海洋平臺艙室高頻噪聲預報與控制

陳　攀，漆瓊芳

海洋平臺艙室高頻噪聲預報與控制

陳攀1，漆瓊芳2

（1.中國艦船研究設計中心，武漢 430064；2.武漢理工大學 交通學院，武漢 430063）

基于統計能量分析法，建立海洋平臺高頻噪聲預報模型，采用VA One預報艙室有無舾裝材料的高頻噪聲，將計算得到艙室噪聲A聲級與規范要求值進行對比，分別得到滿足與不滿足噪聲規范要求的艙室。對不滿足規范噪聲要求的艙室采取降噪措施處理，并根據艙室能量輸入情況和能量傳遞路徑來確定阻尼材料最佳布置位置。根據不同吸聲材料在不同頻段內吸聲特點，對艙室布置多層吸聲材料組合并進行艙室聲壓級計算。選用序列二次規劃法，對多層吸聲材料厚度和重量進行聲學優化，并通過七組對比計算驗證優化結果的準確性。

聲學；海洋平臺艙室；統計能量法；噪聲預報；聲學優化

海洋平臺是海洋油氣開發的主要設備，平臺上的主機、振動篩等設備產生的高分貝噪聲會通過空氣和結構傳播到生活艙室，對海上作業人員的身心健康產生不利影響。自2014年7月1日起，IMO最新修訂的船舶噪聲防護規則（IMO468決議）正式生效，該規則對新建船舶采取“起居區降低5分貝”的強制性規定。目前我國造船行業在船舶設計階段前期很少應用聲學設計，造船企業僅在內舾裝階段采取補救措施，這只能解決局部問題，且直接增加平臺制造成本。如果在設計初期階段對平臺艙室噪聲進行預報，并進行結構聲學設計，可有效降低平臺建造成本，減少艙室噪聲。

目前船舶噪聲的分析方法包括有限元法、邊界元法和統計能量分析法等［1］。惠寧等以某南海深水項目的海洋平臺生活樓為研究對象，考慮結構聲和空氣聲的影響，認為海洋平臺生活樓的噪聲大多為高頻噪聲［2-3］。陳剛提出了基于VA One的深水半潛式海洋平臺的噪聲預報方法［4］。張國軍等用理論公式、經驗公式和試驗確定統計能量分析參數，對飛行器結構進行振動預報，并與試驗值進行對比，證明統計能量法是可靠的［5］。謝素明等應用SEA法計算了鐵路客車室內噪聲，對車廂的能量傳遞路徑進行分析，認為艙室低頻噪聲的主要能量輸入路徑是底板振動［6］。徐芹亮等運用統計能量法對平臺艙室的聲學吸聲材料進行優化設計［7］。邱斌等應用VA One預報高速船的艙室噪聲，并將A計權聲壓級與實船實驗值進行對比，驗證了噪聲預報方法的有效性［8］。

本文考慮有無舾裝材，分別對平臺艙室進行高頻噪聲預報，對比兩種情況下的聲壓級別，驗證舾裝材料對預報精度的影響程度。分析各個艙室的噪聲水平，結合規范要求判斷艙室噪聲是否滿足標準。根據噪聲超標艙室的能量輸入情況，對艙室敷設阻尼材料和吸聲材料等措施進行降噪處理。選用最小序列二次規劃法，對吸聲材料的厚度、重量進行優化，選取最佳的材料組合，并設置七組材料組合進行對比計算，驗證本文聲學材料優化方法的正確性。

1　海洋平臺噪聲統計能量分析

統計能量分析法根據統計密集模態平均的振動能量傳遞水平，將一個復雜的結構劃分成多個子系統，當某個或者某些子系統受到振動激勵時，子系統間就通過接觸邊界進行能量交換，列出每個子系統的能量平衡方程，最終得到一個高階線形方程組，求解得到每個子系統的能量，由該能量得到子系統的振動參數。統計能量分析法包括模態密度、內損耗因子、耦合損耗因子和輸入功率等統計能量參數。

