船舶减振降噪措施简析_张平

我们知道 , 作用于螺旋桨的不均匀进流是导致 振动和激起螺旋桨噪声的主要原因 , 因此改善船尾 伴流分布 , 提高尾流场的均匀性 , 可以起到明显的减
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江苏船舶
第 27卷
振降噪效果 。具体措施有 : (1)改良船体尾部的线 型 。 采用双 尾线型 、球
尾 、优秀的船模系列以及船尾加设尾鳍等 , 都能很好 地改善尾部伴流 。如果能通过船模试验对尾部线型 进行优化 , 将会取得更好的效果 。 整流尾鳍的设置 如图 1所示 。
第 27卷 第 3期 2010年 06月
江苏船舶 ＪＩＡＮＧＳＵＳＨＩＰ
Ｖｏｌ.27 Ｎｏ.3 Ｊｕｎｅ.20 10
船舶减振降噪措施简析
百度文库
张 平 , 于全虎
(江苏省船舶设计研究所有限公司 , 江苏 镇江 212003)
摘 要 :船舶减振降噪措施的采用是船舶设计中的重 要环节 , 是一个系 统工程 。 其 措施主 要包括 螺旋桨 的减震
93.22
所有噪声源降低 10ｄＢ后 70
80
90
90.45
3 避免共振措施
船体结构在多种激振源和不同振动频率的联合 作用下 , 设计参数选择不当时极有可能产生共振现 象 。 在设计当中首先应该避免下述情况的发生 :
(1)避免螺旋桨与船体结构 、主机及轴系发生 共振现象 。主要通过增加螺旋桨的叶数即叶频来避
第 3期
张 平等 :船舶减振降噪措施简析
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图 4 弹性支撑和弹性连接
2.3 针对机舱的降噪措施 机舱里的 噪声主要是各种机器发出的空气噪
声 , 在某种情况下 , 也可能是第二噪声源以结构噪声 的形式辐射出来 , 比如螺旋桨在尾舱壁上激发出的 结构噪声 。 一般来说 , 机舱的噪声 都会在 90ｄＢ以 上 , 足以损伤人的听力 , 必须采取综合性的措施进行 降噪处理 。 可以采取的措施主要有 :
螺旋桨转速 ×叶数 (称为叶频 )。 对于船舶主机而言 , 活塞在燃烧混合气体的推
动下 , 通过活塞杆 、连杆 、曲轴 、轴承传递运动会激起 机械振动 ;燃烧过程中 , 气压的变化会通过燃气和扫 气空气传播 , 在汽缸壁上产生结构振动 ;主机内振动 会通过主机座传递到与之相连的船体结构上 , 引起 船体结构的振动 。
①钢 、铝质穿孔薄壁板的穿孔面积要达到 30% ～ 40%以上 ;
②吸声材料不能被油烟所覆盖 , 不能油漆 , 否则 会大大降低吸声性能 。
(3)采用隔声罩 。 机器发出的噪声部分是结构 噪声 , 部分是空气噪声 。对于空气噪声部分 , 可以采 用隔声罩将机器封闭在有效屏蔽的罩壳空间内 (除 了必要的冷却 水和空气进出口 ), 在罩壳内部表面 尽可能多地敷设吸声材料 。 对于结构噪声部分 , 应 该在机器与底座之间 、罩壳与底座之间采用弹性安 装 。同时在空气进出口处加装消声器 。机器隔声罩 安装示意图如图 5所示 。 (4)装设隔声屏障 。 声音的一个特性是遇到坚 硬的表面时能非常有效地反射 , 如钢板能反射大约 99%的声波 , 而且与声音的频率基本无关 。隔声屏 障要想取得明显效果 , 其高度尺寸要大于波长 , 所以 隔声屏障适用于产生短波高频噪声的小型机械 , 在 以反射声场占主导地位的机舱里很难起到令人满意 的效果 。
图 2 减振穴的设置
(4)选用 大侧斜螺 旋桨 。 选 用该种形 式螺旋 桨 , 首先不会影响螺旋桨性能 , 但可以大幅减小激振 力 。效果理想时可使机舱内各处振动量值减少 1 /4 左右 , 上层建筑前后振动量可减少 1/5左右 。
(5)增加螺旋桨桨叶数 。 桨叶数的增加可能会 导致螺旋桨的敞水效 率略有下降 。 但就表面力而 言 , 形成空泡时螺旋桨产生的压力冲量总是随桨叶
2 减振降噪措施的采用
船体振动会带来以下几个方面的不利影响 :① 不利于人体健康和工作效率 ;②不利于船体寿命和 结构安全 ;③不利于机电设备正常工作 。船舶噪声 也会给人带来烦躁情绪 , 影响工作效率 , 严重时也会 危及人体健康 , 所以必须采用各种有效措施来减振 降噪 。 2.1 针对螺旋桨的减振措施
