深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)噪聲預(yù)報(bào)研究

王昕韡 劉曉明 夏侯命勝

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)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(zhǎng)期經(jīng)受風(fēng)、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(jì)必須采取相應(yīng)的設(shè)計(jì)措施，滿足船舶抗風(fēng)浪強(qiáng)度、安全生產(chǎn)及舒適性等要求。同時(shí)，為保證長(zhǎng)期在平臺(tái)上工作和生活的人員身心健康，保證平臺(tái)的結(jié)構(gòu)安全，對(duì)平臺(tái)的減振設(shè)計(jì)和聲學(xué)設(shè)計(jì)也顯得日益重要。

國(guó)際海事組織（IMO）海上安全委員會(huì)（MSC）通過(guò)在第91次會(huì)議正式通過(guò)《船上噪聲等級(jí)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(jī)艙擴(kuò)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(shí)際噪聲登記測(cè)量條件將成為強(qiáng)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(dá)到85 dB及以上的處所需提供個(gè)人聽(tīng)力保護(hù)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?jī)?nèi)容將成為強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，船舶噪聲值的測(cè)量將由船舶入級(jí)的船級(jí)社或認(rèn)可的機(jī)構(gòu)進(jìn)行。

本文以深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)目標(biāo)船，其噪聲預(yù)報(bào)主要包括：上船體開(kāi)放區(qū)域噪聲預(yù)報(bào)和封閉生活艙室噪聲預(yù)報(bào)；前者主要是應(yīng)用邊界元方法研究平臺(tái)甲板上某一高度處的噪聲分布；后者主要是應(yīng)用統(tǒng)計(jì)能量方法預(yù)報(bào)封閉生活艙室噪聲；之后，根據(jù)MSC.337（91）規(guī)范評(píng)判計(jì)算結(jié)果，并對(duì)噪聲水平接近規(guī)范要求的艙室進(jìn)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(lái)不適。

1 深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)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(tái)這種大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的水聲學(xué)、結(jié)構(gòu)聲學(xué)和聲輻射等方面的問(wèn)題；因?yàn)楹Ｑ笃脚_(tái)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(shuō)的兩個(gè)波動(dòng)方程。

如果考慮結(jié)構(gòu)振動(dòng)與聲場(chǎng)流固耦合的問(wèn)題，還需要結(jié)合結(jié)構(gòu)振動(dòng)方程。

1.2 統(tǒng)計(jì)能量法

統(tǒng)計(jì)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(gè)便于分析的獨(dú)立子系統(tǒng)，工程系統(tǒng)在受到外界激勵(lì)時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)，各個(gè)子系統(tǒng)之間通過(guò)接觸邊界進(jìn)行能量交換，而每一子系統(tǒng)的振動(dòng)參數(shù)如位移、速度、加速度、聲壓均可以通過(guò)能量求得。應(yīng)用統(tǒng)計(jì)能量法時(shí)其計(jì)算精度很大程度上取決于對(duì)子系統(tǒng)的模態(tài)密度、內(nèi)部損耗因子以及各個(gè)子系統(tǒng)間的耦合損耗因子這三個(gè)參數(shù)準(zhǔn)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(duì)于具有k個(gè)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(gè)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(gè)子系統(tǒng)和第j個(gè)子系統(tǒng)的耦合損耗因子。

2 聲振源和計(jì)算模型

2.1 聲振源

根據(jù)海洋平臺(tái)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(tái)正常運(yùn)作時(shí)，主機(jī)及輔機(jī)、空氣壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)或風(fēng)扇、電動(dòng)機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)、泵及各種閥門(mén)都會(huì)產(chǎn)生噪聲。本文主要研究的是深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)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(jī)、空氣壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)以及大型動(dòng)力泵等設(shè)備。

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

振動(dòng)加速度級(jí)La可以定義為［2］：

式中：a為振動(dòng)加速度有效值、a0為基準(zhǔn)加速度值，取10-6m/s2。

聲功率級(jí)Lw與振動(dòng)加速度級(jí)La的關(guān)系為［2］：

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

2.1.1 發(fā)電機(jī)的激振力和噪聲值

本文研究的目標(biāo)平臺(tái)上的發(fā)電機(jī)是柴油動(dòng)力發(fā)電機(jī)，一方面在發(fā)電機(jī)正常工作時(shí)，發(fā)電機(jī)內(nèi)部一些機(jī)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(jī)工作時(shí)各構(gòu)件承受的力產(chǎn)生扭矩，使得基座發(fā)生振動(dòng)，這些振動(dòng)也會(huì)輻射出噪聲并且通過(guò)基座傳遞給其他各個(gè)艙室，這種方式產(chǎn)生的噪聲也稱(chēng)為結(jié)構(gòu)噪聲。

