大型導管架平臺聲振預報研究

焦自權，孫勇敢，馬 駿

(1.欽州學院 海洋學院，廣西 欽州535099；2.重慶交通大學 航海學院，重慶 400074；3.大連理工大學 船舶工程學院,遼寧 大連 116024)

0 引 言

海上石油平臺在正常運營期間，平臺上各個設備的正常運轉所產生的振動以及高分貝噪聲，不僅會引起海洋石油平臺上設備元件的共振和結構應力疲勞，還會對海上作業人員的身心健康帶來不利的影響。長期處于高噪聲環境下，不僅會導致噪聲性耳鳴或者耳聾，還會誘發消化系統、神經系統、心血管系統等多方面的疾病，嚴重時會有生命危險。同時也會影響到工作人員的心情，會對平臺的正常工作帶來安全隱患[1]。長期以來，國內外學者在海洋石油平臺設計階段和建造過程中一直把聲振力學環境數值預報模擬作為一項重要的研究課題。2000年12月我國能源部開始實施的《海上固定平臺的安全規則》就規定了平臺各處噪聲限值，這意味著在海上平臺從設計時期就必須考察整個平臺的噪聲環境。然而在平臺的設計過程中，不可能進行相關的現場實測試驗，也就很難得到平臺噪聲數據，因此大多數情況下會使用聲學相關軟件進行數值模擬來預測各區域的噪聲水平[2]。依據數值模擬的噪聲分析結果來進一步優化海洋平臺上的設備合理布局，進而采取經濟可行的減振降噪措施來滿足各區域噪聲標準的具體要求。

海洋石油平臺噪聲預報分析通常分為3個階段[3]：①總體設計階段：可以參照振動噪聲水平和舒適性良好的類似平臺作為設計依據，也可以利用經驗公式法來作為參考；②詳細設計階段：根據總體設計階段的結構圖以及布置圖等，利用有限元、邊界元和統計能量法等相關聲學軟件進行數值仿真模擬分析，在此基礎上選擇噪聲與振動控制方法來制定減振降噪處理意見，以此來修改平臺結構設計方案；③海試測量檢驗階段，不僅是對總體設計階段所采用的理論進行實踐驗證，而且也能對軟件進行數值仿真模擬分析的結果進行對比，為總體設計和詳細設計階段提供重要參考依據的同時，還為以后的平臺設計提供理論及試驗依據和相關經驗。因此海洋平臺噪聲的預報分析，有助于優化海洋平臺結構的聲學性能，既為海上工作人員提供一個舒適的工作環境，又對于以后的平臺噪聲設計都具有重要的指導意義。

1 海洋平臺噪聲分析方法及理論基礎

研究海洋平臺的振動噪聲分析問題常常使用數值模擬方法或者是經驗近似方法，這些方法包括：統計能量法，能量有限元法，有限元/邊界元方法，經驗公式預測法等[4]。文中的研究方法主要是采用有限元/邊界元方法和統計能量法。

對系統結構的聲學性能數值計算模擬，其實質是在特定約束邊界條件下求解給定振動及聲輻射的偏微分方程矩陣的解。對于此類方程矩陣的解法通常有兩類：數值分析法和解析分析法。數值法包括統計能量法、有限元/邊界元方法、無限元法、波動法及雙漸進展開法等。而解析分析法目前僅能求解比較簡單規則小型系統結構在特殊激勵下(例如簡諧振動源激勵)的振動聲學計算問題。因此，目前應用最廣泛的還是數值分析法，而有限元/邊界元方法和統計能量分析方法也是其中很重要的一種分析計算方法。

1.1 有限元/邊界元方法

瞬態聲場的聲壓是由瞬態聲源激勵產生的，q(r,t)代表在瞬態聲場中的聲源激勵，p(r,t)代表在瞬態聲場中的聲壓，以上參數滿足經典波動方程：

(1)

聲源激勵可為簡諧激勵和非簡諧激勵，如果是簡諧激勵q(t)，則由此產生的瞬態聲場可以看作是穩態聲場。此時上面瞬態聲場的波動方程可以化簡為 Helmholtz 方程：

