惠 寧，周 杰，李茂林，邢攸為，袁清璽

(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)，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

海洋平臺作為海上的油氣資源開發(fā)的重要裝備，其艙室內(nèi)部噪聲不僅會對平臺內(nèi)部工作人員身心健康產(chǎn)生危害，而且會導(dǎo)致平臺內(nèi)設(shè)備、結(jié)構(gòu)的聲振疲勞損傷。近年來，國際海事組織（IMO）MSC.337（91）[1]對船舶、海洋平臺內(nèi)艙室噪聲提出了更加嚴(yán)格的限值要求，船舶及平臺內(nèi)部艙室噪聲控制面臨新的挑戰(zhàn)。

統(tǒng)計能量分析方法是一種能夠解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中高頻聲振預(yù)報問題的有效方法，已廣泛應(yīng)用于海洋平臺、船舶、汽車等眾多領(lǐng)域，并取得較好的工程應(yīng)用效果[2]。針對損耗因子對艙室噪聲的影響，尤小健等[3]基于經(jīng)驗公式獲取4 組不同的損耗因子，并討論了損耗因子對某新型海洋平臺艙室噪聲的影響，發(fā)現(xiàn)鋼板內(nèi)損耗因子對考核艙室的噪聲級影響范圍約0～10 dB。蘇楠等[4]假定全船損耗因子為定值，基于統(tǒng)計能量法對某船機艙平臺附近的居住艙室進(jìn)行艙室噪聲特性研究，并提出了增大損耗因子能降低考核艙室自噪聲聲壓級。劉加利等[5]利用理論公式計算各子系統(tǒng)內(nèi)損耗因子，將其輸入高速列車統(tǒng)計能量模型中研究高速列車氣動噪聲的頻譜特性，并指出速度與氣動噪聲的之間規(guī)律。邢鵬等[6]提出一種基于實驗分析的統(tǒng)計能量法，將實驗測試獲取的內(nèi)損耗因子參數(shù)輸入轎車模型中，且艙室噪聲預(yù)報值與實測值吻合較好，表明該方法對車內(nèi)噪聲預(yù)報是有效可靠的。

通過上述分析可知，損耗因子是統(tǒng)計能量法中極其重要的輸入?yún)?shù)，損耗因子的精度會影響艙室噪聲特性。為此，本文基于瞬態(tài)衰減法開展海洋平臺典型結(jié)構(gòu)內(nèi)損耗因子特性分析，為海洋平臺艙室噪聲預(yù)報提供損耗因子參數(shù)輸入，并對海洋平臺艙室噪聲特性及優(yōu)化進(jìn)行研究，旨在為海洋平臺艙室噪聲預(yù)報及控制提供參考。

1 理論方法

統(tǒng)計能量法（SEA 法）的基本理論是將一個完整的系統(tǒng)離散成多個子系統(tǒng)，子系統(tǒng)通過邊界進(jìn)行能量交換，建立整個系統(tǒng)能量平衡方程，求解得到各子系統(tǒng)特征參數(shù)[7]。海洋平臺各子系統(tǒng)與其相鄰的子系統(tǒng)的功率流方程為：

式中：∏ini為子系統(tǒng)i的輸入功率；∏dissi為子系統(tǒng)i的損耗功率，其大小為 ∏dissi=ωηiEi，ηi為子系統(tǒng) i的內(nèi)損耗因子；∏ij為子系統(tǒng)i與子系統(tǒng) j之間的傳遞功率，其大小為 ∏ij=ωηijEi-ωηjiEj，其中 ηij為子系統(tǒng)i對子系統(tǒng) j的耦合損耗因子，ηji為子系統(tǒng)j對子系統(tǒng) i的耦合損耗因子。由一系列的子系統(tǒng)功率流方程式聯(lián)立，則可得到方程組：

