使用涂层为航运业降低水下噪音

作者 Marciel Gaier 博士，首席技术官；Mo AlGermozi，首席执行官；Ryan Ingham，工程师；以及 Ilia Rodionov 博士，涂料配方设计师；GIT有限公司，加拿大，Nova Scotia，Dartmouth Erie粉末涂料公司

众所周知 ， 航运活动产生的水下辐射噪声（URN）对某些海洋生物具有重大的环境影响。 1 定量船舶的URN本身就是一项困难的任务，因为船舶装备了许多不同类型的机械，每种机械都会产生不同频率的噪声和振动水平。 2 许多研究表明，在较高的运行速度下，URN的主要来源是螺旋桨的空化。2,3,4,5低速时，URN的主要来源通常与传播到水柱中的机械噪声有关。一旦船舶达到空化起始速度，URN水平和压力脉冲将由空化螺旋桨控制。 2 与非空化螺旋桨相比，空化螺旋桨的噪声谱更复杂，声压级也更高。

对于商业船舶，水面船舶的总URN水平可与船舶速度和排水量相关，可高达100Hz。 3 已知螺旋桨空化噪声从50-150Hz开始，但可以扩展到10000Hz。低频声音更值得关注，因为它们可以远距离传播，而且通常与海洋哺乳动物重要的声音频率相一致。人们对不同类型船舶的噪声进行了研究。螺旋桨叶片空化及其谐波是低频噪声的两个主要特征。对于集装箱船和车辆运输船，有一些证据表明，随着速度的增加，辐射噪声也会增加。

集装箱船和油轮产生的URN主要低于40Hz，散货船的噪声通常在100Hz左右。除了主峰水平外，还可以很容易地观察到广谱噪声。在300Hz以上，油轮产生的声能比集装箱和散货船少。由于同一类型的所有船舶都有明显的相同特性，因此，螺旋桨的污染或损坏不太可能是船型之间产生主要差异的原因。与讨论的其他船型相比，运输船的噪声源最低。商业船舶交通噪声是深海低频噪声的主要组成部分（图1）。

通常，船舶水下噪声源有三种类型：机械噪声、螺旋桨噪声和水动力（水流）噪声。机械和螺旋桨产生的噪声是总体URN的主要来源。我们对一艘油轮进行了研究，在800-4000Hz范围内，辐射声功率随着频率的增加而降低。在4000Hz之后，辐射声功率又开始缓慢上升。 1 另一项研究表明，在清洗船体之前和之后，噪音的降低RNL（水下辐射噪声水平）最多可能为3至3.5dB，MSL（单极子声源水平）为4至6dB。 6 从这个角度来看，研究船舶（M/V Cygnus）的噪声排放带宽范围为：RNL为177-194 dB re 1µPa M，MSL为178-200 dB re 1µPa M。相对于上述研究船舶产生的177-200 dB re 1µPa，可以将平均声波为126-158dB re1µPa的雄性座头鲸将压倒。 6 研究表明，清洗船体和螺旋桨不会影响船舶噪声的产生。

表1显示了带宽（dB）模拟值与测量值的比较。

表2显示了中低频范围内的测量结果。它显示了前10类船舶噪音贡献者排放的噪声能量，它们占商业活动排放到海洋上的噪声能量的90%以上。

噪声污染对海洋哺乳动物的影响

人类肉眼看不见的海洋噪声污染是对海洋动物最致命的威胁之一。对鲸鱼、海豚和鱼类的影响可能会导致它们在交流、感知危险、寻找伴侣和捕猎猎物方面的听力下降，甚至影响鱼类的群体结构。

降低URN的替代方法

以下列出了降低水下辐射噪声的可能方法。
• 除后缘外，对螺旋桨进行喷漆可能会降低空化效应。
• 通过改进螺旋桨设计提高空化起始速度。
• 通过改进螺旋桨设计，降低整体空化噪声。
• 改进机械安装系统，重点关注主机、柴油发电机组和变速箱（同时不要忘记其他机械和侧翼路径）。
• 在制造过程中改进机械设计和选择（降低机械振动）。
• 增加结构阻尼（添加某种瓦片）。请注意，消声瓦与辐射噪声没有（几乎没有）任何关系。
• 船舶操作的改变（更慢地加速、更慢地转弯、某些区域降低速度）。

