王昕韡 劉曉明 夏侯命勝

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

引 言

深水半潛式生產(chǎn)平臺作為海上建筑，同一般的陸地建筑相比不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其所處的環(huán)境也十分惡劣。長期經(jīng)受風、海流、波浪的作用，高緯度地區(qū)還要承受冰凍荷載的影響，所以其結(jié)構(gòu)設(shè)計必須采取相應(yīng)的設(shè)計措施，滿足船舶抗風浪強度、安全生產(chǎn)及舒適性等要求。同時，為保證長期在平臺上工作和生活的人員身心健康，保證平臺的結(jié)構(gòu)安全，對平臺的減振設(shè)計和聲學設(shè)計也顯得日益重要。

國際海事組織（IMO）海上安全委員會（MSC）通過在第91次會議正式通過《船上噪聲等級規(guī)則》修訂草案即MSC.337（91），該修訂草案于2014年7月1日起正式生效。與原有規(guī)則相比，噪聲控制范圍從機艙擴大到全船，經(jīng)修訂后的最大噪聲極限值、最大噪聲暴露限值和實際噪聲登記測量條件將成為強制性要求，工作區(qū)和生活區(qū)的最大噪聲極限值在原有規(guī)則的基礎(chǔ)上再降低5～10 dB，在噪聲達到85 dB及以上的處所需提供個人聽力保護設(shè)施。

不僅如此，海上人命安全公約（SOLAS）將引用MSC.337（91）的全部規(guī)定，即該草案涉及的全部內(nèi)容將成為強制性標準，船舶噪聲值的測量將由船舶入級的船級社或認可的機構(gòu)進行。

本文以深水半潛式生產(chǎn)平臺目標船，其噪聲預(yù)報主要包括：上船體開放區(qū)域噪聲預(yù)報和封閉生活艙室噪聲預(yù)報；前者主要是應(yīng)用邊界元方法研究平臺甲板上某一高度處的噪聲分布；后者主要是應(yīng)用統(tǒng)計能量方法預(yù)報封閉生活艙室噪聲；之后，根據(jù)MSC.337（91）規(guī)范評判計算結(jié)果，并對噪聲水平接近規(guī)范要求的艙室進行減振降噪處理，避免由于噪聲給船上工作人員的工作和生活帶來不適。

1 深水半潛式生產(chǎn)平臺噪聲分析方法

1.1 邊界元方法［1］

式中：k=ω/c為波數(shù)；ω為圓頻率，Hz。

Helmholtz方程也可以應(yīng)用于研究海洋平臺這種大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的水聲學、結(jié)構(gòu)聲學和聲輻射等方面的問題；因為海洋平臺結(jié)構(gòu)在復(fù)雜聲振環(huán)境下產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)聲的聲壓也滿足上述所說的兩個波動方程。

如果考慮結(jié)構(gòu)振動與聲場流固耦合的問題，還需要結(jié)合結(jié)構(gòu)振動方程。

1.2 統(tǒng)計能量法

統(tǒng)計能量法的基本理論就是將復(fù)雜的工程系統(tǒng)離散成N個便于分析的獨立子系統(tǒng)，工程系統(tǒng)在受到外界激勵時產(chǎn)生振動，各個子系統(tǒng)之間通過接觸邊界進行能量交換，而每一子系統(tǒng)的振動參數(shù)如位移、速度、加速度、聲壓均可以通過能量求得。應(yīng)用統(tǒng)計能量法時其計算精度很大程度上取決于對子系統(tǒng)的模態(tài)密度、內(nèi)部損耗因子以及各個子系統(tǒng)間的耦合損耗因子這三個參數(shù)準確的估算。根據(jù)能量守恒原理，子系統(tǒng)消耗的能量加上傳遞給其他子系統(tǒng)的能量，應(yīng)等于輸入給該子系統(tǒng)的能量，對于具有k個子系統(tǒng)的系統(tǒng)，其能量平衡方程為［1］：

式中：ω為頻帶中心頻率，rad/s；Ei，Pi，ni，ηi分別為第i個子系統(tǒng)的能量、輸入功率、模態(tài)密度以及內(nèi)部損耗因子，ηij是第i個子系統(tǒng)和第j個子系統(tǒng)的耦合損耗因子。

