基于統(tǒng)計(jì)能量方法的海洋平臺(tái)噪聲控制

焦自權(quán)，孫勇敢，劉文靜

(1. 欽州學(xué)院 海洋學(xué)院，廣西 欽州 535099；2. 重慶交通大學(xué) 航海學(xué)院，重慶 400074；3.廣西大學(xué) 外國語學(xué)院，廣西 南寧 530000)

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基于統(tǒng)計(jì)能量方法的海洋平臺(tái)噪聲控制

焦自權(quán)1，孫勇敢2，劉文靜3

(1. 欽州學(xué)院 海洋學(xué)院，廣西 欽州 535099；2. 重慶交通大學(xué) 航海學(xué)院，重慶 400074；3.廣西大學(xué) 外國語學(xué)院，廣西 南寧 530000)

應(yīng)用聲振VA ONE軟件建立海洋平臺(tái)的統(tǒng)計(jì)能量分析模型，對(duì)海洋平臺(tái)進(jìn)行艙室噪聲預(yù)報(bào)分析，求解出平臺(tái)生活及工作艙室的噪音值；依據(jù)噪聲控制理論，從接受者、傳播途徑以及噪聲源等方面對(duì)典型超標(biāo)艙室提出降噪措施；通過對(duì)比隔振降噪措施得出，對(duì)主要噪聲源和目標(biāo)艙室實(shí)施隔音降噪處理，降噪效果明顯，同時(shí)在實(shí)際建造過程中有較強(qiáng)的可行性和經(jīng)濟(jì)性。

船舶工程；海洋平臺(tái)；噪聲控制；統(tǒng)計(jì)能量方法

海上平臺(tái)噪聲與振動(dòng)研究涉及到平臺(tái)結(jié)構(gòu)的可靠性和工作人員的安全生產(chǎn)等方面，平臺(tái)聲振會(huì)引起結(jié)構(gòu)共振及應(yīng)力疲勞，同時(shí)也會(huì)影響到海上工作人員的心情，損害聽力，給安全生產(chǎn)帶來隱患。所以，各國逐漸重視海上結(jié)構(gòu)物的安全可靠性及工作人員的舒適性等[1]領(lǐng)域，對(duì)海上結(jié)構(gòu)物的先進(jìn)設(shè)計(jì)制造方面提出了更為科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)，特別是其噪聲振動(dòng)及舒適性(Noise, Vibration and Harshness: NVH) 尤為突出[2-4]。

1 海洋平臺(tái)噪聲分析方法

統(tǒng)計(jì)能量分析方法[5]是以數(shù)學(xué)中的統(tǒng)計(jì)學(xué)為計(jì)算方法，將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的輸入與輸出等基本參數(shù)都以能量來表示，各動(dòng)力學(xué)子系統(tǒng)之間的能量流動(dòng)用簡(jiǎn)單的功率流平衡方程來表達(dá)，將已知參數(shù)輸入功率流平衡方程，得到的分析結(jié)果是以各子系統(tǒng)輸出的功率流[6]以及各耦合子系統(tǒng)的能量矩陣，可將其換算成工程上需要的計(jì)算結(jié)果，如：聲壓、速度、位移及應(yīng)力等，即各動(dòng)力學(xué)子系統(tǒng)的平均動(dòng)力響應(yīng)。

振動(dòng)噪聲研究方法的功率流平衡方程，單個(gè)子系統(tǒng)損耗的功率為：

(1)

式中：子系統(tǒng)固有頻率記為ωn；k為結(jié)構(gòu)剛度；子系統(tǒng)的等效質(zhì)量記作M；放大因子或品質(zhì)因子記為Q；阻尼比記為ξ；阻尼系數(shù)記為C。

多個(gè)子系統(tǒng)的耦合損耗平衡方程：

(2)