根據海洋平臺基本結構圖和總布置圖，基于VA One軟件建立海洋平臺的統計能量分析模型。該平臺的主尺度如下：總長90 m、總寬62 m、型長65 m、型深8.2 m、雙層底高1.5 m、尾部樁腿中心距46 m、生活區共120位工作人員。統計能量分析法認為一個復雜的機械系統都可以化為一系列的子結構所構成的子系統來進行模型分析，復雜系統中的每個子結構（例如板、骨材、流體）都是包含許多不同模態的振蕩器，因此，如何建立物理子系統，合理劃分物理子系統也就成為應用統計能量分析法的關鍵。

針對該海洋平臺統計能量分析模型，用平板子系統模擬平臺的鋼板，加筋板子系統模擬加筋板，聲腔子系統模擬艙室，且劃分子系統時確保每個子系統的模態數大于5。根據文獻［9］可確定板的內損耗因子、聲腔子系統的內損耗因子、耦合損耗因子等統計能量分析參數。海洋平臺的主要振動噪聲源有主機、發電機、振動篩、暖通調節系統等，噪聲激勵參數可根據設備廠商提供的說明書得到，當廠商無法提供設備相關參數時，通過經驗公式、相似船型設備估算或者試驗測得。根據該平臺設備選型，主機、空調、振動篩等噪聲源的輸入功率均可由經驗公式計算。平臺空氣調節系統的激勵譜，根據相似海洋平臺設備估算得到［10］。空氣噪聲激勵將設備簡化成一個噪聲源，在相應聲腔中施加。結構激勵根據集中力或者加速度譜等施加到相應位置。對于本模型，在主發電機房、泥漿泵房、空調室的聲腔內分別施加發電機、振動篩、空調的空氣激勵，在艙室內對應的船底板上施加結構激勵。表1給出了海洋平臺的噪聲源激勵譜，采用1/3倍頻程，中心頻率單位為Hz，激勵的單位為dB，基準加速度和基準功率流均根據文獻［11］取值，結構激勵采用加速度譜，空氣激勵采用功率譜。

表1　噪聲激勵譜/dB

工程上一般選用63 Hz、125 Hz、250 Hz、500 Hz、1 000 Hz、4 000 Hz、8 000 Hz這7個1/3倍頻程為分析頻帶。對統計能量模型劃分子系統時，要保證子系統的模態數大于5。選擇子系統畫出模態數曲線，如圖1，給出了統計能量其中的4個子系統模態數沿著頻率變化的曲線，一般模態數隨著頻率的增加而增加，當子系統模態數為5時的計算頻率即為統計能量子系統的計算頻率下限，計算頻率超過這個值，統計能量模型有效，本模型的計算頻率下限為63 Hz。

圖1　統計能量子系統模態數

采用VA One計算后，圖2顯示了海洋平臺艙室在400 Hz時的聲腔聲壓云圖，可知艙室的聲壓云圖在給定頻率范圍內分布較均勻，靠近聲源的艙室聲壓級較高，隨著距離越遠聲壓級呈下降趨勢。圖3顯示了典型平臺艙室在計算頻域內的聲壓級，典型艙室包括二人間、餐廳等，預報的聲壓級在給定頻率范圍63 Hz～8 000 Hz內的聲壓級，聲壓級在計算頻域內A計權后，得到的聲壓級在90dB左右。

圖2　艙室在400 Hz時的聲腔聲壓云圖

圖3　不計內舾裝時聲腔聲壓級

船舶內舾裝結構主要是指分隔艙壁、襯板及天花板，舾裝材料不僅會影響聲腔之間的聲學傳遞特性，同時也會影響結構的阻尼水平，從而影響到噪聲的預報精度。對平臺的圍壁與露天甲板，內裝材料防火的防火等級滿足A-60級，因此內裝材料選擇40 mm厚防火陶瓷棉+30 mm厚復合巖棉板+1 mm鍍鋅鐵皮或不銹鋼皮或鋁箔玻璃布。對于有隔熱隔聲要求且滿足防火A-0級的艙室襯板，內裝材料選擇100 mm厚隔熱陶瓷棉+30 mm厚復合巖棉板天花板+1 mm鍍鋅鐵皮或不銹鋼皮或鋁箔玻璃布。對艙室敷設舾裝材料計算得到有舾裝材料時的艙室聲壓級。

