多缆地球物理勘探船舱室噪声预报及控制研究

任康旭， 姚　雯， 肖文伟， 田　颖

(1.上海船舶工艺研究所， 上海 200032； 2.中船澄西船舶(广州)有限公司， 广东 广州 511462)



多缆地球物理勘探船舱室噪声预报及控制研究

任康旭1， 姚雯1， 肖文伟2， 田颖1

(1.上海船舶工艺研究所， 上海 200032； 2.中船澄西船舶(广州)有限公司， 广东 广州 511462)

以多缆地球物理勘探船(以下简称物探船)为研究对象，分析了物探船主要的噪声源，包括主机、发电机组、螺旋桨工作产生的空气和结构噪声等。在满足MSC.337(91)《船上噪声等级规则》的舱室噪声标准限值要求基础上，采用商用船舶声学设计评估软件建立全船统计能量模型，对其进行舱室噪声预报，并针对结果提出可供参考的减振降噪设计建议，从而为提出声学设计和噪声控制重点奠定基础。

舱室噪声统计能量分析噪声预报

0　引言

随着陆地石油资源的枯竭以及石油价格的居高不下，越来越多的海工装备被用于海洋油气资源的勘探与开采。海洋油气勘查是一个高技术密集的领域，主要包括海洋油气地球物理勘探技术、海洋油气钻探技术。三维高性能深水物探船是海洋油气勘探、开发、利用这条产业链上的一个重要环节。其所需装备技术的发展是决定未来海洋优势，提升国家竞争的关键所在。高性能物探船的建成和使用，将极大地提高国内的三维地震采集能力，对中国近海石油的勘察和开采具有十分重要的意义。

为最大限度地降低海上移动平台以及平台上人员和环境的风险，2009年国际海事组织(IMO)在第26届大会上以A.1023(26)号决议通过了《2009年海上移动式钻井平台构造和设备规则》(2009年MODU规则)，对平台设计和建造中有害物质的使用、噪声控制等方面提出了要求。

物探船是利用声纳发射、接受声波来进行深海石油等资源进行勘探的船舶。对于物探船而言，如果其水下辐射噪声过大，将会降低自身声纳的探测功能，从而严重影响到勘探工作的完成质量，而舱室噪声的大小更是极大程度上会影响船员居住和工作的舒适度。因此，多缆高性能地球物理勘探船对于噪声的控制要求将高于常规船舶。同时，多缆高性能地球物理勘探船是复杂的工程结构物，采用有限元方法进行结构动力响应分析时，结构有限元模型规模比较大、激励源也比较多，比常规的船舶噪声计算更为复杂。

1　物探船舱室噪声限值要求

物探船振动与噪声水平可按照ISO6954《机械振动和冲击——商船振动综合评价指南》、MSC 337(91)《船上噪声等级规则》的要求，或者按照各船级社对于振动和舱室舒适度的附加船级符号来要求。物探船因作业周期较长、大功率机械设备多和舱室空间狭小等特点，船员及特殊人员长期受到振动、噪音的侵扰，对于舱室舒适度及特殊工作舱室的振动、噪音控制要求比普通商船更为严格。噪音方面除满足MSC 337(91)外，还应满足表1和表2的要求。

表1　物探船各场所允许的最大噪声量级

注：当在距离通风进出3 m内测量时可以接受5 dB(A)的偏差。

表2　物探船船员处所最小空气声隔声指数

2　舱室预报评估技术

2.1预报评估方法

目前，主要采用统计能量分析法(SEA)作为物探船舱室噪声的评估方法。统计能量分析法(SEA)起源于20世纪60年代，由Lyon首先提出，用于研究结构高频的动态特性。此方法的基本思想是：从“统计”的观点出发，忽略了舰船建造的许多具体细节，即允许有较粗略的模型，并以“能量”作为独立的动力学变量，利用统计量描述系统在外载荷作用下的动力特性，能够较好地解决结构和声场之间的耦合问题。

