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对于大型商业船只水下噪声污染减少的办法

Part1 介绍与背景

1.简介

人们对于水下噪声对海洋生物的影响的关注正在逐渐增加。由船产生的噪声是水下噪声一个重要的源头。国际动物福利基金组织（IFAW）已经证明超过平均噪声水平175分贝的船舶通过一个标准偏离将水下噪声减低3分贝，就会导致这个区域减少40%的水下噪声至120分贝（假定对于组合容器一个标准偏离是5.3分贝由斯克林杰和海特迈尔发现（1981年））他们还发现一个6分贝的减少将会降低相应区域的60%噪声。因此，通过降低最吵闹船舶的噪声输出将会得到巨大收益。

基于这个结果，IFAW委托Renilson Marine Consulting Pty Ltd (RMC)来开展一个简短的桌面会议研究可以被用来降低最吵闹商业船舶的水下噪声输出的技术。

研究的目的是：

1) 检查那些对于新设计以及建造的最吵闹商业船舶可以用来降低其水下噪声输出的可行技术区间。

2)检查那些对于当前运营的最吵闹商业船舶可以用来降低去水下噪声输出的可行技术区间。

3)考虑那些可能导致特别高的噪声输出的设计或者操作因素。

4)对于每个确定的技术，就初始成本，操作成本，船舶驾驶和燃料效率的影响来检查可能的应用。

5)找出对于商业船舶在取得噪声降低和总成本之间的折中的最有希望的选择。

这篇报告是这个研究的主要成果。并且这篇报告想要告知关于技术方法和未来研究需要的论述，这些方法和需要可以被给政府和工业实施。

这篇报告有四部分组成。第一部分是介绍和背景，其中讨论了一些通用问题。第二部分讨论了一些可以用来降低商业船舶噪声的技术。第三部分给出了一些特定船舶的类型，讨论了其降低噪声的实践性和可能的成本。第四部分是讨论，包含一些对于未来研究的评价和建议。

2.背景

2.1船舶关于水下噪声的主要原因

船舶产生噪声是有很多不同的原因的。我们可以将之细分为由螺旋桨，机器和船体运动三个原因。这三种类别的相对重要性取决于船舶类型，和其他原因。

应当注意的是，对于已经传播到水里的噪声，是没有标准方法来测量和评估的。测量是由不同的组织，使用不同的技术和不同的外推方法来决定离船一米处的（噪声）源等级。可以看看例子：Leaper and Scheidat (1998), McCauley et al (1996), and Wittekind (2008).

因此我们建议发展一套标准的可以用来实施和分析的全面的噪声测量方法。这应该将新技术纳入考虑范围来记录水下噪声，以及考虑到测量装备应当便携的需要。这也应该利用军队中那些熟练控制噪声范围的人。

从螺旋桨发出的噪声大小取决于它是否空泡¹。空泡噪声在所有噪声中占主导地位，除了震鸣（见下文）。事实上，空泡噪声在所有船舶噪声中占主导地位(Ligtelijn, 2007)。

一般来说，在低速下避免空泡是可能的，但在高速下并不可能。水面战舰，特别是用于反潜战的战舰，是被设计成尽可能快地运转而没有空泡产生。但是，如果超过一定航速，螺旋桨就不可避免地会产生空泡，无论船和螺旋桨本身被设计地多么好。大量的研究已经被用来制造这样的船舶，这些船舶已经很安静，甚至无声。但是，这种技术对于更加吵闹的商业船舶噪声并不会产生任何重要的影响。

空泡发生的最低速度称为空泡初生速度（CIS）。CIS数值的大小对于特定的船舶是不同的。不过通常会产生在15节以下。有公开的实例研究船舶，使用先进的螺旋桨技术可以将空泡速度降低到10节(Atlar, et alcedil; 2001, ter Riet et al, 2003, van Terwisga et al, 2004).。

战舰的设计者会非常谨慎地确保空泡不会在低运行速度下产生。因此其他噪声来源变得非常重要。这也适用于特别安静的船舶，如研究船(Ojak, 1988, and Brauml;nnstrouml;m, 1995).

然而，这并不适用于正常的商业船舶(Ring-Nielsen, undated).因此，那些并不是被设计来减少空泡的最吵闹的商业船舶毫无疑问会产生空泡。如果一个组成部件的噪声比其他组件高10dB，那么其他组件可以不考虑(McCauley, et al, 1996)。空泡无疑有能力产生比其他机械和其他类型的噪声高10dB的噪声(Witterkind, 2008)。

如图2.1所示，来源于Carlton and Dabbs (2009)，现存的商业船舶产生的噪声上限与下限之差高达40dB。这意味着至少有可能实质地减少最吵闹船舶的噪声等级。

Wittekind (2008)最近也进行了一些商业船舶的噪声测量，并且与图2.1给出的结果有相似的范围。他的工作同样证明最吵闹船舶显示出了空泡噪声，并且他也认为降低这部分的噪声对于降低最吵闹船舶的噪声有潜在的好处。他指出，随着进一步的研究，更大的改进成为可能，降低空泡等级大概10dB也应当成为可能。

