Акустическое излучение судна с позиций экологического влияния на окружающую среду Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 534 • 349.6

АКУСТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ СУДНА С ПОЗИЦИЙ 'ЭКОЛОГИЧЕСКОГО ВЛИЯНИЯ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

А. И, Исаков (Каичат/ "ГУ), А.А. Исаков (ЗАО «Акрое»)

Рассмотрены структурные особенности взаимодействия водных транспортных средств с внешней сргсХэм. Определены источники наибаяее интенсивного атіонна на атмосхреру. .’!*)/*> сфер\' и биосферу. Обсуждаются вопросы минимизации техногенного dtrjdeikvufUH

The article describes structural features of interaction of water vehicles with the environment. Sources of the most intensive Influence on (he atmosphere, hydrosphere ant! biosphere are determined Questions of minimization of negative influence arc discussed.

Водные транспорт ііьіе средства, включая военные корабли, танкеры, пассажирские и грузовые суда, суда рыбопромысловою и рыбообрабатывающего флоіа и т. п., с позиций влияли» на окружающую природную среду являются искусственными техногенными образованиями, способными нарушать экологическое равновесие Любое транспортное средство, а морское особенно, представляет собой в конечном счеге сложное техническое устройство, в котором происходит преобразование энергии разного рода топлива в механическую энергию движения. Наиболее широко ни судах распространены силовые установки, использующие в качестве энергоносителей углеводородное топливо. В меньшей стспсни используются атомные силовые установки. Самые совершенные судовые силовые установки имеют коэффициент полезного действия, нс превышающий 40%. Другими словами, 60% энергетических возможностей используемых сортов топлива в виде различного рода выбросов и излучений попадает в окружающую среду. На рис. I приведена схема взаимодейст вия судна с окружающей средой.

Можно выделить десять основных источников воздействия судна на атмосферу, гидросферу и биосферу. Все источники связаны с генерацией в окружающую среду либо вещества в различном фазовом состоянии, либо разного рода полей. Целесообразно разделиль все источники негативного воздействия на полевые излучения (пу нктирный блок I) и выбросы R форме вещества (нункі ирный блок II).

Выбросы с судов разного рода вешесів (блок II) or отходов нефтепродуктов до бытового мусора - уже давно попали r папе зрения инженеров-чколої or, биологов, гидробиологов и других специалистов, занимающихся сохранением биосферы (рис. I). Выбросы судов в форме физических палей в основном рассматриваются с позиций их обитаемости и санитарных норм. Вместе с тем судно представляет собой высокоинтенсивный источник акустического и гидроакустического воздействия, особенно на биологические объекты, средой обитания которых hr-лястся вода. Магнитные поля, включая электромагнитное излучение навигационных приборов, распространяются н воздушной среде. Их проникновение в вешу незначительно Это же касается и электрических полей, обусловленных работой электроэнергетического оборудования. Радна ционное воздействие на биосферу r основном характерно для судов военного назначения, чаею-

та появления и время пребывания которых и экологически продуктивных зонах Мирового океа на пренебрежимо малы по сравнению с судами іражданского назначения. Тепловые пиля судна вн<юят определенные изменения в температурный режим окружающего судно пространства, однако благодаря высокой теплоемкости и теплопроводности воды і радиенты наведенных судном температур достаточно быстро рассеиваются.

Г

Мл и и і Нін'

'Зтпімкспи -ШЬК___________________________________________________

Ра.'<ім ИМОІІНІІГ :

