长江上游城市航道船舶噪声控制装置的研制与应用

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长江上游分布有多个重要的经济中心城市，长江、嘉陵江、乌江、汉江等国家高等级航道组成的叶脉状航道体系贯穿这些城市的全境↑年来，船舶流量不断增长，船舶噪声对城市环境和人民群众生活的影响日益突iI'城市航道船舶噪声污染已经成为急需解决的社会焦点问题。以重庆为例 ，在现赤测和走访调查的基础上，经过理论研究 、结构设 计、分析计算和实验测试 ，研制出适用于长江上游城市的船舶噪声控制装置。应用研究表明：该装置具有 良好的噪声控制效果。

2船舶噪声污染现赤测2.1监测方法和内容为了较好地反应人对船舶噪声污染的主观感觉，测取了船舶通过时段内的等效连续 声级 和瞬时峰值 三-。船舶噪声源监测参照空气动力性机械的排气噪声监测方法执行，居民区噪声监测参照城市区域环境噪声监测方法执行 l1I。测量仪器选用AWA62 1 8A噪声统计分析仪，仪器在鉴定合格有效期内，测量前后用声校准器进行校准，灵敏度无飘移。以城区某临江居民小区为样本，在临江侧居民建筑内设置 3个监测点，在航行船舶机舱中设置 1个监测点，在主甲板机舱口设置 1个监测点，共 5个点形成监测断面。根据 GPS定位和电子江图测算，船舶航线距离居民建筑的水平距离为 190m，3、4.5号监测点距江面高度分别为20m、254m、280m，各监测点位置，如图 1所示。

图 1监测点位置示意图Fig.1 Schematic Diagam of Detecting Positions从船舶进入听力明显感觉区域开始监测，各点同步连续监测 5min，船舶驶离后，岸上监测点紧接着连续监测 5min背景噪来稿 日期：2012-09-10基金项目：重庆市教育委员会自然科学基金项目(K.100402)作者简介：娱浩，(1974-)，男，重庆人，博士研究生，讲师，主要研究方向：船舶动力装置设计制造264 娱浩等：长江上游城市航道船舶噪声控制装置的研制与应用 第7期声，监测时段为 22：00时至次日07：00时。

2-2监测结果分析根据监测数据，结合现场调查，得到如下结果：(1)根据我国《城市区域环境噪声标准)(GB3096-93)，穿越城市航道的内河航道两侧区域属于 4类标准适用区域，夜间噪声值不应高于 55 dB(A)。监测区域夜间背景噪声实测值在(52.5～54.5)dB(A)之间，当船舶通过时，噪声值在(56.7～80.7)dB(A)之间，超过国家标准，必须进行船舶噪声污染控制；(2)经机舱监测发现，在船舶柴油机正常运行过程中，距柴油机排气管 lm处的噪声值为 (96～1 10)dB(A)，轮机员操纵盘台处噪声值在(95～lO0)dB(A)之间。按照我国制定的《工业企业噪声卫生标准》，以船员每人每天值班时间 8h计算，连续稳态噪声最大允许声级为 85 dB(A)，船舶机械噪声超过了国家卫生标准；(3)监测发现，干吨以-级船舶经过技术改造，通过期间，监测区域噪声值升高(1～2)dB(A)，对周围环境影响不大；小型货轮的船舶机械噪声(主要是船舶柴油机噪声)使监测区域噪声值最大升高(1o～15)dB(A)，是主要噪声源。

3船舶噪声控制装置的研制3.1噪声控制策略在实际工程中，当船舶建造完成后，重新考虑实施消减噪声的措施，会因船舶整体结构已固定成型，使设计和施工都受到很多局限。同时，考虑到控制措施的经济性和可行性，可采取的船舶机械噪声控制方法有加装消声器”和安装隔声装置”。由于多个城市已经强制要求营运船舶安装了舷外排气管肖声器，目前最具有可行性的噪声控制措施是安装隔声装置”。

32隔声装置结构设计把产生噪声的机器设备封闭在-个小的空间，使它与周围环境隔开，以减少噪声对环境的影响，这种做法叫做隔声。由于内河小型货轮机舱通风条件良好，在此采用全封闭隔声装置把整个柴油机组(除排气管和部分管系外)封闭起来。为解决柴油机的进气和散热问题，减小对机组功率的影响，考虑利用柴油机的进、排气系统，采用自冷式”通风散热。为此，在隔声装置壁面上开设左、右两个进风口，进风口安装低噪声的轴流式风机，左进风口让冷空气流经柴油机表面，再吸入柴油机进气系统的管内，最终通过排气系统将热量传送出去；右进风口正对柴油机进气口，使气流通畅。全封闭隔声装置的结构，如图 2所示。