2 聲振源和計算模型

2.1 聲振源

根據(jù)海洋平臺上產(chǎn)生噪聲的原因不同，可以將噪聲分為兩種：空氣輻射噪聲和結(jié)構(gòu)噪聲。海洋平臺正常運作時，主機及輔機、空氣壓縮機、風機或風扇、電動機、柴油發(fā)電機、泵及各種閥門都會產(chǎn)生噪聲。本文主要研究的是深水半潛式生產(chǎn)平臺上船體及上層建筑部分的噪聲分析，因此主要噪聲源為發(fā)電機、空氣壓縮機、風機以及大型動力泵等設(shè)備。

由于各種噪聲源設(shè)備給出的是在各個頻率下的振動加速度值，在噪聲分析時需要轉(zhuǎn)換為振動加速度級和聲功率級。

振動加速度級La可以定義為［2］：

式中：a為振動加速度有效值、a0為基準加速度值，取10-6m/s2。

聲功率級Lw與振動加速度級La的關(guān)系為［2］：

式中：s0為基準面積，取1 m2；σ0為基準輻射比，取 1；（ρc）0為基準空氣聲阻抗，取 400 kg/（m2·s）。

2.1.1 發(fā)電機的激振力和噪聲值

本文研究的目標平臺上的發(fā)電機是柴油動力發(fā)電機，一方面在發(fā)電機正常工作時，發(fā)電機內(nèi)部一些機械構(gòu)件相互摩擦或碰撞直接輻射出空氣噪聲；另一方面發(fā)電機工作時各構(gòu)件承受的力產(chǎn)生扭矩，使得基座發(fā)生振動，這些振動也會輻射出噪聲并且通過基座傳遞給其他各個艙室，這種方式產(chǎn)生的噪聲也稱為結(jié)構(gòu)噪聲。

根據(jù)已經(jīng)給出的振動加速度值和上述轉(zhuǎn)換公式，得出發(fā)電機激振力加速度頻譜和空氣聲功率頻譜，見表1。圖1和圖2為相應(yīng)頻譜曲線圖。

表1 發(fā)電機激振力加速度和聲功率頻譜dB

圖1 發(fā)電機激振力加速度頻譜

圖2 發(fā)電機聲功率頻譜

2.1.2 空氣壓縮機的激振力和噪聲值

本文所研究的目標平臺上的空氣壓縮機的激振力和噪聲輻射的機理和發(fā)電機是相同的。根據(jù)已經(jīng)給出的振動加速度值和上述轉(zhuǎn)換公式，得出空氣壓縮機的激振力加速度頻譜和空氣聲功率頻譜，見表2。圖3和圖4為相應(yīng)頻譜曲線圖。

表2 空氣壓縮機激振力加速度和聲功率頻譜dB

圖3 空氣壓縮機激振力加速度頻譜

圖4 空氣壓縮機聲功率頻譜

圖5 油水分離泵激振力加速度頻譜

圖6 油水分離泵聲功率頻譜

2.1.3 泵的激振力和噪聲值

本文研究的目標平臺上的泵有很多種，對于振動加速度值比較大的泵（如油水分離泵、冷熱水循環(huán)泵等），必須考慮激振力和噪聲輻射，根據(jù)已給出的振動加速度值和上述轉(zhuǎn)換公式，得出各種泵的激振力加速度頻譜和空氣聲聲功率頻譜，見表3-表5。圖5-圖10為相應(yīng)頻譜曲線圖。

表3 油水分離泵激振力加速度和聲功率頻譜dB

表4 熱水循環(huán)泵激振力加速度和聲功率頻譜dB

表5 冷水循環(huán)泵激振力加速度和聲功率頻譜dB

圖7 熱水循環(huán)泵激振力加速度頻譜

圖8 熱水循環(huán)泵聲功率頻譜

圖9 冷水循環(huán)泵激振力加速度頻譜

2.1.4 風機的噪聲值

風機產(chǎn)生噪聲主要是由于氣體的擾動以及與各種機械結(jié)構(gòu)之間相互作用而產(chǎn)生的空氣動力噪聲，因此可以忽略其激振力的結(jié)構(gòu)噪聲。根據(jù)已給出的振動加速度值和上述轉(zhuǎn)換公式，得出風機的空氣聲聲功率頻譜，見表6。圖11為其相應(yīng)頻譜曲線圖。