式 中：ω為頻帶中心頻率，rad/s ；ηi為第 i個子系統(tǒng) 的內(nèi)損耗因子；ηij為第 i個子系統(tǒng)對第 j個子系統(tǒng)的耦合損耗因子；Pˉini為輸入到子系統(tǒng)i的時間平均功率；ni為子系統(tǒng) i的模態(tài)密度。解此方程組可得到每個子系統(tǒng)的能量，再依據(jù)子系統(tǒng)的能量可計算得到系統(tǒng)響應(yīng)。

2 海洋平臺艙室噪聲預(yù)報研究

2.1 海洋平臺艙室噪聲預(yù)報模型

以某平臺為研究對象，該平臺長86 m，寬34 m，由生活區(qū)和工作區(qū)兩大部分組成。依據(jù)平臺結(jié)構(gòu)圖、舾裝圖等圖紙資料，建立海洋平臺統(tǒng)計能量模型，板子系統(tǒng)模型如圖1 所示。為較好模擬噪聲在空氣介質(zhì)中傳遞，建立圖2 所示的聲腔子系統(tǒng)。海洋平臺統(tǒng)計能量模型中接受和傳遞能量的子系統(tǒng)共4 053 個，其中平板子系統(tǒng)1 672 個，聲腔子系統(tǒng)1 708 個?，F(xiàn)以某中層生活區(qū)艙室為艙室噪聲預(yù)報對象，該中層生活區(qū)甲板長l =28 m，寬 b=12.5 m，由18 個獨立艙室組成，其中兩人間3、會議室、廣播室、辦公室3、儲藏室、醫(yī)務(wù)室等典型生活區(qū)艙室為考核艙室，位置分布如圖3 所示。

圖1 某平臺SEA 模型板子系統(tǒng)Fig. 1 SEA model board subsystem

圖2 某平臺SEA 模型聲腔子系統(tǒng)Fig. 2 SEA model sound cavity subsystem

圖3 某中層甲板考核艙室位置分布示意圖Fig. 3 Schematic diagram of the position distribution of a middledeck assessment cabin

2.2 典型結(jié)構(gòu)內(nèi)損耗因子試驗

為進(jìn)行海洋平臺艙室噪聲分析，基于瞬態(tài)衰減法[8]開展典型結(jié)構(gòu)內(nèi)損耗因子測試實驗，獲取分析頻帶的損耗因子。以海洋平臺的典型結(jié)構(gòu)為實驗對象，該模型尺寸為1 600 mm×1 300 mm×5 mm。加速度計布置以及力錘激勵點位置如圖4 所示。當(dāng)力錘在激勵點處施加脈沖激勵，加速度計可測量該結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)。分析平板等典型結(jié)構(gòu)的自由振動衰減規(guī)律，基于Hilbert 變換得到響應(yīng)信號的包絡(luò)線函數(shù)，得出該激勵下的平均損耗因子。為減小實驗誤差，采用多次測量取平均獲取平臺典型結(jié)構(gòu)在4 次激勵下的平均損耗因子，以a0為基準(zhǔn)值，典型結(jié)構(gòu)內(nèi)損耗因子如圖5 所示。

圖4 力捶激勵點與加速度計位置Fig. 4 Force pounding excitation point and accelerometer

圖5 典型結(jié)構(gòu)內(nèi)損耗因子Fig. 5 Internal loss factor in typical structure

由圖5 可知，在20～8 000 Hz 的頻段內(nèi)，典型結(jié)構(gòu)內(nèi)損耗因子數(shù)值整體呈下降趨勢。在20～500 Hz 頻段內(nèi)，平臺典型結(jié)構(gòu)內(nèi)損耗因子隨頻率增加而迅速減小，500～8 000 Hz 頻段內(nèi)，典型結(jié)構(gòu)內(nèi)損耗因子變化隨頻率增大而趨于平緩。

