浮动隔声结构在自升式海洋平台上的应用

由广辉，窦培林

(江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江212003)

0 引 言

自升式海洋平台是近海石油开采的海工装置，类似一个移动的长期工作站。由于远离陆地，因而对于海洋平台上面人员的生活环境和工作环境的要求很高，海洋钻井平台的振动噪声控制也变得越来越重要。振动噪声不仅会导致海洋结构物舱内的仪器、设备等结构的声振疲劳破坏，也会对海洋平台上工作人员的身体健康产生危害。IMO 最新修订的船舶噪声防护规则(IMO 468 决议)将于2014年7月起正式生效，船舶噪声防护规则即将成为全球范围强制执行的造船规范之一。海洋工程的设计与制造除了要满足传统的功能与强度的要求外，还要满足舒适、环保、节能等性能要求。目前国内很多企业还没有做到从设计源头就开始融入降噪理念，而是在最后船舶舾装环节才进行应对，不仅效果差，而且费钱费力。

本文以自升式海洋平台为研究对象，基于VA One 声学分析软件建立自升式海洋平台的声学模型，对自升式海洋平台的噪声声压值水平进行数值预报［1-3］;并采用浮动隔声结构对自升式海洋平台进行噪声控制，对比分析振动噪声处理前后舱室的声压值水平，探索减振降噪控制方法，把减震降噪的理念应用到前期设计中，对开展海洋工程装备的设计有一定的辅助和参考价值。

1 基本理论

本文采用统计能量法［4-6］，分析浮动隔声结构在自升式海洋平台这一大型复杂化海洋结构物上对减振降噪的影响。统计能量法的基本思想是把一个完整的系统离散成N 个子振动系统(包括结构和结构的闭空间声场)，每个子系统在某个频段内都含有多个振动模态，各个子系统之间的能量交换是通过它们各自的振动模态进行的，子系统通过边界进行能量交换，在计算中、高频率范围内，能较好地描述各个系统的平均声学特性，以统计平均量来衡量各个子系统的能量，最后由能量求出振动速度、声场声压等结构振动参数，子系统的模态密度和内部损耗因子以及耦合损耗因子决定了计算的精度。

在统计能量方法中，由能量守恒定理可知，子系统的消耗能量与其传给其他子系统能量之和与输入给此系统的能量相等。K 个子系统的系统能量平衡方程为:

式中:Ei为第i 个子系统的能量;Pi为第i 个子系统的输入功率;ni为第i 个子系统的模态密度;ηi为第i 个子系统的内损耗因子;ηij为2 个子系统的耦合损耗因子。

2 浮动隔声结构

结构的刚柔性连接方式对结构噪声的传递影响显著［7］。为了最大程度降低结构噪声，对舱壁结构、地板结构等舱室结构采用柔性连接方式来替代刚性连接以形成浮动结构。隔声结构在对噪声源的降噪处理上效果明显，但如果隔声结构的底部与地板刚性连接，会导致隔声结构形成一个大的噪声辐射源向外辐射噪声能量，所以在隔声结构的底部采用了浮动的弹性连接结构。为了最大程度地降低隔声结构向外辐射噪声，在隔声的同时考虑了吸声的材料和结构［8］。浮动连接方式在VA One 软件中主要靠点连接与线连接的减振设置来实现。

图1 浮动隔声结构Fig.1 Floating sound insulation structure

图2 点连接与线连接Fig.2 Point junction and line junction

3 数值仿真模型

3.1 振动源与噪声源

自升式海洋平台的主要振动噪声源有主机发电机组和风机系统两大块。

主机的噪声声功率谱见表1，振动频率幅值谱见表2。自升式海洋平台风机的噪声谱见表3。

表1 自升式海洋平台主机的噪声声功率谱Tab.1 The noise sound power spectrum of jack-up platform engine

表2 自升式海洋平台主机的振动频率幅值谱Tab.2 The vibration frequency amplitude spectrum of jack-up platform

