0 引　言

随着国际贸易愈发繁荣，全球化进程逐步提速，海上运输成为各个国家和地区之间进行贸易往来的首选方式。与此同时，人类产生的水下辐射噪声与日俱增，而控制船舶的水下辐射噪声已成为海洋环境保护的重要工作内容，越来越多的国家和船级社层面已将相关技术纳入自身规范体系，并利用其入级船队积极参与相关项目。

随着我国造船行业的快速发展，针对水下辐射噪声的研究不断深入。针对国际组织及各船级社发布的水下辐射噪声的衡准中，国内学者重点比较了不同船级社水下辐射噪声的测量方法、水听器布放方式、数据处理等，为形成各方认可的统一标准提供重要参考意义^{[1 − 3]}。为了精确预估船舶水下辐射噪声水平，分别建立有限元、边界元和统计能量模型计算低频和中高频的辐射噪声^{[4 − 7]}。并且在数值仿真的基础上，不少学者在方案设计阶段根据船舶初步设计、动力设备以及推进型式的选型情况，采用经验公式、工程经验和数据库等相结合的方法进行水下辐射噪声准确评估，确保设计阶段满足水下辐射噪声指标要求^[8,9]。为了提升船舶的声学设计与评估的精确度，验证数值仿真等综合控制技术的有效性，对实船水下辐射噪声进行测试，进而对设计阶段中水下辐射噪声评估的方法进行修正^[10,11]。

我国首艘大型邮轮配有大功率动力系统设备，极易产生水下辐射噪声，对海洋环境以及海洋生物生存发展均产生不利的影响。鉴于我国邮轮设计和建造工作刚刚起步，大型邮轮的水下辐射噪声数据十分缺乏，相关设计也鲜有报道。本文重点分析了大型邮轮水下辐射噪声的振动噪声来源以及传递路径，并通过仿真预报和实船测试分别得出大型邮轮的水下辐射噪声结果，最终分析得出我国大型邮轮的水下辐射噪声特性，为我国后续大型邮轮的设计和建造提供参考。

1 大型邮轮水下辐射噪声源及传递路径

大型邮轮水下辐射噪声源主要包括机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声。其主动力设备产生的机械噪声是影响水下辐射噪声水平的主要噪声源，主要包括主推进装置、柴油发电机组和辅机设备等。大型邮轮共布置2台吊舱推进装置，推进电机完全浸没水中，通过安装法兰与船体结构刚性连接，主要的噪声源为机械噪声和电磁噪声，推进电机水下辐射噪声贡献结果如图1所示。除主推进装置外，全船共布置5台柴油发电机组（分为2个机舱布置，1个机舱布置3台、另1个机舱布置2台）为全船提供动力来源，柴油发电机组采用单层隔振装置进行安装，也是水下辐射噪声的主要贡献源，通过结构噪声和空气噪声2种不同的形式向外传递能量，机脚振动加速度级结果如图2所示。结构噪声是指发电机组机脚振动以及机舱中的空气噪声通过激励船体结构振动向外传递，空气噪声是指柴油发电机组本体的噪声能量直接通过空气向外辐射。

大型邮轮振动噪声的能量传递路径主要分为以下5个部分：

1）发电机组的结构噪声通过设备基座、双层底传递到船体外板，并向水中辐射；

2）发电机组的空气噪声激励船体结构振动，产生结构噪声，并向水中辐射；

3）发电机组的空气噪声直接透射过船体外板，辐射到水中；

4）吊舱推进装置的推进电机浸没在水中，其噪声直接向水中辐射；

5）吊舱推进装置的螺旋桨噪声，直接向水中辐射。

空气噪声一方面直接通过船体外板透射到水下，另一方面通过引起板件结构振动辐射到水下。透射引起的水下辐射噪声经过船体外板、阻尼材料和绝缘包覆等衰减后，影响量级并不大。对于经过处理后的机舱，空气声透射不是主要的噪声源，而更须关注结构噪声，因为结构噪声能传递较远的距离，尤其是低中频噪声能引起较大区域的全船振动。

因此大型邮轮发电机组的结构噪声是机械噪声源最重要的传递途径，设备结构噪声从设备机脚经过隔振装置传递到船体基座，通过基座传递到船体结构双层底，最后传递到船体外板，这些船体外板的振动产生水下辐射噪声。图3为大型邮轮机舱区域柴油发电机组结构噪声传递路径示意图。