图2全封闭隔声装置的结构Fig.2 Fully Enclosed Structure of Acoustic Insulation Equipment3.3隔声量计算要使隔声装置在所考虑的噪声频带范围内获得最大的隔声量，必须使降噪后的总声级 取最小值，所以目标函数为：LmiuminI 101g∑10。 )l (1)L 、 i ， J式中：z -第 i个频带的声压级，dB(A)；R -第 i个频带处的降噪量，dB(A o单-隔声部件 的隔声量在T程上常以隔声部件在噪声的6个中心频率处的传声损失的算术平均值 作为其隔声量，即：6 (181gp'l2l -25) (2)式中： -隔声部件的面密度，k咖 -声波激发频率，Hz。

而其透射系数为：)1 10 (3)隔声装置的平均透射系数 和自由声场中的隔声量 天分别为：， 2 2 、(∑ A，/∑，4，) (4)、，I l 。

- (r)-1R101g (5)全封闭隔声装置的隔声量为：RR101g (6)式中： -隔声装置主体材料在噪声 的 6个中心频牢处吸声系数的平均值。

根据公式 (1)～(6)计算，全封闭隔声装置的隔声量局为30.1dB(A)。理论计算结果表明，采用合理的隔声装置结构可使船舶机械的噪声大幅度降低。由于隔声装置的孔洞和缝隙对其降噪效果特别是高频噪声有明显影响，故开口面积应尽量小，隔声装置泄漏面积应控制在总面积的0.1%以内。

3.4隔声量测试船舶柴油机安装全封闭隔声装置后的实际隔声量需要通过试验测定。根据插入损失的方法17-81，在柴油机安装全封闭隔声装置前后同-点(距离排气管 1m处)测量A汁权声压级的差值。隔声装置的实际测试结果为：6135Alaf型 1 10kW柴油机在额定T况下，安装前测得 ，J 为 102.5dB(A)，安装后为 81.3dB(A)，实测隔声量为 21.2dB(A)，且柴油机输出功率正常。因此 ，全封闭隔声装置能有效降低船舶柴油机噪声，并使船员1.作环境满足国家标准的要求。

另据实船测试结果，小型货轮机舱的隔声量约为 lOdB(A)，按照辐射噪声4.5dB(A)/100m衰减，船舶平均离岸水平距离以200m计算，安装隔声装置后的船舶通过时，监测区域的噪声值应不会高于62dB(A)，环境噪声消减应具有明显效果。

4应用研究为验证噪声控制的作用效果 ，在海事管理部门配合下，于夜间 22：00时～次日07：00时，在过往船舶已全面采用噪声控制装置的重庆嘉陵江某航段设置噪声监测点，进行船舶噪声监测♂果表明：安装了隔声装置的小型货轮通过时，船舶机械噪声使监测区域实际噪声升高值在(1～3)dB(A)之间，对周围环境的影响可忽略；监测区域夜间噪声符合我国《城市区域环境噪声标准》。

5结论综合以上结果，研制的船舶噪声控制装置应用效果 良好，达到了预期 目标。 (下转第268页)268 机 械 设计 与制 造No.7July.2013步几个方面进行了讨论论证，得出如下结论： 54，Issues 13，June 1996，Pages765-774(1)使用低阶单元比使用高阶单元更容易收敛，高阶单元的使用增大了计算的非线性度，使迭代计算出现抖动。

(2)过小的网格设置不利于计算的收敛 ，主要是对于橡胶结构-，其变形较大，过小的单元尺寸降低了单元弯曲变形的能力。适当的网格密度既能保证计算精度又可以提高计算的收敛性。

(3)小的接触刚度能提高收敛性，但会增大接触面之间的穿透，使计算结果失真，高的接触刚度使单元刚度矩阵出现病态而不收敛，适当的接触刚度需要反复验算选龋(4)采用拉格朗日乘子接触算法需要较少的平衡迭代，并且因其算法的特点，消除了罚函数法和扩展拉格朗Et乘子法的不可避免的接触穿透问题，是-种较好的选择。

(5)采用载荷步和载荷子步可以大大提高计算的收敛速度，基于橡胶结构非线性的特点，其初始载荷步采用较小的载荷步增量和较大的载荷子步数，有利提高初始变形的不稳定阶段的收敛性，在接触及变形计算逐渐稳定后，可以减小载荷步增量，以及载荷子步数，有利于减小总体平衡迭代次数，加快收敛速度。

(6)根据上述特点，提出了采用等比数列形式的载荷步载荷增量，采用循环求解方式，自动生成等比数列形式的载荷数值，适应了橡胶结构非线性有限元分析中收敛性逐步加强的特点，大大提高了计算速度。

(7)由于等差数列形式的载荷步增量，其载荷在各载荷步之间线性增大，在进行结果的后处理时，较采用等比数列形式的载荷步载荷增量，更容易得到最大接触压力、接触线长度等结果参数随工作载荷线性增加之间的关系曲线。

(8)所述的橡胶结构有限元分析收敛问题的部分对策也适用于其他形式的非线性问题的有限元求解中。