梅華東， 徐芹亮， 沈志恒， 馬邦勇， 李艷華

(1.海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452；2.煙臺中集來福士海洋工程有限公司， 山東 煙臺 264000)

0 引 言

深水半潛式鉆井平臺結構復雜、體積龐大，對相應的平臺設計和維護提出了很高的要求。半潛式鉆井平臺的固有頻率較低，環(huán)境載荷和平臺內部的振動及噪聲源等較為復雜[1]。文獻[1]僅對高頻段噪聲進行了分析，平臺的全頻段噪聲須結合實際工程材料和設備的激振輸入確定。本文以某深水半潛生產平臺為例，系統(tǒng)考慮其上部模塊(含生活樓)和船體設置多種設備的影響，其噪聲源為常年工作的振動設備。平臺生活區(qū)的噪聲主要由上部模塊噪聲設備產生的通過外板、隔壁和支柱等結構傳遞的結構噪聲與生活區(qū)的風機、空調等產生的空氣輻射噪聲疊加組成[2-3]。本文對全頻段噪聲進行分析評估，并給出噪聲控制建議。

1 海洋平臺噪聲分析方法

總噪聲等級預測包括空氣聲、結構聲和空調通風噪聲，以及這些噪聲的疊加計算，主要分析方法如下。

1.1 空氣聲模擬方法

空氣聲計算分析采用統(tǒng)計能量法軟件系統(tǒng)VA ONE，預測計算各類區(qū)域，如生活樓艙室、機械設備艙室，包括對開敞區(qū)域聲場進行初步評估。統(tǒng)計能量分析的基本原理是根據(jù)模態(tài)(振型)相似和自然邊界等準則，將一個復雜系統(tǒng)(包括機械的或聲學的系統(tǒng))劃分成不同的模態(tài)群，并從統(tǒng)計意義上將大系統(tǒng)分解成若干個便于分析和管理的獨立子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)模擬成一組解耦模態(tài)相同的振子，根據(jù)輸入到子系統(tǒng)的能量等于子系統(tǒng)耗散的能量加上系統(tǒng)間傳遞的能量，建立表征各系統(tǒng)的能量損耗與輸入功率之間關系的線性方程組(稱之為能量流平衡方程)，解出該方程組便可得到每個子系統(tǒng)所具有的平均能量，由此可換算出其他物理量。能量流平衡方程為

(1)

式(1)中：ω為角頻率；i為1,2,…,N；Pi,in為輸入功率；ni為模態(tài)密度；ηi為內損耗因子；ηij為耦合損耗因子；Ei為子系統(tǒng)的平均能量。

(2)

式(2)中：Kik為貯能比，Kik=Ei/Ek;Ek為子系統(tǒng)k的平均振動能量；Pk為子系統(tǒng)k的輸入功率；k為第k個子系統(tǒng)。

空氣聲分析計算中，VA ONE軟件需要的空氣聲輸入信息有：幾何模型信息，聲源設備的位置，艙壁、地板及結構的布置，聲源設備的噪聲頻譜，內裝、絕緣材料的隔聲性能，開敞區(qū)建筑物、設備等結構的外形尺寸。

1.2 結構聲分析方法

結構聲計算分析以ABAQUS有限元法為基礎，結合統(tǒng)計能量法軟件系統(tǒng)VA ONE，預測計算各類區(qū)域的結構輻射噪聲，如對生活樓艙室和機械設備艙室的結構輻射噪聲進行評估。為實現(xiàn)全頻域的結構聲分析，低頻結構聲是通過ABAQUS軟件校核結構形式實現(xiàn)的(低于100 Hz)，以避免過度振動引發(fā)二次噪聲。需要的結構聲輸入信息有主要旋轉設備振動源的信息和結構設計圖紙。中高頻結構聲是通過VA ONE軟件實現(xiàn)的(高于63 Hz)，可直接考慮設備振動激勵(也稱“結構聲激勵”)通過結構傳遞之后引發(fā)的二次噪聲水平。需要的結構聲輸入信息有：項目的幾何模型信息，聲源設備的位置，艙壁、地板及結構的布置，聲源設備的振動頻譜，內裝、絕緣材料的隔聲性能。

