85 m平臺工作船噪聲分析

張春宇，樊 紅，盛玉夢

(武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，武漢 430063)

85 m平臺工作船噪聲分析

張春宇，樊 紅，盛玉夢

(武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，武漢 430063)

為了研究平臺工作船在不同工況、負(fù)荷下的噪聲規(guī)律及分布特點，通過分析平臺工作船結(jié)構(gòu)與噪聲的一般特點以及85 m平臺工作船進(jìn)行航行工況與DP(動力定位)工況下的艙室噪聲測量限值，總結(jié)其噪聲的產(chǎn)生原因；針對其DP工況下的噪聲超標(biāo)提出相應(yīng)的控制措施。

平臺工作船；噪聲；艙室；工況；測試分析

近年來，隨著對船員健康保護(hù)意識的增強(qiáng)，國際海事組織(IMO)于2012年11月30日以MSC.337(91)決議方式通過《船上噪聲等級規(guī)則》(以下簡稱《規(guī)則》)，并經(jīng)由 MSC.338(91)決議正式將該規(guī)則納入了《國際海上人命安全公約》(SOLAS)第 II-1 章第 3-12 條，將《規(guī)則》作為強(qiáng)制要求，并于2014年7月1日生效實施[1-2]。平臺工作船因其工作環(huán)境不同于一般船舶，在不同工況下受到多種類型的激振力的影響更為復(fù)雜。到目前為止，在設(shè)計階段對其進(jìn)行噪聲預(yù)報的建模計算尚不能完全準(zhǔn)確掌握船舶的噪聲特征，因此實船噪聲測試顯得尤為重要。本研究選取85 m平臺工作船艙室噪聲測量分析能反應(yīng)平臺工作船艙室噪聲水平，找出不同區(qū)域噪聲級隨發(fā)動機(jī)負(fù)荷、距離主聲源遠(yuǎn)近的變化規(guī)律，分析不同工況下噪聲的特點，針對嚴(yán)重超標(biāo)的關(guān)鍵艙室，有針對性地提出降噪方案，既可以節(jié)約船舶建造成本，也可以為同型船的聲學(xué)設(shè)計評估提供參考依據(jù)。

1 工程概況

“85 m平臺工作船”垂線間長為77.75 m，船寬為22 m，型深為8 m，吃水為6.3 m，服務(wù)航速為12.5 kn。該船選用2臺6L28AHX主機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為800 r/min，額定功率為2 206 kW。本研究對“85 m平臺工作船”進(jìn)行了船舶航行工況與DP工況下艙室噪聲的測試，并在船舶停靠碼頭時進(jìn)行了全船艙室的背景噪聲測量，將采集到的噪聲信號進(jìn)行處理分析，與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，對船舶艙室噪聲量級做出評估。

2 平臺工作船特點

2.1 結(jié)構(gòu)特點

平臺工作船一般采用前傾式船艏、巡洋艦式船艉。采用雙機(jī)雙槳和雙舵結(jié)構(gòu)，并至少配置1臺艏側(cè)推裝置以滿足對船舶特殊操縱性的要求，并確保在常規(guī)航行條件下，其雙主推進(jìn)和舵裝置以及合理的電網(wǎng)設(shè)計布置能提供相應(yīng)可靠的技術(shù)冗余，以降低部分動力設(shè)備可能出現(xiàn)的突發(fā)性運(yùn)行故障導(dǎo)致船舶失控的潛在風(fēng)險。駕駛室位于船艏，尾部主甲板是敞開的工作甲板。駕駛室為360°可視懸窗，駕駛室前后各設(shè)置1個操作臺，控制船舶的主機(jī)、側(cè)推及航海儀器等設(shè)備，在駕駛室的操控位置可獲得對作業(yè)甲板所有區(qū)域無遮蔽的目視[3]。見圖1。

2.2 噪聲特點

由于平臺工作船結(jié)構(gòu)獨(dú)特，設(shè)備較多，空間狹小，布局緊湊，工況復(fù)雜，所以，平臺工作船噪聲相對于一般散貨船、油船等來說有其獨(dú)特的特點，其對噪聲的控制難度也要大于一般船舶[4]。平臺工作船噪聲的頻譜分布范圍廣，噪聲在中、低頻段較高；噪聲持續(xù)時間長，整個航行期間和DP動力定位系統(tǒng)工作期間都會發(fā)出高強(qiáng)度的噪聲，不管白天和黑夜都有持續(xù)的噪聲干擾。由于平臺工作船居住艙室緊挨機(jī)艙、側(cè)推艙，傳遞到居住艙室的噪聲強(qiáng)度也要高于一般船舶。但也正因其艏側(cè)推

