船舶噪声第08章
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– 螺旋桨噪声 • 螺旋桨唱音 螺旋桨唱音是螺旋桨叶片拍击、切割水流而 引起的，也称为旋转噪声，它为线谱噪声分 量。其频谱的频率： f m = mns
式中，n是螺旋桨叶片数；s是螺旋桨转速；m是 谐波次数。 螺旋桨唱音是潜艇低频段（1~100Hz）噪声的主要 成分。 常识：频谱特性是声纳识别目标和估计目标速度的 依据。
5
•
船舶噪声源及其一般特性
– 机械噪声 • 结论： （1）船舶噪声为强线谱加弱连续谱的迭加， 与船舶航行状态及机械工作状态密切相关， 一般较复杂、多变； （2）机械噪声是船舶噪声低频段主要成分。 – 螺旋桨噪声 • 螺旋桨噪声：螺旋桨空化噪声和螺旋桨叶片 振动辐射噪声。
6
•
船舶噪声源及其一般特性
24
结构噪声
• 结构噪声泛指由于机体振动传播所辐射的 噪声，包括振动传至机舱以外的其他舱室 中所辐射的噪声，也包括振动传至船板壳 向水中辐射的噪声。 • 其中振动传播的途径为：阻尼固定件、基 座、安装结构、船体结构，以及管路轴系 等非支撑构件。
25
燃气轮机
• 也主要有三种形式：进排气噪声、机体辐 射噪声和结构噪声。 • 一般情况下，其机体辐射噪声和结构噪声 要比柴油机小，但由于它需要的空气量 大，其进排气噪声要比柴油机大。
2
• 船舶噪声的噪声谱
– 噪声谱基本类型 • 连续谱； • 线谱； • 船舶噪声为线谱和连续谱的迭加。
3
•
船舶噪声源及其一般特性
– 船舶噪声源分为三大类 • 机械噪声 主机：柴油机、主电动机、减速器 辅机：发动机、泵、空调设备 • 螺旋桨噪声 螺旋桨空化 螺旋桨叶片振动 • 水动力噪声 水流辐射噪声；空腔、板和附件的共振等
23
机体辐射噪声
• 机体辐射噪声是由于机体振动而在机舱内 辐射的噪声，主要来源有两个：一个是由 于气缸内高压燃烧气体的冲击作用，使气 缸盖和活塞产生振动而辐射的噪声，称为 燃烧噪声；另一个是由于各种机械力（如 活塞冲击气缸、气阀机构撞击、齿轮啮合 时的撞击和各种往复不平衡力和力矩等） 而引起机体某些部件振动而辐射的噪声。
14
•
船舶噪声源及其一般特性
– 水动力噪声 • 根据布洛欣采夫理论，水动力噪声强度主要 与航速有关：
I w = kv
n
式中，k为常数，v是航速，n是与航船水 下线形等因素有关的一个量。 提示：一般情况，舰船水动力噪声小于机 械噪声和螺旋桨噪声。
15
•
噪声源概要
– 主要噪声源是机械噪声和螺旋桨噪声，二者贡 献的大小取决于频率、航速和航深。对于给定 的航速和航深，存在一个临界频率，低于此频 率时，谱的主要成分是机械和螺旋桨的线谱； 高于此频率时，谱主要成分是螺旋桨空化的连 续谱。 提示：通常舰艇的临界频率为 100Hz~1000Hz，取决于船的种类、航速和航 深。
30
船用机械空气噪声级的数据
机械类型 主内燃机 柴油发电机组 主齿轮传动涡轮机组 涡轮发电机组 空气噪声级 / dB(A) 100～110 105～110 95 100
31
船用机械空气噪声级的数据
机械类型 机舱通风机 滑油泵 水泵 主电动机 空气噪声级 / dB(A) 105 115 105 95
17
• 船舶噪声控制方法分类 – 声源控制：采取措施抑制和降低声源的 噪声，是控制和降低舰船噪声最根本/最 积极方法；措施——改进机械设计、采 用合理的机械结构、改革工艺和操作方 法、提高加工精度和装配质量等。 – 传播途径控制：使噪声源发出的噪声在 传播过程中被减弱和抑制；措施——采 取阻尼、隔声（振）或减振的办法、采 取吸声结构等。
11
•
船舶噪声源及其一般特性
– 螺旋桨噪声 • 螺旋桨空化噪声 3）螺旋桨空化噪声与航深关系：
a）航行深度增加，临界航速提高，空化噪 声级增加。
4）螺旋桨空化噪声还与其它因素有关，例 如螺旋桨损坏、加速、转向等因素。 注意：水面舰船的螺旋桨空化噪声—航速关系 不是S形，关系复杂。
12
•
船舶噪声源及其一般特性
32
噪声源空气噪声级和结构噪声级估算
