船体噪声及其控制.详解

第五章船体的噪声及其控制船艇振动与噪音5.3向邻近舱室的传播噪声从一舱室向邻近的其他舱室的传播，可以由几种途径：（1）空气声穿过隔壁、地板和天花板结构而传播到相邻房间；（2）由机械振动或冲击所引起的结构振动传到邻室，再由邻室地板、墙等结构的振动作为二次声源而引起的声发射；（3）完全通过空气，例如通过开着的门窗、机舱盖、通风管道等直接以空气声传播。穿过隔板的声传输当空气声入射到隔壁上时，通过隔壁的声传输是这样来实现的：首先，在壁面上将一部分入射声能反射回原来空间；其次，透过隔板之间的孔道成缝隙传递；再次是一部分声能由于隔壁材料的吸声作用而被损耗；最后一部分是使隔壁振动的能量。透射系数在空气中传播的声波遇到墙壁后，由于界面的声阻抗发生了变化，一部分声能被墙面反射回去；一部分声能为墙面所吸收；还有一部分透过墙体传到墙的另一面去。如果忽略墙面的吸收，把入射声波的能量为，穿透隔壁传到另一面的声能为，则透射系数为总E透E总透EE传递损耗在实用上，人们用透射系数来评价板壁的隔音性能很不方便，故常用传递损耗来表示TL值越小，则板的传声作用越强；反之，则隔声性能强。)1lg(10TL单层板的声传输性质当简谐平面行进波入射到面积很大的单层均质薄壁时，在薄壁两边，由于一侧的入射声与反射声的声压与另一侧面透射声波的声压不同，因而在隔壁两侧的声压会使隔壁发生振动，其振动频率和声波频率相等。当入射声波的频率低于隔板的基频时，这种低频的传输(或传输损耗)主要由隔板的刚度来控制。当声源频率高于刚度控制范围时，进入板的一系列固有频率的区域(共振区)。若声波频率与其中一系列固有频率重合，则板会发生一系列共振.这个范围内隔板的传输能力主要取决于隔板的阻尼，称为阻尼控制。在隔板的一系列主要共振频率以上，声波频率高于板的频率，故为振动的质量控制区。5.4船舶噪声控制原理及方法噪声控制的基本原理,即声源噪声的控制，传播途径的噪声控制及在接收器旁的噪声防护设备的使用。控制噪声，最积极有效的办法是从声源上去考虑。控制声源噪声的方法为：减少激振力的幅值，减少系统各部件对激发力的响应，改变工作条件等。在传播途径上控制噪声主要是阻断和屏蔽声波的传播或使声波传播的能量随距离加大而衰减。因此控制噪声传播途径可从声源和接收器位置的选择，增加传播距离，隔声，吸声，消声等手段入手。对接收者采取戴耳塞、耳罩、帽盔或隔声间等防护措施。5.4.1吸声能够吸收声能的材料或结构统称作吸声材料。利用吸收材料吸收声能以降低噪声的办法称作吸声降噪，通常简称吸声。值得注意的是，吸声只能降低混响声，而不能降低直达声。实践证明，经吸声处理后，室内混响声一般可降低5～10dB(A)。吸声材料的种类很多，按照材料的结构与吸声原理，吸声材料可以分为两大类:一类是多孔吸声材料，如玻璃棉、聚氨酯泡沫塑料、木丝板等。主要用于吸收中、高频的声音；一类是共振吸声结构，如薄板共振吸声结构、穿孔板共振吸声结构。主要用于吸收低、中频带的声音，其中微穿孔板可用于吸收较宽频带的噪声。1．用多孔材料来吸声一、多孔吸声材料按照材料的外观形状，多孔吸声材料可分为纤维型、泡沫型、颗粒型三类:纤维型材料是由无数细小纤维材料堆迭或压制而成。泡沫型材料是由表面与内部都有无数微孔的高分子材料制成。颗粒状材料主要有膨胀珠岩和其他微小颗粒状材料制成的吸声砖等。多孔吸声材料在结构上有一共同特征，就是在表面和内部都有无数微细的孔隙，经仔细观察，这些微孔互相贯通，具有良好的通气性能。微孔的孔径多在数微米到数十微米之间。这些微孔总体积约占材料总体积的95%以上。二、吸声机理多孔吸声材料之所以能把入射在其上的声能吸收掉，是由于吸声材料的多孔性。当声波入射到这种材料表面时，可沿着对外敞开的微孔射入，进入空隙，并衍射到内部的微孔内，引起空隙中的空气和材料细小纤维的振动。由于空气分子之间的黏滞阻力，使相当一部分能量转化成热能。