多纜地球物理勘探船艙室噪聲預報及控制研究

任康旭， 姚　雯， 肖文偉， 田　穎

(1.上海船舶工藝研究所， 上海 200032； 2.中船澄西船舶(廣州)有限公司， 廣東 廣州 511462)

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多纜地球物理勘探船艙室噪聲預報及控制研究

任康旭1， 姚雯1， 肖文偉2， 田穎1

(1.上海船舶工藝研究所， 上海 200032； 2.中船澄西船舶(廣州)有限公司， 廣東 廣州 511462)

以多纜地球物理勘探船(以下簡稱物探船)為研究對象，分析了物探船主要的噪聲源，包括主機、發電機組、螺旋槳工作產生的空氣和結構噪聲等。在滿足MSC.337(91)《船上噪聲等級規則》的艙室噪聲標準限值要求基礎上，采用商用船舶聲學設計評估軟件建立全船統計能量模型，對其進行艙室噪聲預報，并針對結果提出可供參考的減振降噪設計建議，從而為提出聲學設計和噪聲控制重點奠定基礎。

艙室噪聲統計能量分析噪聲預報

0　引言

隨著陸地石油資源的枯竭以及石油價格的居高不下，越來越多的海工裝備被用于海洋油氣資源的勘探與開采。海洋油氣勘查是一個高技術密集的領域，主要包括海洋油氣地球物理勘探技術、海洋油氣鉆探技術。三維高性能深水物探船是海洋油氣勘探、開發、利用這條產業鏈上的一個重要環節。其所需裝備技術的發展是決定未來海洋優勢，提升國家競爭的關鍵所在。高性能物探船的建成和使用，將極大地提高國內的三維地震采集能力，對中國近海石油的勘察和開采具有十分重要的意義。

為最大限度地降低海上移動平臺以及平臺上人員和環境的風險，2009年國際海事組織(IMO)在第26屆大會上以A.1023(26)號決議通過了《2009年海上移動式鉆井平臺構造和設備規則》(2009年MODU規則)，對平臺設計和建造中有害物質的使用、噪聲控制等方面提出了要求。

物探船是利用聲納發射、接受聲波來進行深海石油等資源進行勘探的船舶。對于物探船而言，如果其水下輻射噪聲過大，將會降低自身聲納的探測功能，從而嚴重影響到勘探工作的完成質量，而艙室噪聲的大小更是極大程度上會影響船員居住和工作的舒適度。因此，多纜高性能地球物理勘探船對于噪聲的控制要求將高于常規船舶。同時，多纜高性能地球物理勘探船是復雜的工程結構物，采用有限元方法進行結構動力響應分析時，結構有限元模型規模比較大、激勵源也比較多，比常規的船舶噪聲計算更為復雜。

1　物探船艙室噪聲限值要求

物探船振動與噪聲水平可按照ISO6954《機械振動和沖擊——商船振動綜合評價指南》、MSC 337(91)《船上噪聲等級規則》的要求，或者按照各船級社對于振動和艙室舒適度的附加船級符號來要求。物探船因作業周期較長、大功率機械設備多和艙室空間狹小等特點，船員及特殊人員長期受到振動、噪音的侵擾，對于艙室舒適度及特殊工作艙室的振動、噪音控制要求比普通商船更為嚴格。噪音方面除滿足MSC 337(91)外，還應滿足表1和表2的要求。

表1　物探船各場所允許的最大噪聲量級

注：當在距離通風進出3 m內測量時可以接受5 dB(A)的偏差。

表2　物探船船員處所最小空氣聲隔聲指數

2　艙室預報評估技術

2.1預報評估方法

目前，主要采用統計能量分析法(SEA)作為物探船艙室噪聲的評估方法。統計能量分析法(SEA)起源于20世紀60年代，由Lyon首先提出，用于研究結構高頻的動態特性。此方法的基本思想是：從“統計”的觀點出發，忽略了艦船建造的許多具體細節，即允許有較粗略的模型，并以“能量”作為獨立的動力學變量，利用統計量描述系統在外載荷作用下的動力特性，能夠較好地解決結構和聲場之間的耦合問題。