由于采用统计能量分析方法计算得到的振动与声辐射的结果都是基于时间或空间上的平均值，因此该方法正是利用了结构高阶模态密集性这一特性来实施预报，这是因为分析频带内的模态越多，得到的平均值就越接近真实结果，能在高频段内有效地分析出结构的振动响应与声辐射状况。国内基于统计能量法针对船舶舱室噪声预报也开发了相应的数值计算软件Cabin Noise等。

为完成物探船舱室的噪声评估工作，需依次实现图1中所示的基本功能。

图1　评估流程图

2.2材料属性

船舶结构的材料特性主要包括弹性模量、泊松比、密度、损耗因子(倍频程形式)等。

结构子系统的属性主要包括船舶结构的材料特性、厚度、加强筋情况(面积、惯性矩、间距等)、内饰结构情况(材料特性、厚度等)。

声腔子系统的属性主要包括介质特性(声速和密度)、吸声系数(倍频程形式)等。

赋予子系统属性时需要选择相应材料特性参数。材料特性可以根据查找相关的材料手册或者由厂家提供。结构参数则主要根据设计图纸获得。

2.3船舶内饰材料的考虑方式

由于物探船内饰材料及布局会影响船体结构的阻尼，影响声学的传递特性，从而影响预报精度，因此在进行舱室噪声预报时，需要考虑船舶内装及布局对计算结果的影响。首先，应该结合内装布置图，在不同的位置布置相应的内装材料，并设计其相应的材料属性(厚度、阻尼系数、吸声系数等)。

在模型的建立过程中可以定义噪声控制处理方案(Noise Control Treatment，简称NCT)，如图2所示。通常情况下，NCT是通过分层定义的，每一个NCT都可以有很多个层(Layer)，能够模拟实际施工中各个噪声控制材料的排列顺序，物探船部分结构的NTC设置方法如表3所示。NCT的计算通过两种方式进行：(1)声腔介质吸声系数的计算可通过“Cavity Subsystem Dialog”复选框中勾中“Using the absorption from NCT”来计算；(2)板系统的损耗因子可通过“Plate Subsystem Dialog”复选框中勾中“Using the damping from NCT”来计算。

图2　NCT定义方法

NCT层数Layer1Layer2Layer3Layer4舱室内部舱壁岩棉空气复合岩棉板/舱室外围舱壁A60级硅酸铝硬毡玻璃丝布空气复合岩棉板岩棉玻璃丝布空气复合岩棉板天花板A60级硅酸铝硬毡玻璃丝布空气复合岩棉板岩棉玻璃丝布空气复合岩棉板甲板敷料乳胶水泥流平敷料塑料地板/乳胶水泥流平敷料橡胶地板/乳胶水泥流平敷料地毯/

表3为NCT设置方法。其中塑料和橡胶地板的内损耗因子按照高分子聚合物损耗因子的最小值取0.1，乳胶水泥及流平敷料的内损耗因子按照水泥损耗因子的较小值取0.02，复合岩棉板的内损耗因子取0.015。其他材料属于纤维状材料，其内损耗因子由统计能量分析软件自行计算。

3　噪声源分析

根据多缆高性能地球物理勘探船的总体布置情况，确定了物探船的主要噪声源分为机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声三大类。主要噪声源为：主机、柴油发电机组、泵机、通风管路、螺旋桨。确定了物探船的主要噪声分为机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声三类。主要噪声源为主机、柴油发电机组、泵机、通风管路、螺旋桨。

在确定主要噪声源的基础上，分析了多缆高性能地球物理勘探船噪声传递路径，多缆高性能地球物理勘探船噪声传递路径主要有三种：空气传递、结构传递和水下传递。其中船上噪声主要通过空气介质和船体结构两种途径传递，以空气噪声和结构噪声两种方式传播。空气噪声主要在距噪声源较近或者含有噪声源的舱室(如机舱、空调机室、泵舱等)中传播；结构噪声主要是由船上噪声源通过机座等的振动传到船体结构上。

3.1柴油发电机组

4台柴油发电机组分别位于85#～100#肋位。柴油机型号为Wärtsilä9L32，额定功率为4 200 kW，额定转速为750 r/min。柴油发电机组的空气声和结构声分别如表4所示。

