0 引　言

现今船舶设计中，对舒适性的要求日益提高，2017年中国船级社^[1]（CCS）《邮轮规范》设置了邮轮附加标志-Cruise，并将船舶振动添加为乘船舒适度的主要影响因素之一。HVAC（Heating Ventilation Air Conditioner）系统是对舱室的温度、湿度以及空气新鲜度调节的必要装备，是保证邮轮舱室舒适性的关键系统。HVAC风管作为HVAC系统中的主要部件，是实现HVAC系统基本功能的依托，涉及多种装配措施，且在船舶上层建筑的所有居住舱室和公共场所都有风管穿越，数量众多，跨度较大，故对HVAC风管进行振动研究，提高乘船舒适度很有必要。

有关管路振动的研究中，吴江海等^[2]对复合材料直管和钢制直管进行振动计算对比分析，为复合材料在船舶管路减振中提供参考。胡兵等^[3]基于有限元软件研究了流体激励对管路振动的影响。郑锰等^[4]基于Workbench搭建了流固耦合模拟平台，研究了流体粘性、管路壁厚等对管路振动的影响，分析优化了管路振动。李志印等^[5]通过试验研究了船舶风管气流速对风管振动的影响，并提出了相应的减振措施。潘国雄等^[6]通过试验研究了不同安装偏差对弹性穿舱件的影响，为船舶安装工艺提供了一定参考；尹志勇等^[7]从理论、仿真和试验三方面对管道阻尼敷层进行了振动评估研究，发现敷设阻尼对管路有很好的吸振效果。

目前对流体管路振动研究较多且以数值仿真为主，试验相对较少。对HVAC风管减隔振措施相关研究也相对较少。由李志印^[5]的风速对管路振动激励影响试验可知，管道内气流对风管路振动激励影响明显，风管路振动对船体影响明显，因此必须考虑一定的减隔振措施以减少其振动传递。对于我国大型邮轮振动的控制而言，其涉及的减振材料和装置种类较多，且多数都首次采用和实施，未知性非常大。开展减隔振措施的整理、验证和分析是保障减隔振工程实施的基础，是必不可少的一环。本文试验针对某大型客船的HVAC风管，对其典型的减隔振措施进行试验验证，并研究其弹性装配材料参数对振动传递的影响，为该型船减隔振措施提供一定参考。

1 风管路典型减隔振措施

管路振动产生的主要原因有3个：外界冲击引起的管路振动、介质流动导致的管路振动、设备传递给管路的振动^[7]。一般在管路上^[8-11]控制振动，常用的方法包括：1）引入弹性减振元件以降低振动传递率，如采用弹性橡胶垫；2）增加振动传播途径的阻尼，以吸收振动传播的能量（转化为热能）。其中，橡胶阻尼材料利用材料的粘弹性将振动机械能转化为热能消耗掉，从而达到减隔振目的。而消音装置与箱体内壁消声保温材料既形成流线型进风通道，又相互起阻尼作用，从而避免空气涡流，减少噪声传递，最终达到减隔振的目的。因此，大型客轮对振动舒适度要求更高，在HVAC风管路多采用安装消音装置和橡胶阻尼减振垫等典型措施，减少风管振动及振动传递，从而达到舱室的减隔振效果。

本文试验就某船的HVAC风管而言，选取其公共区域典型的矩形风管，研究以下几种措施对减隔振效果的影响：1）HVAC风管与支架间橡胶垫的不同厚度及硬度；2）消音装置；3）设备与风管间软管连接的径向安装偏差。

2 试　验 2.1 试验模型设计

针对在实船HVAC风管安装过程中，发现的一些典型措施对风管路振动影响，进行典型环境下的模拟试验。试验模型由风机、减振软管、整流隔栅、测试风管、测量仪表等部件组成。根据实船风管布置情况，考虑为了更真实地模拟该船风管振动环境，试验采用与实船一致的安装材料及方式，进行振动测试试验。考虑到模型大小以及试验的可行性，选取镀锌风管（镀锌钢板Z275），截面为400 mm×500 mm，每节2 m，选取2节共4 m，进行振动测试试验风管。其中，支架选取规格为30 mm×30 mm×3 mm的角钢，以形成对管路如实船一致的支撑效果，在支架与管路接触面放置试验橡胶垫，风管固定安装。

