船舶及海洋结构物结构动力学-第七章1

1、七七、船舶的噪声及其控制、船舶的噪声及其控制 随着科学技术的发展，作为环境科学的一项重要内容，噪声污染及其控制已日益引起人们的重视。对船舶来说，由于吨位加大、航速和主机功率的提高，振动和噪声问题日益突出。据我们对国内三百多艘各类海、河船舶噪声测试与统计，柴油机机舱的噪声大都在100dB(A)以上，以高速柴油机为主机的甚至超过110dB(A)，影响船员的工作效率,甚至危及健康，因此必须采取有效的噪声控制措施。 一、声音的产生一、声音的产生7.1声学的基本概念声学的基本概念人们在长期的实践发现声音来源于物体的振动。例如琴弦的振动能产生悦耳的音乐，收音机借助于扬声器纸盆的振动播出语言和音乐节目。我们

2、把这些发出声音的物体叫做声源。除固体外，液体和气体的振动同样可产生声音。如管道阀门的噪声就是由液体的振动产生的；气笛声是高速气流与周围静止空气相互作用而引起空气振动的结果。 一、声音的产生一、声音的产生7.1声学的基本概念声学的基本概念u 物体振动发声，要通过弹性介质才能传播到人耳。声音是不能通过真空传播的。u 声音在空气传播时，空气质点本身并不随声波一起传播出去，只在它的平衡位置附近前后作纵向振动。这种弹性介质质点的机械振动的传播就是称为声振动的传播，或称为声波，所以声音的传播实质是物体振动的传播，即传播出去的是物质运动的能量，而不是物质的本身。这说明声音是物质运动的一种形式，这种运动形式叫

3、波动。u 振动和波动是互相密切关联的运动形式，振动是波动产生的源，波动是振动的传播过程。 一、声音的产生一、声音的产生7.1声学的基本概念声学的基本概念u 声波在空气中传播，引起空气质点振动的方向和声波传播方向一致，所以空气中的声波是纵波，又称为疏密波。u 若质点振动的方向和声波传播的方向相垂直，那么这种声波称为横波。传播声波的空间就称为声场。声波传播时，在某一时刻传播到的各点的轨迹称为波前，振动传播的方向称为波线。 一、声音的产生一、声音的产生7.1声学的基本概念声学的基本概念u 传播声波的空间就称为声场。声波传播时，在某一时刻传播到的各点的轨迹称为波前，振动传播的方向称为波线。 一、声音的

4、产生一、声音的产生7.1声学的基本概念声学的基本概念u 声音以波动的形式在空气中传播称为空气声。u 固体和波体同样能传播声波。例如，弹性体振动可沿着弹性体本身传播，这称为固体声。固体声波随弹性体振动形式的不同而有不同的波。杆的纵向振动是一种纵向的固体声波；因纯剪切使介质各部分变形，但体积不变的波为剪切波；杆或板的弯曲振动在固体中传播为弯曲波，弯曲波是一种横波。u 声波在液体中的传播，如水声 一、声音的产生一、声音的产生7.1声学的基本概念声学的基本概念u 声振动经过一个周期，声波传播的距离称波长u 一秒内振动的次数是频率，以f 表示，单位是Hzu 频率和波长的乘积就是声速，以c 表示u 人耳能

5、听到的声波频率为2020000Hz，称为可听声，而其中最易使人感受的是10004000Hz。低于20Hz的声波称为次声波，高于20000Hz的声波称为超声波。 一、声音的产生一、声音的产生7.1声学的基本概念声学的基本概念u 按照声波随时间变化的规律，声音可分为纯谐声、一般声和噪声。u 对应于由正弦波组成的最简单的振动，称为纯谐声或纯音，是最简单的声音。u 一般声是由若干个不同频率和强度的纯谐声组成的。 一、声音的产生一、声音的产生7.1声学的基本概念声学的基本概念u 所谓噪声，从物理学的观点看，就是各种不同频率和不同强弱声音的随机组合。它的波形图是没有规则的非周期性曲线，如图（a）所示。乐音

6、则是规律的振动所产生的，它的波形图是周期性曲线，如图（b）所示。u 从生理学的观点，凡是使人厌烦的、不需要的声音都称为噪声。例如睡眠时，从邻室传来的音乐声也是噪声。u 按噪声源，工业噪声可分为空气动力性噪声、机械性噪声和电磁噪声三种。噪音乐音7.1声学的基本概念声学的基本概念 二、声音二、声音传播的特性传播的特性u 声波通过弹性介质传播，不同的介质其传播的速度是不同的。若介质的可压缩性大（如气体），声波的传播速度就较慢；若介质的可压缩性小（如固体），声波的传播速度就快。u 空气中的声速约340m/s,水中的声速约1450m/s，钢铁中约5000m/su 声速c代表的是声波在介质中传播的速度，它

