海洋平台舱室高频噪声预报与控制

陈　攀，漆琼芳

海洋平台舱室高频噪声预报与控制

陈攀1，漆琼芳2

（1.中国舰船研究设计中心，武汉 430064；2.武汉理工大学 交通学院，武汉 430063）

基于统计能量分析法，建立海洋平台高频噪声预报模型，采用VA One预报舱室有无舾装材料的高频噪声，将计算得到舱室噪声A声级与规范要求值进行对比，分别得到满足与不满足噪声规范要求的舱室。对不满足规范噪声要求的舱室采取降噪措施处理，并根据舱室能量输入情况和能量传递路径来确定阻尼材料最佳布置位置。根据不同吸声材料在不同频段内吸声特点，对舱室布置多层吸声材料组合并进行舱室声压级计算。选用序列二次规划法，对多层吸声材料厚度和重量进行声学优化，并通过七组对比计算验证优化结果的准确性。

声学；海洋平台舱室；统计能量法；噪声预报；声学优化

海洋平台是海洋油气开发的主要设备，平台上的主机、振动筛等设备产生的高分贝噪声会通过空气和结构传播到生活舱室，对海上作业人员的身心健康产生不利影响。自2014年7月1日起，IMO最新修订的船舶噪声防护规则（IMO468决议）正式生效，该规则对新建船舶采取“起居区降低5分贝”的强制性规定。目前我国造船行业在船舶设计阶段前期很少应用声学设计，造船企业仅在内舾装阶段采取补救措施，这只能解决局部问题，且直接增加平台制造成本。如果在设计初期阶段对平台舱室噪声进行预报，并进行结构声学设计，可有效降低平台建造成本，减少舱室噪声。

目前船舶噪声的分析方法包括有限元法、边界元法和统计能量分析法等［1］。惠宁等以某南海深水项目的海洋平台生活楼为研究对象，考虑结构声和空气声的影响，认为海洋平台生活楼的噪声大多为高频噪声［2-3］。陈刚提出了基于VA One的深水半潜式海洋平台的噪声预报方法［4］。张国军等用理论公式、经验公式和试验确定统计能量分析参数，对飞行器结构进行振动预报，并与试验值进行对比，证明统计能量法是可靠的［5］。谢素明等应用SEA法计算了铁路客车室内噪声，对车厢的能量传递路径进行分析，认为舱室低频噪声的主要能量输入路径是底板振动［6］。徐芹亮等运用统计能量法对平台舱室的声学吸声材料进行优化设计［7］。邱斌等应用VA One预报高速船的舱室噪声，并将A计权声压级与实船实验值进行对比，验证了噪声预报方法的有效性［8］。

本文考虑有无舾装材，分别对平台舱室进行高频噪声预报，对比两种情况下的声压级别，验证舾装材料对预报精度的影响程度。分析各个舱室的噪声水平，结合规范要求判断舱室噪声是否满足标准。根据噪声超标舱室的能量输入情况，对舱室敷设阻尼材料和吸声材料等措施进行降噪处理。选用最小序列二次规划法，对吸声材料的厚度、重量进行优化，选取最佳的材料组合，并设置七组材料组合进行对比计算，验证本文声学材料优化方法的正确性。

1　海洋平台噪声统计能量分析

统计能量分析法根据统计密集模态平均的振动能量传递水平，将一个复杂的结构划分成多个子系统，当某个或者某些子系统受到振动激励时，子系统间就通过接触边界进行能量交换，列出每个子系统的能量平衡方程，最终得到一个高阶线形方程组，求解得到每个子系统的能量，由该能量得到子系统的振动参数。统计能量分析法包括模态密度、内损耗因子、耦合损耗因子和输入功率等统计能量参数。

根据海洋平台基本结构图和总布置图，基于VA One软件建立海洋平台的统计能量分析模型。该平台的主尺度如下：总长90 m、总宽62 m、型长65 m、型深8.2 m、双层底高1.5 m、尾部桩腿中心距46 m、生活区共120位工作人员。统计能量分析法认为一个复杂的机械系统都可以化为一系列的子结构所构成的子系统来进行模型分析，复杂系统中的每个子结构（例如板、骨材、流体）都是包含许多不同模态的振荡器，因此，如何建立物理子系统，合理划分物理子系统也就成为应用统计能量分析法的关键。

