船舶在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生大量的振動(dòng)噪聲，損害了船員的身體健康，同時(shí)長(zhǎng)期高強(qiáng)度的噪聲也容易造成船舶結(jié)構(gòu)的疲勞，導(dǎo)致設(shè)備損壞，因此控制船舶振動(dòng)噪聲具有重要意義。船舶振動(dòng)噪聲的主要來(lái)源有主機(jī)、主推進(jìn)器和海浪等，其中動(dòng)力結(jié)構(gòu)的柴油機(jī)及其螺旋槳是重點(diǎn)振動(dòng)噪聲源。周清華等[1]采用有限元法對(duì)某型散貨船的船體總振動(dòng)和上層建筑振動(dòng)在主機(jī)激勵(lì)下的強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值分析，重點(diǎn)研究了主機(jī)激振力的加載方法及主機(jī)機(jī)架的振動(dòng)，并且指出了減振支撐和平衡補(bǔ)償器在散貨船結(jié)構(gòu)中的減振作用等。田麗等[2]利用計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)深入分析了船體艉部出現(xiàn)劇烈振動(dòng)的原因，通過(guò)在艉部加裝上下整流鰭，改善了船艉半生流場(chǎng)，成功解決了艉部劇烈振動(dòng)的問(wèn)題。由螺旋槳帶來(lái)的激振力包括機(jī)械不平衡引起的干擾力、流場(chǎng)不均勻引起的葉頻干擾力和表面力等作用力，其特性決定船舶結(jié)構(gòu)的振動(dòng)幅度。此外，螺旋槳附著生物發(fā)展到一定程度時(shí)也會(huì)帶來(lái)較大的振動(dòng)[3-7]，振動(dòng)經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)傳遞至其他部位，可引起振動(dòng)噪聲問(wèn)題。

某型船在運(yùn)行過(guò)程中，據(jù)船員反饋局部地面甲板出現(xiàn)異常振動(dòng)，嚴(yán)重影響船員生活的安全性和舒適性。

該型船舶為雙機(jī)雙槳推進(jìn)，推進(jìn)系統(tǒng)主要由柴油機(jī)、聯(lián)軸節(jié)、齒輪箱、中間軸、中間支點(diǎn)軸承、尾軸及可調(diào)螺距螺旋槳等組成，柴油機(jī)為中速四沖程柴油機(jī)，齒輪箱減速比為2.9，有4個(gè)可調(diào)螺距螺旋槳葉片。可調(diào)距螺旋槳工作原理為：槳轂中的操縱機(jī)構(gòu)使槳葉相對(duì)于槳轂轉(zhuǎn)動(dòng)，從而調(diào)節(jié)螺距，改變槳葉與水流的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，導(dǎo)致水流對(duì)槳葉沖擊不均勻，形成脈動(dòng)壓力。可調(diào)距螺旋槳是船舶系統(tǒng)主要的振源之一。振動(dòng)異常區(qū)域位于船舶艉端至1/8水線長(zhǎng)的艉部區(qū)，正下方依次為冷水機(jī)組艙和艉軸艙，冷水機(jī)組艙列裝有2臺(tái)冷水機(jī)組和若干泵浦，艉軸艙列裝有2根中間軸和2個(gè)中間支點(diǎn)軸承。針對(duì)船體局部結(jié)構(gòu)振動(dòng)，船體振動(dòng)評(píng)價(jià)基準(zhǔn)規(guī)定了船舶安全性和適居性的兩種評(píng)價(jià)方法[8]。

筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法對(duì)局部地面甲板異常振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行分析，以避免該類問(wèn)題再次發(fā)生。

1.   理化檢驗(yàn)

1.1   安全性評(píng)價(jià)

