引言
随着社会经济的发展，人们生活水平的提高，在当今社会的快节奏运动中，作为水上高速运输的高速船愈来愈受到人们的重视，已成为当今世界上主要发展船型之一。改革开放为发展我国高速水上客运提供了良好的机遇，随着国民经济的发展和国内外贸易往来的增长，以及旅游业的兴起和发展，近一二十年来，高速船在我国得到了迅速的发展。与此同时，高速船的振动与噪声控制也日益受到用船、造船和船检等部门的关注和重视。
1 高速船振动特点
目前各种类型的高速船，除了各自的水动力性能外，从船体强度和振动角度，其共同特点是对船体的重量要求极严，刚度相对较弱。船舶航行时的阻力大致与船舶排水量成正比，故对于高速船来说，要提高航速最有效的办法之一是减轻船舶自重，控制自重是高速船设计成败的关键之一。当主机、设备等重量难以再较大幅度减轻后，减轻船体结构自重就成了设计的重点。除了按规范外，常采用理论方法设计，在满足强度的条件下尽可能减少板材和骨架的尺度，因而其船体刚度相对常规船型要弱。高速船的另一共同特点是因主机功率大，且皆为高速机，机电设备又相对较多，因而作为船舶振动的主要激振源--柴油机和螺旋桨，其激励幅值要较常规船大得多，且激励频率又较高。
刚度弱、激励大、频率高，造成高速船的船体振动较常规船更为突出。不仅影响旅客的舒适性和船员的工作效率，而且由于高速船船体构件尺寸小，板薄，振动幅值大，频率高，较常规船舶更易在应力过大部位产生疲劳破坏，从而影响结构强度和航行安全。以往船舶振动的研究集中于军用舰艇及排水型常规民船，要将其成果直接用于高速船还有一定距离。例如船舶设计时的振动预报，防止船舶产生船体低阶总振动共振，这是船舶设计时振动控制的一个重要手段。由于高速船一般主尺度较小，容易造成不会引起船体总振动的错觉，实则不然。如单体钢质高速客船，由于船体线型瘦削，L/D较大，仍然会激起船体总振动。某60客位单体钢质高速船，实船激振试验测得其船体垂向弯曲振动固有频率为1阶7。81Hz，2阶12。79Hz，3阶24。9Hz，该船主机额定转速为1744r/min，齿轮箱减速比为2。077。因而在主机转速1620r/min时，沿船长各测点测得由轴频激励激起的船体2阶三节点振形，且共振幅值较大。实测振形腹点处船底板动应力最大峰值σmax=20。63 N/mm2，已接近许用应力。但高速船由于主机转速高，因而激励频率高，以我们对若干艘高速船的振动计算表明，一般不会产生船体低阶总振动共振。如船长20～35 m的单体钢质高速船，计算所得的二节点1阶和三节点2阶船体垂向弯曲振动固有频率一般均小于12 Hz，而最低激励频率--轴频激励频率在额定转速时都常大于14 Hz。因而即使在常用转速下，也不会发生1阶共振，发生2阶共振的机率也不多，实船测试也证实了这一点。但发生船体高阶(如3阶)总振动的可能性是存在的。故对高速船振动预报有意义的是2阶和3阶固有频率。而目前工程上常用的迁移矩阵法和一维有限元法，计算所得的总振动垂向弯曲1阶固有频率精度较高，3阶计算误差就较大。这是因为高阶振动时节点距离缩短，梁横截面发生翘曲，剪切变形影响增大，基于梁理论的迁移矩阵法及一维有限元法其高阶固有频率计算误差自然增大。计及流固耦合的三维有限元法计算精度可大大提高，但由于计算准备工作量大，需计算机的容量高，耗机时多，计算费用高等特点，难以在一般工程设计中应用。故寻求既能提高船体高阶固有频率的计算精度，又计算方便能满足不同设计阶段工程需要的实用计算方法，对高速船设计与振动控制来说就非常必需。另外，相对于总振动，高速船局部振动较为突出，局部振动共振的机会也增多，除了一般内河船常见的底板共振外，我们在实船测试曾发现尾舱船底板架共振，某舰则发生整个尾悬体结构共振。质量较大的局部结构振动还可能和高阶总振动耦合。故提供方便有效的精确计及舷外水影响的高速船局部振动计算程序，对高速船振动控制也是必须的。由于高速船一般主尺度均较小，目前国内都为中、短途客船，其客舱均毗邻激励源。为满足旅客乘坐的舒适性，提高客运的负载率，应研究针对性的减振措施。
