2022, Vol. 44
2. 国家深海基地管理中心，山东青岛 266237;
3. 上海船用柴油机研究所，上海 201108
2. National Deep Sea Center, Qingdao 266237, China;
3. Shanghai Marine Diesel Engine Research Institute, Shanghai 201108, China
“深海一号”是专为我国第1台深海载人潜水器“蛟龙”号提供拖航就位、水面支持、作业环境调查和科学研究等功能的国内首艘专用载人潜水器支持母船。作为一条主要服务于载人潜水器的现代化的科学考察船，船上搭载了包括载人潜水器水声通信系统、多波束系统等水下通信和探测系统，它们多以不同频率的声波作为探测和通信载体，实现对海洋及海底地址的探测和水下通信。
水下辐射噪声是指船舶在运行时由于螺旋桨、动力机械和水动力等产生的噪声在水下的传播。科考船上安装的声学探测和水下通信设备，由于完全依靠声波在水下的传播进行工作，因此其受水下辐射噪声的影响极大，需最大限度的减小船舶水下辐射噪声对水下声学设备安装和测量区域的影响，以满足依靠声学进行通信和探测任务的设备正常工作的低水下辐射噪声要求。
目前，针对科考船水下辐射噪声的标准主要有挪威船级社的Silent系列和中国船级社的Underwater Noise系列船级符号[1]。“深海一号”主要参照中国船级社相关符号进行设计和水下辐射噪声控制。
1 船舶概况本船是一艘单体、长首楼、具有B3级冰区加强、双吊舱式电力推进装置、首部伸缩式全回转推进装置及DP-1动力定位能力的载人潜水器支持母船，主要参数及机械设备见表1，主要设备布置见图1。
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图 1 主要设备布置图 Fig. 1 Main equipment arrangement |
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表 1 “深海一号”主要参数及机械设备 Tab.1 Main parameters and equipment |
水下辐射噪声按照中国船级社《船舶水下辐射噪声指南》的要求，不超过附加符号Underwater Noise 2[2]允许的限值。考核标准为在船舶航速11 kn，且不使用侧推、不拖带任何物体的工况下，测量1/3 倍频程频带声压级，并换算得到的距离等效声中心1 m 处的声源级。声中心纵向取为推进器与主机的距离中点，垂向为水线下2/3 吃水处。Underwater Noise 2限值线见图2。
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图 2 水下辐射噪声限值 Fig. 2 Limitation of under water noise |
船舶的振动噪声来源通常有3个方面[3-4]，即螺旋桨噪声、机械噪声[5]以及水动力噪声。
1）螺旋桨噪声
螺旋桨旋转引起周围流场及压力变化，产生多种不同机理的噪声，包括叶片共振时辐射的噪声、涡流噪声、唱音和空泡噪声。另外，螺旋桨产生的脉动压力会激励其上方船体结构发生振动并向周围传递进而产生振动噪声。一般情况下，螺旋桨引起的振动噪声无论是对船内还是水下均是最大的振动噪声来源。
2）机械噪声
包括机械设备空气噪声向周围的辐射以及机械设备和管系通过基座与支撑件激励船体振动并向周围辐射的振动噪声。其声级的大小与机械设备固有属性、基座、船体结构以及空气噪声级等有关。船上贡献最大的机械噪声通常包括柴油机、齿轮箱、泵、通风设备、各种管系等。
3）水动力噪声
即水流流过船舶表面所产生的噪声，包括湍流表面层产生的流动噪声、艇上部分孔穴或附体处的空化、漩涡产生的噪声，航行船舶的船首、船尾的拍浪碎波噪声等。一般情况下，水动力噪声的水平远小于螺旋桨噪声和机械噪声，对水下辐射噪声的影响可以忽略。
4）空气动力噪声
主要包括主机进气、排气、空调通风等。
基于上述分析，本船主要的振动噪声源如下：
柴油发电机组，吊舱式全回转推进器，排量较大的泵组及空压机，机舱通风风机，机舱、空调和电缆管路及托架。
2.3 全过程水下辐射噪声控制船舶振动噪声控制的措施主要包括2个方面，即振源控制和传播路径控制。振源控制主要根据不同噪声的发生机理从源头进行控制，是最直接有效的控制方法；传播路径控制是根据振动噪声的传播方式，在传播路径中增加各种隔振和降噪措施，改变振源的传递特性，减小船体振动的幅值，以减小噪声传播。
船舶的振动噪声控制是一项系统工程[6]。为了保证实船的振动噪声全程可控并达到设计目标，仅仅在设计建造某一环节进行减振降噪的考虑是远远不够的，而是需要对全过程进行系统的策划，将振动噪声控制贯彻到船舶设计建造的全过程，在不同阶段采取相应的振动噪声控制手段，以保证各项控制工作能够得到一致的贯彻和执行。
