级社建议值，如表1所示。

声腔子系统的内损耗因子η可以通过平均吸声系数计算得到：

$ \eta = {c_0}\alpha S/\left( {8{\text{π}} fV} \right) {\text{。}}$

(1)

式中：η为声腔子系统内损耗因子；c₀为声音在舱室中的传播速度；S为舱室声腔总表面积；V为舱室体积；f为倍频程中心频率；α为壁面平均吸声系数。

耦合损耗因子是用来描述耦合的2个子系统在连接处的振动能量损耗，是作为衡量子系统间耦合作用的指标。这里应用VA One软件自动计算得到。

1.3 噪声源

2万箱级超大型集装箱船的主要噪声源为主机、发电机组、螺旋桨、机舱风机和工作生活舱室的通风管路所产生的噪声。按照传播途径分类可分为结构噪声与空气噪声。其中结构噪声是指设备振动通过机脚传递到基座及船体结构的噪声，以速度（级）或加速度（级）的形式施加在平板子系统中。空气噪声是指设备直接向空气介质辐射的噪声，以声压谱的形式施加在声腔子系统中。

本船主机位于机舱内双层底与二甲板之间，为刚性安装，主机型号为MAN B&W S90ME-C10.5-TII，CSR工况下主机输出功率为49 500 kW，转速为69.5 r/min，主机的噪声谱如表2所示。

船舶正常航行时，4台发电机共同工作，其中2台发电机型号为W7L32，另2台发电机型号为W9L32，4台发电机均位于机舱3层甲板处。由于发电机在船上安装时，均采用弹性支座，因此噪声激励仅考虑空气噪声的影响，发电机空气噪声如表3所示。

螺旋桨为5叶桨，桨叶直径为10.4 m，CSR工况下转速为69.5 r/min。螺旋桨结构噪声根据经验公式计算得到：

$ {L_a } = 10\lg \left( {MN} \right) + 10\lg D + 30\lg {n_e} + 10 {\text{。}}$

(2)

空调通风管路处噪声根据已有相似船型的测量数据作为输入值。

1.4 计算结果评估

对上述模型进行求解，得到各声腔子系统在各个频率下的声压级预报结果。图3为声腔子系统的能量云图。

对2万箱级超大型集装箱船典型舱室噪声计算结果进行综合评价，表4为典型舱室总声压级与MSC337（91）中的噪声限值的对比结果。从表中可以看出，原始声学设计下的居住舱室与办公区域噪声情况良好，总声压级均小于MSC337（91）中的噪声限值。

2 舱室噪声测试

船舶建造完工后，船厂安排开展海上噪声测试工作。测试时应依据MSC337（91）中第3部分进行测量。

2.1 测量工况

本船测量时选择在压载吃水工况下进行，船舶在正常运营航速下保持直线航行状态，主机功率为CSR下功率（不小于80%最大持续运转功率）。

2.2 测量条件

在进行噪声测量时，保证测量环境不致影响测量结果，即风力应不超过4级，波高应不超过1 m，同时水深应大于5倍船舶吃水。

2.3 测点位置

声级计应放在甲板以上1.2 m（坐着的人员高度）和1.6 m（站着的人员高度）之间的高度处。测量位置应距离墙壁至少0.5 m，避免墙壁的反射影响。对形成声源的机器进行测量时，应距此机器1 m处进行测量。

2.4 测量仪器

测量仪器为BK2250型多功能声级计，如图4所示，测量前后应用声级校准器进行校准。

2.5 注意事项

船上通常使用的所有机械、航行仪器、无线电、雷达装置以及机械通风、加热、空调等设备，在整个测量期间内均应正常工作。

除个别航行中必须开启的门窗外，舱室门窗应予以关闭。

外部声源，如娱乐、建造和修理工作所产生的噪声，不致影响到测量位置处的船上噪声级。

3 噪声预报与测试结果对比分析

测量结果反映该船舱室噪声测量结果满足《船上噪声等级规则》的噪声限值要求。图5为应用声学软件计算得到的噪声预报值与船舶海上试验测量值的对比结果。

从表中可以看出，该船大多数房间预报值要高于实测值，且误差在4 dB范围内。针对引起预报与实测结果产生的误差，初步判断主要原因如下：

1）舱室噪声预报分析中，通风管路进出口噪声激励载荷输入存在误差，实际测量时空调保持正常运行状态，空调噪声大小与使用者使用状态有着直接关系。

2）房间内布置有具有吸声性能的家具，例如床、沙发、窗帘等吸声系数较高的材料，而在噪声预报时这部分吸声系数并没有进行考虑。

3）声学建模时没有考虑窗户、门对舱室噪声的影响，而事实上窗户、门的材料属性与密封性均会对舱室噪声带来一定影响。

4 结　语

本文对2万箱级超大型集装箱船的舱室噪声进行分析，并应用专业噪声测量设备完成海上噪声测试工作，将舱室噪声预报结果与测量结果进行对比，预报总声压级与测量总声压级差值在4dB范围内，本船预报结果与测试结果可为同类型船舶舱室噪声预报与测试提供参考。

经实测发现，本船原始设计舱室噪声情况良好，满足MSC.337（91）《船上噪声等级规则》中的噪声标准限值要求。