極地科考破冰船水下輻射噪聲分析
第一作者：黃 嶸(1976-), 高級輪機長，任職于中國極地研究中心，曾任雪龍船輪機長，獲得原國家海洋局頒發的優秀科技青年稱號，至今已經參加過十二次南極考察和四次北極考察，多次被評定為優秀考察隊員，具有豐富的極地破冰船現場經驗。全程參與“雪龍2”號的設計、建造過程，主要負責全船機電設備和自動化部分，并參加了“雪龍2”號的首次南極考察和首次北極考察，均取得了圓滿成功。
第二作者：吳 剛(1978-), 研究員, 任職于中船集團第七〇八研究所，該所“科考船總體設計技術”資深專家。上海科學技術進步一等獎、海洋工程科學技術特等獎獲得者，因在“深海探測與研究平臺體系建設研究集體”中做出重要貢獻，被授予2015年度“中國科學院杰出科技成就獎”；長期從事船舶總體研究與設計工作，主持過半潛船、集裝箱船、海警船、科考船和破冰船的設計工作，是我國“向陽紅01”、“向陽紅03”科考船、 “東方紅3”綜合科考實習船、中山大學6000噸級海洋綜合科考船、“雪龍2”極地科考破冰船的總設計師。
極地科考破冰船在開展大洋和兩極科學考察時, 一方面如常規科考船一樣需盡量控制自身的輻射噪聲, 以確保不影響探測設備的功能; 另外一方面要求盡量減少自身輻射噪聲對海洋和兩極生物生存發展的影響。然而尤其是高等級破冰強度的極地科考破冰船, 其所具備的特殊船型、大功率主機、高強度螺旋槳以及可能安裝于船體外的全方位推進器都會給水下輻射噪聲控制帶來了極大的挑戰。文中介紹了某極地科考破冰船項目水下輻射噪聲的前期研究。首先比較了船舶水下輻射噪聲相關標準, 分析了船舶水下輻射噪聲的來源, 歸納總結了抑制水下輻射噪聲的方法。然后針對某極地科考破冰船的水下輻射噪聲進行了實船驗證, 實測中采用多水聽器方法, 將測得的輻射噪聲數據與國外同類船進行對比, 初步分析了目前極地科考破冰船水下噪聲特性。研究結果可為開展極地科考破冰船水下輻射噪聲抑制研究提供理論參考。
近年來, 隨著船舶航運事業的發展, 海洋噪聲污染帶來的問題日益突出, 由船舶引起的水下噪聲是人類活動對水下環境噪聲產生影響的重要因素。隨著海洋資源利用程度的增加及經濟全球化水平的發展, 船舶水下輻射噪聲嚴重威脅著海洋生物的生存發展, 噪聲對海洋生物特別是哺乳動物的影響, 引起了國外環境保護組織和科學家的高度關注, 國際海事組織也不斷有提案涉及要求商用運輸船控制水下輻射噪聲的內容[1]。另一方面, 在兩極特殊環境下運行的極地科考破冰船要求在不干擾海洋生物正常活動的前提下開展兩極和大洋的科學考察, 更需要在特定頻率范圍內對水下輻射噪聲進行嚴格控制, 以期獲得自身探測設備較佳的環境場。然而尤其是高等級破冰強度的極地科考破冰船, 其所具備的破冰船型、大功率主機、高強度螺旋槳以及可能安裝于船體外的全方位推進器都給水下輻射噪聲控制帶來了極大的挑戰。采取適當的技術措施, 以使得極地科考破冰船的水下輻射噪聲接近或達到國際上對新一代海洋科考船水下輻射噪聲最高要求, 成為國內科學研究者追求的目標。對于船舶控制水下輻射噪聲的研究, 公開發表的文章不多, 國際上針對不同船型的控制方法也僅處于結合工程實際的探索階段。國際海洋勘察理事會(international council for the exploration of the sea, ICES)為此在1995年發布的編號為209的《考察研究報告》(Cooperative Research Report) 即ICES 209[2]中提出了水下輻射噪聲的控制限制線, 報告中指出當時對于新船或改裝船只的水下噪聲控制策略和注意事項, 但對于采用吊艙全回轉、齒輪全回轉或直葉槳推進等全方位電力推進的破冰船、科考船卻并無提及。因為近幾年國內外出現采用類似推進形式的新船型, 故而此類船型的水下輻射噪聲控制備受關注。
