0 引　言

科考船往往将机舱风机集中布置在风机室内，而风机室一般靠近生活区、紧邻上建区域。机舱风机作为振动噪声源是引起局部振动，造成附近舱室和开敞区域噪声超标的主要原因。因此，采用一种高效的低噪声协同控制方案对降低机舱风机室振动噪声有着十分重要的作用^{[1 − 4]}。

针对风机引起的振动噪声问题，闫莹等^[5]提出一种将风机声源特性与系统声传播过程解耦的噪声源建模方法，着重分析了风机气动声源特性。李宇轩等^[6]基于声学有限元方法，探究风机辐射噪声数值模拟的准确性，上述风机气动噪声预报研究为解决风机噪声提供了依据。为了解决轴流风机运转时产生的气动噪声问题，印玮等^[7]结合仿生学原理对轴流风机叶轮进行仿生改进设计，使得风机全压在全流量范围内均有不同程度的降低。郑楠等^[8]深入分析了齿形襟翼不同齿长对风机性能、气动噪声及内流特征的影响及内在机理，在改善效率、全压和降噪方面得到综合性能最优的结构型式。针对机舱风机振动噪声控制，刘媛等^{[9 − 10]}则根据风机噪声特性，综合实船管系风道布置进行分析，优选出适合船舶风机噪声控制的方法。在目前的工程问题中，对机舱风机室的振动噪声控制通常是被动进行考虑，或在设计阶段被忽略，而系统的风机室低噪声协同控制方案更无过多论述。

本文针对综合科考船机舱风机室提出一种高效低噪声协同控制方案，对协同控制措施进行深入分析，明确低噪声设计思路，并通过实船测试确定协同控制方案的减振降噪效果，为船舶风机室振动噪声控制提供系统化方案和参考。

1 指标要求及风机参数

本船为综合科学考察船，航行于无限航区，具备综合保障能力、综合科考能力、综合功能拓展能力，对全船的振动噪声指标要求极为严格，该船关于振动噪声的船级符号如下：

中国船级社（CCS）：舱室振动噪声符号分别为G-ECO(NOI 1)和G-ECO (VIB 1)；水下辐射噪声符号为UW。

根据船级符号和技术协议指标要求，机舱风机室百叶窗出口1 m处噪声不大于75 dB(A)；机舱风机需隔振处理，隔振效果不低于15 dB。

本船机舱风机室左右舷对称布置，每个风机室内设置2台低噪声立式轴流变频风机，其中1台为可逆转风机，其主要参数如表1所示，风机本体噪声声压级为101 dB(A)，远远超过“开敞娱乐区域”75 dB(A)的限值要求。

2 低噪声协同控制研究

对于机舱风机室振动噪声的协同控制一般可以从声源和传递路径上出发，即综合考虑采用低噪声风机、风机消声隔振处理、风机室吸隔声处理等措施的有效性、经济性和施工便利性。

2.1 机舱风机隔振处理

在以往工程船舶项目中，机舱风机大多数采用刚性安装，随着各项振动噪声法规以及科考船对舱室舒适性的严格要求，机舱风机作为船舶主要的振动激励源，对其振动的控制显得异常重要。机舱风机隔振处理的主要目的是抑制风机的振动噪声向外传递，避免引起局部结构振动，造成舱室噪声超标，甚至船舶自噪声超标等问题。

隔振装置一般分为单层隔振、双层隔振或浮筏隔振，单层隔振是动力设备和安装基座间设置一层隔振器，双层隔振为设备和安装基座间设置2层隔振器，浮筏隔振为多台设备采用公共筏架，同时进行隔振安装。单层隔振的隔振效果一般为15～20 dB，双层/浮筏隔振的隔振效果达30 dB以上。根据机舱风机使用特性和激励特性综合考虑，对机舱风机进行单层隔振处理，为了匹配机舱风机，隔振器可选用圆柱型螺栓隔振器。

2.2 风机室舱壁吸声处理

因风机室空间相对较小，若室内未进行任何吸声处理，风机噪声经过壁面的反射作用，将产生明显的混响声，通过百叶窗传递至甲板。

房间内做吸声处理后平均降噪量一般按下式计算：

$ \Delta L = 10\lg \frac{{{\alpha _1}}}{{{\alpha _2}}}。$

(1)

式中：∆L为平均降噪量，dB；α₁和α₂分别为处理前后房间内的平均吸声系数。

单层匀质钢板100～3150 Hz的隔声量（dB）经验公式为：

$ \mathit{R}\mathrm{=13.5}{\text{lg}}\mathit{M}\mathrm{+13} 。$

(2)

式中：M为板的面密度，kg/m²。

为了进一步验证舱壁吸声处理效果，在实验室中建立一个风机室，选择相似规格的风机进行试验。试验所用百叶窗为普通百叶窗，实验过程对所有钢板表面和天花舱壁粘贴50 mm厚的玻璃棉进行吸声处理，并外敷1 mm厚的防锈穿孔板，分别在粘贴吸声材料前后进行噪声测试。壁面吸声处理前后如图1和图2所示，测试结果如表2所示。