引入數(shù)學(xué)理論中的互易原理，即：

ni(ω)ηij=nj(ω)ηji

在工程實(shí)際應(yīng)用中，結(jié)構(gòu)中的子系統(tǒng)非常繁多，為了直觀簡(jiǎn)便的表達(dá)平衡方程，故統(tǒng)計(jì)能量方程以矩陣的形式寫成：

(3)

式中：ω為研究頻域中心頻段；Ei為系統(tǒng)輸入能量；η為子系統(tǒng)的耦合損耗因子[7]，η=2ξ。

只要獲得激勵(lì)源輸入能量、子系統(tǒng)模態(tài)密度、耦合損耗因子等已知條件，求解后可得各子系統(tǒng)能量矩陣，即工程結(jié)構(gòu)的聲學(xué)響應(yīng)。

2 海洋平臺(tái)噪聲分析模型化

筆者嚴(yán)格按照目標(biāo)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖、總布置圖及舾裝圖等資料，依據(jù)統(tǒng)計(jì)能量理論將平臺(tái)分解成不同動(dòng)力學(xué)子系統(tǒng)，施加聲振邊界條件[8]，估算并添加激勵(lì)源，聲振分析頻譜范圍選擇倍頻程，以此形成模型。模型中以軟件加筋板模塊來模擬甲板，模塊中添加加筋板聲學(xué)阻尼損耗因子，相應(yīng)剪切，拉伸，屈曲阻尼損耗因子參數(shù)等。艙室內(nèi)和封閉空間的聲腔內(nèi)流體為空氣，求解頻段設(shè)為31.5～8 000 Hz。艙室結(jié)構(gòu)中所采用的防火材料和吸聲隔聲材料都嚴(yán)格按照平臺(tái)防火等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求添加到模型當(dāng)中，如圖1。

圖1 海洋平臺(tái)統(tǒng)計(jì)能量分析子系統(tǒng)模型

3 海洋平臺(tái)聲振結(jié)果分析及優(yōu)化降噪

3.1 海洋平臺(tái)艙室聲振預(yù)報(bào)結(jié)果分析

海洋平臺(tái)上居住工作艙室較多，從控制空船重量的角度，生活樓區(qū)域90%以上的居住艙室內(nèi)均鋪設(shè)了隔音材料和防火材料，這進(jìn)一步降低了各艙室的噪聲水平。依據(jù)計(jì)算得出的艙室噪音值，通過對(duì)比國際海事組織噪聲限值和船級(jí)社入級(jí)規(guī)范噪聲限值，可得出噪聲水平要求較高艙室和超標(biāo)艙室的噪音值，并依據(jù)降噪理論設(shè)計(jì)有效方案，從而實(shí)現(xiàn)縮短設(shè)計(jì)周期、降低建造成本的聲振預(yù)報(bào)分析目的。表1簡(jiǎn)要列舉了典型艙室噪聲計(jì)算結(jié)果。

表1 生活工作艙室噪音數(shù)值

3.2 海洋平臺(tái)生活工作艙室降噪優(yōu)化分析

在此次海洋平臺(tái)艙室噪聲預(yù)報(bào)分析過程中，各生活工作艙室噪聲水平雖都未超過IMO規(guī)范和船級(jí)社入級(jí)規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)，但A315房間(衣帽間)已超過IMO最新修訂的船舶噪聲防護(hù)規(guī)則(IMO 468決議)限制值[9]，此決議將于2014年7月1日起正式生效。同時(shí)在模擬過程中忽略海上背景噪聲影響，平臺(tái)在建造中的疏漏，數(shù)值模型與平臺(tái)真實(shí)結(jié)構(gòu)存在一定的偏差等因素，為消除以上影響進(jìn)而完善平臺(tái)設(shè)計(jì)，故對(duì)其進(jìn)行降噪處理。

方案1：對(duì)艙室有較大影響的噪聲源進(jìn)行隔振降噪處理。通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析對(duì)比得出，發(fā)電機(jī)組是影響艙室振動(dòng)最大的噪聲源，以此為研究對(duì)象。