减振降噪控制可分为4个逐层深入的阶段，即初步设计、详细设计、生产设计和施工阶段，工作流程图见图3。
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图 3 振动噪声控制流程图 Fig. 3 Vibration and noise control flow chart |
1）初步设计阶段
初步设计阶段是船舶设计建造的起点，这一阶段的减振降噪工作主要有以下3个方面：
①根据船舶属性、规则规范、舒适性及船上设备情况，特别考虑声学设备的工作频率及指向性，确定船舶的水下辐射噪声控制目标；
②根据船舶的水下辐射噪声控制目标，结合同类型船舶设计经验，初步确定全船的水下辐射噪声控制方案；
③根据同类型船舶设计经验以及本船的实际情况对全船振动噪声情况进行初步分析，将全船的振动噪声控制指标分解至主要振动噪声源（发电机组、推进器、泵组等），确定主要设备船体基座的振动限值、阻抗要求以及部分辅助设备的振动。
2）详细设计阶段
详细设计阶段主要落实上一阶段确定的振动噪声控制方案并随着设计深入进行优化，主要包括以下几个方面：
①将初步设计阶段分解至各设备的振动噪声指标体现在设备订货技术协议中，并要求供应商采取必要措施满足相关要求；
②按照船舶实际设计及主要设备振动噪声情况进行全船三维建模并对全船的水下辐射噪声情况进行详细计算，确定设备对振动噪声的贡献程度，分析共振产生的情况，定量评估船舶的振动噪声情况，提出改进方案。
3）生产设计阶段
生产设计是详细设计工作的延续和深化，这一阶段主要从生产放样、工艺要求等方面贯彻减振降噪的要求，主要包括下列工作：
①制定《减振降噪控制手册》，对关键结构设计、设备选型、基座设计制造等提出了具体要求，便于后期现场施工和管理人员了解振动噪声控制流程、关键节点和注意事项；
②制定《管路安装指导文件》，控制管路系统振动噪声源、振动在管路中的传递和管系中流噪声和管口声辐射，指导后续施工阶段；
③对发电机组、吊舱推进器等主要振动噪声源的振动噪声情况进行测量，确认其与控制指标的吻合度，对超出限制的设备进行整改。
4）施工阶段
施工阶段是振动噪声控制的关键环节，是前序减振降噪措施和工艺的贯彻和落实。这一阶段主要工作如下：
①现场监督确保施工严格按照《减振降噪控制手册》和《管路安装指导文件》中的要求进行，主要包括以下内容：主要设备隔振及管路连接、支撑方式是否满足要求；消音器及隔振装置安装是否符合技术要求；设备结构基座及加强是否满足要求；排气管系吊架型式是否合理。
②设备验收和入库时核实主要设备振动噪声测试报告是否满足限值要求；
③建造阶段现场检验。这是振动噪声控制的最后也是最关键的一环，主要包括：主要动力设备基座声学结构特征，阻抗测试，隔振装置核验；烟囱排气噪声测试；机舱风机室内外噪声测试；机舱阻尼厚度测试；振动、声短路测试。
3 水下辐射噪声控制关键技术 3.1 水下辐射噪声指标分配水下辐射噪声的控制必须贯穿设计全过程，其中初步设计阶段的设备振动噪声指标分配是决定全船水下辐射噪声水平的重要环节。这一阶段，需要将全船的水下辐射噪声指标分解至如螺旋桨、推进器以及主辅机械等主要振动噪声源，为这些设备提出声学设计标准。
对采用吊舱推进器的船舶，由于其推进电机位于水下吊舱内，其船上主要噪声源对水下辐射噪声的影响从大到小依次为螺旋桨>推进电机>柴油发电机组>辅助设备，其中辅助设备的噪声远小于其他三者的噪声；柴油机由于在船内，对水下辐射噪声的贡献一般也较螺旋桨和水下推进电机低5～10 dB。
对主要振动噪声源的指标分配主要基于同类型船舶历史数据和本船的水下辐射噪声指标。根据噪声传递的原理，将上述4种主要噪声源分为两类：螺旋桨引起的水噪声和经钢板传递至水下的结构噪声（包括吊舱推进电机、柴油发电机组和辅助设备），其中辅助设备噪声远低于其他设备，可仅做原则性指标要求。对于螺旋桨，其振动噪声限值以距螺旋桨1 m处的声压级给出；对于舱内振动机械，为便于测量，将声压限值转换为结构噪声速度级给出。
根据噪声计算原理，在声场中的某一位置，若干个声压级分别为Lp1,Lp2,…,Lpi的噪声叠加后的总声压级为[7]：
| $ Lp_t=10\; {\rm{lg}}\left[\sum^n_{i=1}10^{Lp_i/10}\right]\;{\text{(dB)}}。$ |
其中，Lpt为总声压级。
据此，对多个噪声叠加的情况，可以得出以下结论：
1）2个声压级的级差如果超过10 dB，则声压级仅比单噪声情况下增加0.5 dB，可忽略不计；
2）2个声压级相同的噪声源叠加，总声压级比单独一个噪声源增加10 lg2，即3 dB。