2.3 海洋平臺艙室噪聲特性分析

采用統(tǒng)計能量法必須驗證統(tǒng)計能量預(yù)報模型寬頻分析的有效性，模態(tài)數(shù)大于等于5 可滿足計算條件。從圖6 所示的子系統(tǒng)單位帶寬模態(tài)數(shù)可看出，在f ≥31.5 Hz 頻段范圍內(nèi)的模態(tài)數(shù)基本滿足要求，因此利用統(tǒng)計能量法分析考核艙室的噪聲是有效可行的。平臺設(shè)備激勵載荷分為空氣激勵載荷及振動激勵載荷。圖7 和圖8 分別給出平臺主要噪聲源設(shè)備聲源級頻譜曲線及振動加速度頻譜曲線。

在空氣噪聲載荷和振動噪聲載荷同時作用時，對海洋平臺生活樓考核艙室進(jìn)行噪聲預(yù)報。圖9 為考核艙室聲壓級曲線，表1 為考核艙室聲壓總級。

由圖9 和表1 可知，在31.5～8 000 Hz 的頻段內(nèi)，隨著頻率的增加，考核艙室聲壓級先增加后下降，且頻率在125 Hz 出現(xiàn)峰值。除廣播室和醫(yī)務(wù)室外的其他考核艙室均滿足規(guī)范限值要求。為此，需對廣播室和醫(yī)務(wù)室進(jìn)行聲學(xué)優(yōu)化處理。

3 海洋平臺艙室噪聲優(yōu)化設(shè)計

3.1 超標(biāo)艙室主導(dǎo)傳遞途徑和主導(dǎo)分量分析

平臺在激勵載荷的作用下，產(chǎn)生的噪聲通過空氣介質(zhì)和平臺結(jié)構(gòu)2 種途徑傳播。分析空氣噪聲載荷和結(jié)構(gòu)噪聲載荷對超標(biāo)艙室的貢獻(xiàn)量，明確超標(biāo)艙室的主導(dǎo)傳遞途徑。在平臺設(shè)備振動激勵載荷與空氣噪聲激勵載荷單獨作用下，得出超標(biāo)艙室噪聲分布，如圖10 所示。

圖6 統(tǒng)計能量模型子系統(tǒng)模態(tài)數(shù)Fig. 6 Statistical energy model subsystem mode number

圖7 噪聲源設(shè)備聲源級曲線Fig. 7 Sound source level curve of equipment

圖8 噪聲源設(shè)備振動加速度級曲線Fig. 8 Vibration acceleration level curve of equipment

圖9 考核艙室聲壓級曲線（A 計權(quán)）Fig. 9 SPL(A) of assessment cabin

表1 生活樓考核艙室噪聲預(yù)報值Tab. 1 Estimation of cabin noise in living building

圖10 超標(biāo)艙室噪聲組成Fig. 10 Out-of-standard cabin noise composition

由圖10 可知，空氣噪聲載荷對超標(biāo)艙室貢獻(xiàn)量較大，對艙室噪聲起主導(dǎo)作用。在此基礎(chǔ)上，研究超標(biāo)艙室主導(dǎo)傳遞分量，確定對其影響最大的設(shè)備。廣播室和醫(yī)務(wù)室附近的空氣噪聲載荷主要有燃油輸送泵、增壓泵、燃?xì)馔钙桨l(fā)電機、風(fēng)機、風(fēng)管及吊機等設(shè)備。在上述噪聲源設(shè)備單獨作用下，得出各設(shè)備載荷對超標(biāo)艙室噪聲的貢獻(xiàn)量，如圖11 所示。

圖11 超標(biāo)艙室噪聲單機貢獻(xiàn)量對比Fig. 11 Comparison of single machine contribution to excess cabin noise

由圖11 可知，燃油輸送泵和增壓泵對廣播室噪聲的貢獻(xiàn)量分別為47.5 dB（A）和40.1 dB（A），其貢獻(xiàn)量大于其他設(shè)備載荷的貢獻(xiàn)量，表明燃油輸送泵和增壓泵為廣播室的主要噪聲源。燃?xì)馔钙桨l(fā)電機對醫(yī)務(wù)室的貢獻(xiàn)量為49.5 dB（A），其貢獻(xiàn)量遠(yuǎn)大于其他設(shè)備載荷的貢獻(xiàn)量，得出燃?xì)馔钙桨l(fā)電機為醫(yī)務(wù)室噪聲的主要噪聲源。由此可知，噪聲超標(biāo)是由考核艙室附近的燃油輸送泵、增壓泵、燃?xì)馔钙桨l(fā)電機的空氣噪聲引起。

