鉆井輔助駁船艙室噪聲預報與控制

張清，陳超核

鉆井輔助駁船艙室噪聲預報與控制

張清，陳超核

基于統(tǒng)計能量分析(SEA)方法，采用VA One軟件建立鉆井輔助駁船的聲學模型，對該駁船艙室進行噪聲預報,能量傳遞路徑分析表明，非激勵源艙室主要受結(jié)構(gòu)噪聲影響。選取機艙和某居住艙為對象，分別針對結(jié)構(gòu)和空氣噪聲采取相應(yīng)的降噪措施，對某居住艙阻尼減振措施進行優(yōu)化分析，結(jié)果顯示，降噪效果并非隨阻尼層厚度的增加而線性增加，而是存在一最優(yōu)值。研究驗證了統(tǒng)計能量分析方法在船舶設(shè)計階段對噪聲預報和控制的適用性。

鉆井輔助駁船；統(tǒng)計能量分析(SEA)；噪聲預報；阻尼減振

目前，噪聲預報的常用方法有經(jīng)驗預測法、有限元法、邊界元法和統(tǒng)計能量分析法等[1]。在船海工程領(lǐng)域，主要采用統(tǒng)計能量分析方法預報和分析艙室噪聲。在海洋平臺[2-4]、艦船[5]及高速船[6]艙室噪聲預報及控制上統(tǒng)計能量分析方法均有大量應(yīng)用研究。但針對無自航能力，且電機功率又很大的鉆井輔助駁船，未見相關(guān)研究報道。為此，借助VA One軟件，采用統(tǒng)計能量分析方法，對某多功能鉆井輔助駁船進行艙室噪聲預報，分析各艙室的噪聲水平，并判斷是否滿足規(guī)范標準。以部分噪聲超標艙室為分析對象，從結(jié)構(gòu)和空氣噪聲兩方面著手進行降噪，并對某居住艙室通過阻尼減振，并優(yōu)化阻尼層厚度。

1 駁船SEA模型及參數(shù)

1.1 模型的建立

某多功能浮式鉆井輔助駁船(以下簡稱駁船)主船體結(jié)構(gòu)為鋼質(zhì)單殼雙底，總長99.96 m，型寬29.90 m，型深13.10 m，設(shè)計吃水5.60 m，入ABS級。

根據(jù)駁船基本結(jié)構(gòu)圖和總布置圖，對船體進行適當簡化，在MSC.Patran中建立結(jié)構(gòu)有限元模型，然后導入到VA One中，進行子系統(tǒng)的劃分，以加筋板子系統(tǒng)來模擬船體板，聲腔子系統(tǒng)來模擬艙室空間，半無限流體子系統(tǒng)來模擬舷外水吸收的聲輻射能量。最終的SEA模型如圖1所示。

駁船總共設(shè)有3層甲板，首層為露天甲板，主要用于堆放鉆井包和鉆井管；第2層為主甲板，主要作為儲存室；第3層為底層甲板，主要作為倉庫。全船的節(jié)點數(shù)和子系統(tǒng)數(shù)見表1。

表1 子系統(tǒng)數(shù)目 個

1.2 參數(shù)的確定

1)由近似估算，板內(nèi)損耗因子取0.004，聲腔的內(nèi)損耗因子為

(1)

式中：c為介質(zhì)中的聲速；α為壁面平均吸聲系數(shù)；f為頻率;S和V為聲腔的表面積和體積。

2)耦合損耗因子由VA One軟件內(nèi)自帶模塊根據(jù)耦合子系統(tǒng)間的具體連接狀況、相鄰子系統(tǒng)屬性自動計算。

3)模態(tài)密度和模態(tài)數(shù)。以模態(tài)數(shù)N作為作為區(qū)分高低頻域的標準，當：模態(tài)數(shù)N>5時，屬于高頻區(qū)域；5>N>1時，屬于中頻區(qū)域；N>1時，屬于低頻區(qū)域。