II*. и | * .1 ІІЯЧН

I ЛКУГ1«Ч«1-К1Н' 1 "«-1Г _ ч.1 \ л 1(Я 1Л»М I 1ІІМС

»|»»»<Ч«»ЧЦ»«|||1ЧП»Д.| ...Т< Г,

Ирппии

апрлікп

іші.ііміа

10

Ліллі.ні.іг

іісфт<ічі«р*хиаг

пцям

Атмосфера

8

Сіочниі тлі.і [-

|

і

Ьиі«АМІ І 1 ІИШЦ4 \

ІІроіиіш ігтм іші.і опіим

і Ьносферя

В

І н.ір<кферіі

1- лЬ

Рис, I Схема «таичооеисши» судна с омружакнцеи средой

Акустические поля достаточно полно изучены применительно к судам поенного назначения. |де уровень шума и его спектральный состав являкгтея основополагающими при исполнении целого ряда специфических функциональных задач [I]. Существенно меньше сведений об акустическом излучении в гидросферу гражданских судов, в частности судов рыбопромыслового флота. Немногочисленные работы по акустике рыбопромысловых судов посвящены в основном анализу шума с позиций помехозащищенности рыбопоисковой и нави!анионной гидроакустической аппаратуры.

Проблема излучения судна в акустическом диапазоне частот состоит из двух основных задач. Во-первых, это защита команды, пассажиров, перевозимых грузов и внугриеудово! о оборудования от шума энергетических установок, вспомогательных механизмов и грсбиых винтов.

Во вторых, это влияние акустического поля судна на окружающую среду гидросферу. Акустический высокоишен-енвпый шум и1 носится к категории вредных для человека юл учений. В качестве примера на рис. 2 приведены усредненные уровни шума в машинных и жилых помещениях судов с низкооборотными и среднеоборотными дизельными силовыми установками [2.3].

При акустических измерениях сложилась практика использования для оценки уровня шума коэффициент излучения:

I * |И*М».

і - И1Г*лЧХ»^р.МНМЙ V* и »*-1 - ііиіііі цінім» |і|м »рг икч«лі^пім»і 4 - В9МІТ»! *1«!1НвХВ И|М ІІНІМ.'Гк^НІІИіи имею

10

III

X.

■ у. :

ИГ

Г, Гм

Рис 2. Усредненные спектры уровня судового шума

У7

0)

где N.. - номинальная мощность СЭУ, кВт; N - суммарная акустическая мощность источника; N(/4) мощности, полученная при измерениях акустического давления на расстояниях г = 1,3, 10 м о1 их|учающей поверхности. Поскольку динамический диапазон акустических давлений в полосе частот занимает несколько порядков, то акустические величины принято представлять в логарифмическом маспгтабс:

Как видно из приведенных данных, уровень шума среднеоборотных дизелей на частотах порядка f S00 Гц достигает величины I. 5 100 дБ. По данным лаборатории «Noise» С1МАС |4|. сотрудниками которой были проведены исследования 200 типов дизелей мощностью оз 8 до 6 000 кВт с частотой вращения коленчатого вала от n,lli(l = 5 пб/с до п,шх 50 об/с, из общего числа обследованных устройств примерно 70% имели максимальный уровень шума L = 95 105 дБ,

а у отдельных образцов величина L превышала болевой порог и составляла около 110 дБ. Было установлено, что математическое ожидание коэффициента акустического излучения подчиняется линейному закону:

где по = 1,67 • 10 * об/с; п рабочая частота вращения коленвала дизеля. Уравнения (2) и (3) дают основание определить уровень излучаемого дизелем шума следующим соотношением:

Основными источниками шума и вибраций на судах всех типов являются их силовые установки, механические передачи и гребные винт. Каждый из этих источников способствует возникновению, помимо воздушных и гидродинамических шумов, вибраций судовых конструкций, которые, в свою очередь, превращаются во вторичные излучатели. Судовые шумы и вибрации возникают при действии на конструкции динамических сил. Среди многообразии типов динамических сил можно выделю ь несколько основных.

Первую группу составляют силы механического происхождения, возникновение которых вызвано неуравновешенностью вращающихся частей механизмов, асимметричностью жесткости роторов, технологическими и сборочными дефектами механической обработки соприкасающихся деталей, а также возмущениями вследствие соударения деталей и поршневых и кривошипно-штунных механизмах.