涂层的现代解决方案

有两种类型的声学涂层是有效的降噪技术解决方案：去耦涂层和消声涂层。通常，两者都由相对较厚的粘弹性层组成，基体中有一些空隙和其他夹杂物。去耦涂层的作用是减少船体振动对水的传播，消声涂层的作用是通过吸收入射声波来减少船体的声反射。图2是一个可能的解决方案的示意图，该解决方案为一个全面的船体保护，包括一个防腐底漆、一个降噪底漆和一个防污体系的环保涂层。该解决方案有可能为船主提供全面的环境保护和卓越的船体保护。

实验室数据—降噪涂层解决方案

降噪涂料是航运业的一个新概念。它们由一层带有功能性颜料的坚硬聚合物层组成，具有“消除”噪音、吸收和反射声能的能力。图3和图4显示了在低频（<1000Hz）下（dB）的潜在降低，在低频（<1000Hz）下，每100µm涂层可降低约3db的噪声。该涂层与喷砂金属（3mm厚）和其他市售涂层进行了比较。

作为所公开组合物的静态声音测量，我们实验室设计并组装了实验性声音封装装置，如下图5所示。

为了将测量结果与环境噪声隔离开来，在聚苯乙烯泡沫塑料双腔室内进行了声辐射和录音。聚苯乙烯泡沫塑料具有隔音功能，较小的内室装有声音测量设备（软件——Audac-ity、硬件——放大器、低频麦克风）和发射频率为100Hz至10KHz的实验室扬声器。然后使用涂漆冷轧钢的声音信号收集数据，减去冷轧钢对空气的干扰，只留下与涂漆部分相关的声音信号。出于重复性目的，麦克风和扬声器的增益和距离保持不变，每个样品测试三次。

现场数据-降噪涂层解决方案

在海洋油漆和涂料方面，我们重点关注三种降低水下噪声的方法：

1. 使用螺旋桨涂层来提高空化起始速度。涂漆的螺旋桨还显著减少了空化造成的表面缺陷，并降低了水中叶片的表面摩擦阻力（图6）。

2. 使用“降噪底漆”，以减少发动机、齿轮箱和机械设备从船舶内部传递的噪音（图7）。

3. 与海水产生较低的表面摩擦，以减少船体和海水之间的表面摩擦层产生的水动力噪声（图8）。

船体数据收集

该船的船体分为四个区域：左舷船首、左舷船尾、右舷船首和右舷船尾。之前的应用数据是指去年在新斯科舍省McGraths cove进行的第一次船只检查期间收集的测量数据。结果表明，在使用新的防污涂层XGIT-Fuel后，平均船体湿摩擦系数降低了约71%（图9）。

船体表面粗糙度

该船的船体分为四个区域：左舷船首、左舷船尾、右舷船首和右舷船尾。在表面处理和涂层应用之前，对每个船体区域进行彻底的污垢清理，以便准确地捕捉表面轮廓并获得粗糙度测量数据。在本研究中，在涂覆之前取九次测量的十次平均值，另外在涂覆涂层之后再取九次测量的十次平均值。每个区域的90次测量的每一次都代表表面轮廓的总峰谷高度值“Rt”。之前的应用数据取自之前的船只检查，因为船只很脏。结果表明，平均船体表面粗糙度（µm）降低了约30%，这应该有助于降低水动力噪声（图10）。

螺旋桨数据采集

图11和表3显示了XGIT-Prop涂层涂覆前后的表面性能。

水下噪声场测量

动态URN测量包括机械、水流量和螺旋桨产生的噪声。图12显示了在最小速度（~4节）和接近最大速度（~8节）的条件下，所有当前试验船只的URN结果。为了最大限度地减少风和海流的影响，对结果进行了平均。与静态测量一样，所有船只的低速运行结果相似，在任何给定频率下，噪声水平在10dB范围内的。

