海上平臺噪聲分析及防治

鞏 雪*

（海洋石油工程股份有限公司）

0 引言

噪聲不僅會對人們的工作、學習、休息產生影響，也會影響人們的身體健康。長期在噪聲環境下工作，可能會引起人體不適、疲勞，甚至會引發腸胃、脊柱、腰椎等多種疾病，更嚴重時可能會導致聽力損傷或其他疾病[2]。基于健康安全環保的作業理念，對海上平臺開展噪聲分析是十分有必要的，本文對海上平臺噪聲產生的主要原因進行了分析，提出了噪聲防治措施，從而減少噪聲帶來的危害。

1 海上平臺設施噪聲分布及限值

海上平臺遠離陸地，且作業空間有限，因此工作區和生活區通常設置在同一平臺上。平臺上的主要噪聲源是各類動力設備和轉動設備，包括透平發電機、壓縮機、風機、泵及空調系統等。根據國家標準要求，上述設備都要進行噪聲級別監測檢驗合格后才能出廠。由于平臺作業區域設備布置較為密集，運行時多種設備的噪聲相互疊加，同時海上平臺主體為鋼結構，加劇了噪聲的影響效果。

研究者對3 個海上氣田和8 個油田裝置的工藝操作工進行了噪聲強度個體測量，另外對高噪聲設備以及生活區內房間進行噪聲定點測量并分析，得到了透平發電機、壓縮機、消防泵等設備噪聲強度范圍為97.5～103.3 dB(A)，生活樓中央控制室、休息室、辦公室、醫務室、無線電室噪聲強度范圍為49～63.6 dB(A)。其中中央控制室、醫務室、無線電室的噪聲強度分別超過《海上固定平臺安全規則》第十八章中噪聲控制要求，具體可見表1。

表1 噪聲控制要求

2 海上平臺噪聲源

海上平臺噪聲主要可分為空氣動力性噪聲和機械性噪聲。空氣動力性噪聲是由氣體擾動引起空氣振動形成的噪聲；機械性噪聲是固體在撞擊、摩擦、交變機械應力或電磁力作用下發生振動而形成的噪聲。

2.1 空氣動力性噪聲

海上平臺空氣動力性噪聲主要來自通風機和空調系統。這類噪聲是由于高速氣流、不穩定性氣流與物體相互作用而產生的。對暖通空調系統噪聲產生的機理進行分析后可知，不論是通風機噪聲還是空調噪聲，都可分為空氣動力源機械運轉產生的噪聲和管道氣流再生噪聲兩種類型。

2.2 機械性噪聲

由振動系統的一個或多個固有振動頻率為主要組成部分引起的噪聲稱為機械性噪聲。任何機械部件都有固定的振動方式，不同的振動方式振動頻率也不同。因此不管何種原因引起的海上平臺整體或局部振動，只要頻率在聲頻范圍內都會引起機械性噪聲。

3 噪聲分析方法

噪聲分析方法主要可分為兩種，一種是嚴格將噪聲按照機械波來研究，屬于波動聲學；另一種是在一定條件下，將聲波看成聲線或聲能量粒子來研究，屬于統計聲學。

在波動聲學領域，主要采用的分析方法為有限元與邊界法則。有限元分析法廣泛應用于各個領域，在噪聲分析當中可以用來計算較復雜結構的振動與聲學問題，但對于高頻聲或尺寸較大的聲場，其分析能力比較有限。邊界法是隨著計算機技術不斷發展而興起的一種計算方法，是解析與數值相結合的計算方法。

采用統計聲學進行研究時，首先應引入聲線的概念，聲線代表點聲源發出的球面波的一部分，也就是將聲波看成能量粒子來進行分析。統計能量分析法的優勢為分析速度快、運算量小，且對高頻聲的分析較為有效。但該方法受限于弱耦合、激勵源之間不相關等一些基本假設，無法準確分析低頻聲傳播情況。另外，損耗因子主要依靠試驗來確定，這也是統計能量分析法應用中的關鍵。因此統計能量分析法可用于未知結構的聲場預測，對實際聲場分析后得到的結果精度則比較有限。

4 噪聲防治方法

控制噪聲的基本途徑可以從以下三個方面來考慮：從聲源處降低噪聲、限制噪聲傳播及減少噪聲接收。具體方法包括加裝消聲器、利用吸聲材料、設置操作間或聲屏障以及主動控制等。

