某船鉆采工況下的減振降噪分析

黃天星 李建明 祝文倩 黃建軍 鄒海斌

摘? ? 要：本文采用基于統計能量分析法的VA One軟件分析平臺，建立某船的SEA聲學模型，綜合考慮該船鉆采工況下的主要振動噪聲設備的聲能量激勵，通過數值仿真計算出全船A計權聲壓級，評估該船艙室噪聲水平是否達到標準，同時確定艙室噪聲超標的具體數值，提供后續降噪處理的依據，對于噪聲超標的艙室給出可操作、經濟和方便的降噪方案。

關鍵詞：VA One；統計能量分析方法；艙室噪聲；降噪

中圖分類號：X593? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Analysis on Vibration and Noise Reduction of A Ship

Under Drilling and Production Conditions

HUANG Tianxing1， LI Jianming1， ZHU Wenqian1， HUANG Jianjun2， ZOU Haibin1

（ 1. Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250;? 2. CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Co.， Ltd.， Guangzhou 510715 ）

Abstract： In this paper， it adopts the VA One software analysis platform based on the statistical energy analysis method and sets up the SEA acoustic model of a ship. It considers comprehensively the acoustic energy incentives of the main vibration noise equipment of the ship under drilling & production conditions， and through the numerical simulation calculates the cabin A sound pressure level of the whole ship to assess whether the cabin room noise level has reached the standard of specification， and at the same time determine the specific value of the cabin noise exceeding the standard and provide the basis for treatment of subsequent noise reduction. An operable， economical and convenient noise reduction scheme is proposed for the cabins if exceeding the noise standard.

Key words： VA One; Statistical Energy Analysis Method; Cabin Noise; Noise Reduction.

1? ? ?前言

隨著社會的進步，人們的環保意識逐漸提高，船舶的噪聲嚴重影響船員的日常生活和工作，引起相關各界的關注，并在相應的規范規則中提出明確的要求，將其作為船舶舒適性的一個重要指標?？梢?，人們對噪聲非常的關注，在船舶設計中噪聲指標將會融入到新船合同中。

本船作為長期的海上移動工作平臺，設有發電機組、推進裝置、輔助設備、管路系統、通風空調系統等主要振動噪聲源設備，其振動噪聲不僅影響船員工作效率和健康，還能引起船體結構疲勞損壞、設備的安全性等問題，且建造后整改措施有限，需要通過分析、計算等手段進行研究。

目前對船舶設備的激勵特性還未完全掌握，給振動噪音控制帶來難度。因此，為保證船舶建造過程的順利開展，以及完工后振動噪音能夠滿足用戶的需求，需要開展減振降噪設計建造控制技術研究。

2? ? 船舶簡介

本船主尺度如下：

總? ? 長? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 179.80 m

型? ? 寬? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 32.80 m

型? ? 深? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 15.50 m

設計吃水? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 9.20 m

定? ? 員? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 180人

本船為雙層底結構，主要艙室有：設備處所、船員工作處所、實驗處所、住艙、儲藏室以及公共區域等。自上而下，依次設置頂甲板、駕駛甲板、第四甲板、第三甲板、第二甲板、第一甲板、主甲板、上甲板、下甲板、內底甲板。

3? ? 各工況艙室噪聲評估指標

本船的噪聲評估，主要包含以下工況：

（1）航行工況

船舶以80%最大推進輸出功率穩定向前航行，并滿足CCS規范要求；6 套柴發機組中，3套以額定功率運行、3套備用；3臺主推進器以80%額定功率運行，伸縮推及艏側推不運行，相關輔機設備及空調通風系統運行。

（2）鉆采工況

船舶定位于井口，處于動力定位模式；進行正常鉆井作業，鉆機液壓泵站、環線液壓泵站、振動篩、泥漿泵等設備正常運行；6套柴發機組中5套運行（額定功率）、1套備用；3臺主推進器以50%功率運行；3臺伸縮推以50%功率運行；艏側推不運行；相關輔機設備及空調通風系統運行；鉆井相關設備運行。

本船的艙室空氣噪聲級，應滿足IMO最新艙室噪聲規范MSC.337（91）和CCSG-ECO（NOIl）的要求，見表1、表2所列。

4? ? 艙室噪聲評估

4.1? ?基礎理論

運用VA One 軟件分析平臺及統計能量方法，對艙室噪聲進行評估。為了一并解決聲場和結構振動問題，運用統計能量法解決結構高頻聲振問題，運用能量的觀點，關注頻域、時域和空間上的統計平均值[1]。