圖1 85 m平臺工作船布置示意

布置于生活樓正下方這一結(jié)構(gòu)特點，不可避免在其DP工況下，船舶艙室噪聲極大，嚴(yán)重影響船員的休息與作業(yè)。如何采取措施在DP工況下降低艙室噪聲以滿足規(guī)范要求，也是現(xiàn)在船舶行業(yè)面臨的一個巨大的挑戰(zhàn)。

3 噪聲實測分析

選取Larson Davis Model 831一類精密積分聲級計，依據(jù)《規(guī)則》，分別對85 m平臺工作船進(jìn)行航行和DP工況下的噪聲測試，兩種工況下測量的艙室噪聲值與背景噪聲值差值都在10 dB(A)以上，無需進(jìn)行修正[5-6]。

測量參數(shù)選取A計權(quán)連續(xù)等效聲級，所選用的儀器測量前均經(jīng)過專業(yè)機(jī)構(gòu)的計量檢定及校準(zhǔn)，艙室和測點選取滿足CCS《船舶及產(chǎn)品噪聲控制與檢測指南》要求[7]。

3.1 航行工況

分別在主機(jī)85%MCR、100%MCR下，選取機(jī)艙(5個測點)、駕駛處所(5個測點)和其他艙室(44個測點)進(jìn)行了船舶艙室噪聲測量，并與《規(guī)則》所規(guī)定的限值對比，測量結(jié)果見表1。

從表1總體來看，85 m平臺工作船噪聲測量值基本滿足最新的《規(guī)則》所規(guī)定的限值要求，僅有少數(shù)艙室超過《規(guī)則》的限值，對測量點按順序進(jìn)行1～54(1～5位于機(jī)艙，6～14位于主甲板，15～25位于升高甲板，26～34位于艏樓甲板，35～41位于艇甲板，42～49位于辦公甲板，50～54位于駕駛甲板)編號，分別繪制出主機(jī)85%MCR和100%MCR時噪聲測量值的折線圖。見圖2。

由圖2可見，這兩個工況點下噪聲分布特點類似，當(dāng)主聲源噪聲從機(jī)艙開始傳遞到主甲板層時，由于主甲板層的隔聲吸聲措施，到達(dá)主甲板層的噪聲級驟減。由于聲源的不斷衰減，傳遞到升高甲板時呈微弱遞減趨勢，但從艏樓甲板至駕駛甲板時，由于駕駛室電子設(shè)備電子噪聲及艏樓甲板風(fēng)機(jī)噪聲等影響，噪聲值反而呈微弱遞增趨勢，越到高層甲板，機(jī)艙主聲源影響逐漸減弱，到艏樓甲板時影響已經(jīng)非常微弱；高層甲板艙室噪聲主要受通風(fēng)設(shè)備及電子設(shè)備電磁噪聲影響。

表1 航行工況下平臺工作船主要艙室噪聲強(qiáng)度 dB(A)

圖2 航行工況噪聲分布

下面對比100%MCR和85%MCR工況時噪聲情況，分析主機(jī)負(fù)荷變化時對平臺工作船噪聲情況的影響。

圖3 100%MCR～85%MCR差值噪聲分布

由圖3可以看出，從總體來說，隨著主機(jī)功率從85%MCR增加到100%MCR，所傳遞到各艙室噪聲隨主機(jī)功率的增加呈增加狀態(tài)，但艙室噪聲值增幅不大，所有增幅在0～4 dB(A)之間。特別是自升高甲板以上，兩種工況下的大部分艙室噪聲相差不到1 dB(A)，由此可見艙室噪聲隨主機(jī)功率的增加而增加，但增幅隨著距離聲源的增加而降低。從局部來看，圖中1～14點都是處于主甲板層或主甲板層以下，靠近機(jī)艙，受主機(jī)功率的增加，噪聲值增加較大；從15～54點是處于升高甲板到駕駛甲板；隨著甲板層數(shù)的增加，聲源能量由于經(jīng)過層層甲板結(jié)構(gòu)的衰減，主機(jī)功率增加對升高甲板以上艙室噪聲貢獻(xiàn)較小，到駕駛甲板時，主機(jī)功率增加對駕駛室影響非常小，此時駕駛室噪聲主要受駕駛室電子設(shè)備的電磁噪聲影響。由實測情況來看，位于升高甲板層及其以上甲板層，艙室噪聲受艙室布置和生活區(qū)風(fēng)機(jī)及其通風(fēng)裝置影響較大。