(1)选用低噪声的机器设备 。 在机舱机电设备 选型时 , 选用低噪声型号 , 从源头上注意降低机舱的 总噪声 。
(2)采用吸声设施降低总噪声级 。吸声材料一 般多采用多孔性材料或纤维性材料诸如矿渣棉 、玻 璃纤维织物等 。 当声波传递到吸声材料内部结构中 时 , 就会引起吸声材料的振动 , 导致材料间的相互摩 擦 , 振动能转换成热能 。 吸声材料一般用拉制的金 属丝网或钢 、铝质穿孔薄壁板固定在机舱围壁和天 花位置处 。 这种结构形式必须要注意以下几点 :
图 3 阻尼材料的设置
2.2 针对机舱设备的减振措施 机舱里的主机及其他辅机 、减速齿轮箱等机器
设备在工作时不可避免地会产生振动与噪声 , 并且 噪声会以空气噪声和结构噪声两种形式同时存在 , 特别是当机器与结构刚性安装时 , 影响更甚 。 结合 振动的特点及声音传播特性可以采取的减振降噪措 施有 :
1 激振力分析
船体结构产生振动的首要原因是螺旋桨和船舶 主机的干扰力作用 。对于螺旋桨而言 , 由于螺旋桨 所处流场的伴流不均匀 , 当桨叶处在伴流峰值位置 时 , 叶型在较大的来流攻角下产生较大的推力和切 向力 , 随着桨的旋转 , 当桨叶处在较小的伴流中时 , 相应产生较小的推力和切向力 , 结果使传递到轴承 上的力产生周期性的变化 。 同时螺旋桨在旋转时 , 每片桨叶均被压力场所包围 , 在旋转过程中 , 这些回 转压力场就会在船底后部桨叶上方部位产生压力冲 量 (称为表面力 ), 使得尾部船板上承受的压力产生 周期性的变化 。 特别是当螺旋桨产生较大范围的空 泡时 , 这种压力变化会有更大的幅值 。
(5)进排气 、通风管道中的消声 。 进排气 、通风 管道中的噪声也是机舱噪声的组成之一 , 采用安装 消声器的方式可以有效降低噪声 。消声器有两种结
构形式 :抗式消声器和阻式消声器 。 抗式消声器的 原理是通过管道流通面积的变化 , 反射一部分入射 声能来降低噪声 。 该种消声器结构简单 , 使用普遍 , 对一定的频段相当有效 。阻式消声器的原理是通过 吸收一部分入射的声能并将之转换为摩擦热能来降 低噪声 。 这种消声器在一宽 广的频率范围 内都有 效 。 两种消声器的结构形式如图 6所示 。
图 5 机器隔声罩安装示意 图
图 6 消声器的结构形式
需要注意的是 :当机舱中有多处噪声源时 , 仅把 一个次要声源降低几个分贝是徒劳的 , 因为它对总 噪声的影响是微乎其微的 。表 1显示了不同降噪方 式产生的不同降噪效果 。 由表 1可见 , 若要降低噪 声级 , 必须找到区域的主要声源 , 采取各种行之有效 的措施加以解决 。
图 1 整流尾鳍的设置
(2 )许多 情况 下在 螺 旋桨 外 面 安 装一 导 流 管证 明可明显减小振动和噪声 。这是由于导流管可以平 稳伴流分布 。其最主要的目的是使螺旋桨的一大部 分负荷可以转移到导流管上 , 从而减小螺旋桨的轴 承负荷和空泡的产生 , 对于重载螺旋桨还可以提高 桨的效率 。 为了充分利用导流管可以降低桨振动的 特性 , 导流管必须正确安装 , 与螺旋桨同心 , 同时还 要保证导流管安装部位处的船体结构刚度 。
船体结构振动同样也会由机舱辅机或其他设备 如往复式压缩机 、通风机引起 。
在某种状态下 , 由波浪运动传递到船体外板上 的周期性的波浪力也会引发船体结构产生振动 。
振动与噪声是共生的 。当结构产生振动以后 , 这种往复运动传递到周边的空气场中导致了空气噪 声 ;当振动在结构中传播至诸如舱壁 、板格处再传递 到空气中就导致结构噪声的产生 。由于船舶主要结 构材料是钢 , 钢的内部阻尼很小 , 所以结构噪声传播 时能量损失非常小 。
降噪 、机电设备的减振降噪以及避免共振 。 各种减振降噪措施的采用不仅 要强调效果 , 同时必须 考虑到经济 性 ,
所以减振降噪只要达到合理适度 、满足使用要求的效果 就可以 。
关键词 :振动噪声 ;阻尼 ;振动控制
中图分类号 :Ｕ661.44
文献标识码 :Ａ
0 引言