比较低速和高速运行时，发现所有船只的噪声水平从大约100Hz开始显著增加（~15dB）。在60Hz以下，低速和高速测试之间的声级变化最小。将60hz以下的动态测量结果与静态测量结果进行比较，结果表明，在该频率范围内，噪声水平仅略有增加，这表明60Hz以下的噪声水平主要由发动机主导。高频宽带噪声水平的增加是典型的螺旋桨和水流相关的噪声。（对于大多数此类发动机/船舶，一阶发动机运行频率为12-15Hz（4节时），以及30-40Hz（8节时），记住四冲程发动机通常存在半阶，除一艘研究船舶外，所有船舶都是这种情况。对于四叶片螺旋桨和3:1齿轮箱，叶片通过频率在4节和8节时约为16-20和40-53Hz）。

平均测量结果显示，船舶的噪声特征为：1）严重污染和有空化螺旋桨的噪声；2）有干净船体的噪声；3）在使用XGIT产品线进行涂装改装后的噪声，在清洗船体后，我们观察到声级大幅降低，在经过涂层改装后，可以观察到URN得到了进一步的降低。

结论

噪声卫生计划通常不是针对任何一个区域的单个点的地址，而是对所有区域的整体关注，如本文所述的那样。累积效应可能变得相当显著，为了减少船舶的噪声影响，必须采用一系列的技术，包括：

• 提高空化起始速度。
• 经常保持船体和螺旋桨清洁，无表面缺陷。
• 在船舶振动源（发动机、电机和其他机器）上使用吸声装置。
• 在船体上使用隔音涂层，以降低噪音和振动。本研究的其他结论包括：
• 在传统的船舶改装方法中，消音船体涂层可以很容易地应用，且干扰最小。
• 螺旋桨空化对URN排放有重大影响，可以对其进行密切监测，以防止和减少噪声。
• 对船舶进行一些改装可能会对降低船舶噪音产生累积效应。
• 最后值得一提的是，解决噪音污染问题是一种即时的补救办法，许多减少污染的措施都无法解决这个问题。

致谢

该项目得到了加拿大交通部创新中心（TC-IC）的支持。

Jim Covill和Ken Mackay (Lloyds Register - Canadaoffice)对水下辐射噪声的数据收集，如图12所示。

参考资料

1 De Paepe, A.E. et al., IMO - Ship Underwater Radiated Noise Technical Report and Ma-trix, 2019. doi: 10.1017/C-BO9781107415324.004.
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3 Mckenna, M.F.; Ross, D.; Wiggins, S.M.; Hildebrand, J.A.Underwater Radiated Noise From Modern Commercial Ships,” Cit.J. Acoust. Soc. Am., vol. 131, p. 92, 2012, doi: 10.1121/1.3664100.
4 Jalkanen, J.P. et al., Modelling of Ships as a Source of Underwater Noise, Ocean Sci, vol. 14, pp. 1373-1383, 2018, doi:10.5194/os-14-1373-2018.
5 Noise Emitted from Ships: Impact Inside and Outside the Vessels|Elsevier Enhanced Reader.https://reader.elsevier.com/reader/sd/pii/S1877042812028005?token=1673AC7E190256D17BA01FE34658AA5637A324D3109C3DA0BA42A1E2B551BF1EE557F2EEEDAB3EBF7F74D3E8466BB505 (accessed May 15, 2020).
6 Chen, J.; Pack, A.A.; Au, W.W.; Stimpert, A.K. Measure-ments of Humpback Whale Song Sound Levels Received By a Calf in Association with a Singer. J Acoust Soc Am. 2016 Nov;140(5):4010. doi: 10.1121/1.4967444. PMID: 27908071.
7 Centre, I.; Canada, T. M/V Cygnus Underwater Radiated Noise Level Measurements in Conception Bay, NL, no. November,2018.

本文收录在《PCI中文版》杂志2022年4月刊中