根據(jù)評(píng)價(jià)區(qū)域不同，安全性評(píng)價(jià)分為艏艉區(qū)評(píng)價(jià)和船中部區(qū)評(píng)價(jià)，其中艏端至1/10水線長(zhǎng)為艏部區(qū)，艉端至1/8水線長(zhǎng)為艉部區(qū)，不同區(qū)域分別設(shè)置了上限線值和下限線值。根據(jù)上限線值和下限線值的不同，將船體振動(dòng)評(píng)價(jià)區(qū)劃分成3個(gè)評(píng)價(jià)區(qū)，下限線值以下為良好區(qū)，處于該區(qū)域說(shuō)明船體的結(jié)構(gòu)振動(dòng)良好；上限線值以上為建議改進(jìn)區(qū)，處于該區(qū)域說(shuō)明船體的結(jié)構(gòu)振動(dòng)超過(guò)了規(guī)定安全閾值，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)對(duì)船體結(jié)構(gòu)或者設(shè)備造成一定的損害；下限線值和上限線值之間為可接受區(qū)，處于該區(qū)域說(shuō)明船體的結(jié)構(gòu)振動(dòng)是可以接受的，該船可以安全運(yùn)行。

對(duì)地板垂向振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)點(diǎn)為餐廳立柱0.5 m處局部振動(dòng)較敏感的地板，采用單向壓電式加速度傳感器，將磁鐵吸附固定在地板水平面上。測(cè)試設(shè)備主要有數(shù)據(jù)采集儀、加速度傳感器，數(shù)據(jù)采集儀采樣率為0.5 Hz~200 kHz，模數(shù)轉(zhuǎn)換精度為24位，頻率誤差小于0.005%，幅值誤差小于0.5%，滿足測(cè)量信號(hào)的精確度。

整改前后測(cè)試期間船舶保持自由直線航行，推進(jìn)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，操作舵角變化不超過(guò)-2°~2°。振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示。采用膠帶固定傳感器信號(hào)線，以避免引線晃動(dòng)和沖擊造成測(cè)試數(shù)據(jù)的漂移和劇烈波動(dòng)，采樣頻率為1 024 Hz。

圖  1  振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)示意

將測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將加速度和速度頻譜匯總，結(jié)果如圖2所示，其中1~3.33 Hz為加速度頻譜，3.33~100 Hz為速度頻譜。由圖2可知：在1.4 Hz處加速度分量最大，加速度單峰值為10.0 mm/s2，根據(jù)安全性評(píng)價(jià)基準(zhǔn)規(guī)定，如果加速度處于下限線值以下，加速度單一頻率分量的單峰值滿足安全性評(píng)價(jià)要求；在63.1 Hz處速度分量最大，速度單峰值為4.0 mm/s，根據(jù)安全性評(píng)價(jià)基準(zhǔn)規(guī)定，速度處于下限線值處時(shí)，速度單一頻率分量的單峰值滿足安全性評(píng)價(jià)要求。

圖  2  加速度和速度頻譜

1.2   適居性評(píng)價(jià)

適居性評(píng)價(jià)采用1~80 Hz頻帶內(nèi)的全頻率計(jì)權(quán)加速度（速度）均方根作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，根據(jù)評(píng)價(jià)區(qū)域等級(jí)的不同分為住艙和工作艙，其中A區(qū)域等級(jí)為居住艙，是保證船員休息、學(xué)習(xí)和工作的處所，如住艙、閱覽室、餐廳、會(huì)議室等；B區(qū)域等級(jí)為工作艙，是人員停留或工作時(shí)間較短的處所，如廚房、洗衣房、通道等，不同區(qū)域等級(jí)的振動(dòng)限值如表1所示。筆者采用的測(cè)點(diǎn)區(qū)域?yàn)锳區(qū)域。

采用Matlab軟件計(jì)算1~80 Hz頻帶內(nèi)振動(dòng)加速度（速度）級(jí)信號(hào)1/3倍頻程譜線，結(jié)果如表2所示，并按照式（1）進(jìn)行總振級(jí)計(jì)算。

式中：L為1~80 Hz經(jīng)計(jì)權(quán)后的總振級(jí)；n為頻帶點(diǎn)數(shù)，n=20；Li為第i頻帶點(diǎn)對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)振級(jí)，i=1,2,3,…；Ai為與Li第i頻帶點(diǎn)對(duì)應(yīng)頻率的加速度加權(quán)值和速度加權(quán)值，其數(shù)值如表3所示。

