基于倍頻程估算的半潛平臺(tái)全頻域噪聲分析

梅華東， 徐芹亮， 沈志恒， 馬邦勇， 李艷華

(1.海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452；2.煙臺(tái)中集來(lái)福士海洋工程有限公司， 山東 煙臺(tái) 264000)

0 引 言

深水半潛式鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大，對(duì)相應(yīng)的平臺(tái)設(shè)計(jì)和維護(hù)提出了很高的要求。半潛式鉆井平臺(tái)的固有頻率較低，環(huán)境載荷和平臺(tái)內(nèi)部的振動(dòng)及噪聲源等較為復(fù)雜[1]。文獻(xiàn)[1]僅對(duì)高頻段噪聲進(jìn)行了分析，平臺(tái)的全頻段噪聲須結(jié)合實(shí)際工程材料和設(shè)備的激振輸入確定。本文以某深水半潛生產(chǎn)平臺(tái)為例，系統(tǒng)考慮其上部模塊(含生活樓)和船體設(shè)置多種設(shè)備的影響，其噪聲源為常年工作的振動(dòng)設(shè)備。平臺(tái)生活區(qū)的噪聲主要由上部模塊噪聲設(shè)備產(chǎn)生的通過(guò)外板、隔壁和支柱等結(jié)構(gòu)傳遞的結(jié)構(gòu)噪聲與生活區(qū)的風(fēng)機(jī)、空調(diào)等產(chǎn)生的空氣輻射噪聲疊加組成[2-3]。本文對(duì)全頻段噪聲進(jìn)行分析評(píng)估，并給出噪聲控制建議。

1 海洋平臺(tái)噪聲分析方法

總噪聲等級(jí)預(yù)測(cè)包括空氣聲、結(jié)構(gòu)聲和空調(diào)通風(fēng)噪聲，以及這些噪聲的疊加計(jì)算，主要分析方法如下。

1.1 空氣聲模擬方法

空氣聲計(jì)算分析采用統(tǒng)計(jì)能量法軟件系統(tǒng)VA ONE，預(yù)測(cè)計(jì)算各類(lèi)區(qū)域，如生活樓艙室、機(jī)械設(shè)備艙室，包括對(duì)開(kāi)敞區(qū)域聲場(chǎng)進(jìn)行初步評(píng)估。統(tǒng)計(jì)能量分析的基本原理是根據(jù)模態(tài)(振型)相似和自然邊界等準(zhǔn)則，將一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)(包括機(jī)械的或聲學(xué)的系統(tǒng))劃分成不同的模態(tài)群，并從統(tǒng)計(jì)意義上將大系統(tǒng)分解成若干個(gè)便于分析和管理的獨(dú)立子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)模擬成一組解耦模態(tài)相同的振子，根據(jù)輸入到子系統(tǒng)的能量等于子系統(tǒng)耗散的能量加上系統(tǒng)間傳遞的能量，建立表征各系統(tǒng)的能量損耗與輸入功率之間關(guān)系的線(xiàn)性方程組(稱(chēng)之為能量流平衡方程)，解出該方程組便可得到每個(gè)子系統(tǒng)所具有的平均能量，由此可換算出其他物理量。能量流平衡方程為

(1)

式(1)中：ω為角頻率；i為1,2,…,N；Pi,in為輸入功率；ni為模態(tài)密度；ηi為內(nèi)損耗因子；ηij為耦合損耗因子；Ei為子系統(tǒng)的平均能量。

(2)

式(2)中：Kik為貯能比，Kik=Ei/Ek;Ek為子系統(tǒng)k的平均振動(dòng)能量；Pk為子系統(tǒng)k的輸入功率；k為第k個(gè)子系統(tǒng)。

空氣聲分析計(jì)算中，VA ONE軟件需要的空氣聲輸入信息有：幾何模型信息，聲源設(shè)備的位置，艙壁、地板及結(jié)構(gòu)的布置，聲源設(shè)備的噪聲頻譜，內(nèi)裝、絕緣材料的隔聲性能，開(kāi)敞區(qū)建筑物、設(shè)備等結(jié)構(gòu)的外形尺寸。

