Hvordan redusere støy og vibrasjoner ombord

Lyd kommer alltid fra en vibrerende eller oscillerende kilde ombord i skipet, og det er ved kilden at tiltakene bør settes inn.

Følgende innlegg er fra Svante Hägerstrand,
MSc. Vibratec Akustikprodukter AB / Akustikprodukter Norge AS.

Vibrasjonskildene i et skip er hovedsakelig motorer og eksosrør, og i en del tilfeller også girkassene. Den største lydkilden er normalt eksosutblåsningen, og derfor vil også eksoslyddempere behandles i denne artikkelen.

Tenk deg en flue som flyr rundt i en lugar. Hvor mye vil fluen påvirkes av skipets vibrasjoner og bevegelser mens den er i luften? Ingenting, vil man naturlig nok påstå. Fluen er effektivt og tilnærmet 100% isolert fra skipet da det bare er luften som ”binder” den til omgivelsene.

Den beste metoden for å isolere mot vibrasjon er derfor å søke å frikoble seg fra skipets skrog og vegger. Selvsagt kan man ikke få ting til å sveve fritt, men ved å benytte myke og elastiske oppheng kan man oppnå en veldig god vibrasjonsisolasjon. Motsatt gjelder det at jo stivere opphenget blir, jo dårligere blir isolasjonsevnen.

Dette er selve grunnprinsippet for vibrasjonsisolasjon; jo mykere opphenget er jo større nedfjæring får man og derigjennom bedre isolasjon. Man kan i praksis oppnå en isolasjon på over 90%, men det er en del fallgruver man bør passe seg for

Resonans
Praktisk talt alle gjenstander, fra fiolinstrenger til skipsdekk, har en eller flere resonansfrekvenser. Resonans oppstår når gjenstanden har samme egenfrekvens som frekvensen til den forstyrrende vibrasjonskilden. Med andre ord betyr dette at vibrasjon forsterkes ”av seg selv” når resonans inntreffer. Derfor er det svært alvorlig hvis det oppstår resonans i en vibrasjonsisolator, fordi denne da vil virke som en forsterker og ikke som en demper.

Resonansfrekvensen er normalt ikke statisk, da den også avhenger av hvor stor nedfjæring man har i demperen. Med andre ord får en og samme fjær eller isolator varierende resonansfrekvens avhengig av hvor mye den belastes. En vanlig stålfjær vil ha resonansfrekvens gitt av formelen:

der d = nedfjæring i mm.
F = frekvens i Hz (Herz).

For å unngå resonans i et oppheng skal altså isolatorens resonansfrekvens ligge så langt unna den forstyrrende frekvensen som mulig. Jo større forskjellen er jo bedre isolasjon får man.

Som et eksempel kan vi ta en dieselmotor som går med turtall på 1500 o/min, hvilket medfører en støyfrekvens på 25Hz. Hvis denne motoren settes på fjærisolatorer som fjærer ned 10mm, og som dermed har en egenfrekvens Fn=5Hz, får man en meget god isolasjon. Men, om man i stedet benytter en gummimatte som bare fjærer ned 0,5mm får vi Fn=23Hz og resonans i installasjonen.

Demping
Den erfarne vil nå påpeke at rull og stamp gjør det umulig å montere hovedmotoren i et skip på myke isolatorer. Dessuten vil motorens turtall alltid passere minst en resonansfrekvens ved start og stopp. Og, det er riktig det. Derfor må det i tillegg benyttes noe som reduserer forsterkningen når resonans inntreffer, og det kaller vi demping.

Ved demping omdannes bevegelsesenergien i vibrasjonen til friksjonsvarme. Gummi har for eksempel en relativt høy naturlig dempingsfaktor, i motsetning til stålfjærer som må kompletteres med et innvendig dempeelement. Ulempen ved dette er at jo mer demping man innfører jo stivere blir opphenget og jo dårligere blir isolasjonen.

Videre har forskjellige materialer forskjellig demping, hvilket kan medføre uante effekter. Stål for eksempel, har liten naturlig demping, og vibrasjoner vil forplante seg over store avstander i et stålskrog med uforminsket energi.

Her er man altså avhengig av gode beregninger og solid erfaring for å oppnå god isolasjon.