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

表1 發(fā)電機(jī)激振力加速度和聲功率頻譜dB

圖1 發(fā)電機(jī)激振力加速度頻譜

圖2 發(fā)電機(jī)聲功率頻譜

2.1.2 空氣壓縮機(jī)的激振力和噪聲值

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

表2 空氣壓縮機(jī)激振力加速度和聲功率頻譜dB

圖3 空氣壓縮機(jī)激振力加速度頻譜

圖4 空氣壓縮機(jī)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(biāo)平臺(tái)上的泵有很多種，對(duì)于振動(dòng)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(dòng)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(jiàn)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(fēng)機(jī)的噪聲值

風(fēng)機(jī)產(chǎn)生噪聲主要是由于氣體的擾動(dòng)以及與各種機(jī)械結(jié)構(gòu)之間相互作用而產(chǎn)生的空氣動(dòng)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(dòng)加速度值和上述轉(zhuǎn)換公式，得出風(fēng)機(jī)的空氣聲聲功率頻譜，見(jiàn)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(fēng)機(jī)聲功率頻譜dB

圖11 風(fēng)機(jī)聲功率頻譜

2.2 深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)計(jì)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(kāi)放式聲源［3］，還有小部分聲源在封閉艙室。以此為基礎(chǔ)來(lái)模擬計(jì)算開(kāi)放式結(jié)構(gòu)噪聲云圖和封閉生活艙室噪聲。考慮開(kāi)放式聲源的影響采用有限元方法和邊界元方法計(jì)算噪聲云圖。對(duì)于封閉生活艙室噪聲則采用統(tǒng)計(jì)能量方法來(lái)進(jìn)行模擬計(jì)算。

2.2.1 目標(biāo)平臺(tái)邊界元模型

根據(jù)提供的目標(biāo)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)圖和總布置圖，運(yùn)用有限元軟件MSC Patran建立平臺(tái)有限元模型（圖12），并導(dǎo)出平臺(tái)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(biāo)平臺(tái)上船體部分BDF文件導(dǎo)入VA One軟件中，建立目標(biāo)平臺(tái)邊界元模型（圖13），連接模型中各邊界元子系統(tǒng)，施加聲學(xué)邊界條件和噪聲源激勵(lì)。邊界流場(chǎng)設(shè)置為空氣，空氣吸聲系數(shù)定義為默認(rèn)值。聲學(xué)頻響分析中采用倍頻程頻率，計(jì)算頻率為 63～500 Hz［4］。

2.2.2 目標(biāo)平臺(tái)統(tǒng)計(jì)能量模型

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

圖12 深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)有限元模型

圖13 深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)邊界元模型

圖14 深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)統(tǒng)計(jì)能量模型

為驗(yàn)證統(tǒng)計(jì)能量方法計(jì)算精度范圍可靠性，必須首先計(jì)算出各子系統(tǒng)模態(tài)密度，據(jù)此確定出滿足計(jì)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(jì)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(tái)噪聲預(yù)報(bào)計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)開(kāi)放式區(qū)域噪聲預(yù)報(bào)計(jì)算結(jié)果及分析

目標(biāo)平臺(tái)各層甲板上有很多噪聲設(shè)備，諸如發(fā)電機(jī)、空氣壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)以及大型動(dòng)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(kāi)放式聲源。這些設(shè)備對(duì)于甲板上開(kāi)放式空間的噪聲貢獻(xiàn)量主要是空氣噪聲，因此采用邊界元方法來(lái)研究計(jì)算目標(biāo)平臺(tái)的主甲板、中間甲板和下甲板的噪聲分布云圖。

分別計(jì)算目標(biāo)平臺(tái)主甲板、中間甲板、下甲板4 m高處的噪聲分布云圖，計(jì)算得到的總聲壓級(jí)噪聲分布云圖見(jiàn)圖17-圖19。