依據(jù)噪聲控制原理，對(duì)噪聲源激勵(lì)實(shí)施隔振減振措施，在降噪模塊中對(duì)發(fā)電機(jī)組設(shè)置線隔振來模擬實(shí)現(xiàn)隔振措施，在實(shí)際工程領(lǐng)域中通常是在設(shè)備基座上安裝減振彈簧或是隔振器，此措施應(yīng)用較為廣泛，降噪效果非常明顯。在數(shù)值模擬中對(duì)激勵(lì)源實(shí)施的隔振措施有點(diǎn)隔振、線隔振及面隔振等，本次研究采用的是在發(fā)電機(jī)組基座上的線連接內(nèi)設(shè)置隔振彈簧參數(shù)，可按照表2進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。參數(shù)中kx，ky，kz的虛部系數(shù)是彈簧阻尼，實(shí)部為剛度系數(shù)，方向分別沿x，y，z3個(gè)軸向，kxx是以x軸向?yàn)橹行霓D(zhuǎn)動(dòng)的慣量系數(shù)。由于激勵(lì)源大部分聲振能量是以彎曲波的方式輸入，故此在隔振設(shè)置中主要考慮z方向上的隔振效果，即隔振彈簧垂直方向上的參數(shù)設(shè)置。

表2 隔振彈簧特性

通過安置隔振彈簧來模擬實(shí)現(xiàn)降噪，并結(jié)合分析表3和圖2可看到，A315聲振結(jié)果降低明顯，噪聲值下降3.7 dB(A)。此方案不但在隔振降噪處理上達(dá)到了很好的效果，而且此種降噪方法既經(jīng)濟(jì)又可行。因此，這也是目前在實(shí)際工程應(yīng)用上較為廣泛的一種降噪措施，而隔振彈簧和隔振橡膠在船舶和海洋結(jié)構(gòu)物隔振降噪方面是應(yīng)用較為廣泛的兩種隔振器材。

圖2 艙室噪聲水平降噪后對(duì)比

Table 3 Cabin noise level before and after denoise/dB(A)

方案2：在傳播路徑上進(jìn)行控制降噪，依據(jù)能量流動(dòng)和輸入輸出二者結(jié)合的方法來得出子系統(tǒng)之間的能量流動(dòng)路徑，即可獲取噪聲激勵(lì)源聲振能量流動(dòng)流向路徑。降噪方案在工程實(shí)際應(yīng)用中是在聲振傳播路徑上的結(jié)構(gòu)甲板上鋪設(shè)高阻尼耗能材料，在數(shù)值模擬過程中是以在子系統(tǒng)構(gòu)件上添加NCT(Noise Control Treatment)來實(shí)現(xiàn)的，使聲振能量在傳遞過程中由于阻尼材料的作用以熱能的形式而耗散，從而降低到達(dá)艙室的聲能。通過以上分析得出，本次研究平臺(tái)的聲能量大部分是由發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的，結(jié)合降噪控制理論，設(shè)計(jì)其降噪措施：對(duì)傳播路徑上的子系統(tǒng)設(shè)置NCT，所選的阻尼材料為工程應(yīng)用中常用的玻璃棉(glass fiber)，添加厚度為8 mm。其具體參數(shù)如表4。

表4 玻璃棉特性

通過在聲振傳播路徑上設(shè)置高阻尼材料，結(jié)合圖3和表5中可以得出，A315艙室噪聲水平下降不明顯，總聲壓級(jí)降低1.7 dB(A)左右。此降噪效果不甚明顯，在結(jié)構(gòu)上鋪設(shè)阻尼材料勢(shì)必會(huì)增加平臺(tái)空船重量，設(shè)計(jì)及建造成本都相應(yīng)有所增加；而且考慮到平臺(tái)艙室防火隔音降噪等因素，在其設(shè)計(jì)初期就在艙室及相應(yīng)甲板上添加了隔音及防火阻尼材料，通過以上分析得出在傳播路徑結(jié)構(gòu)上添加阻尼材料的方法不可取。