螺旋桨噪声是由螺旋桨与流体相互作用所产生的噪声，它由螺旋桨空化噪声、唱音和螺旋桨叶片旋转噪声组成。因此螺旋桨在设计选型时，进行合理的低噪声设计。同时，在设计阶段根据船体尾部型线进行伴流场及流噪声分析等，并针对性的进行叶梢载荷卸载设计，同时结合桨模试验进行验证，确保上船前螺旋桨噪声能够满足要求。

水动力噪声属于流体动力学噪声的一种，是船舶在海面运动时形成的水流内部应力和船体与水流之间压力共同作用的结果，其中包含由于船体曲面或附体在运动中激起的下泄气泡以及涡流带来的噪声，因此在船型设计时需对船体线型和附体布置进行优化以减少水动力噪声。

2 水下辐射噪声预报及测试 2.1 仿真预报结果

根据有限元模型及舱室布置图，建立如图4所示的水下辐射噪声声学模型，包括带加强筋的平板、声腔、半无限流场监测点，根据船舶实际功能考虑相应开口区，建立外部半无限流场，模拟水下辐射噪声监测点。本文重点关注的是大型邮轮水下辐射噪声的声压级，因此给出辐射声压级的计算结果。根据电力负荷计算书，结合大型邮轮测试工况，考虑全船设备在测试工况下的开启情况，尤其是柴油发电机组和吊舱推进装置，得出大型邮轮水下辐射噪声总体评估结果如图5所示。

2.2 实船水下辐射噪声测试

本次测试参考CCS《船舶水下辐射噪声指南》（2018）版中的单水听器方法进行水下辐射噪声测试，测试环境满足指南要求。测试所得结果为水下辐射噪声声压级，测量频率范围为10 Hz～10 kHz（1/3倍频程）。

测量时最小会遇距离大于150 m，并小于300 m，在满足海况和测试条件下，大型邮轮按图6的机动方式自由航行通过水听器，航行过程中应尽可能不使用舵和侧推并保证直线航行。

当大型邮轮船首在距最小会遇点（Closest Points of Approach，CPA）船长长度航程时开始数据记录，当大型邮轮通过CPA点后，且船尾距CPA点船长长度航程时结束数据记录。大型邮轮在同一工况下，分别在往返方向进行测量，测量结果为往返方向测量数据的能量平均，其中15 kn工况往返2次。

测试前，水听器的位置和深度误差应在±2 m以内，船舶位置应使用差分GPS或等效导航设备进行记录。

大型邮轮在15 kn航速下进行水下辐射噪声测量时，航向固定。表1为水下辐射噪声测试时的大型邮轮运行情况。

2.3 数据分析

图7为大型邮轮以航速15 kn通过CPA点时，在58 m深处水听器接收信号的时频图，在数据记录的时间段内被测船保持匀速直线行驶，在CPA点附近时，水听器接收到的水下辐射噪声信号最为强烈。图8为15 kn时测量值经过背景噪声修正和传播损失补偿后的辐射噪声源声压级，折合到距离声源1 m位置1/3倍频程的测试结果。

为了得到距声源参考距离1 m处的水下辐射噪声声压级，需要考虑由于声音在水中传播所导致的传播损失，按下式对水下辐射噪声声压级进行距离传播损失修正：

$\mathit{L} _{ \mathit{po} } \mathit{=L} _{ \mathit{p} } \mathit{+L} _{ \mathit{T} }，$

(1)

$L_T =18{\rm{lg}}r。$

(2)

式中：L_po为经距离修正的距声源参考距离1 m处的水下噪声声压级，dB；L_p为经背景噪声修正的频带声压级；L_T为距离修正量，dB；r为声源与水听器之间的距离，m。

并将4航次水听器测得的水下辐射噪声声压级按照式（3）进行能量平均，最后得到15 kn的水下辐射噪声声压级。

${L_J} = 10\log \left( {\frac{1}{n}\sum\limits_{i = 1}^n {{{10}^{\frac{{{L_{p{\text{o}}i}}}}{{10}}}}} } \right) 。$

(3)