Во вторую группу целесообразно объединить силы электромагнитного происхождения, вызываемые нестационарными магнитными полями в электрических машинах. Переменные во времени магнитные поля вызывают колебания элементов электрических машин, в частности вследствие мат нишсфикцнонного эффекта.

Третья группа сил обусловлена аэро- и гидродинамическими явлениями, наблюдающимися в насосах, турбинах, компрессорах, трубопроводах, запорной армату ре и т. п.

Все три типа сил по отношению к элементам конструкций, способных совершать колебания, в конечном счете являются внешними возмущающими. Колебания конструкций становятся возможными при наличии у них упругих свойств, которые формируют возвращающие силы. В общем случае элемент судовой конструкции обладает, как и всякое свободное твердое тело, шестью степенями свободы 0 = 6). К таким системам относятся устройства, соединенные с палубой или переборками через виброизолирующие конструкции.

Рассмотрим некоторые особенности возникновения акустического излучения судовой конструкции ка циклической частоте о с излучающей площадью й при действии силы механического или электромагнитного происхождения с поверхностной плотностью р(г). Колебательная скорость определится итерированием функции Грина для конкретной краевой задачи |2]:

(2)

<3>

L - IQlgnN, з 58.

(4)

ч(г)~ |г(г,г )р(г №г’.

(5)

Функция Грина Г(г, г ) в данном слу чае рассматривается как переходная податливость между точками с координатами г и г*. Если вибрирующая поверхность кош актирует с другой поверхностью (г), то динамика совместного излучения определится следующим интегральным уравнением:

Оценить теоретически, пусть даже приближенно, распределение колебательных скоростей, определяющих величину акустического давления в дальней тоне излучения, предъявляется задачей достаточно сложной ввиду большого количества на судне источников вибраций, работающих одновременно. Это обстоятельство осложняет формирование начальных и граничных условий. В практике оценки собственных акустических шумов подводных и надводных кораблей используют метод интегральном оценки излучаемой энергии. Если 0"(1) - обобщенная сила, а с|(I) - обобщенная скорость, то колебательная мощность любою механизма ы их совокупности может быть представлена следующим обратом [2, 3]: для одной степени свободы;

т. е. мощность, излучаемая агрегатом в опорные и неопорные связи, равна сумме мощностей, генерируемых отдельными составляющими действующих механических сил по возможным стс пеням свободы. Вибрации механического и электромагнитного происхождения, обусловленные вращательным движением, имеют, как правило, дискретный характер в диапазоне частит до Г = 2 ООО Гц 11ри этом колебательная мощност ь отдельной дискретной составляющей с циклической частотой со при действии обобщенной силы 07(м)аий>| определится следующим образом:

|де <0*(м)> и <ц> среднеквадратичные значения соответствующих величин; Ч>.:оч> — Рач'

ность фаз между обобщенной силой и обобщенной скоростью.

На рис. 3 приведена -зависимость интегрального уровня шума судовых механических источников, полученная при заглублении измерительною гидрофона на глубину Ь = 5 м. Распределение получено для покоящегося судна на фиксированном расстоянии X ~ 50 м от центра ею масс. Во время измерений основной и вспомогательные дизели работали в режиме номинальных обть рогов [I]. Как и следовало ожидать, акустическое излучение судна, обусловленное механическими источниками, обладает направленными свойствами с практически симметричными максимумами, расположенными на нормали к бортам. Спектр шума механических источников по форме отличался от спектров, измеренных во ннутрисудоиых помещениях. Максимальный уровень шума в воде наблюдался в области частот 250 450 Ги, причем в области частот (> 0,8 кГц уровень уменьшался примерно со скоростью 10 дБ/окт.

(б)

(Т>

- для т степеней как

(8)

Уравнение (81 можно представить в обобщенном виде;

1-1 м

I I

М;‘(<о) = — (см)ч(<м)<1« =< О' (ю)>< ц > юсо!>9((}0,

® >1

п

(10)

Наиболее интенсивные акустические шумы обусловлены работой судового движителя и сопровождающих» и работу винтов гидродинамическими явлениями. Гребной винт вследствие конечного числа лопасгей создает и жидкости периодические разряжения и сжатия, настоїв которых определяется в виде произведения угловой скорости вращения на число лопастсіі у.

