基于SEA的海洋平臺典型艙室噪聲預報及設備優化布置研究

吳 彬 謝曉忠 陳 林 李 卓 孫 豐

（1.中國特種飛行器研究所 荊門448035；2.哈爾濱工程大學 船舶工程學院 哈爾濱150001）

引 言

海洋平臺是海洋油氣勘探、開發的主要設備，為了保證平臺作業正常進行，平臺上布置了原油主機、壓縮機、控制閥門、空冷器、泵、柴油機、風機、火炬、空調以及其他橇裝設備等。這些機械設備產生大量振動與噪聲，其振動會引起鋼性結構物產生一次和二次振動噪聲，振動頻域涉及低頻、中頻和高頻。這些噪聲是影響安全的重要隱患，對作業人員的施工環境和安全造成危害，并影響平臺施工作業的正常運行［1-3］。因此，對典型艙室進行噪聲預報并針對預報結果對平臺設備的安裝布置合理優化具有重要意義［4］。

鑒于ANSYS在有限元建模、VA ONE在全頻段噪聲預報中的巨大優勢，本文采用通用有限元軟件ANSYS建立不同工況下的艙室-出風管系統模型，而后將模型導入到VA ONE中，建立SEA模型，進而施加載荷進行統計能量計算。最后對三種工況下的艙室噪聲進行對比分析，并得出相關結論，為船舶與海洋工程結構物中設備的優化布置提供依據。

1 統計能量法基本理論

統計能量分析方法從統計的觀點出發，以能量為基本變量，重點研究穩態振動時的平均振動能量。SEA將復雜系統（包括機械的或聲學的系統）劃分為不同的模態群，并從統計意義上把大系統分解成若干便于分析的可貯存能量的獨立子系統，以每個子系統的能量為基本參數，建立每個子系統之間的能量平衡關系，以此來預測系統的聲振環境［5-8］。

假設將一個復雜的機械結構（聲學系統）劃分為N個獨立子系統，創建成如圖1所示的SEA模型。

圖1 統計能量分析子系統

對于第i個子系統，其內部損耗功率

式中：ηi為內損耗因子，定義為子結構在單位頻率（振動一次）、單位時間損耗能量與平均儲存能量之比；ηis為結構子系統本身材料內摩擦構成的結構損耗因子；ηir為結構子系統振動聲輻射阻尼形成的損耗因子；ηib為結構子系統邊界連接阻尼構成的損耗因子。

式中：ηij、ηji分別為從子系統i傳遞到子系統j、從子系統j傳遞到子系統i的耦合損耗因子。

式中：Pi,in為外界對子系統i的輸入功率。

當為穩態振動時 =0，上式可變成：

代入互易原理公式ηiηij=ηjηji，即可得統計能量法的基本關系式：

2 噪聲預報SEA模型及工況設計

2.1 結構參數

本文采用以板面創建聲腔子系統的方法，在ANSYS中進行幾何建模時，Shell結構分為兩種：一種為結構板，即實際存在的板；另一種為虛擬板，即用于構建聲腔、實際并不存在的板，這一種板在VA ONE中聲腔建好后必須刪除。

幾何模型建好后，再進行有限元離散，如圖2、圖4所示。噪聲預報整體模型由聲腔子系統、板子系統構成，如圖3、圖5所示。

艙室尺寸為3 m×3 m×3 m，由厚度為4 mm、彈性模量E=2.1×1011Pa、泊松比μ=0.3、密度ρ=7 800 kg/m3的普通船用鋼Q235圍成，內部進行聲控處理，即在艙室內壁敷設50 mm 厚的礦物棉與1 mm厚的硬橡膠吸聲組合材料，以達到吸聲、隔聲的目的［9-10］。

這種吸聲材料的總體特性如下：單位面積重量W=3.6 kg，總厚度為51 mm。其中硬橡膠的密度ρ=1 100 kg/m3，彈性模量E=2.3×109Pa，剪切模量G=7.72×108Pa，泊松比μ=0.489 6。室外空調出風管長0.5 m，管徑0.5 m，位于通過艙壁中心垂直于艙壁的直線上。

2.2 工況設置

為考察出風口朝向對艙室噪聲的影響，本文設計了一項對比試驗，在密閉艙室外布置一臺分體空調室外機，距離艙室0.5 m。分體空調室外機空氣噪聲載荷如表1所示。

圖2 有限元整體模型

圖3 SEA整體模型

圖4 艙室-出風管（側向）有限元模型

圖5 艙室-出風管（側向）SEA模型

表1 倍頻程下分體空調室外機空氣聲聲源級

工況設計如下：工況A，出風口背向艙室；工況B，出風口朝向艙室；工況C，出風口側向艙室。如圖6所示：

圖6 對比試驗工況設計

3 計算結果分析

在統計能量軟件VA ONE中，分別對工況A、工況B、工況C進行計算［11］，計算結果如表2所示。在各個頻點下，不同工況的噪聲級曲線見圖7。由計算結果可以看出，分體空調室外機出風口背向密閉艙室較之于朝向艙室，艙室噪聲降低5.5 dBA，較之于側向艙室，艙室噪聲降低2.1 dBA。分體空調室外機出風口側向密閉艙室較之于朝向艙室，艙室噪聲也出現3.4 dBA的降幅。因此，分體空調室外機出風口的朝向會對艙室噪聲產生較大影響，在實際工程中，應盡量使出風口背向艙室。

表2 工況A、B計算結果

圖7 各個頻點不同工況的噪聲級

4 結 論

本文基于統計能量法，利用VA ONE軟件對船舶與海洋工程典型艙室結構在分體空調室外機空氣噪聲作用下的艙室噪聲進行預報。在保證結構尺寸與載荷大小不變的前提下，改變分體空調室外機出風口的朝向，分出風口朝向、背向、側向三種工況，對出風口的朝向對艙室噪聲的影響進行了定量分析，通過研究發現：分體空調室外機出風口背向密閉艙室較朝向艙室和側向艙室，艙室噪聲依次出現5.5 dBA和2.1 dBA的降幅。由此可以得出：分體空調室外機出風口的朝向對于艙室噪聲具有較大影響，在船舶與海洋結構物設計初期應盡量避免出風口朝向艙室的情況，以降低相鄰艙室的艙室噪聲。

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