• 噪声源有空气噪声激励和结构振动激励两方面。 • 在进行舱室噪声计算预报前，首先需要明确主要 噪声源设备以及主要噪声源设备所在舱室位置、 设备名称、设备型号、设备数量、功率、转速和 质量等，以确定主要噪声源设备的空气噪声级和 结构噪声级。噪声源设备的空气噪声级和结构噪 声级应由设备制造厂商提供或根据实测数据确 定。在设备制造厂商没有提供或没有实测数据的 情况下，可由SNAME （The Society of Naval Architects and Marine Engineers） 建议的计算 公式进行估算[1] ，见附录A。
18
• 机械噪声的控制
– 主要源：柴油机、燃气轮机、鼓风机、齿轮传 动装置、液压机械和电机等。 – 控制措施： • 设计合理的机械结构； • 改善机械的工作状态； • 避免结构共振； • 完善机械制造工艺，提高加工精度； • 提高安装精度，严格操作规程，注意维护保 养。
19
• 螺旋桨噪声的控制
– 控制螺旋桨空化最根本办法是避免或推迟空化 现象。采取措施： • 采用正反螺旋桨，减小尾流的旋转，降低水 动力噪声； • 增大螺旋桨盘面比，减小负荷强度；增大螺 旋桨直径，减低螺旋桨转速，使负压区推迟 出现或压差变小，推迟空化的产生； • 增加螺旋桨叶片数，使水趋于均匀，负压减 小，推迟空化产生； • 螺旋桨叶片上打孔，改变螺旋桨的几何参 数； 20
22
柴油机
• 最主要的噪声源之一，其噪声主要有三种 形式：进排气噪声、机体辐射噪声和结构 噪声。 • 进排气噪声一般表现在中低频，其大小和 机器的类型、转速、功率以及进排气管道 的长度有关。其频谱中常常可以看见许多 线状的单频分量，但当转速很高时，由排 气气流产生的宽带高频分量有时会成为主 要分量。
16
•
噪声源概要
– 此外，还有由于船体振动而产生的噪声
• 是船体结构由于主辅机和螺旋桨的扰动力、各种机 械和波浪的冲击力引起船体振动而产生的噪声 • 如螺旋桨叶片与水相互作用时叶片上出现动力，这 些力经过结构通道（如经轴系中的支点轴承和推力 轴承）和水通道传递给船体，引起船体振动而产生 噪声。噪声的频谱可能包含轴频、叶频和倍叶频 等。 • 船体的振动固有频率除高阶振动外，一般都在次声 区内 • 船体振动会使船体壳板、盖板等局部结构和个别零 件等发出噪声。
27
齿轮传动装置噪声
• 是齿轮在啮合时引起的振动所辐射的空气 噪声和结构噪声。 • 它由一系列单频噪声构成，如齿轮啮合频 率，旋转频率、啮合固有频率和齿轮固有 频率等，这些和转数、齿轮的齿数、载荷 以及齿轮制造精度等有关。
28
液压噪声
• 主要是液压泵噪声，它是在对流体加压过 程中引起泵体的振动所产生的空气和结构 噪声。另外在泵的输出口的脉动容积流也 会向管路辐射噪声。液压泵的噪声呈明显 的单频分量，其频率大小与泵的转数、泵 中的叶片数或柱塞数成正比。 • 液压系统中常见的噪声还有阀门噪声和其 他管路噪声，一般呈宽带特性。
• 螺旋桨噪声的控制
• 使船尾有良好线型，可以改善叶片上的压 力、速度分布，推迟空化产生。 – 控制螺旋桨唱音根本办法 • 增加桨叶阻尼，减小振动或改变螺旋桨的固 有频率，避免共振； • 采用高阻尼合金材料制造螺旋桨，可以消除 螺旋桨产生唱音。
21
• 水动力噪声的控制
– 控制水动力噪声的措施 • 改进船体线型；保持船体光滑； • 减少船体上不必要的开孔和突出物； • 将船体尾部与螺旋桨设计同轴的回转体，推 迟空化产生。
– 螺旋桨噪声
• 螺旋桨空化噪声 螺旋桨旋转时，叶片尖上和表面上产生空化。
Blade Tip Cavitation
Water Flow
Sheet Cavitation
Water Flow
7
•
船舶噪声源及其一般特性
– 螺旋桨噪声
• 螺旋桨空化噪声 1）螺旋桨空化噪声是船舶噪声高频段主要成 分，且为连续谱，其典型频谱如下图。
9
•
船舶噪声源及其一般特性
– 螺旋桨噪声
• 螺旋桨空化噪声 1）空化噪声产生条件：航速大于舰船临界航 速。
10
•
船舶噪声源及其一般特性
– 螺旋桨噪声 • 螺旋桨空化噪声 2）螺旋桨空化噪声与航速关系：
a）航速低于临界航速，空化噪声级很低（未 发生空化）； b）航速增大至临界航速，空化噪声级急剧增 大（空化发生、发展）； c）航速继续增大，空化噪声级基本趋于稳定 （空化充分）。
29
电机噪声
