多角度隔聲結構設計對FPSO的降噪研究

劉子豪，竇培林，朱維龍，鄒 湘

(江蘇科技大學船舶與海洋工程學院，江蘇鎮江，212003)

多角度隔聲結構設計對FPSO的降噪研究

劉子豪，竇培林*，朱維龍，鄒 湘

(江蘇科技大學船舶與海洋工程學院，江蘇鎮江，212003)

基于不同的角度變換，入射聲波在傳遞過程中經壁板間的多次反射，使聲波能被艙室間的連接結構與空氣層反復阻隔和吸收，達到隔聲效果．文中對FPSO相鄰的兩個艙室的壁板連接方式，由常規連接方式(即相鄰兩艙室連接的艙壁板夾角為0°)，改為夾角為15°，30°，45°的3種連接方式．優選其中隔聲量最大的連接方式，在此基礎上，再次提出3種新型連接方式(又稱為分形結構)，再次比較這3種分形結構隔聲量的大小，并選出隔聲效果最佳的一種分形結構．

FPSO;艙壁連接;隔聲量;連結方式;分形結構

隨著海洋石油鉆探開采技術的日漸成熟，浮式生產儲油船系統FPSO已成為集技術與高附加值為一體的新型海上石油開采設施．船員長期生活和工作在FPSO上，常常會受到主機、排風扇、空調器、變壓器、泵、油氣水處理動力機械等有關振動源和噪聲源的影響［1－2］，因此，FPSO上層建筑的減振降噪已成為人們關注的熱點［3－4］．

國際海事組織IMO和海洋工程已開始實施相應的規范對FPSO居住艙和工作環境噪聲提出了要求，在對FPSO開發設計過程中須預報艙室和工作的環境噪聲［5－6］，采取減振降噪措施或改進設計來滿足規范要求，保證設備儀器的正常運行，健康地工作生活和改善作業環境．文中通過對FPSO生活艙室的噪聲分析［7－8］，提出了一種多角度的隔聲結構設計方法，以期提高其降噪能力．

1 隔聲理論

1.1 隔聲、透聲系數、隔聲量的概念

聲波在傳播過程中，遇到勻質屏障物(如木板、金屬板等)時，由于介質特性阻抗的變化，使部分聲能被屏障物反射回去，其中的一些聲能被屏障物吸收，還剩一部分聲能透過屏障物透射到另一個空間去，因為在傳播過程中有反射和吸收的效果，才降低了噪聲的傳播．由此可見，由屏障物引起的聲能降低的現象稱為隔聲．隔聲構件透聲能力的大小，用透聲系數τ來表示［4］:

式中:EA為入射聲能;EC為透射過去的聲能;τ為構件材料的透聲系數，它的值介于0～1．τ值越小，說明該構件與材料的隔聲性能越好．一般隔聲構件的τ值，范圍在10－5～10－1．

1.2 隔聲量與空氣層厚度相關公式

雙層墻結構的隔聲量，所采用的經驗公式估算(單位:dB):

式中:m1，m2分別為雙層板各自的質量;f為所處的頻率范圍;ΔR為空氣層附加的隔聲量．隨著空氣層厚度的增加，與其附加隔聲量也隨之增大．

2 艙室間各壁板連接結構的隔聲分析

因空氣層厚度與隔聲量的大小有直接關系．文中兩相鄰艙室由常規連接(即相鄰兩艙室連接的艙壁板夾角為0°)改為多角度連接，其艙室間的空間都由艙壁板進行全封閉的結構連接，以形成尖劈狀的空氣層，作為一種隔聲結構，來提高整體結構的隔聲性能．由于兩相鄰艙室的連接角度發生變化，這使得艙室間的空氣層厚度也隨之改變，直接影響到隔聲量的大小．

為了仿真驗證這種設計方法具有可行性，采用聲學分析軟件VAone，以兩個體積為1 m3的艙室作為研究對象，分別稱為振動源艙室和目標艙室，選用標準恒定輸入功率為1 W的結構噪聲源和混響聲場的聲壓為1 Pa的空氣噪聲源，作為施加在振動艙室里的激勵源，以及選用1/3倍頻程和頻率范圍在63～2 000 Hz，來研究聲波能量從振動艙室經過中間隔聲結構最后到達目標艙室的有效隔聲量的大小．