按照上述水噪声和结构噪声的分类，意味着如果能保证水噪声和结构噪声均比限值低3 dB以上，则其叠加的总声压级即能满足全船水下辐射噪声的指标要求。根据上述分析，确定的噪声指标分配方案见图4。
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图 4 噪声指标分配方案 Fig. 4 Noise index allocation plan |
总体布局考虑将发电机组、推进器、泵组、烟囱等主要噪声源远离起居处所及声学设备安装区域；优化船体线型，使船体流线光顺，避免有大的开孔和突出物，以降低流噪声；采用斧型船首（见图5）代替传统的球鼻首，大大降低风浪中船首拍击水面带来的水动力噪声；尾部线型选用U型剖面并增大螺旋桨与船体间隙，优化螺旋桨来流和去流，尽可能使伴流均匀，改善脉动压力（见图6）。
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图 5 斧型首 Fig. 5 Axe bow |
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图 6 推进器布置图 Fig. 6 Propulsion arrangement |
吊舱推进器的推进电动机安装在2个水下吊舱内，液压转舵、冷却风扇、电源和控制系统安装船体内。由于吊舱是定型产品，因此对其设备本身的振动噪声控制手段较为有限，为最大限度降低推进器带来的振动噪声，采取如下方法：
1）螺旋桨叶数和直径的增加对降低振动噪声具有显著效果。因此，本船的螺旋桨选用了五叶桨，并特别关注了桨叶上的载荷分布，适当增大了桨叶的侧斜度。根据实际尾流分布，从噪声的角度来看，内转向螺旋桨略好于外转向螺旋桨；
2）来自电力推进电机、电机支撑系统和液压转向系统的噪声需要关注。这主要是因为这些来源的噪声比较宽的频率范围可能产生叠加，特别是对于高频噪声。因此，电气开关频率的设置需要根据台架测得的噪声水平进行适当的调整以避开谐振；
3）安装液压转舵、冷却风扇、电源和控制系统的机构，应弹性安装在船体的加强结构上。
3.2.3 主柴油发电机组隔振为了实现噪声控制的目的，对柴油发电机组配置了双层隔振装置（见图7），即将柴油发电机组安装在一个弹性基座上。此外，柴油发电机的排气、燃油、润滑油和冷却水系统也需要通过弹性支架连接或安装消音器，以避免声能通过这些路径流动。
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图 7 发电机组双层隔振方案 Fig. 7 Double-layer vibration isolation scheme for generator sets |
1）对包括海水泵、压载泵在内的4型8台泵组及2台空压机采用隔振安装；
2）机舱风机室安装进排风消声器；
3）机舱排气管路安装消声器，确保出口处噪声低于舱室噪声标准5 dB；
4）主/辅机舱区域、首尾推进器区域、机舱棚区域及主要振动噪声源附近舱室敷设阻尼、绝缘及多空吸音板降噪；
5）与弹性安装的设备连接的管路通过挠性接管连接，管路的固定采用弹性吊架。
3.3 水下辐射噪声详细评估 3.3.1 实测设备振动噪声水平1）螺旋桨
由于螺旋桨的水下声压级测量没有成熟的手段，因此通常采用数值方案的方法得到。仿真得到的距单个螺旋桨1 m处的声压级水平和限制值的对比情况见图8，结果满足限值要求。
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图 8 螺旋桨声压级水平 Fig. 8 Propeller sound pressure level |
2）柴油发电机组
在船舶以11 kn航速航行时，需开启1台Wartsila 8L26柴油发电机组。因此，重点测量了该机组的机脚和增加隔振基座后的基座脚速度级，结果见图9。
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图 9 柴油发电机组振动速度级水平 Fig. 9 Diesel generator set vibration speed level |
可以看到，虽然机脚加速度在16 Hz和64 Hz等频率附近超标了约2～3 dB，但借助良好的双层隔振基座设计，在基座脚测得的振动速度级满足了对其限值的要求。
3）吊舱推进电机
吊舱推进器采用ABB公司的2套CO1250型号，聘请专业机构对11 kn航行工况下的吊舱壳体表面径向振动速度级进行了测量，用能量平均法算得吊舱机体在对应频率下的平均速度级，发现推进电机在1000～1250 Hz频段，振动速度级最高超标约5 dB，见图10。