Изменение давления в жидкости вследствие ее сжимаемости приводит к возникновению волн акустического диапазона, именуемых звуком вращении іребного винта. Теоретический anu.nn звука вращения был выполнен Л.Я. Гугиным.

Он получит решение для скорости поступательного движения винта, которая существенно меньше скорости звука, т. е для числа Маха М = V,, /О) -» 0, что вполне справедливо для судовых винтов [51.

На лопасти винта при сто вращении действуют периодические силы, которые можно представить как сумму двух составляющих: силу упора элемента лопасти с!рж и силу сопротивления <1Т,. приложенную к алемеиіу лоиасіи и направленную но касательной к окружности, описываемой выделенным элементом. В соотвеїствии с іреіьнм законом Ньютона лопасть действует на окружающую ее жидкость. Реакция лопасти шириной Ь характеризуется гоже двумя силами, равными по модулю первым и противоположными им по направлению. Гидродинамические силы, приложенные к элементу лопасти, равномерно распределены вдоль хорды, что дает основание выделить элементарную площадку лопасти:

Рис .1 Уровень акустических шумовмехштчесю*'» и ілсмпроиа.і/іоіиіо.'о проис.хожчк.чим ііа с ічХчс типа БА ТІ4

сік* г’Л'іЮ.

Осевую силу и силу сопротивления в этом случае можно представить следующим образом:

р _ ар/ф'ае

* ' ііг'Ь ’

р». =

СІТ.Г 410 йг'Ь

(12)

Эти силы периодические, потому что действуют на элемент лопасти и течение промежутка времени, соответствующего времени прохождения лопасти. Характерный промежуток времени определяется как

. Ь 2я

Дт = т, - г =—--------------------0 = —.

г (» 2(1)

(13)

Как и всякие периодические функции, анализируемые силы можно разложить в ряд Фурье:

(П)

Рис. V Подвижная система кло/укшат судовою пиита

Г,(0 = ]Т А„ - А, со&(яа>/1 - а,). Г(і)=^ В„ + В, совдоЯ -Рн)-

(14)

Дія первых гармоник периодических сил коэффициенты разложения Фурье для судовых винтов можно представить следующим обратом [51:

А, ~-^гсігЧі0: л <1г

в,

’ л аг

(15)

Дналіп акустического давления, обусловленною действием периодических сил, рационально проводить, выразив их в комплексной форме [6]:

у л <

р| А >5]А(|«Фі(я«Я-фг0-ач), •і-і

К: = Ч, + 2Х схрі(ч<огі -чгб -р,4).

4-І

(16)

В соответствии с уравнениями (16) на жидкость будут действовать следующие силы:

<Л-П| ^-~ехрі(<іо)/і -агб)с1г’сН),

ЛІІГ

иГп( —г-кіп0ехрі((|п>/і -<рО)гіг*сІ0,

ИГ

• г*

с1Р ——г«о«0схр(я<пгі -аг0)с1г'сШ.

л <1г

(17)

Эффективное акусіичеекое давление, вызнанное сосредоточенными периодическими силами. представляется в общем виде следующей формулой.

где

(18)

1 4г «г

Л= / ^ «*4*6 І к,о)+ І'|і| М +“ '-М“-«-Р^1 м+7 1_м^

>005(428 +к о}--.

(19)

(20)

В последних уравнениях приняты следующие обозначения: к -цо)//с„ воліювое число;

(х, у, 2*} - координаты точки водною пространства, в которой вычислялся величина давления; {Хі, Уі. г* } - координаты гочки, в которой прикладывается сосредоточенная сила:

а =

М(х -х,)ч-а

Э2

Ь = л/(х-X,)- +р-|(у у|)г +(/• )*' ],

Р = х/і-Мг; М = у„,/сг,.

