沈志恒， 陳佳佳， 柳 建， 龐福振， 欒 青

(1. 海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451； 2. 哈爾濱工程大學(xué)， 哈爾濱 150001)

不同激勵載荷下海洋固定平臺全頻域噪聲的分析研究

沈志恒1， 陳佳佳1， 柳 建1， 龐福振2， 欒 青1

(1. 海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451； 2. 哈爾濱工程大學(xué)， 哈爾濱 150001)

該文以海洋固定平臺為研究對象，采用有限元/邊界元法和統(tǒng)計能量分析方法，研究了海洋固定平臺全頻域噪聲分布規(guī)律,同時，分析了不同激勵載荷對海洋固定平臺噪聲分布的影響。研究結(jié)果表明：不同激勵載荷作用下的海洋固定平臺全頻域噪聲分布規(guī)律基本一致，設(shè)備噪聲載荷激勵對于平臺噪聲的貢獻度大于設(shè)備振動載荷激勵，是海洋固定平臺噪聲環(huán)境的主要影響因素。

海洋固定平臺；全頻域；噪聲；激勵載荷

0 引言

海洋平臺上的動設(shè)備能夠產(chǎn)生大量振動與噪聲，噪聲頻域包括低、中、高頻全頻域噪聲，其對施工作業(yè)人員的施工環(huán)境和安全造成危害，因此，研究海洋固定平臺上全頻域噪聲分布規(guī)律越來越受到重視。目前，海洋船舶工程結(jié)構(gòu)聲學(xué)環(huán)境的預(yù)報方法主要有工程估算法和數(shù)值計算法兩種。工程估算法主要是結(jié)合結(jié)構(gòu)聲輻射原理和實際結(jié)構(gòu)測試數(shù)據(jù)形成的半經(jīng)驗公式，適用于相似結(jié)構(gòu)的噪聲分析；數(shù)值計算方法主要包括邊界元法、有限元法、統(tǒng)計能量法等方法，其有效性已被工程界普遍認可[1]。王國治等[2]采用有限元/邊界元法，結(jié)合機械設(shè)備振動測試結(jié)果，研究了艦船機械噪聲預(yù)報中模擬設(shè)備載荷，同時分析研究艦船外殼肋位布置形式對輻射噪聲的影響，根據(jù)所提出的激勵載荷方法得到了機械噪聲分析結(jié)果與實船測試結(jié)果有良好的一致性。李峰等[3]基于統(tǒng)計能量法的全頻域噪聲分析軟件，對船艉部進行全頻域噪聲分析計算，獲得了船舶噪聲與振動的響應(yīng)特性。該文以某海洋固定平臺為研究對象，基于統(tǒng)計能量分析法和有限元/邊界元法數(shù)值分析全頻域噪聲，數(shù)值模擬海洋固定平臺上全頻域噪聲分布情況，同時，分析研究不同激勵載荷對平臺噪聲分布的影響。

1 模擬計算方法

1.1 有限元/邊界元法

在進行有限元方法計算時，假定流體是理想介質(zhì)，滿足以下假定條件：(1) 聲波傳播時能量無耗散；(2)流體在處于靜止?fàn)顟B(tài)時初速度為零； (3) 聲波傳播時，流體中稠密和稀疏過程均為絕熱；(4) 流體的傳播聲波為小振幅聲波。

基于以上假設(shè)，聲波振動表達式為：

(1)

將流體離散化，分成若干個有限單元，故流場區(qū)域內(nèi)聲場的有限元方程矩陣形式為：

(2)

真空中含有阻尼的彈性結(jié)構(gòu)振動有限元矩陣方程為：

(3)

當(dāng)彈性結(jié)構(gòu)置于聲學(xué)介質(zhì)中時，在交接面上的流體與結(jié)構(gòu)之間存在著相互作用，根據(jù)虛功原理可將該面力等效移至單元節(jié)點上，因此彈性結(jié)構(gòu)與聲場的耦合振動矩陣方程為：

(4)

將方程式(2)和(4)聯(lián)立，可得到彈性結(jié)構(gòu)和流體相互耦合的離散化矩陣方程：

(5)