1~80 Hz頻帶內(nèi)的全頻率計(jì)權(quán)加速度均方根的計(jì)算方式如式（2）所示。

式中：La為式（1）計(jì)算的加速度總振級(jí)；a為1~80 Hz頻帶內(nèi)全頻率計(jì)權(quán)加速度均方根；a0為EN ISO 1683—2008 《聲學(xué)和振動(dòng)等級(jí)用基準(zhǔn)參考值》中規(guī)定的加速度基準(zhǔn)值，a0=10-6 m/s2。

1~80 Hz頻帶內(nèi)的全頻率計(jì)權(quán)速度均方根的計(jì)算方式如式（3）所示。

式中：Lv為式（1）計(jì)算的速度總振級(jí)；v為1~80 Hz頻帶內(nèi)全頻率計(jì)權(quán)速度均方根；v0為標(biāo)準(zhǔn)EN ISO 1683—2008中規(guī)定的加速度基準(zhǔn)值，v0=10-9 m/s。

由式（2）計(jì)算得到的全頻率計(jì)權(quán)加速度均方根為154.98 mm/s2，由式（3）計(jì)算得到的全頻率計(jì)權(quán)速度均方根為4.33 mm/s。測(cè)試結(jié)果均處于輕微振動(dòng)上限值與嚴(yán)重振動(dòng)下限值之間，船體振動(dòng)情況是可接受的。

1.3   頻譜分析

地板局部垂向振動(dòng)速度頻譜如圖3所示。由圖3可知：最大的峰值頻率分別為10.9 Hz和63.1 Hz，這與舒適性評(píng)價(jià)出現(xiàn)明顯波峰頻率較吻合。

圖  3  地板局部垂向振動(dòng)速度頻譜

由船舶結(jié)構(gòu)和使用工況可知，10.9 Hz頻率與螺旋槳葉頻激振頻率相吻合，63.1 Hz頻率與柴油機(jī)整機(jī)發(fā)火頻率相吻合。螺旋槳葉頻激振頻率和柴油機(jī)整機(jī)發(fā)火頻率為地板的主要振源，柴油機(jī)或螺旋槳產(chǎn)生的激振力傳到船體，再由船體傳給餐廳地板，建議重點(diǎn)排查螺旋槳槳葉。

2.   結(jié)構(gòu)排查

根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，重點(diǎn)排查了螺旋槳，并對(duì)柴油機(jī)中的部分缸頭活塞進(jìn)行了換新。結(jié)果發(fā)現(xiàn)螺旋槳槳葉和艉軸上存在藤壺、牡蠣等大量海洋附著生物，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)其他異常。隨后對(duì)海洋附著生物進(jìn)行鏟除。經(jīng)過(guò)上述治理，對(duì)船出船塢后再次進(jìn)行了振動(dòng)信號(hào)采集，測(cè)試前后工況一致，改進(jìn)后的振動(dòng)加速度級(jí)和振動(dòng)速度級(jí)1/3倍頻程譜線數(shù)值如表4所示。

測(cè)試可得加速度和速度均方根分別為144.68 mm/s2和3.99 mm/s，結(jié)果均處于輕微振動(dòng)上限值與嚴(yán)重振動(dòng)下限值之間，振動(dòng)情況在可接受范圍內(nèi)。由表4可知：在中心頻率10 Hz處，振動(dòng)加速度級(jí)由原來(lái)的94.50 dB降低到78.62 dB，振動(dòng)速度級(jí)由原來(lái)的123.45 dB降低到110.92 dB；在中心頻率63 Hz處，振動(dòng)加速度級(jí)由原來(lái)的102.08 dB升高到102.96 dB，振動(dòng)速度級(jí)由原來(lái)的131.02 dB升高到131.09 dB，海洋附著生物鏟除后中心頻率10 Hz附近振動(dòng)加速度級(jí)和振動(dòng)速度級(jí)明顯得到改善。

3.   結(jié)論

對(duì)地面甲板異常振動(dòng)區(qū)域進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)地面甲板異常振動(dòng)與螺旋槳激振力增大有關(guān)。螺旋槳激振力增大的主要原因是海洋附著生物富集，導(dǎo)致螺旋槳表面粗糙度增大，改變了螺旋槳原有伴生流場(chǎng)，繼而造成激振力增大。將海洋生物鏟除后，餐廳地面甲板異常振動(dòng)問(wèn)題得到了明顯改善。

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