船舶空调通风管路减振降噪分析

船舶空调通风管路减振降噪分析

李政阳

江南造船（集团）有限责任公司 上海市 201913

摘要：近年来，船舶噪声问题备受关注，在船舶设计阶段就考虑舱室的声学问题，预报舱室噪声并提出相应的控制措施，要比等船舶建造好后再进行补救更具主动性。

关键词：船舶空调；通风管路；减振降噪

在船舶设计前期，我们就应该评估空调通风系统的减噪方案，分析噪声源及其特性，根据船舶自身特点，选用合适减噪措施，改善船舶居住房间声音环境。

1 船舶空调通风系统噪声分类及频率特性

目前船舶空调通风系统主要噪声按照声源不同，可分为空气动力性噪声、机械噪声。空气动力性噪声是由于气流的起伏运动而产生的; 机械噪声是由于设备振动产生的。船用风机空气动力性噪声根据产生机理，又可分为旋转噪声和涡流噪声。

(1) 旋转噪声是由风机叶片周期性地打击空气质点，引起空气振动形成的。经过相关研究得出，旋转噪声频率与风机叶轮转速、叶片数等因素有关，该噪声频谱呈中低频特性。

(2) 涡流噪声是由于叶轮表面形成大量的气体涡流，在叶轮界面上分离时所引起。它的频率与风机叶片形状和气流速度有关。由于叶片圆周速度随着与圆心的距离变化而连续变化，因此涡流噪声是连续谱，且呈中高频特性。

风机的空气动力性噪声就是由上述旋转噪声与涡流噪声相互混杂而产生的，因此风机噪声的频谱是相当复杂的。

2 船舶空调通风系统减振降噪的设计措施

2.1 分区设计

为满足减振降噪的要求，在船舶空调通风系统设计中，需要进行空调系统的分区设计。普通运输船的空调器主要集中布置在空调器间，而科考船等特种船舶空调器的布置，需要充分考虑甲板与区域功能进行分区设计，目的是在确保总冷热负荷与通风量一致的情况下，降低单个空调器通风机的送风量与送风压力，从而有效降低舱室中送风端与回风末端的噪声源输入。此外，通过分区设计，也能大大降低单个空调器的本体噪声，从而减少对周围舱室的影响。

2.2 变风量设计

对船舶空调通风系统进行变风量设计，可在各房间中设置温控面板，船员可根据实际所需的温度来设定空调器温度，同时使布风器根据房间的温度相应减少或加大送风量，空调器的送风机则通过静压箱送风压差传感器进行风机转速的调节。通过这样的设计方式，可以有效降低风机功率与送风压力，进而有效降低噪声源对空调通风系统的影响。

2.3 风管设计

对风管流体进行动力学分析可知，在船舶运行过程中，受到外界风力的干扰及舱室空调风机本身振动的影响，通风管路会发生振动，在振动频率达到一定值时，会产生噪声，且振动频率越大，所产生的噪声就越刺耳，严重影响工作人员的工作及休息。

在流体动力学分析的基础上，要想减轻船舶舱室通风管路的振动与噪声，主要有2种途径：1）让流体沿直线均匀前进，需要进行直管道设计，由此降低外界阻力及管路阻力；2）对传输路径进行控制，可在材料方面使用阻尼及包覆声学材料将通风管包裹，由此减小经过管路的振动与噪声。

2.4 风速设计

在船舶空调通风系统中，风速控制主要涉及主管路风速、支管风速和风口风速方面的控制，不同噪声级对应的风速要求也不同。此外，考虑到船舶上的空间有限，也应合理选择风管的形状，选用顺序依次为圆形、椭圆形、方形。

2.5 新风比设计

新风比是指全空气混合系统中新风引入量占全部处理空气量的百分比。国际航线要求，常规空调通风系统的新风比一般是50%。如果是科考船等特种船舶，其住舱为多人床铺，且通常位于生活区之下的甲板，此时冷热负荷并不是影响风量的主要输入参数，大多数是为了满足规范，利用新风量来计算空调的送风量。以某型科学考察船上的4人间与6人间为例，负荷计算出的所需风量是296 m3/h，如果按照新风比为50% 的要求来计算，则所需风量为360 m3/h。此时需要加大空调器总的送风量及风机送风压力，这会对空调通风系统的噪声源输入产生影响。为解决该问题，可将新风比提高至60%，房间的送风量为300 m3/h，以此类推，对甲板上每个房间的所需风量进行比对，最终可以确定最为经济的新风比，为有效控制空调通风系统的噪声奠定良好的基础。