根據(jù)式(5)可以得到結(jié)構(gòu)表面節(jié)點處的位移和聲壓。當(dāng)邊界上的聲邊界取為全吸收時(即在該邊界上的聲阻抗為平面波阻抗)，可近似計算在無界流體區(qū)域內(nèi)彈性結(jié)構(gòu)與流體的耦合運動和聲輻射問題。

1.2 統(tǒng)計能量法

統(tǒng)計能量法(SEA)是將聲學(xué)振動系統(tǒng)劃分成若干個子系統(tǒng)，以每個子系統(tǒng)的能量為基礎(chǔ)參數(shù)，用統(tǒng)計學(xué)方法，建立子系統(tǒng)間的能量平衡，并用來預(yù)測系統(tǒng)的聲振環(huán)境[4]。

基于SEA方法，針對某子系統(tǒng)i，保守耦合系統(tǒng)中從子系統(tǒng)i傳遞到子系統(tǒng)j的單向功率流pij的表達式為：

(6)

基于式(6)，功率流平衡方程為：

(7)

子系統(tǒng)的振動速度級的表達式為：

(8)

其聲壓均方值的方程式為：

(9)

聲壓級方程式為：

(10)

式中：P0為水介質(zhì)中的參考聲壓,P0=2×10-5N/m2。

2 幾何模型及數(shù)學(xué)模型的建立

2.1 海洋固定平臺的幾何模型

圖1為某海洋固定平臺的幾何結(jié)構(gòu)模型圖。平臺上布置了主電站、壓縮機、控制閥門、泵、風(fēng)機、火炬、空調(diào)等能夠產(chǎn)生噪聲的機械設(shè)備，并根據(jù)上述機械設(shè)備產(chǎn)生的低、中、高頻噪聲分析其對海洋平臺公共區(qū)、生活區(qū)及辦公區(qū)的影響。

2.2 數(shù)學(xué)模型

圖2為平臺噪聲分析有限元模型。建立幾何模型后，根據(jù)平臺結(jié)構(gòu)等參數(shù)建立有限元分析模型，再通過建立邊界元、設(shè)置激勵載荷等建立有限元/邊界元模型，再將激勵載荷加入數(shù)學(xué)模型中，最終建立平臺全頻域噪聲分析模型。

圖1 海洋固定平臺的幾何結(jié)構(gòu)模型 圖2 海洋固定平臺噪聲預(yù)報有限元模型

圖3為海洋固定平臺結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)報SEA模型，并給出了海洋固定平臺公共區(qū)、生活區(qū)以及辦公區(qū)的聲腔子系統(tǒng)圖。

圖3 海洋固定平臺結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)報SEA模型

3 模擬計算及討論

該文主要分析不同激勵載荷對海洋固定平臺全頻域噪聲的影響，圖4分別為只考慮設(shè)備的輻射噪聲的海洋固定平臺公共區(qū)、生活區(qū)和辦公區(qū)的噪聲分布情況。由圖4可見，主機房區(qū)域的噪聲較大，造成靠近主機房附近的生活區(qū)艙室及辦公區(qū)艙室的噪聲偏大，同時，使得距離主機房越近的區(qū)域噪聲值越高，距離主機房越遠的區(qū)域噪聲值越低。模擬計算結(jié)果表明，僅考慮設(shè)備噪聲激勵載荷作用時，平臺生活區(qū)艙室噪聲均值為45.0 dBA，而平臺辦公區(qū)艙室噪聲均值為56.6 dBA，均滿足海洋固定平臺噪聲評價指標(biāo)的要求。

圖4 僅考慮設(shè)備的輻射噪聲海洋固定平臺噪聲分布

圖5分別為僅考慮設(shè)備的振動噪聲的海洋固定平臺公共區(qū)、生活區(qū)和辦公區(qū)的噪聲分布情況。從圖5中可以看出，僅考慮設(shè)備的振動噪聲作用下平臺的噪聲分布規(guī)律與僅考慮設(shè)備的輻射噪聲的平臺噪聲分布規(guī)律一致，然而僅考慮設(shè)備的振動噪聲的平臺噪聲值較小。同時，僅考慮設(shè)備的振動噪聲作用下的平臺生活區(qū)艙室噪聲均值為13.8 dBA，辦公區(qū)艙室噪聲均值為49.1 dBA。計算結(jié)果表明，設(shè)備輻射噪聲對于平臺噪聲的貢獻度大于設(shè)備振動噪聲，是平臺噪聲環(huán)境的主要影響因素。