式中：L_J为水下辐射噪声声压级均值，dB；L_poi为每航次的水下辐射噪声声压级，dB；n为航次数。

另外，考虑自由液面与海底的反射效应，各1/3倍频程频带声压级应进行−5 dB的修正。

将预报结果与实船水下辐射噪声测试结果进行对比，结果如图8所示。在40～10000 Hz频段内，仿真预报和实船测试的结果具有高度一致性。通过实测数据计算得出，大型邮轮的水下辐射噪声在10 Hz～10 kHz频段内的总声级约175 dB，可见大型邮轮水下辐射噪声问题值得重点关注和解决。

可知，在10 -25 Hz频段范围内水下辐射噪声测试结果比预报结果大，主要原因在于大型邮轮在浅水区域测试，低频段会受到较大的海洋环境背景的影响，另一方面水听器对水下辐射噪声的低频部分敏感性略差。水下辐射噪声从中心频率315Hz开始，噪声声压级表现为逐渐降低并趋于平缓，与海洋环境噪声是一个低频段噪声声压级高，高频段噪声声压级低的趋势相一致。在低中频段水下辐射噪声的能量较高，其幅值明显大于高频段，并且与以往经过水下辐射噪声控制后科考船的低中频段幅值相比，该频段的水下辐射噪声幅值也异常突出，并存在多处峰值频率。通过对比发现，造成部分峰值的主要原因来自主动力设备的机械噪声和螺旋桨的激励力，如柴油发电机组的发火频率等，可见低中频段仍是大型邮轮水下辐射噪声控制的重点和难点。

3 水下辐射噪声控制方法

大型邮轮的水下辐射噪声控制需要贯穿于整个船舶设计、建造和试验过程，尤其在初步设计阶段就应将船舶水下辐射噪声的低噪声设计纳入到总体设计中，以下为大型邮轮水下辐射噪声控制的主要思路：

1）初步设计阶段对主要动力设备振动噪声指标进行限制，如在主机、柴油发电机组选型和设计阶段制定具体的浮筏隔振或者双层隔振方案；油水泵组、空压机、冷水机组等辅机设备进行隔振处理；推进电机尽可能选择静音型，必要时进行弹性安装，可以极大地降低主动力设备的结构噪声传递，并在台架试验和系泊阶段对设备的振动噪声进行充分的摸底测试。

2）对螺旋桨进行静音设计，尽量控制空泡初生和过大时的激振力。同时，需要关注螺旋桨的鸣音现象，并采取必要的控制手段。

3）如采用全回转推进装置，需要在初步设计阶段对其进行振动噪声的指标分配，并按照分配的指标进行水下辐射噪声控制。对于吊舱式推进器需要重点关注水下部件（推进电机）的振动响应、电磁噪声、变频器开关频率，以及考虑是否设置滤波器等。对于齿轮式全回转推进器，则需要重点关注推进器的齿轮啮合频率处的振动噪声，并关注齿轮传动比、齿轮加工精度以及齿轮接触面积等。

4）总体布局上对舱室进行合理的布置，设置必要的噪声隔离舱，阻断主动力设备和推进装置等振动噪声的传递，降低对水下辐射噪声的影响。

5）在一定区域采取必要的阻尼、消声、隔声和吸声措施等。

6）测试过程避免声学设备的干扰，如计程仪、测深仪等。

4 结　语

1）本文系统性地研究了大型邮轮水下辐射噪声测量方法，并在国内首次进行了大型邮轮水下辐射噪声测试，填补了国内缺失大型邮轮水下辐射噪声数据的空白。

2）文中通过系统地介绍大型邮轮水下辐射噪声的声源和路径传递，并通过对仿真预报和实船测试的数据进行分析，系统地研究了大型邮轮的水下辐射噪声特性，为后续大型邮轮的设计和建造提供了支撑。

3）水下辐射噪声是大型邮轮一个重要的设计性能，应根据实际不同项目的需求在设计过程中综合考虑和选择对应水下辐射噪声的等级符号，并根据等级要求制定合适的水下辐射噪声控制措施。

4）船舶水下辐射噪声的控制水平是大型邮轮设计和建造的技术难点，需要将水下辐射噪声控制技术在初步设计阶段纳入总体设计之中，并贯穿整个船舶设计、建造和试验过程。