具体的振动测试台架试验示意图见图3。

2.2 振动试验内容

根据实船选取10 m/s稳定风速激励，测量不同措施下的风管振动加速度响应，测量方法按照^[12]GJB 4058−2000的相关标准规定进行测点布置，共6个测点，以垂直船体安装面方向为X 向，沿管路方向为Y向，垂直于XY平面为Z向。

具体布置示意图如图4所示。

选取的测试方法是电测法，该方法测量便利、精度较高、测量范围广，主要测量仪器为LMS数据采集仪、6个振动加速度计、控制电脑等。通过拾振、测量放大线路和显示记录3大过程进行振动测量试验，组成振动测试系统，具体测试系统示意图如图5所示。

3 试验结果分析 3.1 数据处理方法

对LMS采集的振动信号进行分析，通常采用时域分析和频域分析2种方法，时域分析的纵坐标表达振动数据幅值并不明显，不易观察到试验振动数据的变化，处理也不方便，故采用频域的分析方法来分析处理数据，对得到的时域信号进行傅里叶转换。

如测得的原信号为a(t)，傅里叶计算得到：

$ {{A}}(w) = \mathop \int \nolimits_{ - \infty }^{ + \infty } a(t){e^{ - jwt}}{{\rm{d}}_t}，$

(1)

加速度信号的功率谱为：

$ {{G}}(w) = \sqrt {A(w){A^ * }(w)}。$

(2)

式中：w为系统的固有角频率，A*(w)为A(w)的共轭复数。

试验根据风管振动传递到安装面上各个方向的平均振动加速度，来评判试验中的减隔振措施对HVAC风管的减隔振效果。

平均振动加速度计算公式如下式：

$ \overline {{{{L}}_{ai}}} = 10\log \left[ {\frac{1}{n}\mathop \sum \limits_{i = 1}^{\text{n}} {{10}^{\frac{{{\text{Li}}}}{{10}}}}} \right]。$

(3)

式中：$ \overline {{{{L}}_{ai}}} $为某方向平均振动加速度，dB；Li为某方向各个测点的振动加速度，dB。

由于风管路沿程的振动传递呈衰减趋势^[2]，特别是在中高频段衰减更大，且大型客轮上振动大多为中低频率，故测试所选取得振动加速度频率范围为10 Hz ~1 kHz。

3.2 试验结果

1）首先对未采用减振措施的HVAC风管进行振动测试，测得的风管振动传递给安装面各个方向平均振动加速度结果如图6所示。

试验结果表明，各方向的振动峰值主要集中在200 Hz左右，最大振动加速度级接近110 dB，且在低频阶段，大部分持续在95 dB以上。根据ISO 6954：2000（E）^[13]发布的船体不同区域适居性评价准则（见表1），船上生活区域的上、下限值加速度分别为107mm/s²、214 mm/s²，即振动加速度级要保持在100 dB以下，故需要采取相关措施对风管进行减隔振。

2）根据实船风管的减隔振措施，分别测试装有消音装置、装有10 mm EPDM以及同时装有消音装置和10 mm EPDM 3种工况下风管的振动传递，测得的各个方向平均振动加速度结果如图7 ~ 图9所示。

试验结果表明，所采用的实船措施对风管路起到很好的减隔振效果。其中，同时在风管里装有消音装置和在支架处安装10 mm EPDM后，风管振动下降明显，安装面3个方向受到的振动传递下降都超过了10%。在峰值段3种工况测得的振动加速度级分别平均下降5 dB左右、10 dB左右、25 dB左右，风管的振动大幅度降低。