由于采用統計能量分析方法計算得到的振動與聲輻射的結果都是基于時間或空間上的平均值，因此該方法正是利用了結構高階模態密集性這一特性來實施預報，這是因為分析頻帶內的模態越多，得到的平均值就越接近真實結果，能在高頻段內有效地分析出結構的振動響應與聲輻射狀況。國內基于統計能量法針對船舶艙室噪聲預報也開發了相應的數值計算軟件Cabin Noise等。

為完成物探船艙室的噪聲評估工作，需依次實現圖1中所示的基本功能。

圖1　評估流程圖

2.2材料屬性

船舶結構的材料特性主要包括彈性模量、泊松比、密度、損耗因子(倍頻程形式)等。

結構子系統的屬性主要包括船舶結構的材料特性、厚度、加強筋情況(面積、慣性矩、間距等)、內飾結構情況(材料特性、厚度等)。

聲腔子系統的屬性主要包括介質特性(聲速和密度)、吸聲系數(倍頻程形式)等。

賦予子系統屬性時需要選擇相應材料特性參數。材料特性可以根據查找相關的材料手冊或者由廠家提供。結構參數則主要根據設計圖紙獲得。

2.3船舶內飾材料的考慮方式

由于物探船內飾材料及布局會影響船體結構的阻尼，影響聲學的傳遞特性，從而影響預報精度，因此在進行艙室噪聲預報時，需要考慮船舶內裝及布局對計算結果的影響。首先，應該結合內裝布置圖，在不同的位置布置相應的內裝材料，并設計其相應的材料屬性(厚度、阻尼系數、吸聲系數等)。

在模型的建立過程中可以定義噪聲控制處理方案(Noise Control Treatment，簡稱NCT)，如圖2所示。通常情況下，NCT是通過分層定義的，每一個NCT都可以有很多個層(Layer)，能夠模擬實際施工中各個噪聲控制材料的排列順序，物探船部分結構的NTC設置方法如表3所示。NCT的計算通過兩種方式進行：(1)聲腔介質吸聲系數的計算可通過“Cavity Subsystem Dialog”復選框中勾中“Using the absorption from NCT”來計算；(2)板系統的損耗因子可通過“Plate Subsystem Dialog”復選框中勾中“Using the damping from NCT”來計算。

圖2　NCT定義方法

NCT層數Layer1Layer2Layer3Layer4艙室內部艙壁巖棉空氣復合巖棉板/艙室外圍艙壁A60級硅酸鋁硬氈玻璃絲布空氣復合巖棉板巖棉玻璃絲布空氣復合巖棉板天花板A60級硅酸鋁硬氈玻璃絲布空氣復合巖棉板巖棉玻璃絲布空氣復合巖棉板甲板敷料乳膠水泥流平敷料塑料地板/乳膠水泥流平敷料橡膠地板/乳膠水泥流平敷料地毯/

表3為NCT設置方法。其中塑料和橡膠地板的內損耗因子按照高分子聚合物損耗因子的最小值取0.1，乳膠水泥及流平敷料的內損耗因子按照水泥損耗因子的較小值取0.02，復合巖棉板的內損耗因子取0.015。其他材料屬于纖維狀材料，其內損耗因子由統計能量分析軟件自行計算。

3　噪聲源分析

根據多纜高性能地球物理勘探船的總體布置情況，確定了物探船的主要噪聲源分為機械噪聲、螺旋槳噪聲和水動力噪聲三大類。主要噪聲源為：主機、柴油發電機組、泵機、通風管路、螺旋槳。確定了物探船的主要噪聲分為機械噪聲、螺旋槳噪聲和水動力噪聲三類。主要噪聲源為主機、柴油發電機組、泵機、通風管路、螺旋槳。

在確定主要噪聲源的基礎上，分析了多纜高性能地球物理勘探船噪聲傳遞路徑，多纜高性能地球物理勘探船噪聲傳遞路徑主要有三種：空氣傳遞、結構傳遞和水下傳遞。其中船上噪聲主要通過空氣介質和船體結構兩種途徑傳遞，以空氣噪聲和結構噪聲兩種方式傳播。空氣噪聲主要在距噪聲源較近或者含有噪聲源的艙室(如機艙、空調機室、泵艙等)中傳播；結構噪聲主要是由船上噪聲源通過機座等的振動傳到船體結構上。

3.1柴油發電機組

4臺柴油發電機組分別位于85#～100#肋位。柴油機型號為W?rtsil?9L32，額定功率為4 200 kW，額定轉速為750 r/min。柴油發電機組的空氣聲和結構聲分別如表4所示。