▽2p(r,ω)+k2p(r,ω)=q(r)

(2)

同理，在不考慮結構與空氣的耦合效應(耦合效應影響極小),即不考慮流體介質對系統結構的加載效應，結構在簡諧激勵力作用下的運動方程為:

(-ω2M+iωC+K)x=F

(3)

式中：x為系統結構節點的位移；F為結構所受到的簡諧激勵載荷；M為系統結構的質量；K為結構的剛度；C為系統比例阻尼。

海洋平臺這類大型復雜結構系統中的水聲學、結構聲學以及聲輻射方面也往往引用Helmholtz方程。在系統結構聲振環境下產生的結構聲的聲壓同時也滿足以上兩個波動方程[5]。

【Conclusion】 Adjust management methods and strengthen link management can improve the rate of screening and the recall and reduce the disability．

1.2 統計能量分析方法

統計能量方法主要是針對系統結構的中高頻振動噪聲分析，其基本理論依據是將繁雜的系統結構劃分成若干個相互耦合的動力學子系統，以此形成統計能量分析模型，將能量視為以波動傳播方式下向結構中傳遞，進而得到各子系統的功率流平衡方程，將已知的輸入功率和內損耗因子及耦合損耗因子輸入功率流平衡方程，就可以求解各動力學子系統的能量矩陣，由此便可以計算出結構中各子系統的平均動力響應。

統計能量分析方法的功率流平衡方程(兩個耦合子系統方程)為：

(4)

式中：Pi為子系統的平均時間上能量輸入；ω為研究頻段的中心頻率；Ei為子系統的能量；ni和ηi分別為子系統的模態密度和阻尼損耗因子。

由式(4)可以看出，只要獲得以上參數，即可求出子系統的能量，進而可以求出工程中所需要的聲學特性[6]。

然而統計能量方法理論也有一定的局限性，理論上對于模態數>5的高頻聲學問題具有較高的精度，而對于模態數<<5的中低頻聲學問題應用統計能量方法還是不夠準確。同時由于其采用的是數學理論中的統計學原理，最終結果是提供子系統頻域單位上的空間平均值，并不能對子系統中某一確切位置做出計算響應。雖然統計能量方法有一定的局限性和相應的適用范圍，但它現在仍是目前解決復雜系統結構聲學特性尤其是高頻帶激勵響應問題的有效方法。

2 海洋平臺噪聲預報流程及模型化

筆者的研究對象是大型導管架海洋平臺，對平臺進行噪聲數值模擬。其目的是根據相關規范標準，研究平臺在設計階段的噪聲水平以滿足設計要求及規范。噪聲分析研究內容涵蓋了平臺的各個區域，包括上層甲板，中層甲板，下層甲板等區域及各生活工作艙室。所使用的軟件是VA ONE，噪聲分析過程中運用到的方法：有限單元方法(Finite Element Method)；邊界單元方法(Boundary Element Method)；統計能量分析法(Statistical Energy Method)。

參考船舶噪聲計算預報的一般流程，結合海洋平臺振動噪聲的特點，提出如下的海洋平臺振動噪聲預報流程。具體實施簡要過程如下：

1) 根據提供的結構圖，運用有限元建模軟件PATRAN來建立平臺各層甲板和艙室的幾何模型。

2) 將幾何模型導入VA ONE中，建立聲振有限元模型。

4) 建立統計能量模型，在各個聲源相應處添加激勵，在緊貼各個艙室外板處建立與艙室長寬相同厚度為0.5 m聲腔，再在這些外部聲腔內加上擴散聲場，擴散聲場中的聲壓譜為邊界元方法中空氣直達聲的計算結果。其中甲板上添加的激勵源等效于結構聲傳播到艙室的聲源，而外部聲腔內的擴散聲場等效于空氣噪聲傳播到艙室的聲源。

