基于统计能量方法的海洋平台噪声控制

焦自权，孙勇敢，刘文静

(1. 钦州学院 海洋学院，广西 钦州 535099；2. 重庆交通大学 航海学院，重庆 400074；3.广西大学 外国语学院，广西 南宁 530000)



基于统计能量方法的海洋平台噪声控制

焦自权1，孙勇敢2，刘文静3

(1. 钦州学院 海洋学院，广西 钦州 535099；2. 重庆交通大学 航海学院，重庆 400074；3.广西大学 外国语学院，广西 南宁 530000)

应用声振VA ONE软件建立海洋平台的统计能量分析模型，对海洋平台进行舱室噪声预报分析，求解出平台生活及工作舱室的噪音值；依据噪声控制理论，从接受者、传播途径以及噪声源等方面对典型超标舱室提出降噪措施；通过对比隔振降噪措施得出，对主要噪声源和目标舱室实施隔音降噪处理，降噪效果明显，同时在实际建造过程中有较强的可行性和经济性。

船舶工程；海洋平台；噪声控制；统计能量方法

海上平台噪声与振动研究涉及到平台结构的可靠性和工作人员的安全生产等方面，平台声振会引起结构共振及应力疲劳，同时也会影响到海上工作人员的心情，损害听力，给安全生产带来隐患。所以，各国逐渐重视海上结构物的安全可靠性及工作人员的舒适性等[1]领域，对海上结构物的先进设计制造方面提出了更为科学的标准，特别是其噪声振动及舒适性(Noise, Vibration and Harshness: NVH) 尤为突出[2-4]。

1 海洋平台噪声分析方法

统计能量分析方法[5]是以数学中的统计学为计算方法，将系统结构中的输入与输出等基本参数都以能量来表示，各动力学子系统之间的能量流动用简单的功率流平衡方程来表达，将已知参数输入功率流平衡方程，得到的分析结果是以各子系统输出的功率流[6]以及各耦合子系统的能量矩阵，可将其换算成工程上需要的计算结果，如：声压、速度、位移及应力等，即各动力学子系统的平均动力响应。

振动噪声研究方法的功率流平衡方程，单个子系统损耗的功率为：

(1)

式中：子系统固有频率记为ωn；k为结构刚度；子系统的等效质量记作M；放大因子或品质因子记为Q；阻尼比记为ξ；阻尼系数记为C。

多个子系统的耦合损耗平衡方程：

(2)

引入数学理论中的互易原理，即：

ni(ω)ηij=nj(ω)ηji

在工程实际应用中，结构中的子系统非常繁多，为了直观简便的表达平衡方程，故统计能量方程以矩阵的形式写成：

(3)

式中：ω为研究频域中心频段；Ei为系统输入能量；η为子系统的耦合损耗因子[7]，η=2ξ。

只要获得激励源输入能量、子系统模态密度、耦合损耗因子等已知条件，求解后可得各子系统能量矩阵，即工程结构的声学响应。

2 海洋平台噪声分析模型化

笔者严格按照目标平台结构图、总布置图及舾装图等资料，依据统计能量理论将平台分解成不同动力学子系统，施加声振边界条件[8]，估算并添加激励源，声振分析频谱范围选择倍频程，以此形成模型。模型中以软件加筋板模块来模拟甲板，模块中添加加筋板声学阻尼损耗因子，相应剪切，拉伸，屈曲阻尼损耗因子参数等。舱室内和封闭空间的声腔内流体为空气，求解频段设为31.5～8 000 Hz。舱室结构中所采用的防火材料和吸声隔声材料都严格按照平台防火等级标准和结构设计要求添加到模型当中，如图1。

图1 海洋平台统计能量分析子系统模型

3 海洋平台声振结果分析及优化降噪

3.1 海洋平台舱室声振预报结果分析

海洋平台上居住工作舱室较多，从控制空船重量的角度，生活楼区域90%以上的居住舱室内均铺设了隔音材料和防火材料，这进一步降低了各舱室的噪声水平。依据计算得出的舱室噪音值，通过对比国际海事组织噪声限值和船级社入级规范噪声限值，可得出噪声水平要求较高舱室和超标舱室的噪音值，并依据降噪理论设计有效方案，从而实现缩短设计周期、降低建造成本的声振预报分析目的。表1简要列举了典型舱室噪声计算结果。

表1 生活工作舱室噪音数值

3.2 海洋平台生活工作舱室降噪优化分析

在此次海洋平台舱室噪声预报分析过程中，各生活工作舱室噪声水平虽都未超过IMO规范和船级社入级规范的标准，但A315房间(衣帽间)已超过IMO最新修订的船舶噪声防护规则(IMO 468决议)限制值[9]，此决议将于2014年7月1日起正式生效。同时在模拟过程中忽略海上背景噪声影响，平台在建造中的疏漏，数值模型与平台真实结构存在一定的偏差等因素，为消除以上影响进而完善平台设计，故对其进行降噪处理。

方案1：对舱室有较大影响的噪声源进行隔振降噪处理。通过实测数据分析对比得出，发电机组是影响舱室振动最大的噪声源，以此为研究对象。

依据噪声控制原理，对噪声源激励实施隔振减振措施，在降噪模块中对发电机组设置线隔振来模拟实现隔振措施，在实际工程领域中通常是在设备基座上安装减振弹簧或是隔振器，此措施应用较为广泛，降噪效果非常明显。在数值模拟中对激励源实施的隔振措施有点隔振、线隔振及面隔振等，本次研究采用的是在发电机组基座上的线连接内设置隔振弹簧参数，可按照表2进行参数设置。参数中kx，ky，kz的虚部系数是弹簧阻尼，实部为刚度系数，方向分别沿x，y，z3个轴向，kxx是以x轴向为中心转动的惯量系数。由于激励源大部分声振能量是以弯曲波的方式输入，故此在隔振设置中主要考虑z方向上的隔振效果，即隔振弹簧垂直方向上的参数设置。