Elastisk motorinstallasjon
For å oppnå effektiv vibrasjonsisolasjon av hovedmotorer, må man ta hensyn til flere parametere:
• Motorens kraftuttak vil gi et moment som vrir eller skråstiller motoren. Dette vil gi et ekstra trykk på isolatorene på den ene siden av motoren, mens isolatorene på den andre siden vil avlastes.
• Hvis girkassen er montert direkte på motoren vil dette øke vridningsmomentet (og kraften på isolatorene) med en faktor tilsvarende utvekslingen. Sitter motorlabbene for tett inntil motoren kan man til og med oppnå løft og strekk i isolatorene på den ene siden.
• Hvis ikke de lineære akselkreftene tas opp i et eget thruste-lager, vil propellens trykkraft overføres direkte til isolatorene.

Summen av alle disse kreftene skal tas opp av isolatorene, og det medfører ofte at veldig stive isolatorer må benyttes. I praksis betyr det dårlig eller tilnærmet ingen vibrasjonsisolasjon.

For å installere en motor på myke isolatorer og oppnå god vibrasjonsisolasjon, bør man altså skille motor og girkasse med en elastisk kobling. Motoren kan da installeres elastisk, fordi bevegelsene dens vil fanges opp av den elastiske koblingen. Dersom girkassen installeres uten isolatorer medfører det gjerne en høyfrekvent vibrasjon fra tannhjulenes arbeid. Dette kjennetegnes av en ulende lyd som forplanter seg i skroget. Dette problemet kan bli ekstra stort når man har doble motorer og girkasser, for da kan vibrasjonene fra hver girkasse gi interferens og forsterket vibrasjon. Derfor anbefales det å installere girkasser på stive elastiske isolatorer som tåler dreiemomentet og som samtidig isolerer de høyfrekvente vibrasjonene. Riktig dimensjonerte isolatorer (motorlabber) vil dessuten kunne ta opp propelltrykket. Ved installasjon av kardangaksler må man være spesielt varsom, for vinkelen i aksel-knutene innvirker på vibrasjonene. Når vinkelen i begge knuter er like fungerer det normalt greit, men når motoren er elastisk montert vil det oppstå variasjoner i vinklene. Disse vinkelforandringene gir tverrkrefter i knutene som igjen medfører vibrasjoner – såkalte torsjonssvingninger.

For å oppnå riktig og god isolasjon kan framdriftsmotorer monteres på isolatorer som fjærer som mye som 20mm under kraftig rulling og stamping, men da må isolatorene også ha bevegelsesbegrensning. Gummi- kontra helmetallisolatorer Tradisjonelt har de fleste motorer blitt levert med gummi-isolatorer. Hovedårsaken til dette er prisen, men også det faktumet at gummi som nevnt har god naturlig dempingsfaktor. Ulempen med gummi er dessverre at de gode egenskapene svekkes over tid. Gummi blir hard og sprø, det sprekker, pulveriseres og krymper (setter seg). Videre påvirkes gummi negativt av varme, diesel og smøreolje. Et generelt råd fra motorleverandører er at gummi-isolatorer (dempere) skal byttes regelmessig hvert 5-10 år, men dessverre er det ikke mange som følger disse rådene. Man kjører med det man har så lenge det holder sammen, uten å legge merke til at vibrasjoner og støy øker med årene. Til slutt kommer man til et punkt der isolatorene har blitt så stive at man får resonans i installasjonen – og

da blir det ”liv i skuta”. Når til slutt isolatorene ryker må motoren stanses og isolatoren skiftes. Dette koster penger for både arbeid og isolator, men mest i form av driftsstans og tapt fortjeneste. Dessuten vil demperne vanligvis ryke av når skipet har høy belastning i grov sjø, og da kan havari være nært forestående! Et bedre alternativ er å benytte isolatorer med stålfjærer, som erfaringsmessig viser bedre holdbarhet og utmerket isolering. Den største fordelen er at stålfjærer kan leveres i kvaliteter som gjør dem upåvirkelige av miljøet de benyttes i. Videre får man normalt bedre isolering ved større nedfjæring (lavere egenfrekvens = bedre isolasjon) enn man kan oppnå med gummi-isolatorer. Ulempen er at slike isolatorer også må ha bevegelsesbegrensere og et dempeelement, hvilket har en tendens til å gjøre dem noe dyrere enn gummi-isolatorer. Totalt sett gir fjærisolatorer en økonomisk gevinst over tid i forhold til gummi-isolatorer.