在本次噪聲研究中，大部分聲源皆為開場聲源，小部分聲源在封閉艙室內，以此來模擬計算開場噪聲云圖和封閉艙室噪聲。顯然，在VA ONE中單純應用邊界元方法或統計能力分析方法都不能解決此問題。因此，對于開場噪聲云圖我們采用的是有限元方法和邊界元方法，而對于封閉艙室噪聲采用的是有限元方法，邊界元方法和統計能力分析方法來模擬計算。而數值模擬過程中影響噪聲分析的因素有很多，如平臺的結構、噪聲源的數據及分布、隔音材料參數等。因此對此平臺進行噪聲分析預報過程中，需要該平臺的結構圖、總布置圖、舾裝圖及艙室設計圖等圖紙，除此之外還需要平臺上的振動噪聲設備的聲學數據，如：主輔機、電動機、發電機、風機以及各種泵等設備的激振力與噪聲輻射頻譜。而已知這些參數還遠遠不夠，還需要獲得主要噪聲設備的裝備圖，如：主機是否安裝隔音罩，是否有排氣系統，是否設置隔振設備；各個艙室的隔音吸聲材料以及防火材料等物理參數和聲學特性等，比如：隔音防火材料石棉的密度、流阻、孔隙度、彎曲度及熱力學性質等。

根據提供的結構圖，運用有限元分析軟件PATRAN來建立海洋平臺各層甲板和艙室的模型。利用已有的結構有限元模型，導入VA ONE 軟件，并建立相應的艙室聲腔有限元/邊界元模型，加入相應的振源、噪聲源和聲學邊界條件，即可完成低頻域振動聲學模型的建立。計算中所采用的結構參數： 船體材料密度為7 800 kg/m3，彈性模量為2.1×1011N/m2，泊松比為0.3，空氣吸聲系數選取默認值。模型流體特性為空氣，見圖1。

圖1 海洋平臺有限元/邊界元模型Fig.1 Sea platform FEM/BEM model

建立海洋平臺聲學混合法模型，定義聲阻抗邊界條件和振動噪聲源，聲振分析中采用倍頻程頻率。模型中甲板采用的是鋼板(加筋板)，進而相繼添加板的阻尼損耗因子參數，板的拉伸，屈曲，剪切阻尼損耗因子參數等。艙室內和封閉空間的聲腔內流體為空氣，計算頻率為31.5～8 000 Hz。艙室內和封閉空間內的聲腔內流體為空氣。艙室防火隔聲降噪設計中所用防火吸聲材料和隔聲材料都按照結構設計和等級防火標準來添加到模型當中，見圖2。

圖2 海洋平臺統計能量分析子系統模型Fig.2 Statistical energy analysis subsystem model of sea platform

3 海洋平臺噪聲預報分析及優化研究

3.1 海洋平臺開場區域預報結果及優化分析

海洋平臺在正常工作時，開場甲板上有很多噪聲設備，比如：各類泵、電動機、空氣壓縮機、風機以及各類閥門等，這些設備對開場甲板空間噪聲的貢獻主要是由其空氣聲所造成的，這些噪聲發生干涉、衍射及反射等現象，進而形成一個高分貝聲場，從而對海上工作人員的身心健康帶來不利的影響。《海上固定平臺安全規則》對平臺各個艙室以及其他區域的噪聲水平都設定了標準限制，而平臺在設計階段，不可能進行現場實測去得到相應的噪聲數據，因此通常采取聲振數值模擬的方法來進行預報分析。筆者運用邊界元方法來研究計算出平臺的上甲板的噪聲分布云圖,見圖3。

圖3 平臺上甲板噪聲云圖Fig.3 Noise contour of deck at the platform

海洋平臺在正常工況下運行時，上甲板上有很多復雜大型的噪聲源，而平臺開敞區域噪聲水平主要是受空氣噪聲影響為主，各個噪聲源發生干涉、反射和衍生等現象，進而相互干擾疊加。根據以上模擬結果可以得出以下結論：上甲板在正常運行下，噪聲源中CEP-X-A/B和CEP-X-C/D兩個設備對整個噪聲分布貢獻較大，超過90 dB，因此，對于噪聲貢獻較大的聲源(如CEP-X-A/B等)可采取適當的降噪措施(安裝隔聲罩，消音器等)。并根據國際海事組織A.468(XII)的相關規則，應在噪聲水平超過85 dB的區域豎立警示牌，且進入此區域的工作人員應配戴相應的護耳裝置[7]，見圖4。