把N≥5作為SEA方法使用的良好條件[7]。本駁船部分子系統(tǒng)的模態(tài)數(shù)見圖2所示。

由圖2可見大部分子系統(tǒng)的模態(tài)數(shù)在63 Hz以上大于5，符合SEA方法的使用條件，故以倍頻程63～8 000 Hz作為分析頻段。

4) 輸入激勵。本駁船采用6臺CAT3516柴油發(fā)電機組，額定功率為1 600 kW，額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min,重量16 125 kg。由于駁船本身沒有自航能力，在生產(chǎn)平臺上開展鉆井、修井工作時，噪聲主要來自發(fā)電機組、空調(diào)、泵和風機等機械設(shè)備產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)噪聲和空氣噪聲。對于本模型，相對于其他同類型駁船3臺主機的配置，本駁船6臺電機激勵占噪聲激勵主要成分，暫不考慮泵、空調(diào)和風機的影響，在主發(fā)電機房聲腔內(nèi)施加發(fā)電機空氣激勵(用聲功率級LW表示)，在艙室內(nèi)對應(yīng)的船底板上施加結(jié)構(gòu)激勵(用加速度級La表示)，根據(jù)經(jīng)驗公式[8]進行估算。

(2)

式中：m為主機質(zhì)量，kg；Pe為主機額定功率，kW；ne為主機額定轉(zhuǎn)速，r/min；n為主機工作轉(zhuǎn)速，r/min；f為倍頻程中心頻率，Hz。

空氣激勵(聲功率級LW參考聲功率W0=10-12W)按文獻推薦公式估算。

LW=10lgPe+57+CW

(3)

式中：Pe為主機額定功率，kW；CW為電機空氣噪聲的倍頻程修正值。

激勵源的振動加速度級頻譜及空氣噪聲聲功率級頻譜見表2。

表2 激勵源頻譜

2 艙室噪聲預報分析

2.1 艙室噪聲預報

利用VA One進行計算，駁船部分艙室噪聲聲壓級見圖3。

駁船艙室的總聲壓級見表3。

表3 駁船艙室總聲壓級 dBA

從噪聲預報結(jié)果來看，在僅考慮主發(fā)電機激勵且不計內(nèi)舾裝時，大部分艙室噪聲級超過了ABS標準規(guī)定的艙室噪聲標準。

2.2 噪聲傳播途徑

為了探討不同艙室受空氣噪聲和結(jié)構(gòu)噪聲的影響方式，給出主機空氣噪聲和結(jié)構(gòu)噪聲單獨作用下各艙室的響應(yīng)見圖4。選取主甲板上激勵源艙室(主發(fā)電機艙)和餐廳、底層甲板上的倉管員辦公室以及尾部上建醫(yī)務(wù)室和2人間(101)為參考對象，計算頻率范圍為63～8 000 Hz。其中空心點曲線為只有機艙噪聲源的激勵，實心點曲線為只有機艙結(jié)構(gòu)噪聲激勵。

由圖4可見，主機結(jié)構(gòu)噪聲激勵單獨作用時，主機艙(激勵源室)噪聲為110.73 dBA；主機空氣噪聲激勵單獨作用時，主機艙噪聲為118.54 dBA。考慮到空氣噪聲激勵為直達聲，故激勵源艙室受其作用明顯，但隨著傳播距離變遠，空氣噪聲會逐漸衰減，所以其他艙室受空氣噪聲影響不如機艙明顯；而結(jié)構(gòu)噪聲可以通過船體板的振動進行傳播并能傳播得很遠，對非激勵源艙室的作用較為明顯。

比較圖3、4可知，隨著頻率的增加，各艙室內(nèi)的聲壓級逐漸降低；除主機艙外，各艙室在主激勵源空氣噪聲和結(jié)構(gòu)噪聲共同作用下和主激勵源的結(jié)構(gòu)噪聲激勵單獨作用下，其總聲壓級基本接近，這說明在僅考慮發(fā)電機激勵狀態(tài)下，激勵源以外的艙室噪聲水平主要是由結(jié)構(gòu)噪聲激勵所貢獻的。