表2列出了有無艙室舾裝材料兩種情況下艙室的A計權聲壓級，在計舾裝和不計舾裝材料時，分別得到艙室的A計權聲壓級，并與規范值進行比較。所考慮艙室的聲壓級除了二人間2，其他艙室均符合規范標準。

表2　艙室A聲級預報結果/dB

圖4為二人間2艙室有無內裝的艙室A計權聲壓級，在給定頻率范圍63 Hz～8 000 Hz范圍內，二人間2的聲壓級相差較大，且隨著頻率的增加，相差越大，分析原因可能是隔聲材料對高頻噪聲吸聲效果好。從表2可知二人間2有無內裝A計權聲壓級差值達16 dB。為了滿足隔聲、隔熱、防火等要求，所敷設的隔聲材料對艙室高頻噪聲有很好的降低作用，有的艙室甚至達到21 dB。可見預報海洋平臺艙室噪聲時，艙室內裝材料對預報結果有很大影響，計算時不可忽略。

3　艙室的噪聲控制

由表2可知二人間2的噪聲水平超標，需要對艙室敷設阻尼材料進行降噪處理。對艙室進行降噪處理時，根據能量輸入的主要來源及其傳播途徑，可以有針對性地對噪聲聲壓級較大的子系統進行噪聲處理。主機和應急電機等設備距離生活服務區較遠，其輻射噪聲對生活區影響非常小，上層建筑的噪聲主要來自暖通系統的空氣噪聲和結構噪聲。

圖4　無舾裝和有舾裝聲壓級區別

從圖5的輸入能量貢獻量可知，對二人間2的能量輸入貢獻最大的為2-前F，根據總布置圖可知，該區域為空調室，所以對上層建筑生活區進行噪聲控制的最佳位置為該空調室及其鄰近的艙室。在艙室表面敷設T 54阻尼材料，求解模型得到二人間2的聲壓級隨頻率的變化曲線，A計權后的聲壓級是53 dB，下降了5 dB，最終艙室聲壓級滿足規范要求。

圖5　能量輸入示意圖

4　吸聲材料的聲學優化

平臺設計初期很少考慮聲學技術的應用，致使某些艙室噪聲水平超標，須在內舾裝階段采取補救措施，根據艙室不同舾裝材料的隔聲性能，尋求最佳吸聲材料組合，可以為海洋平臺噪聲預報及舾裝聲學設計提供參考。目前船舶行業常用的阻尼材料和吸聲材料有聚酯、聚氨酯、玻璃纖維、三聚氰胺、復合巖棉、隔熱陶瓷棉等。這些吸聲材料不僅要求吸聲效果好而且還應滿足相應艙室的防火要求。根據文獻［12］可知吸聲材料的吸聲屬性，將吸聲材料敷設在空調室的艙壁，材料厚度各為50 mm時，表3給出典型吸聲材料的吸聲效果，圖6顯示了艙室敷設吸聲材料時不同頻率下的A聲級。

圖6　不同吸聲材料吸聲效果

表3　吸聲材料吸聲效果

不同材料在不同頻率下的吸聲效果不同，因此可以對不同材料進行組合，組合后的吸聲材料吸收寬帶聲波，因此水下吸聲結構，汽車的內部結構等常用到多層組合材料。若對組合材料分層方式進行優化設計，不僅可以使質量減少還可以使吸聲效果達到最優。隔熱陶瓷棉和玻璃纖維在高頻階段吸聲效果好，復合巖棉和隔熱陶瓷棉的吸聲效果和隔熱效果都很好。該海洋平臺的機艙、暖通系統艙室的地板、圍壁、天花板選用復合巖棉和隔熱陶瓷棉材料；對于不需要很高隔熱要求的居住艙室，為了減少材料重量，適宜選用三聚氰胺、聚酯泡沫、玻璃纖維。

根據吸聲材料的特性選取吸聲材料的組合后，對吸聲材料聲學進行優化。序列二次規劃法（SQPSequential Quadratic Programming）適用于處理中小規模非線性規劃問題，包括解析方法和數值方法，當目標函數和約束條件有明確的解析式時應用解析方法，反之則需要用數值方法。數值方法是通過序迭代來找尋最優解，給定設計變量一個初始值，通過目標函數和約束函數的梯度來確定搜索方向，給定約束條件和步長，程序會在搜索方向上按照給定的步長找到下一個設計變量的循環值。