3）研究橡胶厚度参数对风管减隔振的影响，选取5 mm、10 mm、15 mm等3种EPDM橡胶垫来进行振动试验，测得的各个方向的平均加速度结果如图10 ~ 12所示。

可以看出，3种厚度工况下，各方向的振动明显减小，且振动加速度级都处于100 dB以下，振级落差最大达到20 dB。从整体频段来看，10 mm EPDM测得各方向的振动加速度级下降幅度分别提升1.5%、1.46%、1.44%，而15 mm EPDM工况相较于10 mm EPDM工况下降幅度只提升了0.36%、0.25%、0.22%。在峰值频段处，10 mm工况的下降幅度增长了5 dB左右，而15 mm EPDM工况相较于10 mm EPDM工况下降幅度增长了1dB左右。由此可见，随着厚度增加，EPDM对风管减隔振的效果不断增加，且逐渐趋于稳定，由测试的结果可看出，15 mm以下可通过增加厚度的工艺措施来增加橡胶垫对风管的减隔振效果，但厚度超过15 mm之后，其减隔振效果甚微。

4）研究橡胶硬度参数对风管减隔振的影响，选取了10 mm发泡和不发泡2种硬度的EPDM进行试验，其振动加速度频谱如图13 ~ 15所示。

试验结果表明，发泡的EPDM对风管路各个方向有一定的减隔振效果，但效果不及硬度较大的不发泡EPDM好。从数据分析来看，10 mm发泡工况下测得的3个方向的振动加速度全频段分别平均下降2.58%、4.29%、1.37%；10 mm不发泡工况下测得的3个方向的振动加速度全频段分别平均下降9.32%、9.68%、6.83%。试验结果表明，EPDM橡胶的硬度参数对其的减隔振有一定影响，硬度过低，会大大降低其减隔振的效果。

5）研究软管径向安装偏差对风管振动的影响，测试了不同软管径向安装偏差工况下，风管振动传递给安装面各个方向的平均振动加速度，其结果如图16 ~ 18所示。

可以看出，在软管径向安装偏差5 mm工况下测得的振动加速度明显大于其他2种工况，且在200 ~ 500 Hz间，铅锤X方向测得的振动加速度级平均增加10 dB左右。从数据分析来看，软管径向安装偏差2 mm工况下，测得各个方向的平均振动加速度全频段平均上升0.15%、5.05%、0.41%，铅锤X方向和水平Z方向振动变化较小，沿着管路Y方向振动上升明显。且在软管径向安装偏差5 mm工况下，测得的各个方向振动加速度级都有很大上升。软管径向安装状态对风管各方向的振动有一定影响，特别是沿着管路方向的振动上升较大，软管径向偏差越大，风管振动传递越大，建议风管软管径向安装偏差应控制在2 mm以内。

4 结　语

1）试验结果表明，消音装置及弹性减振垫EPDM能有效降低风管路各个方向的振动传递，减振效果达到10%以上，在200 hz以上频段振动加速度级大部分保持在90 dB以下，大大满足了大型客舱振动舒适性要求。

2）EPDM橡胶垫的厚度和硬度材料参数对风管减隔振效果有一定影响。在10 Hz ~ 1 kHz中低频段，从5 mm到10 mm，EPDM的减隔振效果平均提升1.46%左右，而从10 mm到15 mm，EPDM的减隔振效果平均只提升0.25%左右。实船可根据实际情况，通过增加支架处的橡胶垫厚度的措施来提升橡胶垫对风管的减隔振效果，但当厚度超过15 mm之后，其提升效果趋于稳定值。

同时，硬度过低的发泡EPDM大大降低其对风管减隔振的效果。

3）产品的安装状态对其效果有很大的影响，软管径向安装偏差2 mm以内，对沿着风管路的方向影响较大，增加振动达5%，而软管5 mm的径向安装偏差对风管路3个方向振动影响都较大，最大达9%。建议实船严格按照软管径向安装要求进行风管安装，减小软管的径向安装偏差，控制在2 mm以内，从而达到对风管减少振动的目的。