1.3 空調通風系統(tǒng)噪聲計算

通風系統(tǒng)噪聲計算主要包括風機聲源噪聲的估算、管路系統(tǒng)噪聲自然衰減的計算、管道系統(tǒng)氣流再生噪聲的計算和消聲器的選用與計算等。在空調通風系統(tǒng)中，管道系統(tǒng)內的噪聲自然衰減是通風噪聲計算必須考慮的因素。管道系統(tǒng)內的噪聲自然衰減主要來源于直管道的聲衰減，彎頭、三通和變徑管的聲衰減，風口末端的聲衰減，以及風口噪聲向房間內傳播途徑的聲衰減等。消聲裝置(主要是消聲器)是通風管道系統(tǒng)中主要的降噪部件，可根據(jù)管路噪聲的特點定制專用消聲器，或選擇通用消聲器。消聲器的降噪能力通常在10 dB以上，對通風風機噪聲和氣流引起的二次噪聲都有較好的降噪效果。

以風機噪聲為聲源，經風管(直管、彎頭、三通和各類閥門)的自然衰減得到管道末端風口的輸出聲功率。以該聲功率值作為艙室的聲源進行室內混響計算，得到該處艙室的室內通風噪聲平均值。

軸流風機聲功率級LW估算方法的表達式為

LW=19+10lg(QH2)-20

(3)

式(3)中：Q為風量，m3/h；H為風壓，Pa。

直管道、彎頭等部件的噪聲自然衰減可通過經驗公式得到。

1.4 總噪聲計算

總噪聲計算是基于空氣聲、結構聲和空調聲的預測結果。對于每個區(qū)域(房間)，總噪聲值LTotal為這些噪聲分量的合成，表達式為

(4)

式(4)中：Lair為空氣聲;LHVAC為空調聲;Lstr為結構聲。

2 海洋平臺噪聲計算模擬

2.1 室內噪聲分析模型

室內噪聲分析建立的SEA(Statistical Energy Analysis)結構子系統(tǒng)模型見圖1。模型中不同的顏色代表不同的板厚，其中紫色為設備模型，根據(jù)設備外形尺寸大致模擬。另外，阻尼材料以結構阻尼的方式考慮，舾裝材料的吸聲/隔聲特性數(shù)值以VA ONE中的NCT(Noise Control Treatment)的方式定義。在分析中所用鋼板的參數(shù):楊氏模量為2.10×105N/mm2;密度為7 850×10-9kg/mm3;泊松比為0.3；剪切模量為7.5×1010Pa。在VA ONE系統(tǒng)中，SEA的聲腔模型至少需要2個面圍成的封閉空間，該聲腔可用來預測封閉空間或艙室的平均聲壓級。在分析模型中，需對聲腔定義吸聲系數(shù)，以更準確地模擬結構聲和空氣噪聲的傳遞。全船空腔子系統(tǒng)模型見圖2。

圖1 船體結構模型

圖2 全船空腔子系統(tǒng)模型

2.2 外場噪聲分析模型

根據(jù)外場噪聲分析方法，外場噪聲分析模型以整體噪聲分析模型為基礎，增加外場聲腔體，涵蓋關注的外場區(qū)域。為滿足聲學計算的基礎理論要求，更好地體現(xiàn)噪聲衰減梯度，將外場區(qū)域聲腔分割為3 m×3 m的空間體。包含外場區(qū)域的聲學模型見圖3，結構外部的灰色腔體為模擬外場的聲腔。

圖3 包含外場區(qū)域的聲學模型

3 海洋平臺噪聲計算分析

3.1 激勵源的設定

激勵源一般由設備廠家提供，若廠家無法提供，則根據(jù)經驗公式推算。

中高速柴油機機腳加速度級La(參考加速度1 μm/s2)的估算公式為

(5)

式(5)中：m為柴油機的質量，kg；Pe為柴油機的額定功率，kW；ne為柴油機的額定轉速，r/min；n為柴油機的工作轉速，r/min；Ca為柴油機振動的倍頻程修正值，dB，其取值見表1。

表1 柴油機振動的倍頻程修正值

柴油機的輻射聲功率級Lw(參考聲功率w0=10-12W)的估算公式為

Lw=10lgPe+58+Cw

(6)