表2 隔振弹簧特性

通过安置隔振弹簧来模拟实现降噪，并结合分析表3和图2可看到，A315声振结果降低明显，噪声值下降3.7 dB(A)。此方案不但在隔振降噪处理上达到了很好的效果，而且此种降噪方法既经济又可行。因此，这也是目前在实际工程应用上较为广泛的一种降噪措施，而隔振弹簧和隔振橡胶在船舶和海洋结构物隔振降噪方面是应用较为广泛的两种隔振器材。

图2 舱室噪声水平降噪后对比

Table 3 Cabin noise level before and after denoise/dB(A)

方案2：在传播路径上进行控制降噪，依据能量流动和输入输出二者结合的方法来得出子系统之间的能量流动路径，即可获取噪声激励源声振能量流动流向路径。降噪方案在工程实际应用中是在声振传播路径上的结构甲板上铺设高阻尼耗能材料，在数值模拟过程中是以在子系统构件上添加NCT(Noise Control Treatment)来实现的，使声振能量在传递过程中由于阻尼材料的作用以热能的形式而耗散，从而降低到达舱室的声能。通过以上分析得出，本次研究平台的声能量大部分是由发电机组产生的，结合降噪控制理论，设计其降噪措施：对传播路径上的子系统设置NCT，所选的阻尼材料为工程应用中常用的玻璃棉(glass fiber)，添加厚度为8 mm。其具体参数如表4。

表4 玻璃棉特性

通过在声振传播路径上设置高阻尼材料，结合图3和表5中可以得出，A315舱室噪声水平下降不明显，总声压级降低1.7 dB(A)左右。此降噪效果不甚明显，在结构上铺设阻尼材料势必会增加平台空船重量，设计及建造成本都相应有所增加；而且考虑到平台舱室防火隔音降噪等因素，在其设计初期就在舱室及相应甲板上添加了隔音及防火阻尼材料，通过以上分析得出在传播路径结构上添加阻尼材料的方法不可取。

图3 吸声处理前后舱室噪声水平

Table 5 Cabin noise level before and after denoise/dB(A)

方案3：对接受者(即目标舱室)实施降噪措施，依据方案1、2的相关结论，目标舱室A315的声能大部分源于四周舱壁的结构声振，据此在舱室四壁铺设隔音材料。本次降噪处理选用的材料是岩棉，属性如表6。厚度一般取为3～50 mm，为提高中低频吸声性能，厚度选为10 mm。将此房间的四壁设置隔音双层墙。双层墙的设置参数如表7。

表6 岩棉参数

表7 双层墙原理

通过对目标舱室四壁铺设阻尼材料，结合图4和表8可以得出，A315舱室噪声水平在双层墙隔声原理下下降较为明显，总声压级降低3 dB(A)左右。此降噪措施不仅相对于单层墙隔声具有良好的降噪效果，且较其他降噪方案在建造成本上具有明显的优势，故设置隔音材料在建造过程中是可行的，经济上也是可取的，双层墙隔音措施是理想之选。

图4 吸声处理前后舱室噪声水平

Table 8 Cabin noise level before and after denoise/dB(A)

4 结 论

1)从整体来看，对声源进行隔振处理降噪效果较好；工程应用中操作性强，经济性好。

2)对于局部舱室来说，对其添加隔音材料，降噪效果较好；经济性和可行性良好。

3)在传播路径上添加阻尼材料，虽能达到一定的降噪效果，但成本较高，延长建造周期。

4)在海洋平台降噪控制研究中，只针对目标舱室或单一声源进行控制，效果往往有限。故在考虑建造成本的前提下，设置多舱室、多声源隔振降噪处理，以达到合理噪声环境。

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[4] Greengard L,Rokhlin V.A fast algorithm for particle simulations[J].Journal of Computational Physics,1987,73:325-348.

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Noise Control of Offshore Platform Based on Statistical Energy Method

Jiao Ziquan1, Sun Yonggan2, Liu Wenjing3

(1. College of Ocean, Qinzhou University, Qinzhou 535099, Guangxi, China;2. School of Navigation, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China;3.School of Foreign Languages,Guangxi University, Nanning 530000,Guangxi, China)

The acoustic vibration VA ONE software was applied to establish statistical energy analysis model in order to analyze the cabin noise prediction and study the noise value of living compartments. According to the principle of noise control, three types of noise reduction measures had been made for the typical cabin, including the noise source, transmission and accepted cabin. By comparing the noise reduction measures, draw two kinds of measures are that the main souree of noise is isolated and reducing noise for cabin. description of these two measures would not only be significant noise reduction effect, but in the actual construction process has a strong feasibility and economy advantages.

ship engineering;offshore platform; noise control; statistical energy analysis method

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.01.28

2013-05-21；

2013-09-26

2014年度钦州学院校级科研项目(2014XJKY-09B);广西高等学校特色专业及课程一体化建设项目(桂教高教〔2011〕66号)；轮机工程专业综合改革试点项目(桂财教[2013]169号)

焦自权(1986—)，男，河北石家庄人，硕士，主要从事船舶振动与噪声方面的研究。E-mail:jiaomaomao2002@163.com。

孙勇敢(1985—)，男，河南周口人，讲师，硕士，主要从事结构振动与噪声控制方面的研究。E-mail:583798122@qq.com。

TB53；U661.44

A

1674-0696(2015)01-131-04