(21)

(22)

(23)

Как отмечалось ранее, звук вращения обязан двум категориям сил, обусловленным упором и моментом сопроіивлении лопастей. На основании уравнений (17-23) тю обстоятельство можно записат ь следующим обратом [5):

М +

х | I

+ м

, 8И } Р' соЯе

(24)

Поскольку число Маха мало вследствие малости посту петельной скорости судна V,,, по сравнению со скоростью звука в жидкост и Со, в уравнении (24) можно принят ь М 0. Тогда

ІР

цсо*

2лс„К

Р—+м-^4 К <ч Ке

.1

к,уКс|

К

(25)

Рис 5. Ст/пчопуутан схеми установки Аія иеслегітшним особепностей акустическою кххучемия людлхями суровых движителей

Для судового вміла с фиксированным радиусом К. числом лопастей / и угловой скоростью вращения (•> акустическое давление будет иметь максимум на частоте 1К„, = 2п!ш. в соответствии с повелением функции 1*ссселя. /1пя проверки теоретической зависимости (25) нами были проведены эксперименты по измерению шума моделей гребных винтов в заглушенном гидроакустическом бассейне |6]. Па рис. 5 приведена структурная схема установки. В большом гидроакустическом бассейне I со звукопоглощающим покрытием 2 на подъемно-поворотном устройстве размешался при вол модели. состоящий из привода постоянного гока І, включающего в себя регулируемый источник питания 4, электродвигатель 5 и электронный счетчик обороюв 6. Па вал электропривода насаживалась модель винта 7, частота вращения которого регистрировалась цифровым часгсь іомером Н. Схема реї но рации акустическою шума состояла из набора измерительных калиброванных гидрофонов У, широкополосного усилителя Ю, последовательного и параллельного анализаторов спектра II. 12, осциллографа /3 и самописца уровня Ы Измерения уровня шума производились при двух положениях гидрофона: в плоскости вращения модели и на оси вращения. Типичные виды спектров шумов приведены на рис. 6.

При расположении измерительного гидрофона в плоскости «ращения модели на расстоянии 50 И от оси вращения (кривая I) максимум излучения наблюдался на частоте, практически совпадающей с ГКо1 = 27с.‘о>/.. т. е. на частоте вращения, умноженной на количесіво лопастей. При осевом расположении гидрофона увеличивался уровень турбулентного шума (кривая 2).

На рис. 7 представлены спектры шума трехою нас пюй модели для разных режимов обтекания. Кривая I получена в дальнем поле излучения для модели диаметром О = 0,15 м с г = 3. Спсктратытая зависи моегь 1 получена при значении цешробеж-ного критерия Рейнольдса:

Кс, = — = 2,23 10*, (25)

Ю 2 і 4 і 7 ІШ

Рис. 6 Онмосительные спектры шума двухлопастной модеми ілг)іті\ч> «инти

глеп частота вращения лопасти; П диаметр модели; V костффициенг кинематической вязкости воды. Кривые 2, 3 соответствуют Кет = 4.5 • 10* и Яс | = 6.75 • 101. Обсуждаемые зависимости получены в турбулентном режиме обтекания лопастей.

Существенно отмстить, что даже на модели регистрировались низкочастотные сооавляю-шис шума. На частоте ( = 1 кГц длина волны в воде к = 1,5 м.

В случае движущегося судна можно выделить три характерных источника высокоинтенсивных шумов [7]:

работающие судовые механик мы. основные и вспомот итсльные; гребной винт:

— гидродинамические шумы турбулентного происхождения;

— кавитационный шум, обусловленный разрывами сплошности воды, как правило, на кромках лопастей |реб-иого винта;

— шумы, генерируемые носовым и кормовым бурунами.

Наибольшее воздействие на бноло-гические объекты производят шумы ин-}‘ис 7. Спектр шума пу» рагчтнпй чл тот вращения фрачвуковот диапазона частот, которые

имскуг свойство распространяться на значительные расстояния, На рис 8 приведены качественные спектральные распределения шумов корабельного и биологического происхождения [8. 9|. Кривая 1 соответствует шумам крупнотоннажною судна типа БМРТ. Кривые 2, 3 соответствуют звукам, издаваемым рыбными скоплениями. Кривая 4 получена при исследовании звуковых сигналов, издаваемых креветками.