• 一般不占主要地位。其中的电磁噪声是由 于不平衡的电磁力使电机产生电磁振动所 引起的。其频率和转子转数、转子槽数成 正比，大小和电机功率有关。对于交流电 机，还有由基波磁通引起的定子铁心的磁 致伸缩现象而引起的磁噪声，其频率为电 源频率的两倍。电机噪声还包括轴承噪 声、风扇噪声、电刷噪声等。
4
•
船舶噪声源及其一般特性
– 机械噪声 • 机械噪声是航行或作业舰船上的各种机械的振动， 通过船体向空气和水中辐射而形成的噪声。 • 产生机理： （1）不平衡的旋转部件（电机电枢等）； （2）重复的不连续性（齿轮、涡轮机叶片等）； （3）往复部件（汽缸的爆炸）——产生线谱噪声， 其成分是振动基频及其谐波分量 （4）流体空化和湍流及排气（泵、管道Leabharlann Baidu凝汽器 等）； （5）机械摩擦（轴承等）——产生连续谱噪声。
8
•
船舶噪声源及其一般特性
– 螺旋桨噪声 • 螺旋桨空化噪声 2）频谱特点：在高频段，谱级随频率以 6dB/Oct斜率下降；在低频段随频率增高而 增高；谱峰（100Hz~1000Hz）随航速和深 度而变化，当航速增加和深度变浅时，谱峰 向低频移动。 3）原因：高航速和浅深度时，易产生空化 气泡，产生低频噪声，使谱峰向低频端移 动。
13
•
船舶噪声源及其一般特性
– 水动力噪声 • 水动力噪声是由不规则的、起伏的海流流过 运动船只表面而形成的，是水流动力作用于 舰船的结果。产生机理： 1）水流激励壳体振动或壳体上某些结构 （叶片、空穴腔体等）共振； 2）湍流附面层产生的流噪声（粘滞流体特 性）； 3）航船拍浪声（船首、船尾）、船上循环 系统进水口和排水口的辐射噪声。
• [1] SNAME. Design guide for shipboard airborne noise control. Technical and research bulletin No. 3-37, 1983
33
26
鼓风机
• 主要是空气动力噪声，分为旋转噪声和涡 流噪声两部分。 • 旋转噪声是指当气流流过叶片时，所产生 的不均匀气流所辐射的噪声，其频率与转 数、叶片数成正比，在频谱中有明显的分 离谱。 • 涡流噪声则是由于气流流过叶片时，产生 的紊流附面层以及旋涡和旋涡分裂脱体而 在叶片上引起的压力脉动所造成的。
第八章 船舶噪声源
• 引言
– 船舶噪声特点 • 噪声源（推进器、转动和往复式机械、各种 泵等）繁多、集中，噪声强度大，频谱成分 复杂。 – 船舶噪声的危害： • 使工作环境恶化，降低了工作效率； • 损害操作人员的身心健康； • 降低了船舶及其设备的使用效果和寿命； • 破坏了舰船的隐蔽性； • 干扰本舰的水声设备（自噪声）。
式中，n是螺旋桨叶片数；s是螺旋桨转速；m是 谐波次数。 螺旋桨唱音是潜艇低频段（1~100Hz）噪声的主要 成分。 常识：频谱特性是声纳识别目标和估计目标速度的 依据。
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船舶噪声源及其一般特性
– 机械噪声 • 结论： （1）船舶噪声为强线谱加弱连续谱的迭加， 与船舶航行状态及机械工作状态密切相关， 一般较复杂、多变； （2）机械噪声是船舶噪声低频段主要成分。 – 螺旋桨噪声 • 螺旋桨噪声：螺旋桨空化噪声和螺旋桨叶片 振动辐射噪声。
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船舶噪声源及其一般特性
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结构噪声
• 结构噪声泛指由于机体振动传播所辐射的 噪声，包括振动传至机舱以外的其他舱室 中所辐射的噪声，也包括振动传至船板壳 向水中辐射的噪声。 • 其中振动传播的途径为：阻尼固定件、基 座、安装结构、船体结构，以及管路轴系 等非支撑构件。
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燃气轮机
• 也主要有三种形式：进排气噪声、机体辐 射噪声和结构噪声。 • 一般情况下，其机体辐射噪声和结构噪声 要比柴油机小，但由于它需要的空气量 大，其进排气噪声要比柴油机大。