特别是低频的吸收，主要依靠材料细纤维的振动来实现。此外，空气与孔壁以及材料纤维（颗粒）间的热交换也会消耗部分声能，从而使反射出去的声能大大减少。这就是多孔吸声材料能够吸声的机理.在选用吸声材料时，要注意材料的多孔性，表面富有细孔，孔与孔之间要互相连通，并可使声能深入到材料内层。这样，声波才可以顺利地投入。三、吸声特征及影响因素多孔吸声材料对高频声能的吸收优于低频。并且，孔径越细或频率越高，这种声能吸收的效果越显著。根据这种吸声特性，多孔吸声材料通常用于中、高频噪声的吸收。影响多孔吸声特性的因素主要有两方面。一是材料的特性，二是声波的特性（入射角度与频率）。影响材料特性的因素除与多孔吸声材料本身的因素有关外，还与材料的使用条件有关，如密度、厚度、使用时的结构形式与气象条件等。改变材料的密度，相当于改变材料的孔隙率（包括微孔数目与尺寸）和流阻等。流阻表示气流通过材料时阻力的大小。对于一定厚度的同意多孔材料，松软、密度小时，孔隙率大、流阻小，有利于高、中频噪声的吸收。反之，密实、密度大时，中、低频噪声的吸收均有所改善。但密度过大时，中、高频声的吸收会明显下降。一般情况下，过大或过小的密度对吸声都不利。所以，对于一定的多孔吸声材料，都存在一个吸收性能最佳的密度范围。多孔吸声材料的厚度增加时，对低频噪声的吸收增加。使用时，对于中、高频噪声，一般可采用2～5cm厚的常规吸声板；吸声要求较高时，可采用5～8cm厚的吸声板。对于宽频带噪声，可采用材料后留空腔或取5～18cm厚的吸声层。温度、湿度、气流速度等环境和气象条件都会影响材料的吸声性能。温度升高，会使多孔材料的吸声性能向高频方向移动；反之，温度降低，则向低频方向移动。湿度增大，水分容易堵塞多孔材料的孔隙，使吸声系数下降。当将多孔吸声材料用于通风管道和消声器内时，宜根据气流速度的大小，设置一层或多层不同的护面层。四、多孔吸声材料的应用（1）多孔吸声板、毡与吸声砖多孔吸声板、毡与吸声砖是用松散的各种多孔吸声材料加工而成的，如木丝板、矿棉板、甘蔗纤维板、玻璃棉毡、膨胀珍珠岩吸声砖等。使用时，可以整块的直接吊在天花板或贴附在四周墙壁上；各种吸声砖可以直接砌筑在需要控制噪声的场合。（2）罩面板的多孔吸声结构用塑料纱、玻璃纤维布、金属丝网等透声材料作罩面层，内填以松散的厚度为5～10cm的多孔吸声材料，制成板状等形式即可。为保持固定几何形状，防止机械损伤、保持美观，一般在材料间要加木筋条（称木龙骨）加固。吸声体结构示意图1—钢丝绳（过穿孔板）；2—玻璃纤维布；3—吸声材料；4—木骨架；5—槽钢骨架（3）空间吸声体把有罩面的多孔吸声结构做成各种各样形状的单块，称作吸声体。空间吸声体具有较高的吸声量。一般情况下，空间吸声体可以降低噪声6～10dB。1—平板形；2—圆柱形；3—球形；4—波浪形；5—菱锥形；6—菱柱形2.用共振吸声结构吸声为了增加对低频声能的吸收，目前普遍利用共振原理做成各种共振吸声结构。共振吸声结构基本分为三种类型：薄板共振吸声结构、穿孔板共振吸声结构和微穿孔板吸声结构。一、薄板共振吸声结构（1）构造这种由薄板（金属板、胶合板或塑料板等）与板后的封闭空气层构成的振动系统就称作薄板共振吸声结构。1—龙骨架；2—薄板（2）吸声机理当声波入射到板面上时，激发薄板产生振动，并发生变形。此时，由于板本身的内摩擦及与支点间的摩擦损耗，将振动能量变为热能，从而消减声能。特别是当入射波的频率与板振动系统的固有频率相同时，便发生共振，振动振幅达到最大，振动最剧烈，声能也就消耗最多。这就是薄板共振吸声结构吸声的机理。（3）吸收特性及其改善由板状（或膜状）材料与其后设置的空气层组成的吸声结构一般用于吸收低频噪声，其共振频率（固有频率）可按下式近似计算：mhf600式中——共振频率，Hz；m——板（膜）的面密度，kg/；h——板（膜）后空气层厚度，m。薄板共振结构的共振频率主要取决于薄板的面密度与背后的空气层厚度。