因此，几乎可以确定的是，空泡噪声将在大型商业船舶的各种噪声中占主导地位。也是由于这个原因，本报告的余下部分将会聚焦在如何减少这些船舶的空泡。

图2.1 噪声谱的界限（15船）

（图来源于Carlton and Dabbs, 2009,被授权）

¹当局部地区降低到水蒸气压力时，就会发生气穴现象

不幸的是，如果不进行水下噪声测量，在现阶段并不可能事先确定哪艘船舶是最吵闹的船舶。因此，对于各种大型船舶，我们建议开展一项研究，发展一份指南来帮助确定潜在的最吵闹船舶。

在现阶段，在缺少详细信息的情况下，一般认为，如果一艘船舶经历过多的内部噪声和震动，更有可能产生更大的水下噪声。尽管这很有可能是一个合理的工作假定，但确定是否有这样的联系依然重要。因此我们建议开展一项研究，调查内在噪声和传播到水中的噪声之间的关系。

2.2 影响空泡性能的因素

当压强低于蒸气压时空泡就会发生，对于一个给定的螺旋桨叶片设计和一个给定的推力，空泡的程度大致与叶片面积相关，更大的面积可以减少空泡。这是因为更大的叶片面积可以产生所需要的推力，而不需要再叶片的压力侧和吸力侧产生过多的压力差。

不幸的是，增加叶片面积同时也增加了旋转螺旋桨所需的力矩。因此，对于商业船舶来说，更大的效率伴随着更少的叶片面积是可能的。同样，允许少量的空泡可以有适宜的螺旋桨设计。然而，空泡的数量不能过多，因为当空泡等级增加时，推力会减少，在螺旋桨上，在某些情况下，也会在舵上，产生侵蚀。规范的经验方法是可行的，比如Burrill Chart (Burrill and Emerson, 1978, 转载于Carlton, 2007)，对于一个给定面积的空泡，它可以将叶片面积作为推力的函数（或者功率的函数）来估计所需的叶片面积。

另外一个只要影响螺旋桨空泡性能的因素是流入螺旋桨的水流。当螺旋桨在船的尾部旋转时，它会经历广大的水流变化，称为尾流，由前面的船体造成。通常，对于单个螺旋桨来说，当螺旋桨位于其运行圆轨迹的顶部时，其轴向速度低于其运行圆轨迹的底部。另外，水流还会有一个切向分量进入螺旋桨，而且流入螺旋桨顶部的切向分量与流入螺旋桨底部的切向分量会有很大不同。这意味着在旋转时螺旋桨叶片的攻角将会不断变化，并且不会处于合适的数值。尽管我们都知道不均匀尾流对于螺旋桨的运转和推进效率会有一个大的影响，但它对由螺旋桨空泡产生的水下噪声的影响尚不完全清楚。因此我们建议就此进行调查。

一个典型的单螺旋桨船的轴向尾流图表如图2.2所示，感谢Stone Marine Propulsion Ltd。轮廓线展现了船速和螺旋桨盘面流速的比率（没有螺旋桨存在）。我们可以看到，轴向流速降低到只有20%的船速。更重要的是，在螺旋桨盘面的顶端的大范围内，流速降低到30-40%的船速，但是在螺旋桨盘面底部的相应半径内，流速大概为80-90%的船速。

伴随着更低的静压力（由于静水压头），对于位于螺旋桨轨迹圆的顶端叶片，这种流入螺旋桨的水流经常会产生波动空泡，伴随着顶部空泡的产生，而不是在底部。在任何情况下，每个叶片的空泡程度会在整个圆内不断变化。这将会通过提供部件的相应叶片速率（和谐波）影响噪声。（这一句有问题。）

因此，减少空泡的产生的船舶设计可以在船体设计后被设计地很好，使得水流尽可能均匀流向螺旋桨。这很重要，并且作为影响螺旋桨空泡性能的主要因素，应当永远受到重要。

图2.2 单螺旋桨船的典型尾流图表

（感谢Stone Marine Propulsion Ltd）

2.3空泡评估

螺旋桨的空泡性能不能用船模法在传统的拖曳水池中评估因为空泡发生在局部压力低于蒸汽压力时。缩放船舶业意味着水面上的大气压也应当按比例减少。尽管世界上确实有这样一种设备，在荷兰的MARIN，不过这很显然是一个很昂贵的方法。与之相反，大多数的螺旋桨测试都是使用空泡隧道实行的，在空泡隧道中，水在垂直面是不断循环的，测试部分在轨迹圆的顶部。隧道中的压力可以被减少，使得正确的缩放空化数成为可能。

更大的空泡隧道大到可以适应一个在螺旋桨前面部分截断的船体模型来正确的模拟尾流，我们已经在2.2中讨论了，尾流对螺旋桨性能具有重要影响。我们可以在更小的空泡隧道中使用网格安排来得到尾流。