噪声是振动的孪生姐妹，由于振动激励幅值大，频率高，加上高速船主尺度小，客舱往往毗邻机舱，故高速船的舱室噪声较常规船大得多，且主要成分为低频结构声，这均为多艘实船舱室噪声测试所证实。由于船舶尺度及自重的约束，一些常用的噪声控制措施在高速船上的应用也受到了限制，同样应研究针对高速船的噪声控制措施。
2 振动控制
高速船的防振、减振方法其基本原理与常规船型是一样的，即改变结构的固有频率或激励频率以避免共振；减少激励的幅值与减少激励的传递，以降低强迫振动的程度；及增加结构刚度和阻尼，以降低响应。
防止发生船体总振动和局部振动共振，对高速船仍然是振动控制的首要任务。由于高速船激励频率高，因此总振动固有频率一般至少要算到3阶。设计初期决定主尺度和选择主机及减速齿轮箱时，可以用近似估算程序或采用型船类比；在设计后期已有了详细图纸后，可用迁移矩阵法或一维、二维有限元法，对个别重要产品则可用三维有限元作整船动力分析。为提高高阶固有频率计算精度而又不致增加太多工作量，建议采用二维有限元法。我们针对高速船开发了含有近似估算、迁移矩阵法和二维有限元法等程序的高速船振动计算程序系统，其中二维有限元法采用杆-膜或梁-膜模型，应用流体边界元来解流固耦合的振动方程，大大提高了计算精度。为避免船体总振动共振，一般要求固有频率高于激励频率，有困难时也可取固有频率低于激励频率，但此时会有转速禁区存在，即在主机低转速时可能落入共振区。频率储备量取决于结构的重要性和计算方法的精度，当采用近似估算或梁模型计算船体总振动固有频率，仍可采用一般的规定，即1阶±10%～±15%，2阶±15%～±20%。3阶±20%～±30%。但高频时要满足如此宽的频率储备量，对高速船来说是有困难的。国内有关标准、规范对频率储备的要求见表1。
表1 船体总振动频率储备量
标准、规范名称
1阶
2阶
3阶
船检局指导性文件
船上有害振动的预防(1986)
±10%～±15%
±15%～±20%
±20%～±30%
中国船级社
钢质内河船舶入级与建造规范(1996)
±15%
±20%
GJB/Z71-95舰艇结构
振动和预防措施
设计方案初期
20%
技术设计
8%～10%
10%～12%
本文建议
估算公式或梁模型
±10%～±15%
±15%～±20%
±20%～±30%
二维、三维有限元模型流固耦合计算
±8%～±10%
±10%～±12%
±12%～±15%
当采用流固耦合二维或三维有限元分析时，由于计算精度的提高，上述频率储备量可降为1阶±8%～±10%，2阶±10%～±12%，3阶±12%～±15%，这使高速船满足频率储备量有了可能。由于各种条件约束，高速船固有频率变化范围有限，改变激励频率则可从选择主机和齿轮减速箱入手。若不能满足频率储备量要求，则需进行船体振动响应计算，或进行实船振动响应测量，当响应值超过评价基准时，必须采取减振措施。对于局部振动，高速船应计算机舱底板和螺旋桨上方底板的1阶固有频率以及计算机舱船底板架和尾尖舱船底板架的1阶固有频率。我们开发的高速船振动计算程序系统中含有以三维边界元计及舷外水影响的板梁结构局部振动计算程序，可计算各种边界条件的板架、加筋板和板的湿模态。程序并具有从板架中识别板模态的功能，从而避免了人为取定板边界条件所带来的计算误差。对于双面接触水的船底结构的湿模态计算，以往各种文献及标准均规定按双面附连水质量计算，并取值为单面附连水质量的两倍，并没有计及舱内水深的影响。但我们通过钢质立体舱段模型的系列激振试验，改变模型舱内水深，发现只有当舱的水深超过一定值，即相当于实船深舱时，测试值才与双面附连水湿模态计算值吻合。由于高速船一般均无舱深很高的深舱，故船底板架、加筋板、板均应按单面附连水质量计算，至于舱内液体，则考虑液体层厚度以分布质量平摊到板上，即改变板的面密度来计及。显然这样的规定更符合实际情况。要求频率错开量，对于底板大于50%，对板架±10%～±15%。若不能满足频率储备要求，则应修改结构设计。提高结构固有频率，对底板可在肋板之间加横向加强筋，对板架可增设支柱或旁龙骨。
