长江上游航道散装货船水下噪声声源特性分析及生态防控措施

2021-07-25邸凌杰重庆交通大学国家内河航道整治工程技术研究中心

珠江水运 2021年12期

邸凌杰重庆交通大学国家内河航道整治工程技术研究中心

三峡库区蓄水175m后，长江上游涪陵至丰都航道的通航条件逐年改善、船舶通过量不断增长，在显著发挥长江黄金水道经济效益的同时，船舶噪声也愈加密集，船舶噪声对生态环境的影响日益突出，航道船舶噪声污染已经成为急需解决的社会焦点问题。

早在20世纪中期，世界各国就针对低噪声水下辐射噪声展开监测及研究。其中，以美国为代表的各大军事强国率先研究出两种监测方式——噪声测量场固定化和采用临时布放与回收的活动式噪声测量系统。后来，伴随矢量水听器的出现，水下噪声测量开始有了新的进展，较好地解决了以往靠信号处理和提高阵增益来提高信噪比的问题。对于实船的测量技术，很少有相关领域的文献对此作出详尽的描述。高守勇提出潜艇近程分布式声源模型，计算近远场声场分布，依据亥姆霍兹方程进行了近‐远场变换。Wu提出了带航速三维水弹性力学理论。邹明松利用Pekeris水声波导模型，建立了有限水深海洋声学环境中的船舶三维声弹性理论及分析方法。洪我世对长江航道武汉、上海等航段各种船舶实施定点监测，确定内河航道上各类船舶的辐射噪声均会在不同程度上造成噪声污染。但大部分研究都是在浅海中进行，内河船舶辐射噪声的相关研究鲜有开展，因此拟开展接下来的研究。

本文首先通过某散装货船航行时进行现场监测实验及数据分析，得到不同船速下该船舶水下噪声声压值及噪声声源特性；之后依据鱼类听力阈值范围，对该船舶噪声的生态影响进行判别，并提出控制噪声控制措施，从而为后续生态航道建设研究提供一定的理论基础。

1.现场监测及分析

1.1 现场监测实验概况

长江上游涪陵至丰都河段航道全长约为48公里，江面宽度符合测量距离要求。

本文综合实验河域、实验设备、被测船舶等信息，参照ISO标准于2020年12月在长江上游航道涪陵至丰都河段对如图2所示散装货船的辐射噪声进行了测量，被测船舶基本参数如表1所示。开展辐射噪声测量期间，船舶自动识别系统（Automatic Identification System,AIS）数据表明潜标周围五海里内没有其他船舶干扰，测量河域具有良好的船舶水下辐射噪声测量条件。

表1 被测船舶基本参数

图2 被测船舶

1.2 现场监测方案

本次现场监测采用R H S A-10水听器，工作频率范围采样频率20Hz～200kHz，低频接收灵敏度大于-210dB（不含前放增益），频带内起伏范围为±2d B，最大使用深度500米。水听器外形如图3所示，其它配套监测设备（数据采集仪、电脑、线缆、电源等）如图4所示，监测布置方案如图5所示。实验内容为船舶行进过程中，分别对6km/h、8km/h、10km/h、13km/h四种不同航速下的船舶辐射噪声进行监测。

图3 水听器及连接线

图4 监测设备

图5 测量系统布放示意图

1.3 监测结果及数据分析

通过现场监测实验，得到不同航速下的多组原始声学信号。为对船舶噪声声源特性进行准确研究，首先通过小波分析对噪声信号进行环境背景声削减，并依据相关标准进行数据分析整理得到不同船速下的船舶噪声信号，如图6所示。可以看出该船噪声最大幅值在船速为6km/h、8km/h、10km/h、13km/h时，分别为0.02234、0.02599、0.04434、0.05087，由此可知，对于同一船舶，其行驶速度越大，船舶辐射噪声信号的幅值越大，即船舶辐射噪声与船速成正相关。

图6 不同航速下船舶噪声信号

基于降噪后的船舶水下噪声信号，利用傅里叶变换对声音信号进行频谱分析，得到图7所示不同船速下船舶水下噪声频谱图。由图7可知，该散装货船不同船速下船舶辐射噪声频率都主要集中在低频，主频在300Hz～1000Hz之间，且船舶水下噪声峰值频率与船舶行驶速度间无明显关系。

图7 不同航速下船舶噪声声源频谱分析

为研究该散装货船噪声声压，根据电压——声压转换公式（见公式（1））计算得到不同船速下船舶辐射噪声声压级，如图8所示。

图8 不同航速下船舶噪声声压级

式中：SPL为声压级，dB；U为电压，V；M为灵敏度系数。

由图8 可知，不同航速下该散装货船辐射噪声声压级区间均为150dB～180dB，但高声压级与低声压级占比不同。对不同航速下的声压进行均值计算，得到船舶平均声压级与航速间的关系，如图9所示。

图9 船舶航速与平均声压级关系

结果显示，在船速为6 k m/h、8 k m/h、10 k m/h、13 k m/h时，散装货船噪声平均声压分别为148.46dB、150.40dB、151.62dB和154.84dB，由此可知，对于同一艘船，船舶行驶速度越大，船舶辐射噪声声压级则越大。