選取聚氨酯、三聚氰胺、玻璃纖維這三種吸聲材料的厚度作為初始變量，并根據實際工程應用，設置吸聲材料厚度的初始值和厚度上下限值。初始條件：聚氨酯20 mm+三聚氰胺20 mm+玻璃纖維10 mm，且三種吸聲材料厚度和的上限為50 mm。初始條件工況計算的艙室聲壓級95.5 dB，吸聲材料總重量46.8 kg。

序列二次規劃法的約束條件為：聲壓級95.5 dB，總重量46.8 kg，三種材料厚度和為50 mm，且厚度都大于0小于50 mm。目標函數設定為聲壓級最小。應用序列二次規劃法，迭代24次后，最終確定聚氨酯10 mm+三氰胺30 mm+玻璃纖維10 mm為最佳吸聲材料組合方式。

為了驗證優化結果是否正確，表4中設計了七組驗證試驗，通過改變吸聲材料的厚度，逐次運行程序，得到降噪量和吸聲材料重量，從對比結果證明序列二次規劃法計算得到的最優解不僅吸聲效果好而且相對質量小，該優化結果是有效的。

表4　驗證對比試驗

5　結語

基于統計能量分析方法，對海洋平臺艙室高頻噪聲進行預報，根據經驗公式、相似模型與說明書，得到結構子系統的損耗因子、耦合損耗因子等統計能量參數，確定主機、發電機、空調等噪聲源空氣噪聲和結構噪聲激勵，采用VA One計算艙室高頻噪聲，給出艙室的聲壓云圖和A計權聲壓級。對比艙室噪聲級結果與規范要求值，對不滿足規范噪聲要求的艙室采取降噪措施處理，依據噪聲超標艙室的能量輸入情況和能量傳遞路徑來確定阻尼材料的最佳布置位置。根據吸聲材料的吸聲特點，對艙室布置多層吸聲材料組合進行研究，從以上研究得到以下結論：

（1）艙室有無舾裝材料時，艙室A計權聲壓級差別較大，表明舾裝材料對噪聲預報精度有明顯影響。對不滿足規范要求的艙室采取降噪措施，通過艙室的輸入功率和能量傳遞路徑，確定阻尼材料最佳布置位置。

（2）分析五種常用吸聲材料的吸聲效果和吸聲特性，根據海洋平臺實際需求，選用三種合適的吸聲材料組合，采用序列二次規劃算法迭代搜索尋找最優解，得到降噪效果最好且重量滿足要求的三種材料的最佳厚度。通過七種對比試驗，驗證該算法得到的最優解的有效性。

確定統計能量分析參數，再分析能量傳遞路徑，最后對艙室吸聲材料聲學組合進行優化，形成一套艙室噪聲預報及優化流程，對平臺艙室布置及吸聲材料選擇等方面提供了參考，具有一定的實際工程應用價值。

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［12］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.

Prediction and Control of Cabin High-frequency Noise of Offshore Platforms

CHENPan1，QI Qiong-fang2
（1.China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China；2.School of Transportation，Wuhan University of Technology，Wuhan 430063，China）

Based on statistical energy analysis（SEA），the model for high frequency noise prediction of offshore platforms is established.Using the VA One software，the high-frequency noise is predicted in the cases of considering and without considering outfitting materials.Comparing the calculated A-level of sound pressure of the cabin noise with the specification value，the cabins which do not satisfy the noise specification are extracted and treated with noise control measures.In addition，according to the energy input situation and energy transfer path of the cabins with excessive noise，the optimum layout of the damping materials can be determined.Based on the material sound absorption characteristic within different frequency band，multilayer sound-absorbing materials are applied to the cabins to reduce sound pressure level.The thickness and mass of the sound-absorbing materials are optimized by using Sequential Quadratic Programming.The results are verified by mutual comparison of the results of simulations.

acoustics；offshore platform；statistical energy analysis；noise prediction；acoustical optimization

TB533.2

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.03.019

1006-1355（2016）03-0089-05

2015-10-16

陳攀（1989-），男，湖北省宜昌市人，工學碩士，主要研究方向為為船舶結構動力學。E-mail：panda3267@126.com