7、与介质质点本身的振动速度v是完全不同的两个概念。VC7.1声学的基本概念声学的基本概念 二、声音二、声音传播的特性传播的特性u 声波在一个没有边界的空间、无反射自由的、均匀的、各向同性的介质场传播，在声学中称为自由场或自由声场，以球面波动的形式均匀的向四面八方辐射，称为点声源，显然点声源辐射球面波，没有方向性。u 当声源辐射的声波波长比声源尺寸小时，声波就以略微散发的“声束”向正前方传播。如波长与声源尺寸之比越小，声束的发散性越小，即方向性越强。当比值交小时，几乎不发散的声速以平面形状（平面波）由声源向外传播。u 我们平时在高音喇叭声正前方听到的音量很强，在它的背面或侧面声音很弱，而且音调发闷

8、，这就是由于高频声波长短、方向性强的缘故。7.1声学的基本概念声学的基本概念 二、声音二、声音传播的特性传播的特性u 声音自声源向四周幅射，其波前的面积随声波距离增加而不断扩大，声音的能量被分散开来。由于能量不变，因此通过单位面积随声波距离增加而不断扩大，声音的能量被分散开来。由于能量不变，因此通过单位面积的声能不断减小，声音逐渐减弱，这称为声波的距离衰减。u 对点声源来说，声波随距离的平方成反比例衰减。u 声波在大气中传播，由于空气的粘滞性、热传导等影响，声音的能量不断地被空气吸收而转化为其它形式。例如空气分子间的摩擦可使部分声能转化为热能消耗掉，使声音衰减。由空气吸收而引起的声衰减与声音的

9、频率、空气的温度及湿度有关。u 高频声振动快，空气疏密相间的变化频繁，因而它比低频声衰减得快。1、声波声波的衰减的衰减7.1声学的基本概念声学的基本概念 二、声音二、声音传播的特性传播的特性u 声波传播中遇到障碍物会发生反射，这是因声波由一种介质进入另一种介质时，在两种介质的分界面上传播方向发生变化之故。例如空气中的声波遇到墙面，一部分声能量被反射回到空气中而形成反射波，其余部分传入墙内而形成折射波，并进而使一部分声能透射过去。u 在山谷中大声喊叫而听到的回声，这就是声波遇到固体的反射现象。u 液体和气体也能产生反射。在一个封闭的船舱里，声波向四面八方传播，遇到甲板、围壁、家具等就会发生多次反

10、射。反射声的存在，使原来的声音加强，且当声源停止发声后，短时间内还能听到声音，这称为混响声。u 用吸声材料或吸声结构在舱室内表面作饰面就是为了减弱这个因反射而产生的混响声，从而使舱室的噪声降低。1、声波声波的衰减的衰减1）反射射 二、声音二、声音传播的特性传播的特性7.1声学的基本概念声学的基本概念2）绕射绕射 障碍物尺寸小于声波波长，产生绕射。高频声的波长短，容易被反射，低频声的波长长，容易绕射 二、声音二、声音传播的特性传播的特性7.1声学的基本概念声学的基本概念3）衍射）衍射 声波通过空洞时，如果声波波长比空洞大很多则发生衍射现象 二、声音二、声音传播的特性传播的特性7.1声学的基本概念

11、声学的基本概念3）衍射）衍射 声波通过空洞时，如果声波波长比空洞大很多则发生衍射现象 二、声音二、声音传播的特性传播的特性7.1声学的基本概念声学的基本概念2、声波声波的反射、折射和绕射的反射、折射和绕射几乎无反射几乎完全反射几乎完全反射声波的反射、折射和透射都是在两种介质的分界面处发生的，这是由于两种介质的声阻抗率不同所致。当两种介质的声阻抗率接近，甚至相等时，声波几乎全都由第一种介质进入第二种介质，即几乎没有反射，对声波传播来讲，分界面就好像不存在一样；当两种介质的声阻抗率相差较大，如空气和钢材，则声波遇到钢材时，大部分被反射回去。 三、声音的物理度量三、声音的物理度量7.1声学的基本概念

12、声学的基本概念 三、声音的物理度量三、声音的物理度量7.1声学的基本概念声学的基本概念2）声压声压在空气中声波是疏密的存在使大气压力产生迅速的起伏，这个起伏的量称为在空气中声波是疏密的存在使大气压力产生迅速的起伏，这个起伏的量称为声声压压，就是，就是空气中压力的波动，即在大气压力上下以一定的增量波动空气中压力的波动，即在大气压力上下以一定的增量波动。声压声压越大，声音越强；声压越小，声音越弱。越大，声音越强；声压越小，声音越弱。声音在传播过程中，声压声音在传播过程中，声压 实际上随时间迅速起伏变化，人耳感受到的实际效果实际上随时间迅速起伏变化，人耳感受到的实际效果只是迅速变化的只是迅速变化的声