3.2 DP工況

由于平臺工作船經(jīng)常要擔(dān)負(fù)為平臺供應(yīng)材料、巡航守護(hù)等工作，經(jīng)常作業(yè)于復(fù)雜水域且要求保持艏向恒定和保持定位功能，動力定位系統(tǒng)必不可少，而動力定位是通過DPS系統(tǒng)控制分配推進(jìn)螺旋槳和艏側(cè)推槳功率來完成定位，所以DP工況也是平臺工作船非常重要且常用的工況。在此工況下，主機(jī)功率一般很低，船舶艙室噪聲主要由艏側(cè)推運(yùn)轉(zhuǎn)時產(chǎn)生，主機(jī)噪聲影響其次。由于艏側(cè)推布置于主甲板層正下方，因此，主甲板層和靠近主甲板層噪聲明顯大于航行工況下這部分區(qū)域噪聲；靠近駕駛室甲板層，由于傳遞能量損失，此區(qū)域噪聲主要受生活樓通風(fēng)設(shè)備和電子設(shè)備電磁噪聲的影響[8]。

該85 m平臺工作船有兩個同型號艏側(cè)推裝置，由電機(jī)驅(qū)動，電機(jī)功率均為800 kW，由主發(fā)電機(jī)組供電，與主機(jī)配合能執(zhí)行DP2級動力定位；由于試航時平臺工作船在側(cè)推零螺距工況下運(yùn)行時間較短，故在測量時只針對了影響最嚴(yán)重的主甲板上的艙室；對于側(cè)推40%螺距工況(46%側(cè)推總功率，滿足規(guī)定功率(大于40%)的要求)進(jìn)行了全船艙室的測量。

表2 零螺距工況主甲板艙室噪聲強(qiáng)度 dB(A)

表3 40%螺距時主甲板和升高甲板艙室噪聲強(qiáng)度 dB(A)

表4 40%螺距時升高甲板以上艙室噪聲強(qiáng)度 dB(A)

參照《規(guī)則》處所限值，側(cè)推零螺距工況時，主甲板上除了醫(yī)務(wù)室和餐廳及娛樂室噪聲量稍有超標(biāo)外，其他艙室基本合格；側(cè)推40%螺距時，主甲板層和升高甲板層大部分艙室明顯超標(biāo)，超出限值范圍在5～8 dB(A)內(nèi)；而升高甲板以上的甲板層艙室大部分合格，僅少數(shù)艙室超出限值要求，超出限值范圍在1 dB(A)內(nèi)。見表2～4。

為了分析DP工況下主聲源～側(cè)推裝置沿船體結(jié)構(gòu)的噪聲傳遞狀態(tài)，選取側(cè)推艙(2個測點)、居住艙室(42個測點)和駕駛室(5個測點)共49個點，按順序進(jìn)行1～49(1～2位于側(cè)推艙，3～10位于主甲板，11～21位于升高甲板，22～30位于艏樓甲板，31～37位于艇甲板，38～44位于辦公甲板，45～49位于駕駛甲板)編號，繪制DP工況40%螺距時的噪聲分布圖，見圖4。

圖4 DP工況下40%螺距艙室噪聲分布

總體來看，兩種工況下，2臺側(cè)推全開主甲板艙室聲壓級比僅開1臺側(cè)推時主甲板艙室聲壓級要高2～5 dB(A)。距離聲源(側(cè)推裝置)越近，艙室聲壓級越高；主甲板層艙室緊挨側(cè)推艙，噪聲水平受聲源影響較大，聲壓級較高；隨著聲源穿過船體結(jié)構(gòu)聲能的不斷衰減，升高甲板層以上艙室聲壓級逐漸趨于平穩(wěn)，呈微弱遞減趨勢。從局部來看，部分艙室聲壓級陡增，如主甲板餐廳、主甲板娛樂室、吸煙室等。這是因為這幾個艙室布置在側(cè)推艙的正上方及附近區(qū)域，艙室聲壓級明顯較高，說明艙室布置對艙室噪聲水平影響較大。40%螺距工況下與零螺距工況下相比，噪聲量明顯增加，側(cè)推螺距增加到40%時，對應(yīng)工況下的主甲板層艙室聲壓級提高約5 dB(A)。