4.1 降低聲源噪音

海上平臺許多動力設備如透平發電機、空壓機等的主要噪聲都來自排氣過程，因此在聲源設備上加裝消聲器是行之有效的降噪方法。透平發電機噪聲主要是由葉輪中高速旋轉的氣流產生的，可以將其分為中低頻和高頻兩種噪聲，并以前者為主。針對中低頻噪聲，通常可采用抗性消聲器，抗性消聲器是在排氣管與管口之間串聯或并聯一些各種形狀及尺寸的管道，使聲波在管道中發生反射或干涉，從而削弱了排氣管中相應頻率的聲波向管口傳播的能量。抗性消聲器的氣流阻力較小，但消聲頻帶較窄，在中低頻范圍內消聲效果好。空壓機噪聲與透平發電機的噪聲機理是類似的。由于空壓機內的氣體溫度較低，容積流量較小，氣流逐級收縮且穩定性好，因此產生的氣體動力性噪聲級較低，且以高頻為主。針對高頻噪聲，通常采用阻性消聲器或阻抗復合型消聲器。阻性消聲器是在管道內適當的地方布置吸聲材料，利用吸聲材料中的空隙使氣流產生摩擦式黏滯，利用氣流的節流與擴張來降低氣流的振動幅度。阻性消聲器對于高頻聲波具有良好的消聲效果，但氣流阻力較大。

4.2 限制噪聲傳播

改變噪音的傳播途徑是限制噪聲傳播的有效方法，如采用隔聲技術、利用吸聲材料等。

隔聲是控制噪聲傳播最簡單有效的措施，具體包括設置聲屏障、隔聲罩、隔聲間等。以單層隔聲屏障為例，隔聲量可根據隔聲質量定律來計算。隔聲屏障的效果也是隨著聲頻率增大而增強。在設置聲屏障的時候需要選擇合適的屏障厚度，從而避開屏障的吻合效應，當吻合效應發生時，墻壁的隔聲效果會大大降低。與單層隔聲屏障相比，雙層隔聲結構由于其間空氣阻尼振動引起的衰減，隔聲效果比同質量的單層結構好6～10dB（A）。若要求的隔聲量相同，雙層結構比單層結構的質量要輕2/3～3/4。在隔聲結構中，門、窗是透聲率較大的部位。從隔聲的角度考慮，最好采用隔聲效果較好的門窗結構。因此對海上平臺來說，門窗要做好邊緣處的密封，最好用擇雙層門窗結構。

采用吸聲材料也是一種有效減少噪聲傳播的措施。海上平臺房間一般采用鋼板作為房間壁板和地板，鋼制材料容易使聲波發生反射。聲波在墻壁反射后的效果則是造成混響噪聲，增加了接受者聽到的噪聲強度。可在海上平臺艙室頂板或壁板加裝吸聲材料，從而減少壁板的發射聲，增加艙室內的總吸聲量，提高艙室內的平均吸聲系數，從而達到降低艙室內噪聲的目的。以5 mm 厚的密度為150 kg/m3的玻璃棉為例，其對125 Hz 噪聲的吸聲系數為0.12，而對1 000 Hz 噪聲的吸聲系數為0.99。因此在實際應用中，通常需對吸聲材料進行加工，將其制成多孔吸聲材料或共振吸聲結構，可提高對中低頻聲的吸聲系數。

4.3 降低噪聲接收

當在聲源和傳播途徑上無法采取措施，或采取的措施達不到預期效果時，需要對噪音接收者采取防護措施以降低噪聲帶來的影響。用于預防噪聲危害的個人防護用品常用的包括防聲耳塞和防聲耳罩兩大類。

耳塞體積小，便于攜帶，也不妨礙其他防護用品的佩戴，在濕熱環境中，長時間佩戴比耳罩更舒適，且可以有效降低噪聲帶來的影響。以海上平臺某操作間需佩戴耳塞工作8 h 為例，耳塞的標準降噪值為30 dB（A），佩戴8 h 能夠取得30 dB（A）的降噪效果；佩戴7.5 h，有效防護只有12 dB（A）；佩戴4 h，有效防護則只有4 dB（A）。可見耳塞佩戴時間越短，有效防護也將銳減，因此在海上平臺噪聲工作場所應始終堅持正確佩戴耳塞。

防聲耳罩是用隔聲的罩子將外耳罩住，兩個耳罩之間采用具有適當夾緊力的頭帶或頸帶將耳罩固定在頭上，也可以設置插槽與安全帽配合使用。防聲耳罩隔聲效果比防聲耳塞效果好，佩戴位置穩定，當在戶外或寒冷季節作業使用可同時起到保暖作用，使用壽命較長，平時需要進行維護保養。

5 結論

海上平臺聲場分析歷來不太受到重視，針對平臺結構的聲場分析研究也比較少。聲源設備噪聲特性、區域噪聲場分析方法以及噪聲防治措施的研究相對較多。在降噪方面，吸聲、隔聲等措施都在實際應用中都取得了不錯的效果，但在平臺環境有限的條件下如何應用仍缺乏有效的研究。因此未來將針對海上平臺聲場分析重點對臺噪聲源設備特性進行調查研究，了解各個聲源設備的噪聲級與頻譜特性，熟悉平臺結構與材料特征，準確了解聲場狀況。在符合條件的前提下，將陸地聲場分析方法應用在平臺環境，并根據平臺實際狀況進行修正。對于以鋼結構為主的平臺結構，則應探索結構振動聲輻射對聲場的影響。

在噪聲場所環境下工作的人員，應做好噪聲防護培訓及防護措施，提高作業人員的自我防護意識，自覺佩戴個人防護用品，從而降低噪聲帶來的損害。