13、压，又声压，又称称瞬时瞬时声压，的声压，的某一时间平均结果某一时间平均结果，叫，叫有效声压有效声压20epIc有效声压： 三、声音的物理度量三、声音的物理度量7.1声学的基本概念声学的基本概念3）分贝分贝 声压级： 三、声音的物理度量三、声音的物理度量7.1声学的基本概念声学的基本概念3）分贝分贝 声强级：声功率级： 三、声音的物理度量三、声音的物理度量7.1声学的基本概念声学的基本概念3）分贝分贝 在标准大气下，声压级与声强级有如下关系：故有式中，K与大气压与温度有关。在大气温度为20时，标准大气压下声压级与声强级关系为 三、声音的物理度量三、声音的物理度量7.1声学的基本概念声学的基本概念

14、3）分贝分贝 球面扩张的声源：半球面扩张的声源3、分贝的运算、分贝的运算1）噪音噪音级的叠加级的叠加 A.利用公式计算 噪声源的声压 三、声音的物理度量三、声音的物理度量7.1声学的基本概念声学的基本概念如两台设备的声压相加，则总声压为总声压级对于n台不同的噪声级同时发声 三、声音的物理度量三、声音的物理度量7.1声学的基本概念声学的基本概念2）分贝平均值的计算分贝平均值的计算 平均声压级： 一一、噪声的危害、噪声的危害7.2噪声的危害及其评价噪声的危害及其评价噪声的噪声的危害：危害： 1、强噪声可引起耳聋的和诱发各种疾病 2、一般强度噪声可以引起人们的烦恼，干扰语言交谈，以致给人们的工作 学

15、习和生活带来影响 二二、噪声的、噪声的评价评价方法方法1、等响曲线、响度级、响度等响曲线、响度级、响度 响度响度：人耳对声音响度的大小主观感觉（500-4k响,250Hz） 响度级：响度级：某声音听起来与1kHz纯音一样响，则响度级就为该纯音的声压级 等响曲线：等响曲线：一簇响度级与声压级和频率的关系曲线人耳对2k-5kHz声较敏感 二、噪声的评价方法二、噪声的评价方法7.2噪声的危害及其评价噪声的危害及其评价 2、计权声级、计权声级 声级计：声级计：A网络、网络、B网络、网络、C网络、网络、D网络网络 人耳对不同频段感知程度不同，为了声音的客观物理量与人耳听觉主观感受近似取得一致，人们在测量

16、声压级的仪器声级计中设置了四档计权网络，其中一档称线性网络，用来反映客观声压级，它对任何频率均无衰减。其它三档是参考等响曲线设置的 ABC 三条计权网络，在噪声测量中往往就用A网格测得的声级来代表噪声的大小，称A声级，和人的主观感觉比较接近。 三、噪声控制的标准三、噪声控制的标准7.2噪声的危害及其评价噪声的危害及其评价1、国际标准化组织（国际标准化组织（ISO）推荐标准推荐标准 它是以每天工作八小时，每周工作五天，每年工作40周，在噪声环境中工作10年计算的。如果工作时间减少，则其允许标准可相应提高。 上述标准只适用于稳态噪声，对于有起伏间歇，或随时间变化的噪声，应以等效连续噪声级进行评价。

17、 为了避免和减小噪声的危害，保护人体健康，必须制定噪声控制的许用标准。 三、噪声控制的标准三、噪声控制的标准7.2噪声的危害及其评价噪声的危害及其评价2、我国噪声标准我国噪声标准 我国1979年颁布的工业企业噪声卫生标准规定：工业企业的生产车间或作业场所的工作地点的噪声标准为85 。现有工业企业经过努力暂时达不到标准时，可适当放宽，但不得超过90 。这样可以保护绝大多数工人连续工作30年不发生噪声性耳聋，绝大多数工人在神经系统和心血管系统方面不致受到明显的影响。7.3船舶船舶噪声源噪声源船舶声场：船舶声场：外部大气噪声、船舶水下噪声以及舱室内的空气噪声和结构噪声。主要声源：主要声源： 1、机械

18、性质声源机械性质声源：船舶设备 2、流体动力形式声源流体动力形式声源 流体动力噪声流体动力噪声起因起因：1）水与浆舵组合推进装置之间的相互作用 2）船体外表面以及船附体和上层建筑的紊流边界层 3）绕孔和附体的环流形成的涡流结构 4）空泡 5）兴波低速机械噪声为主，高速流噪声较突出低速机械噪声为主，高速流噪声较突出 一一、舱室噪声舱室噪声7.3船舶船舶噪声源噪声源 舱室噪声源舱室噪声源 A 各种机械运动产生空气噪声，结构噪声 B 螺旋桨旋转引起的船体低频振动时的噪声，及产生空泡时船体辐射噪声 C 船体绕流出现的涡流结构作用时的船体辐射噪声，空泡激励时船体辐射噪声 D 生活噪声 二二、外部大气噪声

