岩棉在船舶舱室降噪中的应用研究
第1章 绪论
1.1 研究背景
随着人类社会工业化进程的不断进步和加强、经济的不断发展，如今的世界已然是一个经济全球化的世界，而海上运输则是将世界连接成一个整体不可或缺的一环。作为海上运输的交通工具，各种类型的船舶受到越来越多的关注。
船舶的工作环境远离陆地，为了满足其运输以及生活的各种要求，在船舶上配备了大量的机械动力系统，而且为了尽可能的多运输货物，其工作和生活舱室设计的非常紧凑。船舶的整体结构主要由钢制框架和板壳组成，而钢材自身阻尼很小，导致其不利于衰减各种船舶设备运行过程中产生的振动和噪声。长期的振动作用所引起的交变应力会使金属产生疲劳破坏，影响设备的正常使用和工作寿命。振动还会影响计算机、船用精密设备等的正常工作，导致其精度受损或者失灵。此外，长期在振动和噪声的环境下工作，会引起船员心理上和生理上的各种疾病，包括心率不齐、听力下降、记忆力衰退等。
随着人们对生活、工作环境舒适度的要求越来越高以及各种精密设备的使用，近年来船舶噪声和振动问题受到越来越多的人关注。因此国际海事组织在国际海事组织海上安全委员会第91次会议通过了关于SOLAS的修正案的决议，要求船舶构造应符合决议通过的《船舶噪声等级规则》，制定了更加严格的关于船舶噪声的标准。其部分要求见表1.1。
表1.1 不同噪声规范对船舶部分舱室噪声限值要求dB（A）
舱室处所 机舱 集控室 无线电室 机修间 办公室 居住舱及医务室 娱乐和健身房
A468（1981）
110 75 60 85 65 60 65
DE53/10（2010） 105 70 65 80 65 55/60 65
1
DE56（2012）
1600-10000GT
110 75 60 85 65 60 65
?10000GT 110 75 60 85 60 55 60
1.2 本文研究内容
目前船舶发展的主要方向是大型化、集成化、密集化，船舶上生活工作的舱室设计的比较紧凑，使之极易受到机械设备产生的振动和噪声的影响。由于制造船舶的主要结构材料是钢材，自身的阻尼非常小，使得噪声和振动很难在传播途中衰减，不仅会导致船舶生活舱室的舒适性降低，还会影响船舶精密仪器的使用精度和寿命。因此不得不对船舶舱室结构进行减振降噪研究与设计。
本文针对船舶舱室降噪问题主要做了以下几个方面的工作： 1）首先详细介绍了目前船舶行业的主要减振降噪方法和措施。
2）对统计能量分析方法的基本原理进行研究，推导了子系统间能量平衡方程，对统计能量分析方法声学模型中的基本参数包括模态密度、内损耗因子、耦合损耗因子和输入功率的定义、选取原则和确定方法进行了学习，然后简单介绍了VA One软件的使用过程。
3）基于VA One软件平台，建立SEA统计能量分析方法声学模型。首先对未在内饰板和舱壁板中间填充岩棉的情况下测试，然后分别对在内饰板和舱壁板中间填充2cm、4cm、6cm的岩棉进行测试，分析填充岩棉前、后以及不同厚度时在各个频段的降噪效果。
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第2章 船舶降噪方法概述
船舶舱室的振动源非常多，主要包括机械设备、推进系统和通风管路系统噪声等。噪声在船舶上的传播介质有空气和船体结构两种，通过空气传播的噪声称之为空气噪声，通过船体结构传播的噪声称之为结构噪声，也叫固体声。船舶的空气噪声主要发生在距离声源较近或者包含声源的舱室内，比如在机舱、空调室、泵舱等。其传播方式主要有两种，一种是穿透舱壁向外辐射，舱室中的噪声源产生噪声，噪声的声压对舱壁产生作用力，引起舱壁声振动，此舱壁的声振动又向相邻舱室辐射出声能，如此反复，使中高频噪声可以通过层层舱壁传播到其他舱室；另外一种是通过所有可能通过的通道向其他舱室传播，比如舱壁间缝隙、门窗、楼梯道等。结构噪声主要是通过声源的机座传递到船舶结构上，此类噪声主要是中低频噪声，比空气噪声传播容易，但是船舶结构具有阻尼作用，随着距离的增加，结构噪声会逐步衰减。但是当船舶结构的固有频率与噪声频率相同时，会发生共振，导致该处产生较强的噪声，一旦结构噪声超标将很难对其进行有效的处理。由于船舶上噪声强度大、频率跨度大、频谱成分复杂，所以采用单一的减振降噪措施难以达到国际海事组织对噪声的要求。因此对于船舶上的噪声问题往往需要将多种降噪措施相结合，船上常用的噪声控制方式包括：吸声处理、隔声技术、隔震技术和阻尼减震技术等。
2.1 吸声处理
吸声是指使用吸声材料或者吸声结构将入射到其表面的声能转化成为其他型式的能量来消耗声能，达到吸声降噪的目的。在船舶舱室的噪声控制当中，使用吸声材料能够有效的降低船舶舱室内的高频噪声，了解其类型、吸声机理和使用性能，有利于声学分析以及便捷的解决吸声降噪设计问题。
2.1.1 吸声技术三参数
吸声材料或者吸声结构的吸声特性主要由吸声系数?、吸量A和声阻抗Za这三个重要的物理量来描述。
1）吸声系数?
