浮動隔聲結構在自升式海洋平臺上的應用

由廣輝，竇培林

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江212003)

0 引 言

自升式海洋平臺是近海石油開采的海工裝置，類似一個移動的長期工作站。由于遠離陸地，因而對于海洋平臺上面人員的生活環境和工作環境的要求很高，海洋鉆井平臺的振動噪聲控制也變得越來越重要。振動噪聲不僅會導致海洋結構物艙內的儀器、設備等結構的聲振疲勞破壞，也會對海洋平臺上工作人員的身體健康產生危害。IMO 最新修訂的船舶噪聲防護規則(IMO 468 決議)將于2014年7月起正式生效，船舶噪聲防護規則即將成為全球范圍強制執行的造船規范之一。海洋工程的設計與制造除了要滿足傳統的功能與強度的要求外，還要滿足舒適、環保、節能等性能要求。目前國內很多企業還沒有做到從設計源頭就開始融入降噪理念，而是在最后船舶舾裝環節才進行應對，不僅效果差，而且費錢費力。

本文以自升式海洋平臺為研究對象，基于VA One 聲學分析軟件建立自升式海洋平臺的聲學模型，對自升式海洋平臺的噪聲聲壓值水平進行數值預報［1-3］;并采用浮動隔聲結構對自升式海洋平臺進行噪聲控制，對比分析振動噪聲處理前后艙室的聲壓值水平，探索減振降噪控制方法，把減震降噪的理念應用到前期設計中，對開展海洋工程裝備的設計有一定的輔助和參考價值。

1 基本理論

本文采用統計能量法［4-6］，分析浮動隔聲結構在自升式海洋平臺這一大型復雜化海洋結構物上對減振降噪的影響。統計能量法的基本思想是把一個完整的系統離散成N 個子振動系統(包括結構和結構的閉空間聲場)，每個子系統在某個頻段內都含有多個振動模態，各個子系統之間的能量交換是通過它們各自的振動模態進行的，子系統通過邊界進行能量交換，在計算中、高頻率范圍內，能較好地描述各個系統的平均聲學特性，以統計平均量來衡量各個子系統的能量，最后由能量求出振動速度、聲場聲壓等結構振動參數，子系統的模態密度和內部損耗因子以及耦合損耗因子決定了計算的精度。

在統計能量方法中，由能量守恒定理可知，子系統的消耗能量與其傳給其他子系統能量之和與輸入給此系統的能量相等。K 個子系統的系統能量平衡方程為:

式中:Ei為第i 個子系統的能量;Pi為第i 個子系統的輸入功率;ni為第i 個子系統的模態密度;ηi為第i 個子系統的內損耗因子;ηij為2 個子系統的耦合損耗因子。

2 浮動隔聲結構

結構的剛柔性連接方式對結構噪聲的傳遞影響顯著［7］。為了最大程度降低結構噪聲，對艙壁結構、地板結構等艙室結構采用柔性連接方式來替代剛性連接以形成浮動結構。隔聲結構在對噪聲源的降噪處理上效果明顯，但如果隔聲結構的底部與地板剛性連接，會導致隔聲結構形成一個大的噪聲輻射源向外輻射噪聲能量，所以在隔聲結構的底部采用了浮動的彈性連接結構。為了最大程度地降低隔聲結構向外輻射噪聲，在隔聲的同時考慮了吸聲的材料和結構［8］。浮動連接方式在VA One 軟件中主要靠點連接與線連接的減振設置來實現。

圖1 浮動隔聲結構Fig.1 Floating sound insulation structure

圖2 點連接與線連接Fig.2 Point junction and line junction

3 數值仿真模型

3.1 振動源與噪聲源

自升式海洋平臺的主要振動噪聲源有主機發電機組和風機系統兩大塊。

主機的噪聲聲功率譜見表1，振動頻率幅值譜見表2。自升式海洋平臺風機的噪聲譜見表3。

表1 自升式海洋平臺主機的噪聲聲功率譜Tab.1 The noise sound power spectrum of jack-up platform engine

表2 自升式海洋平臺主機的振動頻率幅值譜Tab.2 The vibration frequency amplitude spectrum of jack-up platform