针对该海洋平台统计能量分析模型，用平板子系统模拟平台的钢板，加筋板子系统模拟加筋板，声腔子系统模拟舱室，且划分子系统时确保每个子系统的模态数大于5。根据文献［9］可确定板的内损耗因子、声腔子系统的内损耗因子、耦合损耗因子等统计能量分析参数。海洋平台的主要振动噪声源有主机、发电机、振动筛、暖通调节系统等，噪声激励参数可根据设备厂商提供的说明书得到，当厂商无法提供设备相关参数时，通过经验公式、相似船型设备估算或者试验测得。根据该平台设备选型，主机、空调、振动筛等噪声源的输入功率均可由经验公式计算。平台空气调节系统的激励谱，根据相似海洋平台设备估算得到［10］。空气噪声激励将设备简化成一个噪声源，在相应声腔中施加。结构激励根据集中力或者加速度谱等施加到相应位置。对于本模型，在主发电机房、泥浆泵房、空调室的声腔内分别施加发电机、振动筛、空调的空气激励，在舱室内对应的船底板上施加结构激励。表1给出了海洋平台的噪声源激励谱，采用1/3倍频程，中心频率单位为Hz，激励的单位为dB，基准加速度和基准功率流均根据文献［11］取值，结构激励采用加速度谱，空气激励采用功率谱。

表1　噪声激励谱/dB

工程上一般选用63 Hz、125 Hz、250 Hz、500 Hz、1 000 Hz、4 000 Hz、8 000 Hz这7个1/3倍频程为分析频带。对统计能量模型划分子系统时，要保证子系统的模态数大于5。选择子系统画出模态数曲线，如图1，给出了统计能量其中的4个子系统模态数沿着频率变化的曲线，一般模态数随着频率的增加而增加，当子系统模态数为5时的计算频率即为统计能量子系统的计算频率下限，计算频率超过这个值，统计能量模型有效，本模型的计算频率下限为63 Hz。

图1　统计能量子系统模态数

采用VA One计算后，图2显示了海洋平台舱室在400 Hz时的声腔声压云图，可知舱室的声压云图在给定频率范围内分布较均匀，靠近声源的舱室声压级较高，随着距离越远声压级呈下降趋势。图3显示了典型平台舱室在计算频域内的声压级，典型舱室包括二人间、餐厅等，预报的声压级在给定频率范围63 Hz～8 000 Hz内的声压级，声压级在计算频域内A计权后，得到的声压级在90dB左右。

图2　舱室在400 Hz时的声腔声压云图

图3　不计内舾装时声腔声压级

船舶内舾装结构主要是指分隔舱壁、衬板及天花板，舾装材料不仅会影响声腔之间的声学传递特性，同时也会影响结构的阻尼水平，从而影响到噪声的预报精度。对平台的围壁与露天甲板，内装材料防火的防火等级满足A-60级，因此内装材料选择40 mm厚防火陶瓷棉+30 mm厚复合岩棉板+1 mm镀锌铁皮或不锈钢皮或铝箔玻璃布。对于有隔热隔声要求且满足防火A-0级的舱室衬板，内装材料选择100 mm厚隔热陶瓷棉+30 mm厚复合岩棉板天花板+1 mm镀锌铁皮或不锈钢皮或铝箔玻璃布。对舱室敷设舾装材料计算得到有舾装材料时的舱室声压级。

表2列出了有无舱室舾装材料两种情况下舱室的A计权声压级，在计舾装和不计舾装材料时，分别得到舱室的A计权声压级，并与规范值进行比较。所考虑舱室的声压级除了二人间2，其他舱室均符合规范标准。

表2　舱室A声级预报结果/dB

图4为二人间2舱室有无内装的舱室A计权声压级，在给定频率范围63 Hz～8 000 Hz范围内，二人间2的声压级相差较大，且随着频率的增加，相差越大，分析原因可能是隔声材料对高频噪声吸声效果好。从表2可知二人间2有无内装A计权声压级差值达16 dB。为了满足隔声、隔热、防火等要求，所敷设的隔声材料对舱室高频噪声有很好的降低作用，有的舱室甚至达到21 dB。可见预报海洋平台舱室噪声时，舱室内装材料对预报结果有很大影响，计算时不可忽略。