3.2 超標(biāo)艙室聲學(xué)防護(hù)處理

考慮海洋平臺空氣噪聲激勵占主導(dǎo)地位及考核艙室噪聲超標(biāo)的原因，擬在離主要噪聲源設(shè)備較近一側(cè)的超標(biāo)艙室艙壁處采取聲學(xué)優(yōu)化措施；通過敷設(shè)優(yōu)化后的舾裝材料來降低艙室噪聲，且敷設(shè)舾裝為海洋平臺常見舾裝材料。表2 給出超標(biāo)艙室聲學(xué)優(yōu)化措施，圖12 為超標(biāo)艙室聲學(xué)處理示意圖。

對超標(biāo)艙室進(jìn)行聲學(xué)優(yōu)化處理后，在激勵載荷作用下計算超標(biāo)艙室噪聲水平，超標(biāo)艙室噪聲預(yù)報如表3所示。圖13 給出超標(biāo)艙室優(yōu)化前后的艙室噪聲對比圖。

表2 超標(biāo)艙室聲學(xué)優(yōu)化措施Tab. 2 Acoustic optimization measures for exceeding the standard cabin

圖12 超標(biāo)艙室聲學(xué)處理Fig. 12 Acoustic treatment of excess compartments

表3 生活樓超標(biāo)艙室噪聲預(yù)報Tab. 3 Prediction of cabin noise in living buildings exceeding the standard

圖13 優(yōu)化前后艙室聲壓級對比圖Fig. 13 SPL(A) of comparison before and after optimization

結(jié)合表3 和圖13 可以得出，廣播室、醫(yī)務(wù)室聲壓總級分別下降2.4 dB（A）和2.3 dB（A），且均已降到規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)噪聲限值以下，表明所提出的聲學(xué)優(yōu)化措施合理有效。

4 結(jié) 語

本文建立了海洋平臺艙室噪聲預(yù)報模型，基于統(tǒng)計能量法和損耗因子測試實驗對海洋平臺艙室噪聲進(jìn)行仿真計算。在此基礎(chǔ)上，對超標(biāo)艙室提出合理有效的控制措施。通過以上分析可得出如下結(jié)論：

1）在20～8 000 Hz 的頻段內(nèi)，平臺典型結(jié)構(gòu)內(nèi)損耗因子隨頻率增加而減小，在20～500 Hz 頻段內(nèi)損耗因子數(shù)值迅速下降，在500～8 000 Hz 頻段內(nèi)損耗因子趨于平緩。

2）通過對超標(biāo)艙室進(jìn)行主導(dǎo)傳遞途徑和主導(dǎo)分量分析可知,空氣噪聲載荷對艙室噪聲起主導(dǎo)作用，且燃油輸送泵和增壓泵為廣播室的主要噪聲源，燃?xì)馔钙桨l(fā)電機為醫(yī)務(wù)室噪聲的主要噪聲源。

3）廣播室噪聲超標(biāo)是由燃油輸送泵和增壓泵的空氣噪聲引起，在靠近燃油輸送泵和增壓泵一側(cè)分別敷設(shè)75 mm 高隔音復(fù)合巖棉板和50 mm 高隔音復(fù)合巖棉板進(jìn)行降噪處理，廣播室聲壓總級下降2.4 dB（A），滿足噪聲限值要求。

4）醫(yī)務(wù)室噪聲超標(biāo)是由燃?xì)馔钙桨l(fā)電機空氣噪聲引起，在靠近燃?xì)馔钙桨l(fā)電機一側(cè)敷設(shè)75 mm 高隔音復(fù)合巖棉板進(jìn)行降噪處理，醫(yī)務(wù)室聲壓總級下降2.3 dB（A），滿足噪聲限值要求。