3 艙室噪聲控制

3.1 結(jié)構(gòu)噪聲控制

依據(jù)噪聲控制原理，采取在模型中對發(fā)電機組建立基座并設(shè)置線隔振來模擬實現(xiàn)隔振措施。在VA One隔振設(shè)置項中有點隔振、線隔振及面隔振等。根據(jù)設(shè)備情況，在6臺發(fā)電機所在機艙甲板上分別建立基座模型，將結(jié)構(gòu)激勵施加在基座上，并在基座與機艙甲板間線連接內(nèi)設(shè)置隔振彈簧，參數(shù)設(shè)置見表4。

表4 隔振彈簧參數(shù)

選取主甲板上激勵源艙室(主發(fā)電機艙)和餐廳，底層甲板上的倉管員辦公室以及尾部上建醫(yī)務(wù)室和2人間(101)為分析對象，添加彈性基座前、后艙室的響應(yīng)見圖5。

艙室添加彈性基座前、后的修正值見表5。

表5 艙室添加彈性基座前、后預報值與ABS標準限值 dBA

由表5可見，在采取隔振基座措施后，非激勵源艙室降噪效果明顯，平均有10 dB的噪聲衰減，而機艙降噪效果并不顯著，考慮到機艙噪聲幅值主要受空氣噪聲影響，故從降低結(jié)構(gòu)噪聲激勵角度進行降噪，對機艙降噪效果不大，這與文獻[5]的分析結(jié)果一致。

3.2 空氣噪聲控制分析

考慮到空氣噪聲激勵為直達聲，且其對機艙噪聲起主導作用，在機艙范圍內(nèi)敷設(shè)阻尼材料以及吸聲材料對激勵源所在主機艙的影響不大，因為吸聲材料和阻尼材料主要是用來降低混響聲，其對直達聲影響較小[10]。對于高速主推進柴油機、電站通常采用雙層隔振方式。對振動噪聲要求更高的情況，通常采用加隔聲罩的箱裝體隔振隔聲裝置方式。

故對本駁船采用添加隔聲罩措施來進一步降低機艙噪聲幅值。隔聲罩采用方形結(jié)構(gòu)，內(nèi)板和外板均為2 mm鋁板，中間為70 mm超細玻璃棉，底部通過設(shè)置線連接方式實現(xiàn)與基座彈性連接。添加隔聲罩前、后機艙的響應(yīng)如圖6所示。

由于隔聲罩的添加，機艙噪聲幅值降到了95.41 dB，達到了規(guī)范要求。可以看出隔聲罩對直達聲影響顯著，在250 Hz以后隔聲值明顯上升，隔聲效果也越發(fā)明顯，從降噪效果來看，隔聲罩對中高頻范圍降噪效果明顯優(yōu)于低頻范圍。

3.3 人員艙室阻尼減振及優(yōu)化

2人間(以下簡稱101室)的輸入能量見圖7，可以看出船長室及其甲板、101室甲板(即醫(yī)務(wù)室天花板)及四壁板子系統(tǒng)對艙室聲腔能量貢獻較大。

由前面分析可知101室噪聲主要由機艙結(jié)構(gòu)噪聲激勵造成，故通過常規(guī)的敷設(shè)吸聲材料來降低噪聲方法意義不大。自由阻尼對降低結(jié)構(gòu)噪聲激勵的傳播較為有效，主要是通過增大結(jié)構(gòu)損耗因子進而提高抗振性，降低結(jié)構(gòu)輻射噪聲[13]。結(jié)合圖7，對101室天花板、四壁及甲板敷設(shè)與甲板厚度(8 mm)相同的SA-3型橡膠阻尼材料，阻尼損耗因子取0.81。降噪前后的聲壓級對比見圖8。