1 水下輻射噪聲標準比較
關于船舶水下輻射噪聲的指標要求, 國際上有多個研究機構和大學組織一直在進行相關研究, 但能查閱到的公開資料較少, 尤其是得到業界公認的相關標準及衡準就更少。海洋科考界最早被普遍認可的2個標準分別是: ICES 209中提出的水下輻射噪聲衡準以及DNV GL船級社(Det Norske Veritas Germanischer Lloyd)SILENT Notation[3]靜音船級符號的規范要求。
ICES 209 的水下噪聲衡準主要針對海洋水體環境和生物種群進行研究的船只, 尤其是對海洋生物自身聲學通信和信號能產生干擾的船只, 海洋生物受船舶水下輻射噪聲影響的具體頻率分布如圖1所示[4]。例如, 針對漁業科考船, 為確保漁業資源調查時魚群的自然分布調查結果不受到調查作業本身的干擾, 對拖網、聲學法產生的水下輻射噪聲進行一定的限制。
圖1 不同海洋生物受船舶水下輻射噪聲以及聲吶影響的可能頻率范圍
DNV GL SILENT Notation靜音船級符號是世界范圍內第1組關于船舶水下噪聲輻射的規則, 包含5個子船級符號: R-科考調查級(Research)、A-聲學設備級(Acoustics)、S-地震調查級(Seismic)、F-漁業調查級(Fishery)和E-環境友好級(Environ- mental)。其中, R、A和F與海洋科考船密切相關, 根據作業負載的不同, A和F還分別有2種不同的噪聲限制線。
SILENT(R)(科考調查級)符號是基于1995年發布的ICES 209修改而來, 其對水下噪聲要求非常嚴格, 唯一區別是SILENT(R)在低于25 Hz的更低頻率段放寬了要求, 如圖2所示。文中噪聲強度聲壓帶級參考1 μPa@1 m。SILENT(R)符號適用于包含漁業調查在內的所有科考活動的綜合科考船或其他對水下噪聲非常敏感的船舶; SILENT (A)(聲學設備級)符號旨在確保聲學換能器使用時不受背景噪聲干擾并確保其運行在最佳狀態; SILENT(F)(漁業調查級)符號主要用于漁業資源調查船或與之有類似頻率要求的科考船; SILENT (E)(環境友好級)符號是為了避免航行中出現過高的水下輻射噪聲以保護海洋環境及海洋生物。
中國船級社(China classification society, CCS)在面對國內海洋科考船和相關船型對水下輻射噪聲要求越來越高的前提下, 基于自身經驗和發展需求, 在2018年結合《船舶水下輻射噪聲指南》[5]的制定適時推出了水下輻射噪聲附加標志N (N=1, 2, 3), 將水下輻射噪聲分成3個等級, 等級1即UNR_1為水下輻射噪聲最高要求。除了100 Hz以下, 其余均與DNV GL的最高要求SILENT(R)一致, 具體如圖3所示。
圖3 CCS URN Notation和DNV GL SILENT Notation水下噪聲衡準比較
通常船舶的水下輻射噪聲主要可分為以下3類: 水動力噪聲[6]、機械噪聲及螺旋槳噪聲。由于有些科考破冰船采用全方位推進裝置, 其螺旋槳噪聲應擴展到水下推進器的整體噪聲, 而且這類噪聲往往是控制的重點和難點。其中, 水動力噪聲又稱作流噪聲, 屬于流體動力學噪聲的一種, 是船舶在海面運動時形成的水流內部應力和船體與水流之間壓力共同作用的結果, 其中包含由于船體曲面或附體在運動中激起的下泄氣泡以及渦流帶來的噪聲, 如圖4所示。機械噪聲由主機、輔機等精密船載設備產生, 主要集中在低頻段, 但由于其成分較為復雜, 且海洋背景噪聲大多為低頻, 因而實際提取識別時較為困難, 針對主機振動噪聲的分析如圖5所示。螺旋槳噪聲是指高速旋轉的螺旋槳在水中振動輻射產生的聲波, 其中包含螺旋槳空化噪聲及螺旋槳葉片振動引發的噪聲, 如圖6所示, 如果采用安裝于船尾、浸沒于水中的全方位推進裝置, 這類推進器噪聲除了螺旋槳噪聲以外, 還有推動螺旋槳旋轉的水下推進電機或齒輪傳遞的噪聲。