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图 10 吊舱推进电机振动速度级水平 Fig. 10 Vibration speed level of Azipod propulsion motor |
由于吊舱属于定型产品，结构无法更改，并且直接浸没在水中，外部无法增加其他的减振措施，控制方法较为有限。一种相对简单且效果较好的方式是通过调整电机的开关频率来降低电机单元表面振动。通常来说，开关频率越高，电机的振动会越小，但过高的开关频率可能会对船上的谐波控制带来困难。通过多次试验，在保证船舶谐波水平的情况下，将开关频率从1.7 kHz调整到了3 kHz，1 kHz频率附近处的振动速度级降低了约3～4 dB，振动水平明显改善，见图9。虽然在1 kHz频率附近处仍超标1～2 dB，但考虑到螺旋桨和柴油发电机组的最大噪声声压级及振动速度计并不在1 kHz附近，产生最不利叠加的可能性很小，且吊舱推进器进一步降噪的可行性不高，因此认为其目前较小的超标不会引起全船水下辐射噪声的超标。
3.3.2 水下辐射噪声详细评估[8]水下辐射噪声的评估基于统计能量方法，利用VA One软件分析平台进行的。在水下辐射噪声的计算中，由于噪声源集中在水线以下，同时上层船舶结构对水下噪声和多波束自噪声的影响很小，因此为方便计算，模型只保留了船舶的水下部分。同时，在船舶正下方离船底100 m位置建立场点，模拟水听器在水下接收声波，模型见图11。
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图 11 水下辐射噪声计算模型 Fig. 11 Underwater radiated noise calculation model |
利用全船的统计能量模型，加载了主要的噪声设备激励，主要包含螺旋桨、吊舱推进电机、发电机组等。设备的噪声级和速度级水平按照上节所述实测值。由于统计能量法及厂家提供数据的频段限制，对设备频段进行了趋势延伸处理，最终得到全船的水下辐射噪声水平，见图12。可以看出，本船的水下辐射噪声水平满足了Underwater Noise 2的要求，且绝大部分频率段低于限制约8～10 dB。
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图 12 水下辐射噪声评估结果 Fig. 12 Underwater radiated noise assessment results |
通过对本船水下辐射噪声的评估，对各主要噪声源对水下辐射噪声的贡献量进行了分析，得出如下结论：
1）吊舱推进器由于电机位于水下，是水下辐射噪声最主要的贡献源；
2）第二噪声源是来自于螺旋桨的桨噪声；
3）发电机组的空气噪声激励船壳振动向外辐射的声能量是第三大噪声源；
4）相比而言，泵组对水下辐射噪声的贡献较为有限。
4 实船测试结果水下辐射噪声的实船测试根据中国船级社《船舶水下辐射噪声指南》（2018）中的单水听器方法进行，测量频率范围为10 Hz～40 kHz（1/3Oct），后续频段（50～100 kHz）根据测试结果斜率延伸。测量了船舶在11 kn的水下辐射噪声，并将本船的水下辐射噪声水平与挪威船级社和中国船级社现行的水下辐射噪声等级进行比较，如图13所示。通过对比得出以下结论：
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图 13 水下辐射噪声测量结果 Fig. 13 Underwater radiated noise measurement results |
1）本船的水下辐射噪声满足业主要求的中国船级社Underwater Noise 2的指标；
2）本船的水下辐射噪声满足挪威船级社Silent(A)和Silent(S)的要求；
3）在水下声学设备的主要工作频率范围（100 Hz～10 kHz之间），本船的水下辐射噪声满足中国船级社Underwater Noise 1和Silent(R)的限值要求，最大限度保证了声学设备的使用效能；
4）详细设计阶段的水下辐射噪声评估结果与实船测试的趋势吻合较好，在100 Hz～10 kHz之间评估值偏于保守，数据偏差约在5 dB。
5 结 语水下辐射噪声的控制和评估是科考船面临的重要问题。本文以“深海一号”载人潜水器支持母船为例，总体阐述了水下辐射噪声控制的思路和主要考虑，从指标分配、减振降噪措施和详细评估3个方面详细论述了本船的水下辐射噪声控制及评估方法，并与实船测试结果做了对比。结果显示，本船的水下辐射噪声满足了既定的目标要求，且仿真评估结果与实船测试的吻合度较好。
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