由圖8可知，101室在采取減振措施之后其總聲壓級下降了6 dB，但還需進一步優(yōu)化。

選用16、24、32 mm 3種不同厚度的阻尼層分別對101室進行降噪，并與8 mm厚度比較分析，其結(jié)果如圖9。

由圖9可知，101室的總聲壓級并不是隨著阻尼層厚度的增加而線性遞減的，從8～16 mm，16～24 mm，24 ～32 mm之間總聲壓級分別下降了4.0 dB、2.0 dB和1.1 dB。可以看出，盲目增加阻尼層厚度并不能取得很滿意的結(jié)果，阻尼層厚度存在一個最優(yōu)值。敷設(shè)自由阻尼層主要是通過增大系統(tǒng)結(jié)構(gòu)阻尼來減小振動噪聲，且自由阻尼層的組合結(jié)構(gòu)損耗因子是隨阻尼層和基本彈性層的厚度比先增大后趨于不變[12]。考慮經(jīng)濟性、施工、船體重量等綜合因素，建議阻尼層敷設(shè)厚度為艙室甲板厚度的2倍。

從圖7可以看出，與101室相鄰的船長室與醫(yī)務(wù)室對噪聲也有一定貢獻，對他們進行降噪處理的同時勢必會對101室有所影響。在101室各板內(nèi)側(cè)阻尼層厚度為8和16 mm 2種情況下，對101室天花板外側(cè)(船長室甲板)及甲板外側(cè)(醫(yī)務(wù)室天花板)分別敷設(shè)8、16、24 mm厚度的阻尼層，比較分析，見表6。

表6 板內(nèi)外側(cè)不同阻尼層厚度下的101室總聲壓級

由表6可知，101室板內(nèi)側(cè)阻尼層敷設(shè)厚度為8和16 mm 2種情況下，天花板和甲板外側(cè)阻尼層敷設(shè)厚度從8～16 m和16～24 mm之間，總聲壓級分別下降了2.2 dB、1.3 dB、0.8dB、0.6 dB，而且當天花板和甲板內(nèi)側(cè)阻尼層厚度為8 mm，外側(cè)阻尼層為16 mm的聲壓級與板內(nèi)側(cè)阻尼層厚度為16 mm，板外側(cè)阻尼層為8 mm的聲壓級近似相同，明顯前者更具經(jīng)濟性。但如果從施工角度考慮，建議101室甲板敷設(shè)16 mm阻尼層，四壁和天花板敷設(shè)8 mm阻尼層，甲板外側(cè)(醫(yī)務(wù)室天花板)敷設(shè)8 mm阻尼層，天花板外側(cè)(船長室甲板)敷設(shè)16 mm阻尼層。

4 結(jié)論

1)激勵源艙室噪聲水平主要由主機空氣噪聲激勵貢獻，非激勵源艙室噪聲水平主要是受到主機結(jié)構(gòu)噪聲的影響，對激勵源艙室采取隔振措施對自身降噪效果不明顯，但對非激勵源艙室降噪效果顯著。

2)對諸如2人間等其他非激勵源艙室而言，阻尼涂層能有效降低結(jié)構(gòu)噪聲，但其降噪效果并非與阻尼層厚度呈線性關(guān)系，通過優(yōu)化阻尼層厚度，提供了一種經(jīng)濟、合理的降噪措施。

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(華南理工大學 土木與交通學院，廣州 510641)

Cabin Noise Prediction and Control of the Drilling Tender Barge

ZHANG Qing, CHEN Chao-he

(School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China)

Based on statistical energy analysis (SEA) method, the VA One software was applied to establish the acoustic model of the drilling tender barge to forecast the level of cabin noise. By analyzing energy transmission path, it was found that the noise of non-excitation rooms is caused by structure-borne noise mostly. Taking generator room and a living room as the object, noise reduction measures for structure-borne and air-borne noise was applied respectively, and the vibration damping measures of a living room was optimized, showing that with the increment of the thickness of damping material, the noise reduction effect is not increased linearly, there exists an optimum thickness. The results proved that SEA method is suitable for the cabin noise prediction and control in the stage of ship design.

drilling tender barge; statistic energy analysis (SEA); noise prediction; vibration damping

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.025

2016-12-01

國家自然科學基金(51039006)

張清(1990—)，男，碩士生研究方向:船舶振動與噪聲控制

U661.44

A

1671-7953(2017)01-0101-05

修回日期：2016-12-20