mhf6000f薄板共振吸声结构的共振频率大都在80～300Hz之间。因此，薄板共振结构通常用做低频吸声结构，吸声频率较窄，吸声系数约为0.2～0.5，在使用中受到限制。二、穿孔板共振吸声机构在薄板材料上钻一定孔径的孔，并在其后以一定厚度的空气层作间隔而安于板壁上，利用声波在孔的摩擦损耗，失去能量来达到吸声的目的。班上的孔距较小时，发生声波干涉现象，板后的空气层由于弹性作用，发生共鸣吸收。这种多孔板以共鸣频率为中心在较广的吸声范围内有更高的吸收率。对于高温、潮湿和腐蚀气体的空间用吸声材料，往往因浸蚀作用经过一段时间就会失效，用上述两种吸声结构又不能满足宽频带吸声的要求，这时可以金属微穿孔板。它是在厚度小于1mm，孔径小于1mm的微孔，穿孔率为1%～4%的范围内，板后留有空气层。金属微穿孔板的吸声系数和宽带都较穿孔板好，且外表美观，易于清洗，适用于高温、有腐蚀性气体的特殊条件。目前在船舶上应用最为广泛的是用多孔吸声材料制成的平板型吸声结构，如图示。在这种结构中，吸声材料或是紧贴在船体的壁板上，或是留有一段距离。为防止多孔材料受到机械损伤，用多孔板保护之。吸声尖劈在某些船上也有应用。3．吸声处理注意要点在下列情况下，采用吸声处理措施是适宜的。(1)舱室壁面都是坚硬的反射性能较强的材料声措施，可获得较好的降噪效果。(2)当操作工人离声源大的机器较远，即工人接受的反射声与直达声相比，反射声较强时，采用吸声措施，可获得较好的吸声效果。(3)对于噪声源比较多且分散，采用吸声措施能取得较显著的降噪效果。(4)对于噪声源尺寸较大且分散，配合隔声、消声、减振的同时，采取吸声措施能获得较好的降噪效果。5.4.2隔声采用围护构件以减少空气噪声的传播称为隔声。把需要安静的场所封闭在一个小的空间中，使它与周围的环境隔绝开来，称为被动隔声。把噪声源用周围围护构件封闭或隔离开来，使噪声传不出去以减少对周围环境的污染，称为主动隔声。将噪声源与环境隔离的常用方法是隔声屏和隔声罩。与吸声材料相反，隔声结构一般都是密实、沉重的材料，如砖墙、厚钢板、钢筋混凝土等。声波入射到壁板上，引起壁板振动，间接地将声能传递过去。其振动和传声的大小主要取决于壁板单位面积的重量，重量越大，越不容易振动，隔声效果就越好。船舶上钢板的隔声效果较陆地上砖墙差。此外，入射声波的频率越高，隔声效果也越好，即高频声容易隔绝，而低频声较难隔绝。当隔声壁共振时，隔声效果会大大下降。对于轻质隔声结构，如船上的机罩、轻型围壁、门窗等具有较高的固有振动频率，在声波的作用下可能会发生共振，从而使该频率范围内的隔声效果大大降低，甚至可能成为噪声发生器。涂上一层内损耗大的阻尼材料，可减弱结构的共振。为了提高隔声效果，应采用双层隔声结构，一股取空气夹层的厚度为8～10cm。为了提高双层隔声结构的隔声效果，应避免两层隔壁刚性连接，即在两层隔壁的上、下端与上、下结构连接处垫上或嵌入一层弹性材料。此外为了防止共振，可在空气间层中填以玻璃棉、矿渣棉一类的松软吸声材料，吸收声能，提高双层壁的隔声效果。在设计柴油机隔声罩时，除了罩壁本身应有较大的隔声值外，罩壁内表面应敷设吸声性能良好的吸声材料，外表面要涂上高内损系数的阻尼材料。必需指出，所有隔声构件均应严格防止孔洞和缝隙，所有必须贯通的管路和电缆都要采用橡皮套管或采取其它措施。5.4.3消声采用消声器是防治空气动力性噪声的主要方法。在船舶上，消声器主要用于柴油机的进、排气系统(包括增压器)，也可用于通风空调设备。消声器应当满足消声量大、空气动力性能好(阻损小)、结构性能好(坚固耐用、重量轻、体积小)三个要求。消声器的形式很多，一般可以分为三类：阻性消声器、抗性消声器和阻抗复合式消声器。1．阻性消声器阻性消声器是靠管的内壁上装贴的吸声材料将声能吸收，并使其转换成热能(由于实际的声能是很低的，故不会太热)，从而达到消声的目的。最简单的阻性消声器是管式悄声器，其示意图如图所示