圖4 上甲板高噪聲區域示意Fig.4 High noise areas diagram of upper deck

3.2 海洋平臺生活工作艙室預報結果及優化分析

噪聲控制中隔振降噪的方法有很多種，大體可以從3個方面來控制[8]：首先對聲源進行控制，可以改進聲源設備的結構以及提高設備的質量來降低聲源設備的振動和噪聲輻射，也可以對聲源設備進行隔振減振(在設備基座上安裝隔振器或者是減振彈簧等)、隔聲吸聲(聲源設備安裝隔音罩或者是安裝消聲器等)措施，這是聲學中隔振降噪的最基本、最有效的措施；其次在傳播路徑上進行控制，可以充分利用聲學的吸收、反射、干涉及衍射等現象設立隔聲屏障，也可以在聲振傳播結構中設立隔振阻尼(在振動較大的結構中設立隔振高阻尼材料，使聲能在傳播過程中由于阻尼的作用大量消耗為熱能)、隔聲吸聲(在各個重要艙室設立隔聲吸聲材料)等措施；最后對于在海上平臺的工作人員來說，對于噪聲較大的特殊地方，比如機艙和發電機室，一方面在此區域要戴上護耳器或護耳罩等防護措施，另一方面也要盡量減少在此區域內的暴露時間，并對此區域的工作人員要進行定期聽力測試。

海洋平臺上居住工作艙室較多，只有個別居住艙室緊鄰高噪聲源設備(中央空調等)；另外，從控制空船重量的角度，生活樓區域90%以上的居住艙室間分別采用了隔音材料和防火材料，這進一步降低了各艙室的噪聲水平。計算結果表明，各個艙室達到了合同規格書的要求，也達到了IMO及船級社入級噪聲限值標準。表1簡要列舉了典型艙室噪聲計算結果與規范檢驗對比情況。

表1 艙室噪聲水平計算結果對比

在此次海洋平臺艙室噪聲預報分析過程中，雖然艙室噪聲都達到了IMO規范和船級社入級規范的要求，但是個別艙室如B212房間(Recreation Room)很接近限制值?？紤]到數值模擬存在一定的誤差，建造過程中的漏洞，忽略海洋背景噪聲以及考慮噪聲源的疏漏等原因，為了達到設計階段的預期目標，因此對此房間進行隔音降噪處理。

決定統計能量分析方法計算精度的因素之一是每個子系統模態密度和單位帶寬Δf內模態數N>5，因此在進行計算前，必須首先計算出各子系統模態密度(圖5)，據此確定出滿足計算精度的下限頻率。

圖5 艙室子系統模態數Fig.5 Modes of cabin subsystems

由圖5可見，此艙室的聲腔子系統在31.5 Hz時所對應的模態數>5,符合精度要求。此艙室噪聲總聲壓級水平為53 dB(A聲級)，見圖6。

圖6 艙室子系統噪聲水平Fig.6 Noise level of cabin subsystems

下面提供兩種隔振降噪方案。

方案1：根據隔振降噪原理，在傳播路徑上進行控制降噪，筆者采取依據能量流動圖(圖7)和能量輸入圖(圖8)兩種方法結合的方式來獲取能量流動路徑，以此來確定主要噪聲源能量向所研究艙室流動的的途徑，確定路徑后再進行控制降噪。此方案中在傳播路徑上的結構進行施加阻尼，即軟件中在結構構件上添加NCT(Noise Control Treatment)，使聲能在傳播過程中由于阻尼的作用大量消耗為熱能，進而達到降噪目的。

圖7 系統能量流動Fig.7 System energy flow

圖8 艙室子系統能量輸入Fig.8 Power inputs to subsystem

圖7、圖8可以得出兩個主要傳播路徑：

傳播路徑1：Generator foundation A→beam-2931→Flat Plate-3043→beam-2931-2932→Flat Plate-3045…Flat Plate-4017…Flat Plate-293→cavity B 208→Flat Plate-172→cavity B 212