从减振降噪的效果来看，对风机室壁面进行吸声处理，可显著降低室内混响，使得风机室内噪声和百叶出风口等位置均得到降低。其中，风机室百叶窗窗外1 m处噪声降低4.4 dB(A)，风机室内噪声仅降低5.3 dB(A)，说明对风机室壁面吸声处理有一定的降噪效果，但吸声效果有限，本船风机室在采取上述吸声措施的同时，还需要进一步采取其他低噪声控制措施。

2.3 消声器选择

消声器是消除风机空气动力性噪声最有效的方式之一。针对机舱风机室消声器一般分为圆筒式、大型片式和大型阵列式3种结构，综合来看，圆筒式消声器直接与风机相连，是目前采用较多的方式之一，由于受到风机室结构、空间限制，消声器长度会进行约束，导致消声效果略差；而大型片式和大型阵列式消声器能够分散布置在百叶窗和风机之间，可以更有效地利用空间进行降噪，整体而言，片式次之，阵列式最好，但是这种消声器往往是非标设计，对设计和现场安装具有较大挑战。

本船机舱风机为德国进口的低噪声风机，结合风机室结构和船厂施工可操作性，因此风机消声器采用圆筒式结构，安装于风机上方。为了使风机室百叶窗出口1 m处噪声达到指标要求，消声器消声量须不低于10 dB(A)，消声器出口1 m处的噪声须不超过85 dB(A)。

2.4 消声百叶窗

消声百叶窗一般对中高频的噪声具有明显的效果，消声量为5～15 dB，其消声性能主要取决于单片百叶的形式、间距、安装角度及有效消声长度等因素。

本船消声百叶窗采用单层进行安装，通过叶片合理的布置衰减噪声的辐射，且叶片下侧设置微孔进行噪声吸收，消声量约10 dB(A)，消声百叶窗结构示意图如图3所示。

2.5 低噪声协同控制方案

为了达到机舱风机室百叶窗出口1 m处噪声不大于75 dB(A)；机舱风机隔振装置的隔振效果不低于15 dB的指标要求，采用低噪声协同方案进行高效的振动噪声控制。本船风机室低噪声协同方案具体为：

1）风机采用单层隔振装置，隔振效果不低于15 dB；

2）风机上方增加圆筒型消声器，消声量不低于10 dB(A)；

3）风机室舱壁和天花进行吸隔声处理，粘贴50 mm厚的玻璃棉，并外敷1 mm厚的防锈穿孔板，消声量约5 dB(A)；

4）采用消声百叶窗，消声量达到10 dB(A)。

3 实船测试验证

为了确定低噪声控制措施的协同作用效果，在船舶试航阶段对机舱风机减振装置和风机室内外噪声进行测试验证。

3.1 机舱风机隔振效果测试

机舱风机隔振处理如图4所示，风机以额定功率稳定运行时，对机舱风机单层隔振装置的隔振效果进行测试，频率范围为10 Hz～10 kHz，得到各测点1/3倍频程振动加速度，振动加速度级的计算参考值为10⁻⁶ m/s²。

机舱风机单层隔振装置的隔振效果采用振级落差法进行评定。即，机脚振动加速度级减去基座振动加速度级得到的值称为振级落差，计算式为：

$ \mathit{L}_{\mathit{A}}\mathrm=\mathit{L}_{\mathit{AS}}\mathrm-\mathit{L}_{\mathit{AC}}。$

(3)

式中：L_A为隔振效果，dB；L_AS为被测设备机脚平均振动加速度级，dB；L_AC为基座平均振动加速度级，dB。

对测试数据进行分析，得出机舱风机机脚和基座振动加速度级1/3倍频程如图5所示。

在10 Hz～10 kHz频段范围内，机舱风机机脚振动加速度级总值为137.2 dB，基座振动加速度级总值为121.7 dB，隔振效果达到15.5 dB，这说明单层隔振装置满足指标要求，具有优良的减振效果，能够衰减风机设备引起的振动，避免其振动进一步传递到甲板和附近舱室。

3.2 风机室噪声测试

图6～图7为风机室低噪声控制措施（局部安装示意图），在风机稳定运行时，对风机室内外不同测点进行噪声测试，频率范围为20 Hz～20 kHz，得到各测点1/3倍频程噪声声压级，噪声声压级的计算参考值为20 uPa。

噪声测量结果如表3和图8所示，可得出：

1）风机室左舷和右舷百叶窗外1 m处噪声声压级分别为74.2 dB(A)和73.5 dB(A)，低噪声协同控制方案合理，满足技术指标要求。

2）因减振降噪设备已安装完成，测点位置空间受限，无法测得风机上方消声器消声量，仅能推算得到消声器消声量达到10 dB(A)以上，符合设计要求。

3）消声百叶窗内外声压级之差约10 dB(A)，符合设计要求。

4 结　语

本文通过对综合科考船风机室低噪声协同控制研究，在分别采取风机隔振处理、壁面吸声处理、消声器布置、设置消声百叶窗等措施后，高效地降低了机舱风机振动噪声传递到船体结构和附近舱室，该方案使得机舱风机减振装置有较好的隔振效果，隔振效果可达15 dB以上；风机室百叶窗出口1 m处噪声声压级低于“开敞娱乐区域”75 dB(A)的限值要求，协同控制效果显著，最大程度地减少使用过程中的瑕疵。本协同控制研究可为同类型科考船或其他类型船舶的风机室振动噪声控制提供设计参考和支持。