2.1 0°，15°，30°，45°艙室間壁板連接的隔聲結構

由圖1，2可見，在0°艙室間壁板連接下頻率f范圍為63～2 000 Hz，有效的隔聲量只有3 dB．這種常規壁板連接結構的隔聲效果不佳．

圖1 常規(0°角度)壁板連接的隔聲結構Fig．1 Insulation of routine connection

圖2 常規(0°角度)壁板連接結構的隔聲量Fig．2 TL of routine bulkhead connection

由圖3，4可知，在15°艙室間壁板連接下，有效的隔聲量呈明顯上升，隔聲的最高值達到38 dB．這相對于0°艙室壁板連結的隔聲量最高只有3 dB的數值有較大幅度地提高，直接表明了夾角間空氣層對隔聲起到十分顯著的隔聲效果．

圖3 夾角15°壁板連接的隔聲結構Fig．3 Insulation of angle 15°connection

圖4 夾角15°壁板連接結構隔聲量Fig．4 TL of angle 15°bulkhead connection

對比圖4，5，6可以發現:在頻率范圍為63～2 000 Hz內，呈30°夾角艙室壁板連接方式的隔聲量在整體上比夾角呈15°連接結構的隔聲量要略微多出1～2 dB．表明適度增大艙室間的夾角，使得空氣層厚度增加，能夠略微提高結構的隔聲性能．

圖5 夾角30°壁板連接的隔聲結構Fig．5 Insulation of angle 30°connection

圖6 夾角30°壁板連接結構隔聲量Fig．6 TL of angle 30°bulkhead connection

比較圖8與圖6的隔聲量，在各個中心頻率上，45°夾角的有效隔聲能力有所下降，隔聲量正比于頻率的斜率降低，且在低頻段的隔聲量和整體的隔聲能力都不如呈30°角的連接結構的隔聲效果明顯．同時說明了因角度的增大，當艙壁間空氣層的厚度達到一定量時，整體的隔聲性能開始下降．

圖7 夾角45°壁板連接的隔聲結構Fig．7 Insulation of angle 45°connection

圖8 夾角45°壁板連接結構隔聲量Fig．8 TL of angle 45°bulkhead connection

綜上所述:對比4組不同壁板連接結構的隔聲量，其中壁板夾角成30°的連接結構隔聲效果最佳．

2.2 含30°角艙室間壁板連接的分形結構

由兩艙室間壁板所連接而成的隔聲結構，在隔聲性能上有一定的局限性．在常規的工程作業中，以上呈多角度的隔聲連接結構比較浪費上層建筑的面積和空間資源，且艙室間的連接是成曲線形排布的，施工難度較大．然而，呈30°壁板連接的隔聲結構，其強度與剛度并不穩定，容易產生結構疲勞和裂紋，沒有安全保障．因此，在壁板夾角呈30°隔聲量最優的基礎上，提出3種艙室間含30°角的壁板相連的分形結構(圖9～14)．

由圖9可知，相鄰兩艙室連接成直線形方式排布．分形結構Ⅰ的振動艙室和目標艙室之間有成夾角型的空氣腔，且夾角為30°．分形結構Ⅰ與夾角成30°的艙室壁板的結構連接形式(圖6)，在整體的隔聲性能上近乎相同，兩者的隔聲量幾乎相等．這種隔聲分形結構便于建造與施工，保證艙室的結構強度．

圖9 含30°角壁板連接的分形結構ⅠFig．9 Fractal structureⅠwith angle 30°connection

圖10 含30°角分形結構Ⅰ的隔聲量Fig．10 TL with angle 30°fractal structureⅠ

圖11 含30°角壁板連接的分形結構ⅡFig．11 Fractal structureⅡwith angle 30°connection

由圖11可知，相鄰兩艙室連接成曲線形方式排布．在兩個艙室間的夾角1/2處額外加一層艙壁板，使中間被分割為2個成1/2夾角的相同體積且相互毗連的隔聲空間，且1/2夾角為15°．比較夾角成30°壁板連接的隔聲結構(圖6)和分形結構Ⅰ(圖10)的隔聲量發現:在各個中心頻率上，分形結構Ⅱ(圖12)的隔聲量最大，且隔聲量的差值大約保持在1～8 dB．可見分形結構Ⅱ的隔聲性能優于夾角成30°壁板連接的隔聲結構和分形結構Ⅰ．分形結構Ⅱ的排布提高了整體隔聲的降噪量．