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• 船舶噪声的噪声谱
– 噪声谱基本类型 • 连续谱； • 线谱； • 船舶噪声为线谱和连续谱的迭加。
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船舶噪声源及其一般特性
– 船舶噪声源分为三大类 • 机械噪声 主机：柴油机、主电动机、减速器 辅机：发动机、泵、空调设备 • 螺旋桨噪声 螺旋桨空化 螺旋桨叶片振动 • 水动力噪声 水流辐射噪声；空腔、板和附件的共振等
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机体辐射噪声
• 机体辐射噪声是由于机体振动而在机舱内 辐射的噪声，主要来源有两个：一个是由 于气缸内高压燃烧气体的冲击作用，使气 缸盖和活塞产生振动而辐射的噪声，称为 燃烧噪声；另一个是由于各种机械力（如 活塞冲击气缸、气阀机构撞击、齿轮啮合 时的撞击和各种往复不平衡力和力矩等） 而引起机体某些部件振动而辐射的噪声。
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船舶噪声源及其一般特性
– 水动力噪声 • 根据布洛欣采夫理论，水动力噪声强度主要 与航速有关：
I w = kv
n
式中，k为常数，v是航速，n是与航船水 下线形等因素有关的一个量。 提示：一般情况，舰船水动力噪声小于机 械噪声和螺旋桨噪声。
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噪声源概要
– 主要噪声源是机械噪声和螺旋桨噪声，二者贡 献的大小取决于频率、航速和航深。对于给定 的航速和航深，存在一个临界频率，低于此频 率时，谱的主要成分是机械和螺旋桨的线谱； 高于此频率时，谱主要成分是螺旋桨空化的连 续谱。 提示：通常舰艇的临界频率为 100Hz~1000Hz，取决于船的种类、航速和航 深。
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船用机械空气噪声级的数据
机械类型 主内燃机 柴油发电机组 主齿轮传动涡轮机组 涡轮发电机组 空气噪声级 / dB(A) 100～110 105～110 95 100
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船用机械空气噪声级的数据
机械类型 机舱通风机 滑油泵 水泵 主电动机 空气噪声级 / dB(A) 105 115 105 95
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• 船舶噪声控制方法分类 – 声源控制：采取措施抑制和降低声源的 噪声，是控制和降低舰船噪声最根本/最 积极方法；措施——改进机械设计、采 用合理的机械结构、改革工艺和操作方 法、提高加工精度和装配质量等。 – 传播途径控制：使噪声源发出的噪声在 传播过程中被减弱和抑制；措施——采 取阻尼、隔声（振）或减振的办法、采 取吸声结构等。
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船舶噪声源及其一般特性
– 螺旋桨噪声 • 螺旋桨空化噪声 3）螺旋桨空化噪声与航深关系：
a）航行深度增加，临界航速提高，空化噪 声级增加。
4）螺旋桨空化噪声还与其它因素有关，例 如螺旋桨损坏、加速、转向等因素。 注意：水面舰船的螺旋桨空化噪声—航速关系 不是S形，关系复杂。
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船舶噪声源及其一般特性
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噪声源空气噪声级和结构噪声级估算