傳播路徑2：Generator foundation B→beam-297→Flat Plate-3033→beam-2982→Flat Plate-3035 …Flat Plate-4016 …beam-2994→Flat Plate-23→cavity B 107→Flat Plate-162→cavity B 212

對路徑上所經過的甲板添加NCT(Noise Control Treatment)，所選的阻尼材料為海洋平臺常用的陶瓷纖維(ceramic fiber)，添加厚度為8 mm。此措施旨在聲能傳播路徑過程中被結構中的阻尼材料消耗掉，已達到降噪目標。圖9為路徑甲板鋪設陶瓷纖維前后的阻尼損耗因子對比。

圖9 降噪前后的阻尼損耗因子對比Fig.9 Comparison of damping loss factor before andafter the noise reduction

由圖10和表2可以看出，通過在聲能傳播路徑上的甲板添加陶瓷纖維阻尼材料，經過模擬計算分析得出B212房間的噪聲總聲壓級水平降低了不到2.5 dB(A聲級)。此措施不僅增加了建造成本，增長建造周期，增加了平臺重量，而且效果不甚明顯。同時在平臺設計階段，結構上已經鋪設了隔音防火材料，加上傳播路徑分析不全面，即使在所有路徑上添加阻尼材料效果也甚微。此措施操作上是可行的，但是工作量大，經濟上不可取。

圖10 艙室噪聲水平對比Fig.10 Comparison of cabin noise level

頻率/Hz31.5631252505001000200040008000降噪前2743474746453522-1降噪后2742454443433220-4

方案2:根據隔振降噪原理，在所研究艙室(即接受者)上進行控制降噪，依據傳播路徑分析得出，所研究艙室B212的能量來源主要來自于四周的甲板聲振，因此根據降噪處理前的分析結果，通常選取多孔吸聲材料為隔音降噪處理的理想材料。厚度一般取為3～50 mm，為提高中低頻吸聲性能,厚度取10 mm。本次降噪處理選用的材料是巖棉。采用聲學中的雙層墻隔聲原理，在將此房間的上下甲板和四壁設置隔音雙層墻。圖11為艙室設置雙層墻隔音材料前后的阻尼損耗因子對比。

圖11 降噪前后的阻尼損耗因子對比Fig.11 Comparison of damping loss factor before and after the noise reduction

由圖12和表3中可以看出，通過在所研究的艙室四周艙壁上添加巖棉隔音材料，在雙層墻原理下B212房間的噪聲總聲壓級水平降低了3 dB(A聲級)，此方案達到了良好的降噪效果。

圖12 艙室噪聲水平對比Fig.12 Comparison of cabin noise level

通過表2和表3對比，方案2與方案1在低頻時的隔音效果相差不大，但在中高頻方案2比方案1隔音效果要明顯?？梢钥闯鲭p層墻隔音不僅降噪水平上有明顯的優勢，而且在建造成本上與方案1相比更節省，因此在實際應用工程中，雙層墻隔音措施是理想之選。在艙室聲壓級頻譜圖表對比中，也看到雙層墻在低頻區域內降噪效果較差，這也符合理論上雙層墻隔音在低頻時比高頻時要困難。綜上所述，設置隔音材料在建造過程中是可行的，經濟上也是可取的。

4 結 語

通過運用基于聲學有限元法、邊界元法和統計能量法的聲學分析軟件 VA ONE，實現同一計算軟件平臺下超大型海洋工程結構聲學建模與計算，為海洋平臺聲學預報提供新的解決途徑。

1) 計算模擬出了海洋平臺正常工作下的噪聲分布云圖，畫出噪聲超標區域。

2) 計算模擬出海洋平臺工作生活艙室的噪聲水平，并對典型艙室進行了兩種降噪措施，驗證得出雙層墻隔音措施不僅能達到滿意的降噪效果，而且也大大節省了建造成本。

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