为减小激励幅值与减小激励的传递，除了优选主机及选择齿轮箱速比时要考虑避免由轴频激励激起船体共振外，高速船一般要在柴油机下设减振垫，这不仅可减小柴油机激励的传递，降低振动响应，也可减少结构固体声的传递。减振垫的参数应经理论计算，其材质宜采用橡胶，以有利于声绝缘。安装减振垫后，其油、水管路，排气管，对主机还有轴系，均必须采取弹性连接。从南华高速船公司对川江两艘高速船的改装经验，采用减振垫后，减振降噪效果非常明显。由于测试条件限制只测了舱室噪声，某60客位客船主机加装减振垫后，客舱噪声下降了10dB(A)，驾驶室噪声下降了16dB(A)［3］。对推进器，若采用螺旋桨，因功率大，叶梢离船壳板间隙小，减小其激励也是高速船设计的一个重点。由于高速船的线型取决于减小兴波和减小阻力，很难因减振目的而作改变。故应设计适合伴流的减振桨，并适当保持螺旋桨离船壳板的间隙，必要时可设置避振穴，推荐不需用橡胶弹性元件的微穿孔板阻尼避振穴，这可简化工艺，便于维护［4］。若能采用喷水推进，则可进一步减小推进器激励。此外，和常规船型一样要注意主机、螺旋桨、轴系三者之间以及它们与船体的合理匹配。
刚度是影响结构振动响应大小的主要因素，故高速船一般均采用纵骨架式，为了妥善地解决结构强度与重量的矛盾，推荐采用密加筋板结构形式，它不仅提高了强度，同时也提高了刚度。此外，还要注意纵向构件的连续性，尽可能使甲板、船底的纵向构件与横舱壁的相应构件组成纵框架。机舱和尾尖舱要适当增加刚度，在不影响使用条件下适当增加支柱是增加板架及立体舱段刚度的有效方法。
阻尼涂料对高速船亦是降低振动响应的一种有效方法。可在主机座、机舱前壁和机舱船底板架敷设阻尼涂层，这既可消耗激励能量，降低振动响应，亦可减少结构声传递。某120客位客船在机舱敷设阻尼涂料后，客舱噪声降低了12dB(A)［3］。为此要考虑涂层敷设范围，不能留有振动波传递的通道。阻尼结构可分约束阻尼层和自由阻尼层两种，阻尼材料国内生产的品种也很多，由于高速船重量限制很严，一般只能用自由阻尼层，而且还要选择相对密度小，性能好的阻尼材料。
3 噪声控制
高速船由于舱室密封性好，故舱室噪声的主要成分是低频结构声，空气噪声占的比重较小，这已由不同类型多艘实船的测试所证实。橡胶减振垫和阻尼涂层均是减小结构声传递的有效措施；为了增加隔声量，总布置设计时，机舱和客舱之间应设过渡舱室；结构设计应加大机舱壁的隔声量，机舱前壁面向机舱的一面还可敷设吸声材料；客舱内要选择低噪声的空调和通风管路；并可适当布置吸声材料，窗帘、地毯亦可增加吸声量；机舱门尽可能不要面向客舱，应向尾；进、排气管道要设消声器，要优选消声性能好，结构尺寸小，重量轻的消声器。
4 施工质量控制
由于船舶的振动和噪声不仅取决于设计，而且还和制造及营运有关。因此要求高速船要精心施工，严格执行批准的工艺文件。为了保证结构刚度，要注意纵向构件的有效连续，防止虚焊和脱焊，板和骨架要防止和减小初挠度，焊接工艺要尽可能减小残余应力。各个机械设备安装、轴系校中以及减振垫、避振穴、阻尼涂层、吸声材料的施工均要制定工艺加强，控制施工质量。
尽管高速船的振动与噪声控制有一定的难度，但只要精心设计，注意施工质量，高速船的振动与噪声控制还是能实现并达到要求的。