1.2 結(jié)構(gòu)聲分析方法

結(jié)構(gòu)聲計(jì)算分析以ABAQUS有限元法為基礎(chǔ)，結(jié)合統(tǒng)計(jì)能量法軟件系統(tǒng)VA ONE，預(yù)測(cè)計(jì)算各類(lèi)區(qū)域的結(jié)構(gòu)輻射噪聲，如對(duì)生活樓艙室和機(jī)械設(shè)備艙室的結(jié)構(gòu)輻射噪聲進(jìn)行評(píng)估。為實(shí)現(xiàn)全頻域的結(jié)構(gòu)聲分析，低頻結(jié)構(gòu)聲是通過(guò)ABAQUS軟件校核結(jié)構(gòu)形式實(shí)現(xiàn)的(低于100 Hz)，以避免過(guò)度振動(dòng)引發(fā)二次噪聲。需要的結(jié)構(gòu)聲輸入信息有主要旋轉(zhuǎn)設(shè)備振動(dòng)源的信息和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙。中高頻結(jié)構(gòu)聲是通過(guò)VA ONE軟件實(shí)現(xiàn)的(高于63 Hz)，可直接考慮設(shè)備振動(dòng)激勵(lì)(也稱(chēng)“結(jié)構(gòu)聲激勵(lì)”)通過(guò)結(jié)構(gòu)傳遞之后引發(fā)的二次噪聲水平。需要的結(jié)構(gòu)聲輸入信息有：項(xiàng)目的幾何模型信息，聲源設(shè)備的位置，艙壁、地板及結(jié)構(gòu)的布置，聲源設(shè)備的振動(dòng)頻譜，內(nèi)裝、絕緣材料的隔聲性能。

1.3 空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)噪聲計(jì)算

通風(fēng)系統(tǒng)噪聲計(jì)算主要包括風(fēng)機(jī)聲源噪聲的估算、管路系統(tǒng)噪聲自然衰減的計(jì)算、管道系統(tǒng)氣流再生噪聲的計(jì)算和消聲器的選用與計(jì)算等。在空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)中，管道系統(tǒng)內(nèi)的噪聲自然衰減是通風(fēng)噪聲計(jì)算必須考慮的因素。管道系統(tǒng)內(nèi)的噪聲自然衰減主要來(lái)源于直管道的聲衰減，彎頭、三通和變徑管的聲衰減，風(fēng)口末端的聲衰減，以及風(fēng)口噪聲向房間內(nèi)傳播途徑的聲衰減等。消聲裝置(主要是消聲器)是通風(fēng)管道系統(tǒng)中主要的降噪部件，可根據(jù)管路噪聲的特點(diǎn)定制專(zhuān)用消聲器，或選擇通用消聲器。消聲器的降噪能力通常在10 dB以上，對(duì)通風(fēng)風(fēng)機(jī)噪聲和氣流引起的二次噪聲都有較好的降噪效果。

以風(fēng)機(jī)噪聲為聲源，經(jīng)風(fēng)管(直管、彎頭、三通和各類(lèi)閥門(mén))的自然衰減得到管道末端風(fēng)口的輸出聲功率。以該聲功率值作為艙室的聲源進(jìn)行室內(nèi)混響計(jì)算，得到該處艙室的室內(nèi)通風(fēng)噪聲平均值。

軸流風(fēng)機(jī)聲功率級(jí)LW估算方法的表達(dá)式為

LW=19+10lg(QH2)-20

(3)

式(3)中：Q為風(fēng)量，m3/h；H為風(fēng)壓，Pa。

直管道、彎頭等部件的噪聲自然衰減可通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式得到。

1.4 總噪聲計(jì)算

總噪聲計(jì)算是基于空氣聲、結(jié)構(gòu)聲和空調(diào)聲的預(yù)測(cè)結(jié)果。對(duì)于每個(gè)區(qū)域(房間)，總噪聲值LTotal為這些噪聲分量的合成，表達(dá)式為

(4)

式(4)中：Lair為空氣聲;LHVAC為空調(diào)聲;Lstr為結(jié)構(gòu)聲。

2 海洋平臺(tái)噪聲計(jì)算模擬

2.1 室內(nèi)噪聲分析模型

室內(nèi)噪聲分析建立的SEA(Statistical Energy Analysis)結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)模型見(jiàn)圖1。模型中不同的顏色代表不同的板厚，其中紫色為設(shè)備模型，根據(jù)設(shè)備外形尺寸大致模擬。另外，阻尼材料以結(jié)構(gòu)阻尼的方式考慮，舾裝材料的吸聲/隔聲特性數(shù)值以VA ONE中的NCT(Noise Control Treatment)的方式定義。在分析中所用鋼板的參數(shù):楊氏模量為2.10×105N/mm2;密度為7 850×10-9kg/mm3;泊松比為0.3；剪切模量為7.5×1010Pa。在VA ONE系統(tǒng)中，SEA的聲腔模型至少需要2個(gè)面圍成的封閉空間，該聲腔可用來(lái)預(yù)測(cè)封閉空間或艙室的平均聲壓級(jí)。在分析模型中，需對(duì)聲腔定義吸聲系數(shù)，以更準(zhǔn)確地模擬結(jié)構(gòu)聲和空氣噪聲的傳遞。全船空腔子系統(tǒng)模型見(jiàn)圖2。