• 噪声源有空气噪声激励和结构振动激励两方面。 • 在进行舱室噪声计算预报前，首先需要明确主要 噪声源设备以及主要噪声源设备所在舱室位置、 设备名称、设备型号、设备数量、功率、转速和 质量等，以确定主要噪声源设备的空气噪声级和 结构噪声级。噪声源设备的空气噪声级和结构噪 声级应由设备制造厂商提供或根据实测数据确 定。在设备制造厂商没有提供或没有实测数据的 情况下，可由SNAME （The Society of Naval Architects and Marine Engineers） 建议的计算 公式进行估算[1] ，见附录A。
18
• 机械噪声的控制
– 主要源：柴油机、燃气轮机、鼓风机、齿轮传 动装置、液压机械和电机等。 – 控制措施： • 设计合理的机械结构； • 改善机械的工作状态； • 避免结构共振； • 完善机械制造工艺，提高加工精度； • 提高安装精度，严格操作规程，注意维护保 养。
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• 螺旋桨噪声的控制
– 控制螺旋桨空化最根本办法是避免或推迟空化 现象。采取措施： • 采用正反螺旋桨，减小尾流的旋转，降低水 动力噪声； • 增大螺旋桨盘面比，减小负荷强度；增大螺 旋桨直径，减低螺旋桨转速，使负压区推迟 出现或压差变小，推迟空化的产生； • 增加螺旋桨叶片数，使水趋于均匀，负压减 小，推迟空化产生； • 螺旋桨叶片上打孔，改变螺旋桨的几何参 数； 20
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柴油机
• 最主要的噪声源之一，其噪声主要有三种 形式：进排气噪声、机体辐射噪声和结构 噪声。 • 进排气噪声一般表现在中低频，其大小和 机器的类型、转速、功率以及进排气管道 的长度有关。其频谱中常常可以看见许多 线状的单频分量，但当转速很高时，由排 气气流产生的宽带高频分量有时会成为主 要分量。
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噪声源概要
– 此外，还有由于船体振动而产生的噪声
• 是船体结构由于主辅机和螺旋桨的扰动力、各种机 械和波浪的冲击力引起船体振动而产生的噪声 • 如螺旋桨叶片与水相互作用时叶片上出现动力，这 些力经过结构通道（如经轴系中的支点轴承和推力 轴承）和水通道传递给船体，引起船体振动而产生 噪声。噪声的频谱可能包含轴频、叶频和倍叶频 等。 • 船体的振动固有频率除高阶振动外，一般都在次声 区内 • 船体振动会使船体壳板、盖板等局部结构和个别零 件等发出噪声。
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齿轮传动装置噪声
• 是齿轮在啮合时引起的振动所辐射的空气 噪声和结构噪声。 • 它由一系列单频噪声构成，如齿轮啮合频 率，旋转频率、啮合固有频率和齿轮固有 频率等，这些和转数、齿轮的齿数、载荷 以及齿轮制造精度等有关。
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液压噪声
• 主要是液压泵噪声，它是在对流体加压过 程中引起泵体的振动所产生的空气和结构 噪声。另外在泵的输出口的脉动容积流也 会向管路辐射噪声。液压泵的噪声呈明显 的单频分量，其频率大小与泵的转数、泵 中的叶片数或柱塞数成正比。 • 液压系统中常见的噪声还有阀门噪声和其 他管路噪声，一般呈宽带特性。
• 螺旋桨噪声的控制
• 使船尾有良好线型，可以改善叶片上的压 力、速度分布，推迟空化产生。 – 控制螺旋桨唱音根本办法 • 增加桨叶阻尼，减小振动或改变螺旋桨的固 有频率，避免共振； • 采用高阻尼合金材料制造螺旋桨，可以消除 螺旋桨产生唱音。
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• 水动力噪声的控制
– 控制水动力噪声的措施 • 改进船体线型；保持船体光滑； • 减少船体上不必要的开孔和突出物； • 将船体尾部与螺旋桨设计同轴的回转体，推 迟空化产生。
– 螺旋桨噪声
• 螺旋桨空化噪声 螺旋桨旋转时，叶片尖上和表面上产生空化。
Blade Tip Cavitation
Water Flow
Sheet Cavitation
Water Flow