表4　柴油發電機組空氣聲和結構聲

3.2推進電機

兩臺推進裝置分別位于35#～45#肋位，推進電機為西門子1RN6714-8HV90-Z，額定功率為4 500 kW，額定轉速為750 r/min。推進電機的空氣聲和結構聲如表5所示。

表5　推進電機空氣聲和結構聲

3.3螺旋槳

螺旋槳為四葉槳，可變螺距，直徑為4.2 m，額定轉速為146 r/min。螺旋槳的結構聲如表6所示。

表6　螺旋槳結構聲

4　艙室噪聲預報

4.1模型建立

為了計算物探船各主要艙室的空氣噪聲，建立全船艙室噪聲計算模型(見圖3)，采用統計能量法對艙室噪聲進行計算。

圖3　多纜高性能地球物理勘探船全船艙室聲腔模型

4.2計算結果

本文主要關注的是居住區域的艙室噪聲。居住區域主要位于第6甲板至駕駛室頂甲板80#～125#肋位，以及第1甲板至第5甲板80#～150#肋位。計算得到的該船有代表性的艙室噪聲結果節選如表7所示。噪聲限值來源于MSC 337(91)《船上噪聲等級規則》。

表7　艙室噪聲計算結果節選

4.3降噪建議

從計算結果來看，物探船整體上處于良好水平。綜合考慮到物探船對船體機械振動環境要求比較高、船舶自噪聲對測量區域被探測目標的影響要小、動力設備產生的振動噪聲對船上作業人員身體、心理、情緒的影響要小等因素，提出以下降噪建議：

(1) 由于3甲板和2甲板在機艙區域，離機艙聲源較近，受激勵源結構噪聲影響較大，兩層甲板上布置的居住艙室雖都能滿足規范要求，但部分艙室預報值接近限制值，建議加厚舾裝材料，或適當運用阻尼材料，降低結構聲傳遞的影響。

(2) 位于85#～100#肋位的4臺柴油發電機組，建議在機組外部設置相應的圍壁和天花板，形成柴油發電機組艙室(注意考慮柴油機送風)，從而降低柴油發電機組的空氣噪聲對全船噪聲的影響。

5　小結

結合多纜高性能地球物理勘探船的結構特點，根據該船主要物探頻段特點，對船上主要噪聲源，如主機、柴油發電機組、泵機、通風管路、螺旋槳等特性參數進行測量、收集、分析和整理，為載體船聲學設計評估提供必要的輸入數據。選取統計能量法，重點開展多纜高性能地球物理勘探船噪聲源分析、控制和評估研究，并提出船舶噪聲控制措施，為設計其噪聲控制方案打下基礎。

[1]MSC 337(91). Code on noise levels on board ships[S].2012.

[2]姚德源,王其政.統計能量分析原理及其應用[M].北京:北京理工大學出版社，1995.

[3]馬大猷.噪聲與振動控制工程手冊[M].北京:機械工業出版社，2002.

[4](俄)阿·斯·尼基福羅夫著，謝信，王軻譯校.船體結構聲學設計[M].北京:國防工業出版社,1998.

[5]Riehard H L. Statistical energy analysis of dynamical systems: theory and applications[M]. Massachusetts: MIT Press, 1975.

[6]李澤成. 船舶艙室噪聲預報方法分析與評估計算[C]//中國船舶科學研究中心科技報告，2013.

Research on Cabin Noise Prediction and Control for Multi Cable Geophysical Prospecting Ship

REN Kang-xu1， YAO Wen1， XIAO Wen-wei2, TIAN Ying1

(1.Shanghai Shipbuilding Technology Research Institute， Shanghai 200032， China;2.Chengxi Shipyard (Guangzhou) Co., Ltd., Guangzhou Guangdong 511462, China)

Cabin noise on multi cable geophysical prospecting ship was researched in this paper.Firstly， geophysical prospecting ship noise source, including host, generator set, propeller was analyzed. Secondly, based on statistical energy analysis theory, a numerical model was build to compute ship cabin noise.Then， the vibration noise reduction design suggestions, which laying a foundation for acoustic design and noise control were proposed.

Cabin noiseStatistical energy analysisNoise prediction

任康旭(1982-)，男，工程師，從事船舶與海洋工程制造技術研究。

U663

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