圖4 船體水動力噪聲渦流分析示意圖
圖5 主機振動噪聲分析示意圖
圖6 針對螺旋槳噪聲的空泡試驗示意圖
影響水下輻射噪聲的全方位推進裝置有吊艙全回轉推進器、齒輪全回轉推進器和直葉槳推進器等。這類推進裝置一般安裝在科考船、破冰船和海洋工程船等船型的尾部作為主推進器。它們有個共同的特點, 即利用船尾水下安裝的特殊形式實現常規螺旋槳與舵的聯合控制, 使其具備“舵槳合一”功能。這一特點導致水下輻射噪聲級別和頻率范圍不同于常規螺旋槳。采用此類推進裝置的船型, 在建造設計之初就必須重點關注水下推進器的噪聲并嚴格加以控制。從已獲得的信息和實船試驗情況來看, 吊艙全回轉推進器的噪聲控制主要通過優化推進電機在水下艙體內的結構與電機的振動響應, 同時有效控制電機自身的高頻噪聲(>1 kHz)來實現; 齒輪全回轉推進器的噪聲控制是通過將齒輪傳遞形式由Z型改為L型, 減少1對齒輪傳遞, 并控制齒輪傳遞的低頻噪聲來實現, 此類推進器必須關注不同航速下100 Hz~1 kHz的噪聲水平, 尤其是200 Hz以下低頻段; 直葉槳推進器因其結構復雜, 機械振動噪聲隨航速增加控制難度加大, 水下輻射噪聲在<1 kHz低頻段, 控制難度較大, 目前在大型遠洋船舶上的實用案例較少。
對水下輻射噪聲的抑制要求是對全船系統性、全過程的要求, 會對船舶線型及附體形式、推進系統、船體結構設計、設備選型和布置、空船重量重心控制、船廠生產放樣和建造工藝等方方面面產生影響。噪聲控制在概念設計之初就應加以分析和考慮, 將全船的振動噪聲限制要求分解到各個噪聲源, 提前進行減振降噪設計, 在車間和碼頭調試階段進行過程控制, 并通過近場和遠場測量后根據數據分析加以調整和修正, 最終達到理想效果。對于采用全方位推進的船舶, 要更加關注水下推進器噪聲源的控制。以下為水下輻射噪聲抑制的主要方法。
1)優化船舶線型, 合理布置多波束等探測設備的分布位置, 減少或避免艏部線型在航行中產生的氣泡下泄對聲學設備的干擾[7]。
2) 主機選型時提出振動噪聲控制指標, 要求制定具體的浮閥或雙層隔振技術方案。
3) 盡量采用安靜型、轉速較低的推進電機, 必要時進行彈性安裝, 尤其關注為電機伺服的風機、滑油泵等的振動噪聲。
4) 采用靜音螺旋槳設計, 盡量控制空泡初生和過大時的激振力[8], 同時對鳴音現象采取控制手段。
5) 如采用全方位推進器, 均需在前期通過分解的噪聲指標進行具體的輻射噪聲分析和控制。吊艙全回轉推進器需關注水下艙體結構與電機的響應分析[9]、水下電磁噪聲分析、變頻器開關頻率和濾波器設置等, 如圖7所示。齒輪全回轉推進器則需關注其齒輪推進是Z型或L型、齒輪傳動比、齒輪加工精度以及齒輪嚙合形式等。
圖7 吊艙推進器水下噪聲控制研究
6) 總體布局上應盡量采用合理的艙室布置, 設置必要的隔離艙, 降低主機、螺旋槳等噪聲源對水下輻射噪聲的影響。
7) 對泵組、空壓機以及風機進行隔振處理。
8) 采取必要的阻尼、吸音和消音處理措施。