Как видно из приведенных данных, уровень шума, генерируемого морскими организмами, по своему уровню значительно ниже судовых шумов во веем диапазоне частот. Большинство акустических исследований судовых шумов были проведены с позиций оценки их влияния на устойчивую работу гидроакустической аппаратуры. Акустические он налы отдельных видов рыб изучались для создания искусственных излучателей, имитирующих звуки биологического происхождения.

Эти работы, имевшие практические результаты, проводились с целью создания акустических приманок. Кроме того, акустические сигналы успешно используются для отпугивания молоди рыб от водосбросов в районе плотин гидроэлектростанций. Друз ими словами, данных о влиянии акустического шума на морские биологические объекты достаточно, чтобы сделать следующий вывод: судовые шумы являются с

экологических позиций Факторами от- А Сравнстк епект/ю* а судом* шумов

рицательнымн.

К настоящему времени сложилась достаточно парадоксальная ситуация: акустические шумы искусственного происхождения, в частности судового, рассматриваются исключительно как препятствующие эффективному промыслу, но не как обстоятельства, вносящие определенный дискомфорт в жизнь биосферы. Акустические характеристики промысловых и прочих типов судов рассматриваются, как правило, с точки зрения уровня безопасности экипажа. Существуют определенные санитарные нормы, в соответствии с которыми разрабатываются в процессе постройки и эксплуатации специальные мероприятия по снижению уровня шумов и вибраций на борту судна. Внешнее же акустическое излучение рассматривается только как возможный источник помех работе гидроакустических средств судна, по не как источник негативного влияния на окружающую среду. Насколько нам известно, такой подход пе рассматривается даже в постановочном варианте. Подобная ситуация складывается и с другими источниками загрязнения, причиной которых являются морские транспортные средства, в частности несанкционированные выбросы нефтепродуктов. Лишь в последние десятилетия на эту экологическую угрозу стали обращать внимание судовладельцев.

На наш взгляд, акустическое излучение судов необходимо паспортизировать, как и прочие виды вредных воздействий на окружающую сроду.

Литература

1. Васшьцов Б,А., Крочепце* В.И., Исаков А.Я. Исследование акустических полей. - Га-1анрог: ТРТИ. 1974.- 177 с.

2. Кяюкин И.И., Ьогояепов И.И. Справочник по судовой акустике. J1.: Судостроение, IУ7К. - 503 с.

3. Исаков А.И. Гидродинамические источники судовых вибраций и нгумов. - Владивосток: ДВ11И. 1975. 124 с.

4. Истре/ If'. Statistical investigation into diesel engine noise, conducted by the CIMAC Working Group «Noise». The Institute of Marine Engineers Ttansactkms, 1970. - Vol. 82. - .V® 12. P. 431 439.

5. MuHuotruH Н.Я., Пери их А.Д., Петровский B.C. Гидродинамические источники звука. Л.: Судостроение, 1972.- 477 с.

6. Васшьцов Э.А, Исаков А Я,. Ушаков В.Г. О взаимосвязи акустических характеристик

обтекания и модифицированного критерия Эйлера // Акустические мегодм и средства исследования океана: Гр. Всееоюэ. конф. «Океана. Владивосток: ДВ11И: ДВО РАН, 1976. - С. 98-114.

7. Справочник по гидроакуст ике / Г..А. Васильцов и др. - Л.: Судостроение, 1988. - 522 с

8. Бреховских JI.M Акустика океана. - М.: Наука, 1974. - 693 с.

9. Хекла М„ Мкшер Х.А, Справочник по технической акустике / Пер. с нем. U-Д. Виноградова, Н.М. Колоярцева. - Л.: Судостроение. 1980. -437 с.