圖10 冷水循環(huán)泵聲功率頻譜

表6 風機聲功率頻譜dB

圖11 風機聲功率頻譜

2.2 深水半潛式生產(chǎn)平臺計算模型

本文噪聲分析中，由于上船體部分為桁架結(jié)構(gòu)，因此大部分聲源可看作是開放式聲源［3］，還有小部分聲源在封閉艙室。以此為基礎(chǔ)來模擬計算開放式結(jié)構(gòu)噪聲云圖和封閉生活艙室噪聲。考慮開放式聲源的影響采用有限元方法和邊界元方法計算噪聲云圖。對于封閉生活艙室噪聲則采用統(tǒng)計能量方法來進行模擬計算。

2.2.1 目標平臺邊界元模型

根據(jù)提供的目標平臺的結(jié)構(gòu)圖和總布置圖，運用有限元軟件MSC Patran建立平臺有限元模型（圖12），并導(dǎo)出平臺上船體部分（包括各層甲板、艙室和上層建筑）的BDF文件。將目標平臺上船體部分BDF文件導(dǎo)入VA One軟件中，建立目標平臺邊界元模型（圖13），連接模型中各邊界元子系統(tǒng)，施加聲學邊界條件和噪聲源激勵。邊界流場設(shè)置為空氣，空氣吸聲系數(shù)定義為默認值。聲學頻響分析中采用倍頻程頻率，計算頻率為 63～500 Hz［4］。

2.2.2 目標平臺統(tǒng)計能量模型

根據(jù)目標平臺的邊界元模型，建立目標平臺統(tǒng)計能量模型（圖14），連接模型中統(tǒng)計能量子系統(tǒng)，施加噪聲源激勵。艙室內(nèi)和封閉空間的聲腔內(nèi)流體為空氣,聲學頻響分析中采用倍頻程頻率，計算頻率為63～8 000 Hz。

圖12 深水半潛式生產(chǎn)平臺有限元模型

圖13 深水半潛式生產(chǎn)平臺邊界元模型

圖14 深水半潛式生產(chǎn)平臺統(tǒng)計能量模型

為驗證統(tǒng)計能量方法計算精度范圍可靠性，必須首先計算出各子系統(tǒng)模態(tài)密度，據(jù)此確定出滿足計算精度的下限頻率。圖15和圖16為典型部位子系統(tǒng)單位帶寬模態(tài)數(shù)計算結(jié)果。

理論上，N≥5為高頻區(qū)，2

圖15 聲腔子系統(tǒng)單位帶寬模態(tài)數(shù)

圖16 板梁子系統(tǒng)單位帶寬模態(tài)數(shù)

3 深水半潛式生產(chǎn)平臺噪聲預(yù)報計算結(jié)果及分析

3.1 深水半潛式生產(chǎn)平臺開放式區(qū)域噪聲預(yù)報計算結(jié)果及分析

目標平臺各層甲板上有很多噪聲設(shè)備，諸如發(fā)電機、空氣壓縮機、風機以及大型動力泵等設(shè)備。由于上船體部分為桁架結(jié)構(gòu)，因此大部分噪聲設(shè)備產(chǎn)生的噪聲源可以看成是開放式聲源。這些設(shè)備對于甲板上開放式空間的噪聲貢獻量主要是空氣噪聲，因此采用邊界元方法來研究計算目標平臺的主甲板、中間甲板和下甲板的噪聲分布云圖。