式(6)中：Lw為柴油機的輻射聲功率級，dB;Pe為柴油機的額定功率，kW；Cw為柴油機空氣噪聲的倍頻程修正值，dB。

3.2 結構低頻分析計算

采用有限元方法和解析法評估低頻結構聲，對板格結構的頻率進行計算，依照實船經驗，若板格結構無共振出現(xiàn)，可認為船體在低頻階段無產生結構聲的風險。主要激勵頻率考慮輔助柴油發(fā)電機組、應急柴油發(fā)電機組、柴油機驅動消防泵和燃氣輪機。由于柴油機是彈性安裝的，通過柔性支承傳遞的激勵通?？珊雎圆挥?，輔機和應急柴油發(fā)電機組的轉速為1 500 r/min，對應的一階諧波頻率為25 Hz，因此認為一階激勵并沒有完全被彈性件衰減。值得考慮的是，輔助柴油發(fā)電機、應急柴油發(fā)電機和柴油機驅動消防泵都屬于應急設備，每2周啟動1次，啟動時運行時間在30 min以內。因此，由此類設備引起低頻結構聲異常的情況不作重點考慮。燃氣輪機由于自身作業(yè)的特殊性，其噪聲貢獻以高頻為主，低頻結構聲可不考慮。因此，主要旋轉設備對低頻結構噪聲的影響非常有限，是安全的。

3.3 室內噪聲分析計算

在VA ONE系統(tǒng)中，設備的噪聲和振動激勵值是以功率的形式輸入的，包括空氣聲功率和結構聲功率，分別作用在聲腔和結構上模擬。在此基礎上，對平臺室內聲場進行噪聲分析計算，結果見圖4。由圖4可知，大部分房間的噪聲值都能滿足噪聲限值的要求。LAB、Galley和立柱區(qū)域的控制室因通風系統(tǒng)噪聲過大，導致總噪聲超出限值，設計中通過增加管路消聲器或內襯管、具有消聲功能的散射器等來降低總噪聲[4-6]。

圖4 室內噪聲分析結果

甲板上2個限值較小的重要房間(中控設備間和中控間)設置備用分體空調，正常工況下中央空調運行，在進行噪聲計算時無需考慮分體空調，噪聲滿足規(guī)范的要求。LAB試驗臺排風機對室內的影響較大，艙室噪聲可達64 dB(A)，超出了限值(按IMO MSC.337(91)規(guī)定的60 dB(A))的要求。在排風管路系統(tǒng)中增加消聲器，可降低室內噪聲到59 dB(A)，滿足規(guī)范的要求[7-9]。

4 結 語

半潛平臺噪聲分析需綜合考慮平臺的布置、設備運行的頻次和人員居住房間的隔音材料等因素，其中準確輸入確定設備的空氣噪聲和結構噪聲非常關鍵。本文采用部分廠家提供的倍頻程數(shù)據(jù)，結合以往項目的設備激勵的數(shù)據(jù)模擬，為降噪提供設計依據(jù)。對于半潛平臺噪聲控制，要做好以下幾方面工作：

1) 提供幾種重要激勵源設備的振動、噪聲數(shù)值估算方法，可將其作為項目分析設計階段初步估算的輸入參考。

2) 對于低頻(100 Hz以下)噪聲，可采用有限元法，以校核共振風險的方式進行評估；對于中高頻噪聲，可采用統(tǒng)計能量法進行分析。

3) 艙室通風噪聲需采用經驗公式法單獨計算校核，由于經驗公式的使用和工程師的經驗等人為因素通常會導致計算結果有較大的差異，建議保留3 dB的安全系數(shù)。

4) 當啟動房間內大型旋轉設備時，內場噪聲超標主要是由這些高噪聲設備的空氣聲引起的。因此，要控制室內噪聲，主要考慮隔聲問題。即阻斷/降低空氣聲或結構聲向目標艙室傳遞，對應的應急發(fā)電機室和ESSENTIAL發(fā)電機室均需設計安裝吸、隔聲絕緣材料和裝置，有效阻斷/降低空氣聲或結構聲向外傳遞。

5) 半潛平臺船體立柱通風管線密集，易造成噪聲過大，需增加管路消聲器、散射器和內襯管予以控制。

6) 外場區(qū)域一般人員持續(xù)操作時間短，對于噪聲超出85 dB(A)的區(qū)域，為保障船員的健康和安全，需設置明顯的高噪聲標示，當有人員在這些區(qū)域工作、駐留時，需佩戴防護耳罩。