表4　柴油发电机组空气声和结构声

3.2推进电机

两台推进装置分别位于35#～45#肋位，推进电机为西门子1RN6714-8HV90-Z，额定功率为4 500 kW，额定转速为750 r/min。推进电机的空气声和结构声如表5所示。

表5　推进电机空气声和结构声

3.3螺旋桨

螺旋桨为四叶桨，可变螺距，直径为4.2 m，额定转速为146 r/min。螺旋桨的结构声如表6所示。

表6　螺旋桨结构声

4　舱室噪声预报

4.1模型建立

为了计算物探船各主要舱室的空气噪声，建立全船舱室噪声计算模型(见图3)，采用统计能量法对舱室噪声进行计算。

图3　多缆高性能地球物理勘探船全船舱室声腔模型

4.2计算结果

本文主要关注的是居住区域的舱室噪声。居住区域主要位于第6甲板至驾驶室顶甲板80#～125#肋位，以及第1甲板至第5甲板80#～150#肋位。计算得到的该船有代表性的舱室噪声结果节选如表7所示。噪声限值来源于MSC 337(91)《船上噪声等级规则》。

表7　舱室噪声计算结果节选

4.3降噪建议

从计算结果来看，物探船整体上处于良好水平。综合考虑到物探船对船体机械振动环境要求比较高、船舶自噪声对测量区域被探测目标的影响要小、动力设备产生的振动噪声对船上作业人员身体、心理、情绪的影响要小等因素，提出以下降噪建议：

(1) 由于3甲板和2甲板在机舱区域，离机舱声源较近，受激励源结构噪声影响较大，两层甲板上布置的居住舱室虽都能满足规范要求，但部分舱室预报值接近限制值，建议加厚舾装材料，或适当运用阻尼材料，降低结构声传递的影响。

(2) 位于85#～100#肋位的4台柴油发电机组，建议在机组外部设置相应的围壁和天花板，形成柴油发电机组舱室(注意考虑柴油机送风)，从而降低柴油发电机组的空气噪声对全船噪声的影响。

5　小结

结合多缆高性能地球物理勘探船的结构特点，根据该船主要物探频段特点，对船上主要噪声源，如主机、柴油发电机组、泵机、通风管路、螺旋桨等特性参数进行测量、收集、分析和整理，为载体船声学设计评估提供必要的输入数据。选取统计能量法，重点开展多缆高性能地球物理勘探船噪声源分析、控制和评估研究，并提出船舶噪声控制措施，为设计其噪声控制方案打下基础。

[1]MSC 337(91). Code on noise levels on board ships[S].2012.

[2]姚德源,王其政.统计能量分析原理及其应用[M].北京:北京理工大学出版社，1995.

[3]马大猷.噪声与振动控制工程手册[M].北京:机械工业出版社，2002.

[4](俄)阿·斯·尼基福罗夫著，谢信，王轲译校.船体结构声学设计[M].北京:国防工业出版社,1998.

[5]Riehard H L. Statistical energy analysis of dynamical systems: theory and applications[M]. Massachusetts: MIT Press, 1975.

[6]李泽成. 船舶舱室噪声预报方法分析与评估计算[C]//中国船舶科学研究中心科技报告，2013.

Research on Cabin Noise Prediction and Control for Multi Cable Geophysical Prospecting Ship

REN Kang-xu1， YAO Wen1， XIAO Wen-wei2, TIAN Ying1

(1.Shanghai Shipbuilding Technology Research Institute， Shanghai 200032， China;2.Chengxi Shipyard (Guangzhou) Co., Ltd., Guangzhou Guangdong 511462, China)

Cabin noise on multi cable geophysical prospecting ship was researched in this paper.Firstly， geophysical prospecting ship noise source, including host, generator set, propeller was analyzed. Secondly, based on statistical energy analysis theory, a numerical model was build to compute ship cabin noise.Then， the vibration noise reduction design suggestions, which laying a foundation for acoustic design and noise control were proposed.

Cabin noiseStatistical energy analysisNoise prediction

任康旭(1982-)，男，工程师，从事船舶与海洋工程制造技术研究。

U663

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