吸声系数是表示吸声材料或者吸声结构吸声能力的一个参数，用?表示，其表达式为：
??Ea/Ei??Ei?Er?/Ei?1?? （2.1）
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式中：?——反射系数，??Er/Ei。
吸声系数?侧面反映了舱室壁面单位面积的吸声能力，吸声系数?的大小受到声音的频率、声能的入射角、材料的自身性质和材料的安装方式影响。
2）吸声量A
材料式结构的吸声量的定义为：
A??s(m2) （2.2）
式中：?——吸声系数；
S——吸声材料或者结构的吸声面积（m2）。
根据吸声量的定义可知，当舱室面积一定时，吸声量的大小由吸声系数决定,因此要提高舱室内的吸声量，就要提高舱室内的吸声系数。
3）声阻抗Za
声阻抗是指材料在一定面积上的声压p和通过该面积上的体积速度v的复数比。可表示为：
Za?p/v(pa?s/m2) （2.3）
2.1.2 吸声处理方式
1）多孔吸声材料
多孔吸声材料是把入射的声能通过材料空隙的空气和材料纤维的振荡，将声能转化成热能从而吸收掉。因此多孔材料的内部具有无数的空隙，空隙之间互相连通，并且通过材料表面与外界连通。多孔吸声材料主要包括无机纤维材料、有机纤维材料、泡沫材料这三种材料，它们的吸声性能都会受到空气流阻、材料厚度、材料密度以及湿度的影响。
2）空间吸声体
空间吸声体是指在距离壁面还有一定距离的空间中，悬挂在舱室内的吸声材料或吸声机构。空间吸声体包括大面积的平板体、单元吸声体、吸声尖劈这三种。空间吸声体具有吸声面利用率高、吸声效率高的优点。
3）薄板（膜）共振吸声机构
薄板（膜）共振吸声机构就是在薄板（膜）的背面安装龙骨、垫块等，使板（膜）后留有一定的空气层，形成共振的声学穴腔，这就是薄板共振吸声机构。有的时候会在空气层中填充多孔吸声材料。
4）穿孔板共振吸声机构
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在金属板、胶合板等板上穿以一定厚度的、一定穿孔率的孔，板后留有一定厚度的空气层，可以对入射的声波产生共振，从而吸收。穿孔板共振吸声机构包括单层板穿孔共振吸声结构、双层板穿孔共振吸声机构和微穿孔板吸声机构。
2.2 隔声技术
2.2.1 隔声原理和隔声量
在声音传播途中遇到障碍物时，会使一部分声能被反弹回去，一部分被障碍物吸收，透过障碍物的声能大大减小，从而在障碍物后面形成了一个相对安静的环境。这种由障碍物阻碍声音传播的现象称之为隔声，如图2.1所示。
图2.1 隔声原理示意图
1）隔声结构的透射损失 声能式声强的透射系数?为：
??Et/Ei?It/Ii （2.4）
式中：Et——噪声的透射声能；
Ei——噪声的入射声能； It——噪声的透射声强；
Ii——噪声的入射声强。
?为隔声构件的透射系数，反映了该隔声构件的透声或隔声能力。
2）隔声量
隔声量或者称透射损失TL定义为：
TL?10lg （2.5）
?11则 ??10?0.TL （2.6）
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