Eksosrør
Eksosrørene er ofte en betydelig kilde til støy om bord, hvis de ikke er konstruert og hengt opp i elastiske isolatorer. Frekvensen i eksos-pulsene er høyere enn motorens frekvens, slik at man kan henge eksosrørene opp stivere og allikevel oppnå god isolasjon. Ved en eksostemperatur på 500¡C utvider rørene seg omtrent 6mm pr. meter rør (9mm for rustfritt stål). Derfor må rør-opphenget tillate at eksosrøret ekspanderer under drift, og det får man til ved å: · fordele opphenget i såkalte fikseringspunkt og glidepunkt. I fikseringspunktet festes røret fast med en isolator, og i glidepunktene settes isolatoren i en slisse i rørets lengderetning. Ofte benyttes også pendel-oppheng og rørklammer til henholdsvis fikserings og glidepunkt. · benytte belger (kompensatorer) som tar opp rørets ekspansjon. Belgen må dimensjoneres til å ta opp hele eksosrørets beregnede ekspansjon, som kan være betydelig ved lange rør. Belgen bør dessuten være forholdsvis myk (liten fjærkonstant) slik at den ikke skaper motkraft i fikseringspunktene. Belgen skal monteres slik at den først og fremst tar opp kreftene fra rørets ekspansjon i lengderetning.

Bevegelser og forskyvning radielt reduserer belgens bevegelsesdynamikk. Lyddempere Lyddempere monteres på eksosrøret for å redusere lyden eksosen skaper når den slipper ut av rørsystemet. Lyddemperne påvirker altså ikke støyen i skipet, men kun lydtrykket ved eksosutløpet og i omgivelsene utenfor skipet.

Det finnes to hovedtyper av lyddempere:
· Reaktive lyddempere med 2 eller flere kammer der gassen strømmer gjennom perforerte rør. Denne typen benyttes for å dempe lave frekvenser.
· Absorberings-lyddempere som er fylt med isolasjon rundt et perforert rør. Denne typen benyttes for å dempe høye frekvenser. Ofte benytter man begge typer lyddempere i serie, slik at man oppnår god demping i hele frekvensspekteret. Med en slik dobbel konfigurasjon kan man oppnå støyreduksjon på 50-60 dB(A).

Eksosens hastighet er en viktig parameter å ta hensyn til når man dimensjonerer et eksosanlegg. Ved å øke eksosrørets diameter reduseres eksosens hastighet, og lyddemperen virker bedre ved lave eksoshastigheter. Samtidig får man lavere mottrykk i motoren, hvilket er gunstig for motorens virkningsgrad. Ved for høy eksoshastighet får man ulende støy i systemet, og i verste fall kan faktisk isolasjonen trykkes ut av lyddemperen. Hvis mottrykket blir for stort kan også motoren ”surne” fordi den ikke klarer å puste ut avgassene. Regelen er at jo mer man vil senke støynivået, jo større lyddempere må man benytte. Dette er en naturlov som det ikke er mulig å omgå. En tommelfingerregel er å benytte en lyddemper med et volum som er ti ganger større en motorens sylindervolum. Til en 1,6 liters motor bør man altså benytte en lyddemper som rommer minst 16 liter.

Andre tiltak
Hva kan man gjøre hvis man ikke har tid/råd/lyst til å oppgradere motorinstallasjonen eller eksosrøropphenget? Hvilke metoder finnes? For å minske vibrasjoner i skipsskroget finnes det dempekassetter med et antall ”metallpigger” som sveises direkte i skroget. Tynne konstruksjoner (dekk, skrog, med mer) i stål eller aluminium kan males med en dempemasse (viskoelastisk dempemasse). Massen minner om tyktflytende maling kan sprøytes, rulles eller pensles på i lag opp til 5mm. Dette gir en relativt god demping ved at mye av vibrasjonsenergien omgjøres til friksjonsvarme. I noen tilfeller er det også et alternativ å montere hele styrhuset på vibrasjonsisolatorer. Dersom man ønsker å støyisolere en kahytt/lugar finnes det metoder og materialer for å isolere gulv, tak og vegger, som for eksempel flytende gulv og elastisk opphengt innertak.

Konklusjon
Det er alltid best å konstruere og bygge inn støydempende tiltak når fartøyet bygges, for alle tiltak man gjør senere vil bli ”plaster på såret”. For skipets eier er det alltid kostnadsbesparende å få et fartøy der det er benyttet fjærisolatorer og ikke gummi-isolatorer. Fjærisolatorer øker driftsikkerheten for skipet og reduserer faren for ulykker. Gode produkter er en selvfølge for å oppnå langsiktig støyreduksjon, men kunnskap og erfaring må til for å få til optimal og kostnadseffektive løsninger.