船舶噪声不仅影响到船员自身工作生活和身体 健康 , 而且对水域沿岸居民的生活造成影响 。 产生 噪声的振源是造成船舶结构疲劳破环的根源之一 , 对船舶的使用寿命和安全性造成影响 。船舶噪声由 其自身设备工作时以及外界风浪等拍击船体发出的 不同频率和不同强度的声音无规律地组合而成 , 它 包括存在于舱室部位的空气噪声 , 存在于船体结构 中的结构噪声 (即振动 )以及存在于船体周围水介 质中的水噪声 。 如何采用减振降噪措施 , 降低由振 动源引起的船舶结构振动 、降低由噪声源引起的空 气噪声和结构噪声 , 就显得特别有意义 。
(1)增加机座的尺寸和刚性 。 提高机座的刚性 可以有效降低由机器传递过来振动的振幅 。 从理论 方面讲 , 当机座的刚度足够大时 , 可以使机座的振动 趋向于零 ;增加机座的尺寸则可以降低振动的幅度 。 当然 , 机座的刚性和尺寸不可能无限制的提高 , 还要 服从于布置和经济性的需要 。
(2)采用弹性支撑和弹性连接 。 弹性支撑一般 是采用隔振器 , 有橡胶隔振器和金属隔振器等形式 。 橡胶隔振器优点是价格便宜 、不易塑性变形 , 缺点是 高温下易老化及弹性变差 、可燃 ;金属隔振器优点是 抗水耐油 , 高温下不变形且维护方便 , 缺点是价格较 贵 。 弹性连接一般采用弹性联轴器 , 也是含有橡胶 的元器件 , 它可以允许有一定的轴向和径向位移及 一定的角偏差 。图 4是弹性支撑和弹性连接的典型 方式 。 (3)敷设阻尼材料 。 如图 3所示 , 在机舱合适 部位敷设阻尼材料 。
由螺旋桨旋转引起的轴承激振力 , 其激振频率
收稿日期 :2010 -04 -10 作者简介 :张平 (1966 -), 男 , 高级工程师 , 主 要从事船舶设计 工作 ; 于全虎 (1974 -), 男 , 高级工程师 , 主要从事船舶设计工作 。
为螺旋桨转速 ×1。 由螺旋桨表面力产生的激振力 , 其激振频率为
(3)尽可能加大螺旋桨和船体间的间隙 。 螺旋 桨与周围船体间的间隙应尽可能加大 , 不能仅满足 船级社的最低要求 , 这样可以大大降低由螺旋桨产 生的脉动压力场传递 到船板的表面力 。 特殊情况 下 , 当无法增大桨与船体间的间隙时 , 采用特殊的减 振装置 ———减振穴 , 可减弱螺旋桨作用在船体上的 表面力 , 其主要原理是利用密闭的空气弹簧和水质 量的吸振作用 。 减振穴的设置如图 2所示 。
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免与船体结构 、轴系的自然频率相近 , 避免与主机的 汽缸数 、冲程数和叶数相等或成整数倍 。 有时通过 调整螺旋桨安装角度 , 使螺旋桨推力激振力与曲轴 纵振动激振力相抵消也是有效的方法 。
(2)调整局部结构的形式 。 不同结构形式的固 有频率是不一样的 。当有共振发生的可能时 , 可采 用调整局部结构的类型 、设置支柱等方式来改变结 构固有频率以避开共振 。 需要注意的是在振动节点 处设支柱是无效的 , 在振幅最大处设置支柱最有效 。
数的增加而减少 , 并且能使该压力值保持在一个较 低的量级上 ;同样的 , 随着桨叶数的增加 , 也会降低 螺旋桨作用在轴承上的负荷 , 如果桨叶数为偶数时 , 效果更佳 。
(6)敷设阻尼材料 。 在船体内部合适部位敷设 钢质或橡胶质的阻尼材料 , 一般是在螺旋桨上方船 底板处 、机舱主机座面板和腹板处 、主机座前后船体 结构处 、机舱前壁处 , 有时在与上甲板室邻接的机舱 顶甲板处等位置进行敷设 。 阻尼材料的敷设一定要 符合工艺要求 , 一定要注意钢结构表面的清洁工作 , 以保证贴合效 果 。 利用阻尼 材料在其内部 产生拉 伸 、弯曲 、剪切等变形 , 吸收大量的入射能量 , 将部分 振动能转换为摩擦热能 。图 3为降低螺旋桨和主机 引发的结构振动而敷设在不同部位的阻尼材料的示 意图 。
表 1 采用各种降噪措施后的减噪效果
噪声源
第 1噪 第 2 噪 第 3 噪
声源
声源
声源
合成 噪声
初始噪声级 /ｄＢ
80
90
100 100.45
第 1噪声源降低 10ｄＢ后 70
90
100 100.42
第 2噪声源降低 10ｄＢ后 80
80
100 100.09
第 3噪声源降低 10ｄＢ后 80
90
90