傳統模態分析方法，由于頻率范圍更大的拓寬使得分析誤差增大，難度也越來越大。雖然傳統的模態分析方法關于研究結構系統的動力學問題有很長歷史，但是仍在可以清晰辨別的有限數量的低階模態的范圍里分析，而高階模態的參數不確定是研究工程結構系統振動問題的難點，使用統計模態的概念，將振動能量當成敘述振動的基礎值，再通過模態與振動波之間存在的內在關系，建立結構振動、其它子系統與分析聲耦合動力學的統計能量方法[2]，允許較初步的系統模型參數。

統計能量法無法精準地預測系統的具體位置，主要是由于這個方法的任一參數均是頻域、時、空的平均統計量。在以下的假設條件下，建立統計能量法的聲學模型：各個子系統之間沒有非保守性的耦合特征，它們之間是守恒的、線性的耦合；系統所受的力應用線性相加原理，并且具有模態的非相干性，能量是在所研究頻帶內所有具有共振頻率的結構間流動的；不同的子結構間適用互易性原理，振動時耦合的子結構間實際能量與能量流成正比；子結構中給定頻帶內的所有共振模態間能量等分[3～4]。

4.2? ?基礎假設

根據統計能量法的基本思想，全船的SEA模型經過了一些簡化，去除了許多細微結構。噪聲計算加載的載荷，一部分是根據規格書中提出的振動噪聲限值要求給出的，一部分是通過相似船型或者經驗公式對比得到的，所以計算的結果有一定誤差，本次評估是基于以下的假設進行：

（1）設備都是按照技術規范安裝，沒有出現較大的波動，即沒有帶來附加的不平衡載荷等；

（2）不考慮外部因素影響，包括第二噪聲的影響，包括一些背景噪聲如風聲、海水的聲音以及開關門聲等；

（3）生產廠商不能提供的設備激勵數據，包括設備的載荷以及空氣噪聲是由類比或經驗公式得到；

（4）聲學模型忽略了一些小的結構，并進行簡化；

（5）計算噪聲的時候，各艙室的甲板敷料、圍壁與天花板，以最終艙室敷料布置圖為準。

4.3? ?艙室噪聲評估聲學模型

艙室噪聲計算評估過程，主要包括：聲學建模、聲學處理、加載、求解、后處理。

艙室噪聲聲學模型外形圖，如圖1所示：主要由帶加強筋的平板、木作隔板等組成，根據船舶實際功能考慮相應開口區；圖2為艙室噪聲內部聲腔圖；圖3為最終艙室噪聲計算聲學模型。

4.4? ?目標艙室處理

為滿足噪聲指標要求，設計時從船體結構、輪機設備、艙室舾裝等方面采取了一系列的降噪措施。如：振源設備的隔振處理、風機安裝消音器、隔音層、浮動地板、升高地板等。

船上除了鋼板以外，其它處理如木作處理、甲板敷料、阻尼敷料、防火絕緣材料、門、窗等，都具有降噪功能。

4.4.1 木作絕緣處理

根據不同艙室對噪聲的不同要求，船上不同位置使用了不同材料、不同厚度的絕緣處理，在住艙和工作艙室中，絕緣材料表面加覆蓋木作板材。需要指出的是，絕緣材料具有良好的吸聲性能，而一般的木作板材是由鍍鋅薄鋼板與中間絕緣夾芯組成，表面光滑，對聲波起到反射作用，不利于艙室圍壁與天花板的吸聲。因此，在某些噪聲要求較高區域，如集控室、控制室、機艙附近的辦公室等，應考慮使用多孔吸音板木作結構，保留絕緣材料吸音效果的同時，也能起到很好的木作效果。

全船使用到的木作板材主要有：復合巖棉板、鋁蜂窩板、玻鎂彩鋼板；全船使用到的絕緣材料主要有：H-60絕緣、A-60絕緣、巖棉。

4.4.2 甲板敷料

根據艙室的不同類型，甲板上需要敷設不同的甲板材料，起到一定的隔振、隔聲作用。主要的甲板敷料有：輕質自流平甲板基層敷料、PVC地板、橡膠地板、聚氨酯地板、浮動地板敷料、水泥敷料、防滑瓷磚等；為滿足不同艙室的艙室噪聲指標，在部分艙室設置有浮動地板，包括集控室、高級套房、第二甲板住艙、第一甲板住艙、主甲板住艙等。

4.4.3 阻尼處理

阻尼處理的目的是降低板材的振動和空氣噪聲傳遞，從而降低艙室的噪聲水平。針對噪聲源區域、某些局部振動較大或對艙室振動要求較高的艙室（如機艙、推進器艙、艏側推艙、空調器室、機艙棚、實驗室、住艙等），將阻尼材料敷設在艙室的甲板、圍壁、設備基座等位置，用來降低結構噪聲對附近艙室的聲能量貢獻。