圖5 僅考慮設(shè)備的振動噪聲海洋固定平臺噪聲分布

同時考慮輻射噪聲和振動噪聲時，海洋固定平臺噪聲的計算表達式為：

(11)

(12)

式中：LPsi為輻射噪聲作用下的聲壓級；LPvi為振動噪聲作用下的聲壓級；LPi為單一頻點下的聲壓級；LPoverall為各頻點的總聲壓級。

圖6分別為同時考慮輻射噪聲和振動噪聲的海洋固定平臺公共區(qū)、生活區(qū)和辦公區(qū)的噪聲分布情況。從圖6中可以看出，平臺生活區(qū)和辦公區(qū)的噪聲值與僅考慮設(shè)備輻射噪聲作用時的噪聲值基本一致。生活區(qū)噪聲均值為45.2dBA，辦公區(qū)的噪聲均值為56.9dBA。

圖6 同時考慮設(shè)備的噪聲與振動激勵載荷海洋固定平臺噪聲分布

4 結(jié)論

采用有限元/邊界元法模擬計算中低頻域噪聲，利用統(tǒng)計能量分析法模擬計算中高頻域噪聲，模擬計算了海洋固定平臺全頻域噪聲分布，同時，分析了不同激勵載荷對海洋固定平臺噪聲分布的影響。計算結(jié)果表明：(1) 不同激勵載荷下的海洋固定平臺全頻域噪聲分布規(guī)律基本一致，即主機房噪聲最大，主機房周圍公共區(qū)噪聲也相對較大，平臺生活區(qū)噪聲最??；(2) 相比于僅考慮設(shè)備輻射噪聲作用下的平臺噪聲，僅考慮設(shè)備振動噪聲作用下的平臺噪聲值較小，故設(shè)備輻射噪聲激勵對于平臺噪聲的貢獻度大于設(shè)備振動噪聲激勵，是海洋固定平臺噪聲環(huán)境的主要影響因素；(3) 不論何種激勵載荷作用下的海洋固定平臺全頻域噪聲分布規(guī)律，在平臺生活區(qū)和辦公區(qū)的噪聲值均滿足海洋固定平臺噪聲評價指標(biāo)的要求。

[1] International Maritime Organisation. Adoption of the code on noise levels on board ships resolution MSC[S].2012.

[2] 王國治, 仇遠旺, 胡玉超. 激勵載荷的模擬與艦船機械噪聲預(yù)報[J]. 江蘇科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版). 2011,25(4):315-319.

[3] 李峰, 徐芹亮, 滕瑤，等. 統(tǒng)計能量發(fā)在船舶噪聲與振動控制中的應(yīng)用[J]. 噪聲與振動控制. 2011,31(6):152-155.

[4] 姚德源, 王其政. 統(tǒng)計能量分析原理及其應(yīng)用[M]. 北京:北京理工大學(xué)出版社，1995.

Study of Fixed Offshore Platform Full Spectrum Noise to Different Loads

SHEN Zhi-heng1， CHEN Jia-jia1， LIU Jian1， PANG Fu-zhen2， LUAN Qing1

(1.Offshore Oil Engineering Co.， Ltd, Tianjin 300451, China; 2. Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Set fixed offshore platform as study object, distributions of full spectrum noise of fixed offshore platform are analysed by using FEM/BEM and Statistical Energy Analyse (SEA) methord. Meanwhile, differences of noise distribution affected by different excitation loads are also analysed. Results show that, laws of noise distributions under different excitation loads are almost the same. Compared with equipment vibration excitation, equipment noise excitation makes more contributions to the noise environment of fixed offshore platform, and it is the main influence factor.

fixed offshore platform; full spectrum; noise; excitation load

2014-12-19

海洋石油工程股份有限公司分公司科研項目資助(E-0812U017)。

沈志恒(1981-)，男，高級工程師。

1001-4500(2015)04-0045-05

P75

A