3.2 自升式海洋平臺的統計能量模型

本文研究的自升式海洋平臺采用鋼材制造，在進行三維有限元模型建立時，采用的是MSC.PATRAN 有限元軟件進行建模，平臺主船體的主甲板板厚12.5 mm，機械甲板厚度為8 mm，內底板的厚度為9.5 mm，外底板的板厚為12.5 mm，對主船體的四層甲板簡化的采用了加筋結構，縱桁采用T820×12.5+350×22 的T 型材，橫梁采用的是T390×12.5+200×22 的T 型材。縱桁艙壁簡化為強框架的形式，主要是為了后期導入VA One 后建立聲學模型(見圖3和圖4)。在VA One 中，海洋平臺鋼材料的密度為7 850 kg/m3，彈性模量為2.06×1011N/m2，泊松比取0.3，單個子系統內部損耗因子取1%，各個子系統間的耦合損耗因子由軟件自行計算得出。

表3 自升式海洋平臺的風機噪聲譜Tab.3 The draught fan noise spectrum of jack-up platform

圖3 自升式海洋平臺有限元模型Fig.3 The FEA model of jack-up platform

圖4 自升式海洋平臺聲學模型Fig.4 The VA One model of jack-up platform

4 仿真結果及分析

對于大型復雜的自升式海洋平臺來說，由于結構龐大，統計能量的分析方法在工程實踐中具有極大的實際意義。圖5和圖6 是125 ～8 000 Hz 范圍內自升式海洋平臺加筋板子系統和空氣聲腔子系統單位頻率內模態數。可以看出，所有的加筋板子系統中單位頻率內的模態數都大于10，滿足大于5 的要求;聲腔子系統單位頻率內模態數也滿足于大于5的要求。因此在125 ～8 000 Hz 的頻段范圍內，可以對自升式海洋平臺模型的聲腔和加筋板子系統建立統計能量模型進而進行分析。考慮到仿真模型是沒有舾裝和內飾的裸露平臺，首先對噪聲源艙室進行了單面60 mm 聚氨酯加20 mm 空氣層結構吸聲材料處理，再對比浮動隔聲結構加入前后降噪效果。各個艙室預報后的聲壓值見圖7和表4。

圖5 板子系統模態數Fig.5 The modes in band of ribbed plate subsystem

圖6 聲腔子系統模態數Fig.6 The modes in band of cavity subsystem

圖7 浮動隔聲結構加入前后各艙室聲壓值Fig.7 The SPL of cabins with floating sound insulation structure before and after

通過表4 的浮動隔聲結構應用前后海洋平臺主船體各艙室的噪聲預報值可以看出:

1)除了泥漿坑區和泥漿泵室外，其他艙室的噪聲聲壓值都大幅度下降，并達到了IMO 噪聲控制標準(機艙噪聲110 dB 以下);泥漿坑區和泥漿泵室即使處理后也略高于IMO 噪聲標準(最大處大于+2.497);

2)左邊艙、右邊艙、散料倉庫、空氣壓縮機室、泥漿坑區、泥漿泵室、主機艙室和變壓器室8個艙室自身艙室內噪聲的聲壓下降不大，泥漿坑區艙室只下降了0.068 dB，也是目標平臺主船體上所有艙室中聲壓值下降最小的;

3)目標平臺主船體上其他艙室降噪效果顯著:下降最大的是Cavity 中下3，聲壓值下降了72.738 2 dB。

表4 自升式海洋平臺各艙室聲壓值水平Tab.4 The SPL of jack-up platform cabins

5 結 語

利用浮動隔聲結構可以有效的降低噪聲源向外輻射的噪聲量，但是對于噪聲源自身艙室的降噪貢獻不大。這是因為VA One 軟件計算的艙室聲壓值是艙室聲腔的聲壓值，在聲腔外圍的艙壁和地板部位減振降噪的浮動隔聲結構對此聲腔的聲壓值影響不大:主機艙室內聲壓值略微減小是因為浮動隔聲結構模型的建立略微縮小了原來的主機艙室的聲腔大小;其他7 個噪聲源艙室聲壓值減小是因為主機艙室的浮動隔聲結構降低了其向其他噪聲源艙室輻射結構噪聲的能量。浮動隔聲結構對噪聲源艙室外的其他艙室的降噪貢獻效果顯著，最大貢獻達到了下降72.738 2 dB 的程度，對海洋工程裝備的降噪設計有一定的輔助和指導意義。

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