分別計算目標平臺主甲板、中間甲板、下甲板4 m高處的噪聲分布云圖，計算得到的總聲壓級噪聲分布云圖見圖17-圖19。

圖17 主甲板4 m高處總聲壓級噪聲云圖

圖18 中間甲板4 m高處總聲壓級噪聲云圖

圖19 下甲板4 m高處總聲壓級噪聲云圖

目標平臺在正常工作時，主甲板、中間甲板、下甲板上都有很多噪聲設(shè)備，產(chǎn)生許多復(fù)雜的噪聲源，各個噪聲源之間發(fā)生干涉、反射和衍生等現(xiàn)象，相互之間干擾疊加。由圖15可知：發(fā)電機和熱水循環(huán)泵這兩個噪聲源設(shè)備對主甲板開放區(qū)域噪聲分布貢獻比較大，超過90 dB（見圖上紅色區(qū)域部分）。由圖16可知：發(fā)電機和風機對中間甲板開放區(qū)域噪聲分布貢獻比較大，超過90 dB（見圖上紅色區(qū)域部分）。由圖17可知：發(fā)電機對下甲板開放區(qū)域噪聲分布貢獻比較大，超過90 dB（見圖上紅色區(qū)域部分）。將各層甲板開放式區(qū)域噪聲總聲壓級與MSC.337（91）規(guī)范相比較，均滿足規(guī)范的要求。但由于噪聲水平超過85 dB，因此需要在該區(qū)域豎立警示牌，且進入此區(qū)域的工作人員應(yīng)配戴相應(yīng)的護耳裝置。

3.2 深水半潛式生產(chǎn)平臺生活艙室噪聲預(yù)報計算結(jié)果及降噪設(shè)計

3.2.1 目標平臺生活艙室噪聲預(yù)報計算結(jié)果分析

利用聲學軟件VA One，對上述統(tǒng)計能量模型進行求解。其500 Hz時的噪聲聲壓級見圖20。分析時采用倍頻程頻率，計算典型艙室的統(tǒng)計平均聲壓級，并給出下甲板發(fā)電機操控室以及下甲板典型艙室計算結(jié)果，且以轉(zhuǎn)換為人耳較為敏感的A聲級見圖21和圖22。

圖20 500 Hz時噪聲聲壓級圖

圖21 下甲板發(fā)電機操控室聲壓計算結(jié)果

圖22 下甲板典型艙室聲壓計算結(jié)果

3.2.2 艙室降噪設(shè)計

針對下甲板典型艙室從噪聲源、噪聲傳播路徑和噪聲接受者三個方面對此艙室進行隔音降噪處理。

實施方案1：在發(fā)電機的基座上安裝減振彈簧。

圖23為實施該方案前后下甲板典型艙室噪聲水平。

圖23 實施方案1前后下甲板典型艙室噪聲對比

由圖23可以看出，通過在發(fā)電機的基座上安裝減振彈簧可以有效降低其產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)噪聲，這種措施對下甲板典型艙室噪聲總聲壓級影響明顯，達到2.9 dB（A）；因此該措施是實際工程應(yīng)用中較為常見的艙室降噪方法。

實施方案2：在噪聲傳播路徑上所經(jīng)過的甲板敷設(shè)8 mm厚的防火隔音材料陶瓷纖維。

圖24為實施該方案前后下甲板典型艙室噪聲水平。

圖24 實施方案2前后下甲板典型艙室噪聲對比

由圖24可以看出，對噪聲傳播路徑上所經(jīng)過的甲板敷設(shè)8 mm防火隔音材料陶瓷纖維，可以使下甲板上典型艙室總聲壓級下降約3.1 dB（A）。雖然該措施降噪效果較為明顯，但是敷設(shè)陶瓷纖維材料增加了目標平臺質(zhì)量建造成本，在經(jīng)濟上并不可取；因此在實際工程應(yīng)用中一般不考慮采用該方法。

實施方案3：在下甲板典型艙室的四周圍壁黏附上30 mm厚的多孔吸聲材料巖棉 。

圖25為實施該方案前后下甲板典型艙室噪聲水平。

圖25 實施方案3前后下甲板典型艙室噪聲對比

由圖25可見，對下甲板典型艙室的四周圍壁黏附上30 mm厚的多孔吸聲材料巖棉，可以使下甲板上典型艙室總聲壓級下降約1.2 dB（A）。此措施降噪效果在中低頻效果并不好，因此在實際工程應(yīng)用中一般不考慮采用該方法。

4 結(jié) 論

本文應(yīng)用有限元法、邊界元法和統(tǒng)計能量法建立某深水半潛式生產(chǎn)平臺邊界元模型和統(tǒng)計能量分析模型，對目標平臺上船體開放式區(qū)域和封閉生活艙室進行噪聲預(yù)報；根據(jù)MSC.337（91）規(guī)范要求，對各個封閉生活艙室進行評估，并對典型艙室進行隔音降噪處理，為今后該類型海洋平臺在設(shè)備選取、艙室布置、材料選擇、聲學設(shè)計等方面提供參考，具有一定的實際應(yīng)用價值。

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