文中所提及目標船是一艘多功能、多學科、能在極區航行的專業科學考察破冰船, 采用國際首創的雙向破冰船型設計, 船艏船艉均可破冰, 可在兩極水域混有陳冰的次年海冰中航行作業。艏向和艉向航行破水平冰厚度均不低于1.5 m, 連續破冰速度2~3 kn, 續航力2×104 n mile, 航程可以繞地球一圈。該船采用全電力推進系統, 動力配置為2臺6 960 kW和2臺4 640 kW的主機組成的柴油發電機組, 電站輸電總功率約為22eMW。為了獲得在冰區優良的破冰性能, 其艉部裝有2個大功率吊艙全回轉推進器, 水下艙體內推進電機為轉速范圍15~240 r/min的同步感應電機, 其最大輸出功率為7 500 kW, 推進電機直接帶動2個冰區強度等級為PC3的四葉螺旋槳, 直徑約為4.25 m。同時該船艏部還配置有2個功率為1 200 kW的隧道式側推, 具備CCS DP2動力定位系統。
根據該船的功能定位和性能要求, 采取主機加裝雙層隔振、螺旋槳進行靜音設計并提高加工精度等措施, 減少該船在航行工況下的水下輻射噪聲; 在該船的機艙及其他處所, 采取機械設備雙層隔振和必要的阻尼吸聲、隔聲措施以及合理的船舶型線布局設計, 以滿足其科考作業時的噪聲指標要求。此外, 采用吊艙式推進器雖可有效降低齒輪傳動帶來的機械噪聲的影響, 但潛在的電磁輻射噪聲的影響有待進一步測試和分析。
為獲得目標船的水下輻射噪聲等級, 采用“多水聽器法”對目標船進行海上實測。該方法在艦艇水下噪聲測量中經常采用[10]。
采用多水聽器方法時, 可選取坐底式布放或船載布放進行測量, 分別如圖8和圖9所示。
圖8 坐底式布放的聲學測量系統(單位: m)
圖9 船載式布放的聲學測量系統(單位: m)
為不影響水聲測量結果, 采用多水聽器方法進行測量時, 所選測量海域應開闊、遠離航道, 保證被測船舶有充足的機動范圍, 且周圍5 n mile內無機動船干擾, 海流流速小于1.5 kn, 并且在海況不大于3級, 且風力不大于蒲氏風級4級的條件下進行。
基于上述條件, 目標船在航速 6 kn、11 kn和15 kn分別直線航行, 不使用側推、不拖帶任何物體的工況下采用船載式布放方法測量其水下輻射噪聲。將所測數據中不同深度的水聽器譜級進行平均, 計算得到相應航速的頻帶聲壓級, 并與船舶水下輻射噪聲衡準值進行對比, 其中6kn 航速下的測試結果如圖10所示。
圖10 聲源譜級對比曲線(1/3倍頻程)
水下輻射噪聲測量結果表明, 目標船作為PC3等級的世界先進極地科考破冰船, 與國際同級別極地科考船相比(見圖11), 具備較好的水下噪聲特性。航速6 kn和11 kn時, 水下輻射噪聲聲源級除個別頻率段外, 整體滿足ICES 209的限值曲線; 尤其是250 Hz以下與1 kHz以上頻段表現良好, 充分保障了科考模式下船舶聲學探測設備的工作效果。但需注意的是, 在315 Hz左右范圍有超出ICES 209的限值曲線, 航速越高, 此現象越突出。
圖11 國際同級別極地科考船輻射噪聲曲線(1/3倍頻程)
船舶水下輻射噪聲控制往往涉及到包含噪聲源的全船系統, 無論是流體噪聲、機械噪聲還是推進器的噪聲控制都是貫穿設計和建造全過程的系統工程。極地科考破冰船因其高功率配置的動力系統以及特殊船型和尾部推進器, 使得水下噪聲控制難度加大。文中在介紹水下輻射噪聲標準、不同噪聲源噪聲抑制方法的同時, 針對全方位推進器提出了水下噪聲控制需特別關注的地方,并以某極地科考破冰船的噪聲實測和分析為例指出當前極地科考破冰船水下噪聲特性。下一步工作將結合實測詳細結果, 針對具體的振動頻率和噪聲源開展分析并得出進一步的控制方法, 為開發建設新的極地科考破冰船積累經驗。
原文刊登于《水下無人系統學報》2020年第28卷第4期
工程師必備
- 項目客服
- 培訓客服
- 平臺客服
TOP