圖17 主甲板4 m高處總聲壓級(jí)噪聲云圖

圖18 中間甲板4 m高處總聲壓級(jí)噪聲云圖

圖19 下甲板4 m高處總聲壓級(jí)噪聲云圖

目標(biāo)平臺(tái)在正常工作時(shí)，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(gè)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(jī)和熱水循環(huán)泵這兩個(gè)噪聲源設(shè)備對(duì)主甲板開(kāi)放區(qū)域噪聲分布貢獻(xiàn)比較大，超過(guò)90 dB（見(jiàn)圖上紅色區(qū)域部分）。由圖16可知：發(fā)電機(jī)和風(fēng)機(jī)對(duì)中間甲板開(kāi)放區(qū)域噪聲分布貢獻(xiàn)比較大，超過(guò)90 dB（見(jiàn)圖上紅色區(qū)域部分）。由圖17可知：發(fā)電機(jī)對(duì)下甲板開(kāi)放區(qū)域噪聲分布貢獻(xiàn)比較大，超過(guò)90 dB（見(jiàn)圖上紅色區(qū)域部分）。將各層甲板開(kāi)放式區(qū)域噪聲總聲壓級(jí)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(guò)85 dB，因此需要在該區(qū)域豎立警示牌，且進(jìn)入此區(qū)域的工作人員應(yīng)配戴相應(yīng)的護(hù)耳裝置。

3.2 深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)生活艙室噪聲預(yù)報(bào)計(jì)算結(jié)果及降噪設(shè)計(jì)

3.2.1 目標(biāo)平臺(tái)生活艙室噪聲預(yù)報(bào)計(jì)算結(jié)果分析

利用聲學(xué)軟件VA One，對(duì)上述統(tǒng)計(jì)能量模型進(jìn)行求解。其500 Hz時(shí)的噪聲聲壓級(jí)見(jiàn)圖20。分析時(shí)采用倍頻程頻率，計(jì)算典型艙室的統(tǒng)計(jì)平均聲壓級(jí)，并給出下甲板發(fā)電機(jī)操控室以及下甲板典型艙室計(jì)算結(jié)果，且以轉(zhuǎn)換為人耳較為敏感的A聲級(jí)見(jiàn)圖21和圖22。

圖20 500 Hz時(shí)噪聲聲壓級(jí)圖

圖21 下甲板發(fā)電機(jī)操控室聲壓計(jì)算結(jié)果

圖22 下甲板典型艙室聲壓計(jì)算結(jié)果

3.2.2 艙室降噪設(shè)計(jì)

針對(duì)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(gè)方面對(duì)此艙室進(jìn)行隔音降噪處理。

實(shí)施方案1：在發(fā)電機(jī)的基座上安裝減振彈簧。

圖23為實(shí)施該方案前后下甲板典型艙室噪聲水平。

圖23 實(shí)施方案1前后下甲板典型艙室噪聲對(duì)比

由圖23可以看出，通過(guò)在發(fā)電機(jī)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(duì)下甲板典型艙室噪聲總聲壓級(jí)影響明顯，達(dá)到2.9 dB（A）；因此該措施是實(shí)際工程應(yīng)用中較為常見(jiàn)的艙室降噪方法。

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

圖24為實(shí)施該方案前后下甲板典型艙室噪聲水平。

圖24 實(shí)施方案2前后下甲板典型艙室噪聲對(duì)比

由圖24可以看出，對(duì)噪聲傳播路徑上所經(jīng)過(guò)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(jí)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(biāo)平臺(tái)質(zhì)量建造成本，在經(jīng)濟(jì)上并不可取；因此在實(shí)際工程應(yīng)用中一般不考慮采用該方法。

實(shí)施方案3：在下甲板典型艙室的四周?chē)陴じ缴?0 mm厚的多孔吸聲材料巖棉 。

圖25為實(shí)施該方案前后下甲板典型艙室噪聲水平。

圖25 實(shí)施方案3前后下甲板典型艙室噪聲對(duì)比

由圖25可見(jiàn)，對(duì)下甲板典型艙室的四周?chē)陴じ缴?0 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(jí)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(shí)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(jì)能量法建立某深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)邊界元模型和統(tǒng)計(jì)能量分析模型，對(duì)目標(biāo)平臺(tái)上船體開(kāi)放式區(qū)域和封閉生活艙室進(jìn)行噪聲預(yù)報(bào)；根據(jù)MSC.337（91）規(guī)范要求，對(duì)各個(gè)封閉生活艙室進(jìn)行評(píng)估，并對(duì)典型艙室進(jìn)行隔音降噪處理，為今后該類(lèi)型海洋平臺(tái)在設(shè)備選取、艙室布置、材料選擇、聲學(xué)設(shè)計(jì)等方面提供參考，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

［1］ 陳剛，楊德慶，袁洪濤．深水半潛式鉆井平臺(tái)振動(dòng)噪聲預(yù)報(bào)全頻域方法［J］.中國(guó)造船，2010（3）：108-118．

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