4.5? ?載荷

根據船舶的工況特點和以往的評估經驗，導致艙室噪聲較大的激勵源有：主柴油發電機組、應急發電機組、艏側推、全回轉主推進器、伸縮式全回轉推進器、輔機泵組、空調通風系統、風機等，因此將這些激勵源的結構噪聲和空氣噪聲數據輸入到軟件中，并注意考慮隔振設備、消音器等的效果影響。

4.5.1主柴油發電機組

本船設置有三個機艙，每個機艙布置兩套柴油發電機組，六套柴油發電機組均采用雙層彈性隔振安裝。

主發電機組向外傳遞的振動噪聲能量分為兩個部分：結構噪聲與空氣噪聲。 空氣噪聲通過聲波的透射作用穿過船體板殼向外輻射，結構噪聲通過發電機組 基座傳遞到平臺甲板向船體輻射。

為充分降低主發電機組噪聲源的能量向外傳遞，對發電機組進行了隔振 設計，并提出了限值要求。在評估中，應對基座振動限值進行修正后，作為艙室噪聲評估的計算輸入；為了降低排氣噪聲，排氣管道安裝排氣 消音器，同時為了降低排氣管道結構噪聲對附近艙室的影響，管道與機艙棚連接處應使用彈性連接。

4.5.2推進器

推進器對艙室噪聲的激勵，包括螺旋槳脈動壓力和空泡導致的槳正上方船體板架結構傳遞噪聲、推進器艙電機及其他設備產生的空氣輻射噪聲。

4.5.3空調通風系統

船體是一個相對封閉的空間，艙室內的空氣流動有賴于空調通風系統?？照{ 系統把新鮮空氣送入艙室中，同時把回風抽出，這一過程會出現噪聲，主要來自于風機、通風管路、艙室布風器等位置，空調機室布置在多層甲板，附近布置有大量住艙，是主要的局部噪聲源。

為保證全船住艙的舒適性，需控制全船的空調管路布置以及消聲措施。空調系統布置有送風、新風、回風消音器，送風消音器的消音量可達到25 dB；新風消音器安裝在百頁窗外面，消音量15 dB，回風消音器的消音量為5 dB?？照{系統訂貨時，應要求空調廠家依據以上要求進行降噪設計。

4.5.4輔機設備及風機

泵組、空壓機組、冷水機組等輔助機械設備，是保證船舶正常航行、船員居住生活所必不可少的裝備，在工作過程中會產生噪聲與振動。為降低輔機設備對全船噪聲水平的影響，對主要的設備進行單層、雙層或浮筏隔振處理。

船上在不同位置布置有大量的風機，是明顯的局部噪聲源，風機噪聲大小與風機類型、風機壓力、流量等因素有關；甲板上布置有較多的進出風口，是開敞 甲板的一個重要局部噪聲源。

5? ? 評估結果

利用軟件得出全船的每個甲板主要艙室噪聲大小，如表3所列。評估結果為根據有限噪聲源得到的理論結果，不考慮能量較小的二次噪聲、環境噪聲等，因此對于某些遠離噪聲源的艙室噪聲評估結果可能小于40 dBA，實際情況會大于該值，對于這些艙室一般認為艙室噪聲達標，仿真值作為參考。

6? ? 噪聲結果分析及建議

根據本次評估結果，有部分艙室實際噪聲可能會超出限值要求。下面對超標艙室的噪聲水平進行分析：

（1）機艙、輔機艙附近的集控室、控制室、辦公室，需要得到更多的關注；

（2）鉆采工況時，由于艏側推裝置的作用，全船艏部艙室的噪聲水平相應提高；

（3）針對航行、鉆采工況下的可能超標艙室，給出下列降噪建議：應急發電機艙壁敷設不低于5 mm厚的阻尼；實驗室、辦公室等的甲板敷料浮動層，更換為類似性能的浮動地板；空調通風系統應由廠家進行源頭控制，保證布風器位置噪聲低于艙室指標限值。

7? ? ?結語

本文應用能量統計法建立了某船的SEA模型，并對主要艙室進行噪聲數值評估，以此結果對艙室的噪聲進行分析并提出建議；除此之外，設計階段從船體結構、輪機設備、艙室 舾裝等方面，采取一系列的降噪措施，為后續的設計和建造提供參考。

參考文獻

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[2] 謝光能.減振降噪技術在高速船舶上的應用[J].廣東造船，2019（2）.

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[4] 某潛水支持船項目減振降噪主要措施[J].中國水運，2020（1）.

基金項目：2021年廣東省海洋經濟發展（海洋六大產業）專項資金項目（粵自然資合[2021]043號）

作者簡介：黃天星（1984-），男，高級工程師。主要從事船舶設計工作。

李建明（1995-），男，助理工程師。主要從事船舶設計工作。

收稿日期：2022-10-24