2.6 噪声计算

在船舶空调通风系统减振降噪中，对系统的噪声进行计算，可检验前期噪声的控制设计效果，同时也能从中确定对整个系统噪声影响最大的因素，从而确定采用何种消音措施来减振降噪。以某型科学考察船登艇甲板的高级房间为例，得知房间的空调送风末端与空调回风末端噪声值均低于42 dB，可认为该房间达到了CCS 噪声舒适等级的噪声值要求。

3 船舶空调通风系统减振降噪的技术措施

3.1 振动控制技术

在船舶空调通风系统减振降噪中，应针对有较大振动的部件进行控制并更换，从源头上改善系统的整体振动及噪声环境。考虑到空调器是空调通风系统的最大噪声来源，合理选择空调器非常重要。在选择空调器时，应注意：1）按照空调通风系统的实际需求来选择空调器的风压与风量，在计算负荷时，不宜留有较大的余量，避免选用过大的空调器风机，从而增加系统的噪声源数量级，应确保所设计的风压与实际工作风压接近，此时风机有效功率最大噪声值最小；2）注意做好空调器风机内部的消声处理工作，可利用消声器或相关消声材料对噪声进行控制，降低噪声源的传播效率。

3.2 隔声控制技术

针对船舶空调通风系统的机械振动噪声，通常是采用隔声控制技术来解决，其中，较为有效的方法是物理隔振。所谓物理隔振，指的是在振源与安装固定结构中间，通过安装弹性元件或隔振装置，减少结构噪声的产生与传递。常用的隔声降噪方法有：1）在安装风机时，可在风机的底座与风机本体之间安装减振器或弹性垫片，同时风机进出口选用软管与钢制风管进行连接，由此起到隔声降噪的作用；2）在风管安装过程中，可在风管壁与固定吊架管卡之间加装弹性橡皮垫圈，也能起到隔声降噪的作用；3）安装风管时，用隔音绝缘材料将风管包裹，如某型科学考察船，用厚度为50 mm、48 kg/m3 的矿物纤维毯对风管进行包裹，同时在周围表面用铝箔胶带进行固定；4）在选择风管材料时，应注意结合实际情况。

3.3 消声控制技术

如果适当增加降噪的措施，并不能很好地解决机械噪声问题，则需要借助消声控制技术，来增强减振降噪的效果。较常用的消声控制方法，是在噪声源处加装消音装置，这是一种十分有效的手段。

3.4 风管设计优化

1）尽可能地将空调及通风风管的三通、弯头、调风门等做成流线型、渐变型，或者可以通过导流叶片来达到减少空气流动阻力的目的。2）若需要扩大风道断面，应尽量确保其扩张角不超过20°，若需要缩小风道断面，应确保其收缩角不超过45°。此外，针对矩形风管断面，应控制其长宽比小于3.5。3）在制作风管时，结合实际情况增加管壁厚，可采用较厚钢板制作风管，由此增强风管的刚度，进而避免振动与噪声的产生。4）宜在风机出口处设置长度为出口边长1.5 ～ 2.5 倍的直管段，可避免发生涡流，如果受空间限制不能达到这一要求，应确保出口管的转弯方向与风机叶轮转动方向一致，或者在弯管中设置导流叶片，也能达到减少空气流动阻力的目的。

综上所述，船舶结构复杂、设备繁多，运行时处于一个非常复杂的动态系统中，很难通过建立微分方程来解决振动与噪声预报问题。我们通过以上的措施解决这一问题，船舶空调的噪声问题得以有效控制。

参考文献：

[1] 船舶典型管路系统低噪声设计研究[J]. 柴凯;楼京俊;朱石坚;丰少伟.噪声与振动控制,2021(02)

[2] 船舶通气管路噪声特性数值分析与控制[J]. 魏杰证;林永水;吴卫国;顾鑫;王献忠.武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2018(02)