利用小波分析方法中特征能量向量计算，对该散装货船的声音信号进行分解重构，小波基函数为“db5”，分解尺度J取6。求取该船的能量特征向量，得到部分数据形式如表2所示。对数据整合归纳，并转换成柱状图，如图10所示，其中纵坐标为能量百分比，横坐标为Ea～Ed6等7个频段带，以便更直观明显的看到能量分布及能量占比。

图1 测量河段位置图

表2 该散装货船的能量特征向量

图10 不同船速下声源信号的能量分布特征

对比表格中四种不同船速下声源信号的能量特征向量以及能量分布特征图可发现，不同船速下吨位3279散装货船的能量分布相差不大，能量主要集中在2～4阶高频带上，3阶高频带上占比最多，其余频带的能量分量则很少；并且随着船舶行驶速度的增大，3阶高频带上能量占比逐渐增大。

2.船舶噪声生态防控措施

2.1 散装货船水下噪声生态影响判别

诸多研究者研究了鱼类的听力阈值，并给定了敏感范围。邢彬彬研究得到鲫鱼最敏感频率为800Hz，最低阈值为76±0.90dB。刘猛等研究得出胭脂鱼的敏感频率为800Hz，最低听阈为69.8dB。Lovell等研究发现鲢的最低听阈为104.2dB，鳙的最低听阈为105.7dB，敏感频率为750-1500Hz。经现有文献中对鲤科鱼类听力阈值研究汇总得知，多数鲤科鱼类对300-3000Hz频率比较敏感，听力阈值最低大约为58dB。

本文所测散装货船水下噪声的声压级超过航道内典型鱼类的听力阈值，初步推断航道内多数船舶辐射噪声声压值均有可能超过鱼类的听力阈值，很有可能会对鱼类等水生生物产生不利影响，因此有必要采取一些有效措施来控制和消弱船舶噪声，从而对长江上游航道内鱼类进行保护，为生态航道建设提供有力的支撑。

2.2 散装货船水下噪声生态防控措施

船舶水下噪声的控制，主要从噪声源、噪声传递、接收器噪声防控等三个方面进行。

2.2.1 控制噪声源

从源头控制噪声是最根本有效的手段。通过在设计阶段（包括理论计算和模型实验）计算发动机的激励力、结构的响应能力、振动限值标准等，并分析它们间的相互影响，在选用装船设备时，从船型、螺旋桨、发动机及轴系等方面严格把控。

①船型，在理论计算和模型实验时应着重注意改善船尾壳体的形状，避免船尾伴流造成空化。且船尾壳体应与螺旋桨保持恰当距离。

②螺旋桨，在设计时应选用强度较高的材料，保证螺旋桨叶梢速度低、桨叶固有频率避开涡旋振荡频率（以消除桨鸣）、伴流均匀等。

③发动机及其轴系，选用弱振动低噪声设备，合理布置噪声源，加装消声器等。

由于在实际工程中，如果考虑在船舶已经建造完成时对船舶噪声加以控制，从经济性和可行性等多方面考虑，可以采用的控制方法主要为“加装消声器”和“安装隔声装置”。目前，很多城市已经强制要求营运船舶安装了舷外排气管消声器，因此“安装隔声装置”的方式较为可行。

2.2.2 控制噪声传递

控制噪声的传递途径是最为常用的方法。主要措施为以下四种。

①吸收振动，通过消耗振动较严重部件的能量来降噪。可局部采用有源振动控制技术，如：管道弯头和/或变截面处，插接柔性阻尼管或加装脉冲压力衰减器等。

②隔绝振动，是控制船舶噪声的主要措施。通常是通过在振动较严重的设备与其安装基础之间加装隔振装置，来避免振动传递到船体外壳。如：主机、副机等与其基础之间加装隔振器；管道与船体之间加装柔性隔振结构。通常，对于低频（几十赫兹）振动，插入隔振器即可满足需要；对于较高频率，若插入隔振器不能满足需要，可采用多层（复合）隔振器，或再增加宽频带范围具有较大插入损失的复合结构平台。

③吸声措施，如：机器处所采用吸声结构、敷设吸声材料或悬挂吸声体等；发动机，内部安装吸声衬里，减弱经空气辐射到船壳的噪声；发动机进/排气口加装消声器，通海管道开口处增加水下消声器等。

④隔声措施，指将噪声隔离在船舶内部，减少和减弱传导到船壳的噪声。如，用刚性且不吸声的钢板、铝板等做成隔声的船壳板（包括底板、侧板和顶板）。

2.2.3 接收器噪声防控

接收器噪声防护设备也是降低噪声危害的重要措施，在降低机器噪声不现实或不经济的情况下，噪声防护设备所提供的被动保护就显得更实际更重要些。当然，最根本有效的方式就是在船舶设计阶段将船舶降噪的因素考虑进去，并在船舶建造过程中实施降噪设计工艺。