由廣輝，竇培林

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)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(gè)移動(dòng)的長期工作站。由于遠(yuǎn)離陸地，因而對于海洋平臺上面人員的生活環(huán)境和工作環(huán)境的要求很高，海洋鉆井平臺的振動(dòng)噪聲控制也變得越來越重要。振動(dòng)噪聲不僅會導(dǎo)致海洋結(jié)構(gòu)物艙內(nèi)的儀器、設(shè)備等結(jié)構(gòu)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(chǎn)生危害。IMO 最新修訂的船舶噪聲防護(hù)規(guī)則(IMO 468 決議)將于2014年7月起正式生效，船舶噪聲防護(hù)規(guī)則即將成為全球范圍強(qiáng)制執(zhí)行的造船規(guī)范之一。海洋工程的設(shè)計(jì)與制造除了要滿足傳統(tǒng)的功能與強(qiáng)度的要求外，還要滿足舒適、環(huán)保、節(jié)能等性能要求。目前國內(nèi)很多企業(yè)還沒有做到從設(shè)計(jì)源頭就開始融入降噪理念，而是在最后船舶舾裝環(huán)節(jié)才進(jìn)行應(yīng)對，不僅效果差，而且費(fèi)錢費(fèi)力。

本文以自升式海洋平臺為研究對象，基于VA One 聲學(xué)分析軟件建立自升式海洋平臺的聲學(xué)模型，對自升式海洋平臺的噪聲聲壓值水平進(jìn)行數(shù)值預(yù)報(bào)［1-3］;并采用浮動(dòng)隔聲結(jié)構(gòu)對自升式海洋平臺進(jìn)行噪聲控制，對比分析振動(dòng)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(yīng)用到前期設(shè)計(jì)中，對開展海洋工程裝備的設(shè)計(jì)有一定的輔助和參考價(jià)值。

1 基本理論

本文采用統(tǒng)計(jì)能量法［4-6］，分析浮動(dòng)隔聲結(jié)構(gòu)在自升式海洋平臺這一大型復(fù)雜化海洋結(jié)構(gòu)物上對減振降噪的影響。統(tǒng)計(jì)能量法的基本思想是把一個(gè)完整的系統(tǒng)離散成N 個(gè)子振動(dòng)系統(tǒng)(包括結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)的閉空間聲場)，每個(gè)子系統(tǒng)在某個(gè)頻段內(nèi)都含有多個(gè)振動(dòng)模態(tài)，各個(gè)子系統(tǒng)之間的能量交換是通過它們各自的振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行的，子系統(tǒng)通過邊界進(jìn)行能量交換，在計(jì)算中、高頻率范圍內(nèi)，能較好地描述各個(gè)系統(tǒng)的平均聲學(xué)特性，以統(tǒng)計(jì)平均量來衡量各個(gè)子系統(tǒng)的能量，最后由能量求出振動(dòng)速度、聲場聲壓等結(jié)構(gòu)振動(dòng)參數(shù)，子系統(tǒng)的模態(tài)密度和內(nèi)部損耗因子以及耦合損耗因子決定了計(jì)算的精度。

在統(tǒng)計(jì)能量方法中，由能量守恒定理可知，子系統(tǒng)的消耗能量與其傳給其他子系統(tǒng)能量之和與輸入給此系統(tǒng)的能量相等。K 個(gè)子系統(tǒng)的系統(tǒng)能量平衡方程為:

式中:Ei為第i 個(gè)子系統(tǒng)的能量;Pi為第i 個(gè)子系統(tǒng)的輸入功率;ni為第i 個(gè)子系統(tǒng)的模態(tài)密度;ηi為第i 個(gè)子系統(tǒng)的內(nèi)損耗因子;ηij為2 個(gè)子系統(tǒng)的耦合損耗因子。

2 浮動(dòng)隔聲結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)的剛?cè)嵝赃B接方式對結(jié)構(gòu)噪聲的傳遞影響顯著［7］。為了最大程度降低結(jié)構(gòu)噪聲，對艙壁結(jié)構(gòu)、地板結(jié)構(gòu)等艙室結(jié)構(gòu)采用柔性連接方式來替代剛性連接以形成浮動(dòng)結(jié)構(gòu)。隔聲結(jié)構(gòu)在對噪聲源的降噪處理上效果明顯，但如果隔聲結(jié)構(gòu)的底部與地板剛性連接，會導(dǎo)致隔聲結(jié)構(gòu)形成一個(gè)大的噪聲輻射源向外輻射噪聲能量，所以在隔聲結(jié)構(gòu)的底部采用了浮動(dòng)的彈性連接結(jié)構(gòu)。為了最大程度地降低隔聲結(jié)構(gòu)向外輻射噪聲，在隔聲的同時(shí)考慮了吸聲的材料和結(jié)構(gòu)［8］。浮動(dòng)連接方式在VA One 軟件中主要靠點(diǎn)連接與線連接的減振設(shè)置來實(shí)現(xiàn)。