圖1 船體結(jié)構(gòu)模型

圖2 全船空腔子系統(tǒng)模型

2.2 外場(chǎng)噪聲分析模型

根據(jù)外場(chǎng)噪聲分析方法，外場(chǎng)噪聲分析模型以整體噪聲分析模型為基礎(chǔ)，增加外場(chǎng)聲腔體，涵蓋關(guān)注的外場(chǎng)區(qū)域。為滿(mǎn)足聲學(xué)計(jì)算的基礎(chǔ)理論要求，更好地體現(xiàn)噪聲衰減梯度，將外場(chǎng)區(qū)域聲腔分割為3 m×3 m的空間體。包含外場(chǎng)區(qū)域的聲學(xué)模型見(jiàn)圖3，結(jié)構(gòu)外部的灰色腔體為模擬外場(chǎng)的聲腔。

圖3 包含外場(chǎng)區(qū)域的聲學(xué)模型

3 海洋平臺(tái)噪聲計(jì)算分析

3.1 激勵(lì)源的設(shè)定

激勵(lì)源一般由設(shè)備廠(chǎng)家提供，若廠(chǎng)家無(wú)法提供，則根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式推算。

中高速柴油機(jī)機(jī)腳加速度級(jí)La(參考加速度1 μm/s2)的估算公式為

(5)

式(5)中：m為柴油機(jī)的質(zhì)量，kg；Pe為柴油機(jī)的額定功率，kW；ne為柴油機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，r/min；n為柴油機(jī)的工作轉(zhuǎn)速，r/min；Ca為柴油機(jī)振動(dòng)的倍頻程修正值，dB，其取值見(jiàn)表1。

表1 柴油機(jī)振動(dòng)的倍頻程修正值

柴油機(jī)的輻射聲功率級(jí)Lw(參考聲功率w0=10-12W)的估算公式為

Lw=10lgPe+58+Cw

(6)

式(6)中：Lw為柴油機(jī)的輻射聲功率級(jí)，dB;Pe為柴油機(jī)的額定功率，kW；Cw為柴油機(jī)空氣噪聲的倍頻程修正值，dB。

3.2 結(jié)構(gòu)低頻分析計(jì)算

采用有限元方法和解析法評(píng)估低頻結(jié)構(gòu)聲，對(duì)板格結(jié)構(gòu)的頻率進(jìn)行計(jì)算，依照實(shí)船經(jīng)驗(yàn)，若板格結(jié)構(gòu)無(wú)共振出現(xiàn)，可認(rèn)為船體在低頻階段無(wú)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)聲的風(fēng)險(xiǎn)。主要激勵(lì)頻率考慮輔助柴油發(fā)電機(jī)組、應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組、柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)消防泵和燃?xì)廨啓C(jī)。由于柴油機(jī)是彈性安裝的，通過(guò)柔性支承傳遞的激勵(lì)通?？珊雎圆挥?jì)，輔機(jī)和應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，對(duì)應(yīng)的一階諧波頻率為25 Hz，因此認(rèn)為一階激勵(lì)并沒(méi)有完全被彈性件衰減。值得考慮的是，輔助柴油發(fā)電機(jī)、應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)和柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)消防泵都屬于應(yīng)急設(shè)備，每2周啟動(dòng)1次，啟動(dòng)時(shí)運(yùn)行時(shí)間在30 min以?xún)?nèi)。因此，由此類(lèi)設(shè)備引起低頻結(jié)構(gòu)聲異常的情況不作重點(diǎn)考慮。燃?xì)廨啓C(jī)由于自身作業(yè)的特殊性，其噪聲貢獻(xiàn)以高頻為主，低頻結(jié)構(gòu)聲可不考慮。因此，主要旋轉(zhuǎn)設(shè)備對(duì)低頻結(jié)構(gòu)噪聲的影響非常有限，是安全的。