圖3 吸聲處理前后艙室噪聲水平

Table 5 Cabin noise level before and after denoise/dB(A)

方案3：對(duì)接受者(即目標(biāo)艙室)實(shí)施降噪措施，依據(jù)方案1、2的相關(guān)結(jié)論，目標(biāo)艙室A315的聲能大部分源于四周艙壁的結(jié)構(gòu)聲振，據(jù)此在艙室四壁鋪設(shè)隔音材料。本次降噪處理選用的材料是巖棉，屬性如表6。厚度一般取為3～50 mm，為提高中低頻吸聲性能，厚度選為10 mm。將此房間的四壁設(shè)置隔音雙層墻。雙層墻的設(shè)置參數(shù)如表7。

表6 巖棉參數(shù)

表7 雙層墻原理

通過對(duì)目標(biāo)艙室四壁鋪設(shè)阻尼材料，結(jié)合圖4和表8可以得出，A315艙室噪聲水平在雙層墻隔聲原理下下降較為明顯，總聲壓級(jí)降低3 dB(A)左右。此降噪措施不僅相對(duì)于單層墻隔聲具有良好的降噪效果，且較其他降噪方案在建造成本上具有明顯的優(yōu)勢(shì)，故設(shè)置隔音材料在建造過程中是可行的，經(jīng)濟(jì)上也是可取的，雙層墻隔音措施是理想之選。

圖4 吸聲處理前后艙室噪聲水平

Table 8 Cabin noise level before and after denoise/dB(A)

4 結(jié) 論

1)從整體來看，對(duì)聲源進(jìn)行隔振處理降噪效果較好；工程應(yīng)用中操作性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)性好。

2)對(duì)于局部艙室來說，對(duì)其添加隔音材料，降噪效果較好；經(jīng)濟(jì)性和可行性良好。

3)在傳播路徑上添加阻尼材料，雖能達(dá)到一定的降噪效果，但成本較高，延長建造周期。

4)在海洋平臺(tái)降噪控制研究中，只針對(duì)目標(biāo)艙室或單一聲源進(jìn)行控制，效果往往有限。故在考慮建造成本的前提下，設(shè)置多艙室、多聲源隔振降噪處理，以達(dá)到合理噪聲環(huán)境。

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Noise Control of Offshore Platform Based on Statistical Energy Method

Jiao Ziquan1, Sun Yonggan2, Liu Wenjing3

(1. College of Ocean, Qinzhou University, Qinzhou 535099, Guangxi, China;2. School of Navigation, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China;3.School of Foreign Languages,Guangxi University, Nanning 530000,Guangxi, China)

The acoustic vibration VA ONE software was applied to establish statistical energy analysis model in order to analyze the cabin noise prediction and study the noise value of living compartments. According to the principle of noise control, three types of noise reduction measures had been made for the typical cabin, including the noise source, transmission and accepted cabin. By comparing the noise reduction measures, draw two kinds of measures are that the main souree of noise is isolated and reducing noise for cabin. description of these two measures would not only be significant noise reduction effect, but in the actual construction process has a strong feasibility and economy advantages.

ship engineering;offshore platform; noise control; statistical energy analysis method

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.01.28

2013-05-21；

2013-09-26

2014年度欽州學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目(2014XJKY-09B);廣西高等學(xué)校特色專業(yè)及課程一體化建設(shè)項(xiàng)目(桂教高教〔2011〕66號(hào))；輪機(jī)工程專業(yè)綜合改革試點(diǎn)項(xiàng)目(桂財(cái)教[2013]169號(hào))

焦自權(quán)(1986—)，男，河北石家莊人，碩士，主要從事船舶振動(dòng)與噪聲方面的研究。E-mail:jiaomaomao2002@163.com。

孫勇敢(1985—)，男，河南周口人，講師，碩士，主要從事結(jié)構(gòu)振動(dòng)與噪聲控制方面的研究。E-mail:583798122@qq.com。

TB53；U661.44

A

1674-0696(2015)01-131-04