4 結(jié)論

1)航行工況下，全船艙室噪聲基本滿足《規(guī)則》限值，主要噪聲源來自主輔機(jī)。

2)DP工況下，全船噪聲水平明顯超標(biāo)，超出《規(guī)則》的限值。該工況下，平臺工作船相對普通船舶而言，噪聲控制難度更大，因此側(cè)推裝置作為主要的噪聲源，在進(jìn)行艙室噪聲控制時，建議對艏側(cè)推進(jìn)行彈性減振安裝，從源頭進(jìn)行噪聲控制；同時對艏側(cè)推選型時，在滿足性能要求的情況下，盡可能選取低功率側(cè)推裝置。在前期設(shè)計時，設(shè)計人員可以結(jié)合設(shè)計要求和船東的要求，采用超靜音側(cè)推(全程式彈性雙軌道系統(tǒng))[9]、“盒中盒”浮動艙室降噪技術(shù)[10]和固有頻率為33 Hz的浮動地板[11]等技術(shù)，從而降低船舶的噪聲。

3)本文是從實測數(shù)據(jù)的角度分析平臺工作船的噪聲特點，如何在設(shè)計及建造過程中運(yùn)用VAOne等專業(yè)的振動噪聲軟件對平臺工作船的艙室進(jìn)行噪聲預(yù)報，在船舶概念設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計、生產(chǎn)施工各階段對船舶進(jìn)行聲學(xué)評估并及時調(diào)整降噪方案，是今后平臺工作船噪聲控制的重點研究方向。

[1] 國際海事組織.MSC.337(91)決議[S].海上安全委員會，2012.

[2] 國際海事組織.MSC.338(91)決議[S].海上安全委員會，2012.

[3] 劉劍峰.75 m海洋平臺供應(yīng)船的設(shè)計[J]，船舶標(biāo)準(zhǔn)化工程師，2013，31(9)：30-33.

[4] 黃志遠(yuǎn).新規(guī)背景下的噪聲控制技術(shù)應(yīng)用[J].船海工程，2014，43(2):95-98.

[5] 陳小劍.艦船噪聲控制技術(shù)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2012.

[6] 陳克安.聲學(xué)測量[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[7] 中國船級社.船舶及產(chǎn)品噪聲控制與檢測指南[S].北京:人民交通出版社，2013.

[8] 田 拓.海洋工程結(jié)構(gòu)艙室減振技術(shù)研究[D].青島：中國海洋大學(xué)，2012.

[9] 何建華.超靜音側(cè)推的技術(shù)特點及應(yīng)用[J].中外船舶科技，2012(2):15-17.

[10] TONGJUN C. Vibro-acoustic characteristics of floating floor system: The influence of frequency-matched resonance on low frequency impact sound [J].Journal of Sound and vibration.2012，332:33-42.

[11] JEE H S，SUK Y H，WONon H J. Analysis of structure-borne noise in ship cabins using a floating floor with an inserted viscoelastic layer [J]. Mar Sci Technol，2009(14):127-135.

Noise Analysis of the 85 m Platform Support Vessel

ZHANG Chun-yu, FAN Hong, SHENG Yu-meng

(School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

To research the law and distribution characteristics of noise in different conditions and loading for the platform support vessel, the structure and general characteristics of noise for the platform support vessel are analyzed, as well as the limitation of noise measurement in engine room of the 85 m platform support vessel under the sailing condition and DP condition. The causes of noise are investigated to set forth appropriate control measures for the excessive noise in DP condition.

platform support vessel; noise; cabin; working condition; test analysis

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.06.016

2015-09-11

國家自然科學(xué)基金(51479154)

張春宇(1993-)，男，碩士生

U661.44

A

1671-7953(2015)06-0069-04

修回日期：2015-10-07

研究方向:振動與噪聲控制

E-mail:1173521025@qq.com