圖1 浮動(dòng)隔聲結(jié)構(gòu)Fig.1 Floating sound insulation structure

圖2 點(diǎn)連接與線連接Fig.2 Point junction and line junction

3 數(shù)值仿真模型

3.1 振動(dòng)源與噪聲源

自升式海洋平臺的主要振動(dòng)噪聲源有主機(jī)發(fā)電機(jī)組和風(fēng)機(jī)系統(tǒng)兩大塊。

主機(jī)的噪聲聲功率譜見表1，振動(dòng)頻率幅值譜見表2。自升式海洋平臺風(fēng)機(jī)的噪聲譜見表3。

表1 自升式海洋平臺主機(jī)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(jī)的振動(dòng)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(tǒng)計(jì)能量模型

本文研究的自升式海洋平臺采用鋼材制造，在進(jìn)行三維有限元模型建立時(shí)，采用的是MSC.PATRAN 有限元軟件進(jìn)行建模，平臺主船體的主甲板板厚12.5 mm，機(jī)械甲板厚度為8 mm，內(nèi)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(jié)構(gòu)，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?？v桁艙壁簡化為強(qiáng)框架的形式，主要是為了后期導(dǎo)入VA One 后建立聲學(xué)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(gè)子系統(tǒng)內(nèi)部損耗因子取1%，各個(gè)子系統(tǒng)間的耦合損耗因子由軟件自行計(jì)算得出。

表3 自升式海洋平臺的風(fēng)機(jī)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(xué)模型Fig.4 The VA One model of jack-up platform

4 仿真結(jié)果及分析

對于大型復(fù)雜的自升式海洋平臺來說，由于結(jié)構(gòu)龐大，統(tǒng)計(jì)能量的分析方法在工程實(shí)踐中具有極大的實(shí)際意義。圖5和圖6 是125 ～8 000 Hz 范圍內(nèi)自升式海洋平臺加筋板子系統(tǒng)和空氣聲腔子系統(tǒng)單位頻率內(nèi)模態(tài)數(shù)。可以看出，所有的加筋板子系統(tǒng)中單位頻率內(nèi)的模態(tài)數(shù)都大于10，滿足大于5 的要求;聲腔子系統(tǒng)單位頻率內(nèi)模態(tài)數(shù)也滿足于大于5的要求。因此在125 ～8 000 Hz 的頻段范圍內(nèi)，可以對自升式海洋平臺模型的聲腔和加筋板子系統(tǒng)建立統(tǒng)計(jì)能量模型進(jìn)而進(jìn)行分析?？紤]到仿真模型是沒有舾裝和內(nèi)飾的裸露平臺，首先對噪聲源艙室進(jìn)行了單面60 mm 聚氨酯加20 mm 空氣層結(jié)構(gòu)吸聲材料處理，再對比浮動(dòng)隔聲結(jié)構(gòu)加入前后降噪效果。各個(gè)艙室預(yù)報(bào)后的聲壓值見圖7和表4。

圖5 板子系統(tǒng)模態(tài)數(shù)Fig.5 The modes in band of ribbed plate subsystem

圖6 聲腔子系統(tǒng)模態(tài)數(shù)Fig.6 The modes in band of cavity subsystem

圖7 浮動(dòng)隔聲結(jié)構(gòu)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(dòng)隔聲結(jié)構(gòu)應(yīng)用前后海洋平臺主船體各艙室的噪聲預(yù)報(bào)值可以看出:

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

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

3)目標(biāo)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(jié) 語

利用浮動(dòng)隔聲結(jié)構(gòu)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(xiàn)不大。這是因?yàn)閂A One 軟件計(jì)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(dòng)隔聲結(jié)構(gòu)對此聲腔的聲壓值影響不大:主機(jī)艙室內(nèi)聲壓值略微減小是因?yàn)楦?dòng)隔聲結(jié)構(gòu)模型的建立略微縮小了原來的主機(jī)艙室的聲腔大小;其他7 個(gè)噪聲源艙室聲壓值減小是因?yàn)橹鳈C(jī)艙室的浮動(dòng)隔聲結(jié)構(gòu)降低了其向其他噪聲源艙室輻射結(jié)構(gòu)噪聲的能量。浮動(dòng)隔聲結(jié)構(gòu)對噪聲源艙室外的其他艙室的降噪貢獻(xiàn)效果顯著，最大貢獻(xiàn)達(dá)到了下降72.738 2 dB 的程度，對海洋工程裝備的降噪設(shè)計(jì)有一定的輔助和指導(dǎo)意義。

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