19、外部大气噪声7.3船舶船舶噪声源噪声源 船舶船舶外部空气噪声主要声源：外部空气噪声主要声源： 1、主机和辅机通气管路 2、通气和空调系统进、排气装置 3、机舱露天天窗 4、船舶艏、艉兴波 除上所述，影响外部大气噪声的还有螺旋桨和产生振动的机械。 三、三、水下噪声水下噪声水下噪声水下噪声源：（机械噪声、螺旋桨噪声、水动力噪声）源：（机械噪声、螺旋桨噪声、水动力噪声） 1、机械工作引发的船体结构振动的噪声辐射，船舶的流体动力噪声 2、螺旋桨造成的水下噪声 3、船体绕流产生的气泡噪声，涡流结构噪声和紊流边界层噪声 4、艏艉兴波噪声7.4船舶噪声的传播船舶噪声的传播 一一、船舶船舶噪声的传播途径噪声的

20、传播途径 图7-7是船上关于螺旋桨和机舱这两个最大的船舶噪声源噪声在船上传播的途径的示意图（图中用带形的箭头来表示传输途径）。 噪声的传播问题，涉及大量的理论和试验研究。通常主要的是关心其传输道路与它们的性质。7.4船舶噪声的传播船舶噪声的传播 二二、自由场自由场自由场自由场：一种声波可以无反射地自由传播的均匀的各向同性的介质场。近场近场效应效应：近场中声强度并不简单地和均方声压相关，因而声强与距离平方成反比的规律不再成立。远场：远场：离声源较远的自由场则为远场。7.4船舶噪声的传播船舶噪声的传播 三三、封闭空间封闭空间1、混响场与半混响场、混响场与半混响场混响混响场场：在用刚性的隔墙、地板和

21、天花板围成的房间内，声源发出的声波可经多次反射而无吸收。半混响场半混响场：介于自由场和混响场之间，即射至表面的声波，部分反射和部分吸收。7.4船舶噪声的传播船舶噪声的传播 三三、封闭空间封闭空间2、房间的总吸收和房间常数、房间的总吸收和房间常数7.4船舶噪声的传播船舶噪声的传播 三三、封闭空间封闭空间室内声源的声压级：7.4船舶噪声的传播船舶噪声的传播 三三、封闭空间封闭空间3、封闭空间的屏障、封闭空间的屏障 在象机房那样的封闭空间里，由于反射声居主导地位，故屏蔽的作用大为减低，见图7-10。除非噪声频率很高而且声源离开屏障的距离很近，否则屏障将全然是无效的。此时必须将噪声源完全封闭起来。7.

22、4船舶噪声的传播船舶噪声的传播 四、向邻近舱室的传播四、向邻近舱室的传播噪声从一舱室向噪声从一舱室向邻近舱室邻近舱室的的传播途径传播途径： 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、机舱盖、通风管道等直接以空气声传播。7.4船舶噪声的传播船舶噪声的传播 四、向邻近舱室的传播四、向邻近舱室的传播1、穿过隔板的声传输、穿过隔板的声传输（1）透射系数和传递损耗透射系数和传递损耗 透射系数为 7.4船舶噪声的传播船舶噪声的传播 四、向邻近舱室的传播四

23、、向邻近舱室的传播7.4船舶噪声的传播船舶噪声的传播 四、向邻近舱室的传播四、向邻近舱室的传播7.4船舶噪声的传播船舶噪声的传播 四、向邻近舱室的传播四、向邻近舱室的传播 E 在高于临界频率后，板的刚度与阻尼又重新变得重要了。 板壁在整个频域内的传递损耗的变化规律见图7-12。7.4船舶噪声的传播船舶噪声的传播 四、向邻近舱室的传播四、向邻近舱室的传播1、结构振动的传输、结构振动的传输（1）次声振动的传输次声振动的传输 波浪载荷、主机或螺旋桨激起的船体振动，在多数情况下是声频范围以下的次声振动，但引起在声频范围内的叮叮当当的声音与格格声。（2）结构声的结构声的传输传输 结构振动有许多不同形式，以不同类型的波来传播的，这些波有纵向波、剪切波、扭转波、弯曲波。弯曲波常发生在薄板、薄壳内，此时空气由于板壳的横向振动而被有效地压缩，所以它是向空气辐射噪声的最好形式。在一般情况下，噪声是由板、梁、壳的复杂的集合体发射的。7.4船舶噪声的传播船舶噪声的传播 四、向邻近舱室的传播四、向邻近舱室的传播 此外，声传输途径上如果有结构几何形状变化或插入其它介质（见图7-14a、b），声阻抗将发生变化。在空然改变处将发生