基于SEA的海洋平台典型舱室噪声预报及设备优化布置研究

吴 彬 谢晓忠 陈 林 李 卓 孙 丰

（1.中国特种飞行器研究所 荆门448035；2.哈尔滨工程大学 船舶工程学院 哈尔滨150001）

引 言

海洋平台是海洋油气勘探、开发的主要设备，为了保证平台作业正常进行，平台上布置了原油主机、压缩机、控制阀门、空冷器、泵、柴油机、风机、火炬、空调以及其他橇装设备等。这些机械设备产生大量振动与噪声，其振动会引起钢性结构物产生一次和二次振动噪声，振动频域涉及低频、中频和高频。这些噪声是影响安全的重要隐患，对作业人员的施工环境和安全造成危害，并影响平台施工作业的正常运行［1-3］。因此，对典型舱室进行噪声预报并针对预报结果对平台设备的安装布置合理优化具有重要意义［4］。

鉴于ANSYS在有限元建模、VA ONE在全频段噪声预报中的巨大优势，本文采用通用有限元软件ANSYS建立不同工况下的舱室-出风管系统模型，而后将模型导入到VA ONE中，建立SEA模型，进而施加载荷进行统计能量计算。最后对三种工况下的舱室噪声进行对比分析，并得出相关结论，为船舶与海洋工程结构物中设备的优化布置提供依据。

1 统计能量法基本理论

统计能量分析方法从统计的观点出发，以能量为基本变量，重点研究稳态振动时的平均振动能量。SEA将复杂系统（包括机械的或声学的系统）划分为不同的模态群，并从统计意义上把大系统分解成若干便于分析的可贮存能量的独立子系统，以每个子系统的能量为基本参数，建立每个子系统之间的能量平衡关系，以此来预测系统的声振环境［5-8］。

假设将一个复杂的机械结构（声学系统）划分为N个独立子系统，创建成如图1所示的SEA模型。

图1 统计能量分析子系统

对于第i个子系统，其内部损耗功率

式中：ηi为内损耗因子，定义为子结构在单位频率（振动一次）、单位时间损耗能量与平均储存能量之比；ηis为结构子系统本身材料内摩擦构成的结构损耗因子；ηir为结构子系统振动声辐射阻尼形成的损耗因子；ηib为结构子系统边界连接阻尼构成的损耗因子。

式中：ηij、ηji分别为从子系统i传递到子系统j、从子系统j传递到子系统i的耦合损耗因子。

式中：Pi,in为外界对子系统i的输入功率。

当为稳态振动时 =0，上式可变成：

代入互易原理公式ηiηij=ηjηji，即可得统计能量法的基本关系式：

2 噪声预报SEA模型及工况设计

2.1 结构参数

本文采用以板面创建声腔子系统的方法，在ANSYS中进行几何建模时，Shell结构分为两种：一种为结构板，即实际存在的板；另一种为虚拟板，即用于构建声腔、实际并不存在的板，这一种板在VA ONE中声腔建好后必须删除。

几何模型建好后，再进行有限元离散，如图2、图4所示。噪声预报整体模型由声腔子系统、板子系统构成，如图3、图5所示。

舱室尺寸为3 m×3 m×3 m，由厚度为4 mm、弹性模量E=2.1×1011Pa、泊松比μ=0.3、密度ρ=7 800 kg/m3的普通船用钢Q235围成，内部进行声控处理，即在舱室内壁敷设50 mm 厚的矿物棉与1 mm厚的硬橡胶吸声组合材料，以达到吸声、隔声的目的［9-10］。

这种吸声材料的总体特性如下：单位面积重量W=3.6 kg，总厚度为51 mm。其中硬橡胶的密度ρ=1 100 kg/m3，弹性模量E=2.3×109Pa，剪切模量G=7.72×108Pa，泊松比μ=0.489 6。室外空调出风管长0.5 m，管径0.5 m，位于通过舱壁中心垂直于舱壁的直线上。

2.2 工况设置

为考察出风口朝向对舱室噪声的影响，本文设计了一项对比试验，在密闭舱室外布置一台分体空调室外机，距离舱室0.5 m。分体空调室外机空气噪声载荷如表1所示。

图2 有限元整体模型

图3 SEA整体模型

图4 舱室-出风管（侧向）有限元模型

图5 舱室-出风管（侧向）SEA模型

表1 倍频程下分体空调室外机空气声声源级

工况设计如下：工况A，出风口背向舱室；工况B，出风口朝向舱室；工况C，出风口侧向舱室。如图6所示：

图6 对比试验工况设计

3 计算结果分析

在统计能量软件VA ONE中，分别对工况A、工况B、工况C进行计算［11］，计算结果如表2所示。在各个频点下，不同工况的噪声级曲线见图7。由计算结果可以看出，分体空调室外机出风口背向密闭舱室较之于朝向舱室，舱室噪声降低5.5 dBA，较之于侧向舱室，舱室噪声降低2.1 dBA。分体空调室外机出风口侧向密闭舱室较之于朝向舱室，舱室噪声也出现3.4 dBA的降幅。因此，分体空调室外机出风口的朝向会对舱室噪声产生较大影响，在实际工程中，应尽量使出风口背向舱室。

表2 工况A、B计算结果

图7 各个频点不同工况的噪声级

4 结 论

本文基于统计能量法，利用VA ONE软件对船舶与海洋工程典型舱室结构在分体空调室外机空气噪声作用下的舱室噪声进行预报。在保证结构尺寸与载荷大小不变的前提下，改变分体空调室外机出风口的朝向，分出风口朝向、背向、侧向三种工况，对出风口的朝向对舱室噪声的影响进行了定量分析，通过研究发现：分体空调室外机出风口背向密闭舱室较朝向舱室和侧向舱室，舱室噪声依次出现5.5 dBA和2.1 dBA的降幅。由此可以得出：分体空调室外机出风口的朝向对于舱室噪声具有较大影响，在船舶与海洋结构物设计初期应尽量避免出风口朝向舱室的情况，以降低相邻舱室的舱室噪声。

［1］ 姜聪聪.基于SEA法的自升式平台生活区舱室噪声研究［D］.大连理工大学硕士学位论文 ，2012：37-46.

［2］ 于双，李峰，王旭永，静波.93米多功能海洋平台供应船的噪声与振动控制［J］.噪声与振动控制，2006，4（8）：76-80.

［3］ 张艳春，惠宁，沈志恒.海洋平台上噪声分析方法［J］.噪声与振动控制，2012，2（4）：171-174.

［4］ 夏侯命胜，张玉奎，刘晓明.油船舱室噪声预报［J］.船舶，2011（2）：31-37.

［5］ 阿·斯·尼基福罗夫.船舶结构声学设计［M］.北京：国防工业出版社，1998.

［6］ 姚德源，王其政.统计能量分析原理及其应用［M］.北京：北京理工大学，1995： 9-16.

［7］ 王佐民.统计能量分析的原理及应用［J］.声学技术，1987，6（4）：24-26.

［8］ 孙丽萍.能量有限元法研究及其应用［D］.哈尔滨工程大学博士学位论文 2004：9-11.

［9］ 陈伯时，陈敏逊.噪声控制学［M］.北京：机械工业出版社，1998.

［10］ 周新祥．噪声控制及应用实例［M］．海洋出版社，1999.

［11］ 刘涛，顾彦．统计能量分析在汽车车内噪声分析中的应用［J］.噪声振动与控制，2006（2）：66-69.