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船舶噪声源及其一般特性
– 螺旋桨噪声
• 螺旋桨空化噪声 1）螺旋桨空化噪声是船舶噪声高频段主要成 分，且为连续谱，其典型频谱如下图。
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船舶噪声源及其一般特性
– 螺旋桨噪声
• 螺旋桨空化噪声 1）空化噪声产生条件：航速大于舰船临界航 速。
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船舶噪声源及其一般特性
– 螺旋桨噪声 • 螺旋桨空化噪声 2）螺旋桨空化噪声与航速关系：
a）航速低于临界航速，空化噪声级很低（未 发生空化）； b）航速增大至临界航速，空化噪声级急剧增 大（空化发生、发展）； c）航速继续增大，空化噪声级基本趋于稳定 （空化充分）。
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电机噪声
• 一般不占主要地位。其中的电磁噪声是由 于不平衡的电磁力使电机产生电磁振动所 引起的。其频率和转子转数、转子槽数成 正比，大小和电机功率有关。对于交流电 机，还有由基波磁通引起的定子铁心的磁 致伸缩现象而引起的磁噪声，其频率为电 源频率的两倍。电机噪声还包括轴承噪 声、风扇噪声、电刷噪声等。
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船舶噪声源及其一般特性
– 机械噪声 • 机械噪声是航行或作业舰船上的各种机械的振动， 通过船体向空气和水中辐射而形成的噪声。 • 产生机理： （1）不平衡的旋转部件（电机电枢等）； （2）重复的不连续性（齿轮、涡轮机叶片等）； （3）往复部件（汽缸的爆炸）——产生线谱噪声， 其成分是振动基频及其谐波分量 （4）流体空化和湍流及排气（泵、管道Leabharlann Baidu凝汽器 等）； （5）机械摩擦（轴承等）——产生连续谱噪声。
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船舶噪声源及其一般特性
– 螺旋桨噪声 • 螺旋桨空化噪声 2）频谱特点：在高频段，谱级随频率以 6dB/Oct斜率下降；在低频段随频率增高而 增高；谱峰（100Hz~1000Hz）随航速和深 度而变化，当航速增加和深度变浅时，谱峰 向低频移动。 3）原因：高航速和浅深度时，易产生空化 气泡，产生低频噪声，使谱峰向低频端移 动。
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船舶噪声源及其一般特性
– 水动力噪声 • 水动力噪声是由不规则的、起伏的海流流过 运动船只表面而形成的，是水流动力作用于 舰船的结果。产生机理： 1）水流激励壳体振动或壳体上某些结构 （叶片、空穴腔体等）共振； 2）湍流附面层产生的流噪声（粘滞流体特 性）； 3）航船拍浪声（船首、船尾）、船上循环 系统进水口和排水口的辐射噪声。
• [1] SNAME. Design guide for shipboard airborne noise control. Technical and research bulletin No. 3-37, 1983
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鼓风机
• 主要是空气动力噪声，分为旋转噪声和涡 流噪声两部分。 • 旋转噪声是指当气流流过叶片时，所产生 的不均匀气流所辐射的噪声，其频率与转 数、叶片数成正比，在频谱中有明显的分 离谱。 • 涡流噪声则是由于气流流过叶片时，产生 的紊流附面层以及旋涡和旋涡分裂脱体而 在叶片上引起的压力脉动所造成的。
第八章 船舶噪声源
• 引言
– 船舶噪声特点 • 噪声源（推进器、转动和往复式机械、各种 泵等）繁多、集中，噪声强度大，频谱成分 复杂。 – 船舶噪声的危害： • 使工作环境恶化，降低了工作效率； • 损害操作人员的身心健康； • 降低了船舶及其设备的使用效果和寿命； • 破坏了舰船的隐蔽性； • 干扰本舰的水声设备（自噪声）。