由圖13可知，相鄰兩艙室連接成直線形方式排布．在兩個艙室之間，通過2個對角線相互交錯的艙室壁板的連接，將艙室之間的空間劃分成4個區域，形成了有內部夾角(即在兩艙室間的2個空間對角線上艙壁板的交錯連接而形成的內夾角，且內夾角為30°)的艙室連接結構形式．分形結構Ⅲ與夾角成30°的艙室壁板的結構形式(圖5，6)、分形結構Ⅰ(圖9，10)和分形結構Ⅱ(圖11，12)相比較，在63～2 000 Hz的各個中心頻率上，分形結構Ⅲ的隔聲量明顯高于分形結構Ⅱ，其差值均保持在6～11 dB，隔聲量都有著很明顯的提高，且更易于施工建造和保證艙室的結構強度．說明了在3種隔聲的分形結構中，含30°角分形結構Ⅲ的隔聲性能最優．

圖12 含30°角分形結構Ⅱ的隔聲量Fig．12 TL with angle 30°fractal structureⅡ

圖13 含30°角壁板連接的分形結構ⅢFig．13 Fractal structureⅢwith angle 30°connection

圖14 含30°角分形結構Ⅲ的隔聲量Fig．14 TL with angle 30°fractal structureⅢ

表1為在63～2 000 Hz之內和1/3倍頻程的中心頻率下，艙室間呈0°，15°，30°，45°壁板連接的隔聲結構與含30°角隔聲分形結構之間隔聲量的對比．

表1艙室間各壁板連接結構的隔聲量對比表Table 1 Transmission loss contrast with each structure of bulkhead connection amid cabins

3 結論

1)模擬計算了兩個相鄰艙室壁板間的夾角成0°，15°，30°，45°結構連結形式的隔聲量，通過對比仿真結果得到:艙室壁板間夾角成30°的結構連接形式，其隔聲量最大，整體的隔聲性能最好．

2)在優選出的夾角為30°結構連接形式的基礎上，又提出3種艙壁間含30°角的分形結構，通過仿真計算并對比其隔聲量的大小，再次選出隔聲效果最佳的分形結構Ⅲ，它除了保留了呈30°艙壁夾角的隔聲性能優勢之外，同時，還具備了分形結構Ⅰ和分形結構Ⅱ便于施工、保證艙室結構強度和提高降噪量的特點．

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(責任編輯:貢洪殿)

Noise reduction research of sound insulation structure with multi-angle amid adjacent cabins of FPSO

Liu Zihao，Dou Peilin*，Zhu Weilong，Zou Xiang
(School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang Jiangsu 212003，China)

Based on different angle transform，during the deliver process of incidence sound wave，with repeated reflection among bulkhead plates，sound energy was insulated and absorbed by junction structure and air layer．Three types bulkhead connections with inclued angle 15°，30°and 45°amid two adjacent cabins are used to modify the routine connection type of induded angle 0°．Based on the optimized style，three newtypes of connection，called fractal structure，is proposed to compare the amount of effective transmission loss once again，and the structure with the best effect of sound insulation selected out．

FPSO;bulkhead connection;sound insulation;connection type;fractal structure

U674.3

:A

:1673－4807(2015)05－0416－05

10．3969/j．issn．1673－4807．2015．05．002

2015－04－02

發改委研發與產業化基金資助項目(發改辦高技20131144)

劉子豪(1990—)，男，碩士研究生．*通信作者:竇培林(1964—)，男，教授，研究方向為船舶與海洋工程結構物設計制造．E-mail:yxdpl@yahoo．com．cn

劉子豪，竇培林，朱維龍，等．多角度隔聲結構設計對FPSO的降噪研究［J］．江蘇科技大學學報:自然科學版，2015，29(5):416－420．