3.2 自升式海洋平台的统计能量模型

本文研究的自升式海洋平台采用钢材制造，在进行三维有限元模型建立时，采用的是MSC.PATRAN 有限元软件进行建模，平台主船体的主甲板板厚12.5 mm，机械甲板厚度为8 mm，内底板的厚度为9.5 mm，外底板的板厚为12.5 mm，对主船体的四层甲板简化的采用了加筋结构，纵桁采用T820×12.5+350×22 的T 型材，横梁采用的是T390×12.5+200×22 的T 型材。纵桁舱壁简化为强框架的形式，主要是为了后期导入VA One 后建立声学模型(见图3和图4)。在VA One 中，海洋平台钢材料的密度为7 850 kg/m3，弹性模量为2.06×1011N/m2，泊松比取0.3，单个子系统内部损耗因子取1%，各个子系统间的耦合损耗因子由软件自行计算得出。

表3 自升式海洋平台的风机噪声谱Tab.3 The draught fan noise spectrum of jack-up platform

图3 自升式海洋平台有限元模型Fig.3 The FEA model of jack-up platform

图4 自升式海洋平台声学模型Fig.4 The VA One model of jack-up platform

4 仿真结果及分析

对于大型复杂的自升式海洋平台来说，由于结构庞大，统计能量的分析方法在工程实践中具有极大的实际意义。图5和图6 是125 ～8 000 Hz 范围内自升式海洋平台加筋板子系统和空气声腔子系统单位频率内模态数。可以看出，所有的加筋板子系统中单位频率内的模态数都大于10，满足大于5 的要求;声腔子系统单位频率内模态数也满足于大于5的要求。因此在125 ～8 000 Hz 的频段范围内，可以对自升式海洋平台模型的声腔和加筋板子系统建立统计能量模型进而进行分析。考虑到仿真模型是没有舾装和内饰的裸露平台，首先对噪声源舱室进行了单面60 mm 聚氨酯加20 mm 空气层结构吸声材料处理，再对比浮动隔声结构加入前后降噪效果。各个舱室预报后的声压值见图7和表4。

图5 板子系统模态数Fig.5 The modes in band of ribbed plate subsystem

图6 声腔子系统模态数Fig.6 The modes in band of cavity subsystem

图7 浮动隔声结构加入前后各舱室声压值Fig.7 The SPL of cabins with floating sound insulation structure before and after

通过表4 的浮动隔声结构应用前后海洋平台主船体各舱室的噪声预报值可以看出:

1)除了泥浆坑区和泥浆泵室外，其他舱室的噪声声压值都大幅度下降，并达到了IMO 噪声控制标准(机舱噪声110 dB 以下);泥浆坑区和泥浆泵室即使处理后也略高于IMO 噪声标准(最大处大于+2.497);

2)左边舱、右边舱、散料仓库、空气压缩机室、泥浆坑区、泥浆泵室、主机舱室和变压器室8个舱室自身舱室内噪声的声压下降不大，泥浆坑区舱室只下降了0.068 dB，也是目标平台主船体上所有舱室中声压值下降最小的;

3)目标平台主船体上其他舱室降噪效果显著:下降最大的是Cavity 中下3，声压值下降了72.738 2 dB。

表4 自升式海洋平台各舱室声压值水平Tab.4 The SPL of jack-up platform cabins

5 结 语

利用浮动隔声结构可以有效的降低噪声源向外辐射的噪声量，但是对于噪声源自身舱室的降噪贡献不大。这是因为VA One 软件计算的舱室声压值是舱室声腔的声压值，在声腔外围的舱壁和地板部位减振降噪的浮动隔声结构对此声腔的声压值影响不大:主机舱室内声压值略微减小是因为浮动隔声结构模型的建立略微缩小了原来的主机舱室的声腔大小;其他7 个噪声源舱室声压值减小是因为主机舱室的浮动隔声结构降低了其向其他噪声源舱室辐射结构噪声的能量。浮动隔声结构对噪声源舱室外的其他舱室的降噪贡献效果显著，最大贡献达到了下降72.738 2 dB 的程度，对海洋工程装备的降噪设计有一定的辅助和指导意义。

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