3.3 室內(nèi)噪聲分析計(jì)算

在VA ONE系統(tǒng)中，設(shè)備的噪聲和振動(dòng)激勵(lì)值是以功率的形式輸入的，包括空氣聲功率和結(jié)構(gòu)聲功率，分別作用在聲腔和結(jié)構(gòu)上模擬。在此基礎(chǔ)上，對(duì)平臺(tái)室內(nèi)聲場(chǎng)進(jìn)行噪聲分析計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4可知，大部分房間的噪聲值都能滿(mǎn)足噪聲限值的要求。LAB、Galley和立柱區(qū)域的控制室因通風(fēng)系統(tǒng)噪聲過(guò)大，導(dǎo)致總噪聲超出限值，設(shè)計(jì)中通過(guò)增加管路消聲器或內(nèi)襯管、具有消聲功能的散射器等來(lái)降低總噪聲[4-6]。

圖4 室內(nèi)噪聲分析結(jié)果

甲板上2個(gè)限值較小的重要房間(中控設(shè)備間和中控間)設(shè)置備用分體空調(diào)，正常工況下中央空調(diào)運(yùn)行，在進(jìn)行噪聲計(jì)算時(shí)無(wú)需考慮分體空調(diào)，噪聲滿(mǎn)足規(guī)范的要求。LAB試驗(yàn)臺(tái)排風(fēng)機(jī)對(duì)室內(nèi)的影響較大，艙室噪聲可達(dá)64 dB(A)，超出了限值(按IMO MSC.337(91)規(guī)定的60 dB(A))的要求。在排風(fēng)管路系統(tǒng)中增加消聲器，可降低室內(nèi)噪聲到59 dB(A)，滿(mǎn)足規(guī)范的要求[7-9]。

4 結(jié) 語(yǔ)

半潛平臺(tái)噪聲分析需綜合考慮平臺(tái)的布置、設(shè)備運(yùn)行的頻次和人員居住房間的隔音材料等因素，其中準(zhǔn)確輸入確定設(shè)備的空氣噪聲和結(jié)構(gòu)噪聲非常關(guān)鍵。本文采用部分廠(chǎng)家提供的倍頻程數(shù)據(jù)，結(jié)合以往項(xiàng)目的設(shè)備激勵(lì)的數(shù)據(jù)模擬，為降噪提供設(shè)計(jì)依據(jù)。對(duì)于半潛平臺(tái)噪聲控制，要做好以下幾方面工作：

1) 提供幾種重要激勵(lì)源設(shè)備的振動(dòng)、噪聲數(shù)值估算方法，可將其作為項(xiàng)目分析設(shè)計(jì)階段初步估算的輸入?yún)⒖肌?/p>

2) 對(duì)于低頻(100 Hz以下)噪聲，可采用有限元法，以校核共振風(fēng)險(xiǎn)的方式進(jìn)行評(píng)估；對(duì)于中高頻噪聲，可采用統(tǒng)計(jì)能量法進(jìn)行分析。

3) 艙室通風(fēng)噪聲需采用經(jīng)驗(yàn)公式法單獨(dú)計(jì)算校核，由于經(jīng)驗(yàn)公式的使用和工程師的經(jīng)驗(yàn)等人為因素通常會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果有較大的差異，建議保留3 dB的安全系數(shù)。

4) 當(dāng)啟動(dòng)房間內(nèi)大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備時(shí)，內(nèi)場(chǎng)噪聲超標(biāo)主要是由這些高噪聲設(shè)備的空氣聲引起的。因此，要控制室內(nèi)噪聲，主要考慮隔聲問(wèn)題。即阻斷/降低空氣聲或結(jié)構(gòu)聲向目標(biāo)艙室傳遞，對(duì)應(yīng)的應(yīng)急發(fā)電機(jī)室和ESSENTIAL發(fā)電機(jī)室均需設(shè)計(jì)安裝吸、隔聲絕緣材料和裝置，有效阻斷/降低空氣聲或結(jié)構(gòu)聲向外傳遞。

5) 半潛平臺(tái)船體立柱通風(fēng)管線(xiàn)密集，易造成噪聲過(guò)大，需增加管路消聲器、散射器和內(nèi)襯管予以控制。

6) 外場(chǎng)區(qū)域一般人員持續(xù)操作時(shí)間短，對(duì)于噪聲超出85 dB(A)的區(qū)域，為保障船員的健康和安全，需設(shè)置明顯的高噪聲標(biāo)示，當(dāng)有人員在這些區(qū)域工作、駐留時(shí)，需佩戴防護(hù)耳罩。