世界上有很多这样的设备，然而大多数的设备对于测量水下噪声都不理想。大多数的军用水动力设备都有特定的空化隧道设计伴随着尽可能小的背景噪声，以及明确的测量噪声的目的。但是，由于商用船舶产生的噪声远高于军舰，在某些情况下，确实可能使用传统隧道来进行有效测量。比如，Atlar et al (2001)。我们建议，对于商业螺旋桨设计，在空化隧道中进行更多的噪声测量以及相应的全船规模的测量。

当在空化隧道中进行螺旋桨空泡性能实验时，通常的步骤是观察螺旋桨叶片正反面的空泡程度，并且使用草图或者照片记录下来。这些记录通常会在螺旋桨盘面周围的位置进行。如上所述，空泡程度会不断变化，并且通常会在螺旋桨盘面的顶端达到最大。

重要的是要认识到在螺旋桨的叶片上有不同种类的空泡：片空泡，泡状空泡，云空泡，梢涡空泡，轮毂旋涡空泡。前三种类型的空泡可以发生在吸力面也可以在压力面。这在很多教科书中都被很好地描述过，例如Carlton (2007), or Breslin and Anderson (1994)。

由于大型商业船舶避免空泡的主要目的是减少螺旋桨或者舵的空泡侵蚀，因此设计者往往关注空泡的这个方面。目前大量的研究都在这个领域进行，但是到目前为止并不能确定地证明一种特定形式的空泡是否会产生侵蚀(Bark et al, 2004, and Carlton, 2009)。

知道最近，人们才普遍认为表面空泡比背面空泡更有侵蚀性。因此螺旋桨更多被设计带有大的边缘来抵抗表面空泡。最新提高的认识表明可能事实并非如此，给提高螺旋桨叶片设计留下了改进余地。由于人们对不同类型的空泡以及它们对侵蚀和噪声的影响缺少相当大的理解，相应的研究正在不断进行中。我们建议进一步开展这样的研究，尤其是对大型商业船舶。

同样值得注意的是，根据Carton (2009)，只有“大约5%的新建项目在它们的设计和建造阶段受益于阻力，推力和螺旋桨空泡模型试验”。因此，许多商业船舶有着优化的设计，却有着更大的噪声等级（也可能有更大的震动和更低的效率）并不显得奇怪。

2.4 螺旋桨鸣音

在某些情况下，螺旋桨会产生非常刺耳的声音，称之为螺旋桨鸣音。这是由船后沿旋涡的散发频率与螺旋桨后缘的结构自然频率相同造成的(Carlton 2007)。可以检测到的鸣音产生在大约10-1200Hz，尽管有人认为可能高达12KHz(HyroComp, 2005)。

通常，当螺旋桨的转速超过一定范围时确实会产生螺旋桨鸣音。但是，它可能会严重到通过船体传播应并且对船员造成困扰。

螺旋桨鸣音除了产生噪音外，没有已知的不利影响。也是因此，一些船主可能甚至不知道有它的存在。由于任何对螺旋桨效率的影响都可以忽略不计，船主也不愿去修理一个会产生鸣音的螺旋桨，除非螺旋桨鸣音使得船员无法忍受。

在设计阶段想要预测一个螺旋桨是否会产生鸣音是很困难的，并且至少要有一个分级的军舰螺旋桨来展示鸣音。

幸运的是，鸣音很容易被修正。通常的做法是在螺旋桨叶片的后缘倾斜切下一块非常小的部分，后后缘平坦，在正面（压力侧）和反面（吸力侧）都有锐角。得到的形状常被称为反鸣音后缘。

显然，我们需要注意去保证所得的后缘不要太薄。但是，通常情况下这个步骤都能解决问题，并且可以很容易地在常规干船坞中进行(Carlton 2007)。

2.5操纵性和港口表现

当船舶操纵时，螺旋桨会远离设计状态，并且由于空化产生的噪声可能过大。但是，这并不属于本研究的范围，因此不再赘述。

2.6船舶载荷条件

螺旋桨通常都被设计用于满载状态。但是，少数船只是全时满载状态。

散货船和油罐车通常在满载状态下从装载港口驶到设计港口，然后空载返回。由于装载船的大部分重量是货物或载重物。当船是空载时，它可能在水中漂浮地非常高，伴随着最小吃水。这将导致在海上转向，推进和砰击的问题。因此，船舶被赋予了将海水作为压载的能力，以部分补偿这一点。

然而，由于一系列的实际原因，船舶从未真正装载到其满载条件。因此，螺旋桨非常接近水面，事实上，螺旋桨的顶端通常会位于水线纸上。由于空化取决于叶片的实际压力，并且由于较小的静水压头，实际压力会更小，装载船只相比于满载来说空化可能会明显恶化。

此外，当船处于压载时它通常会在船尾缩减。这通常对螺旋桨的尾流场具有显着的不利影响，进一步恶化其空化性能。<!--

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