3　舱室的噪声控制

由表2可知二人间2的噪声水平超标，需要对舱室敷设阻尼材料进行降噪处理。对舱室进行降噪处理时，根据能量输入的主要来源及其传播途径，可以有针对性地对噪声声压级较大的子系统进行噪声处理。主机和应急电机等设备距离生活服务区较远，其辐射噪声对生活区影响非常小，上层建筑的噪声主要来自暖通系统的空气噪声和结构噪声。

图4　无舾装和有舾装声压级区别

从图5的输入能量贡献量可知，对二人间2的能量输入贡献最大的为2-前F，根据总布置图可知，该区域为空调室，所以对上层建筑生活区进行噪声控制的最佳位置为该空调室及其邻近的舱室。在舱室表面敷设T 54阻尼材料，求解模型得到二人间2的声压级随频率的变化曲线，A计权后的声压级是53 dB，下降了5 dB，最终舱室声压级满足规范要求。

图5　能量输入示意图

4　吸声材料的声学优化

平台设计初期很少考虑声学技术的应用，致使某些舱室噪声水平超标，须在内舾装阶段采取补救措施，根据舱室不同舾装材料的隔声性能，寻求最佳吸声材料组合，可以为海洋平台噪声预报及舾装声学设计提供参考。目前船舶行业常用的阻尼材料和吸声材料有聚酯、聚氨酯、玻璃纤维、三聚氰胺、复合岩棉、隔热陶瓷棉等。这些吸声材料不仅要求吸声效果好而且还应满足相应舱室的防火要求。根据文献［12］可知吸声材料的吸声属性，将吸声材料敷设在空调室的舱壁，材料厚度各为50 mm时，表3给出典型吸声材料的吸声效果，图6显示了舱室敷设吸声材料时不同频率下的A声级。

图6　不同吸声材料吸声效果

表3　吸声材料吸声效果

不同材料在不同频率下的吸声效果不同，因此可以对不同材料进行组合，组合后的吸声材料吸收宽带声波，因此水下吸声结构，汽车的内部结构等常用到多层组合材料。若对组合材料分层方式进行优化设计，不仅可以使质量减少还可以使吸声效果达到最优。隔热陶瓷棉和玻璃纤维在高频阶段吸声效果好，复合岩棉和隔热陶瓷棉的吸声效果和隔热效果都很好。该海洋平台的机舱、暖通系统舱室的地板、围壁、天花板选用复合岩棉和隔热陶瓷棉材料；对于不需要很高隔热要求的居住舱室，为了减少材料重量，适宜选用三聚氰胺、聚酯泡沫、玻璃纤维。

根据吸声材料的特性选取吸声材料的组合后，对吸声材料声学进行优化。序列二次规划法（SQPSequential Quadratic Programming）适用于处理中小规模非线性规划问题，包括解析方法和数值方法，当目标函数和约束条件有明确的解析式时应用解析方法，反之则需要用数值方法。数值方法是通过序迭代来找寻最优解，给定设计变量一个初始值，通过目标函数和约束函数的梯度来确定搜索方向，给定约束条件和步长，程序会在搜索方向上按照给定的步长找到下一个设计变量的循环值。

选取聚氨酯、三聚氰胺、玻璃纤维这三种吸声材料的厚度作为初始变量，并根据实际工程应用，设置吸声材料厚度的初始值和厚度上下限值。初始条件：聚氨酯20 mm+三聚氰胺20 mm+玻璃纤维10 mm，且三种吸声材料厚度和的上限为50 mm。初始条件工况计算的舱室声压级95.5 dB，吸声材料总重量46.8 kg。

序列二次规划法的约束条件为：声压级95.5 dB，总重量46.8 kg，三种材料厚度和为50 mm，且厚度都大于0小于50 mm。目标函数设定为声压级最小。应用序列二次规划法，迭代24次后，最终确定聚氨酯10 mm+三氰胺30 mm+玻璃纤维10 mm为最佳吸声材料组合方式。

为了验证优化结果是否正确，表4中设计了七组验证试验，通过改变吸声材料的厚度，逐次运行程序，得到降噪量和吸声材料重量，从对比结果证明序列二次规划法计算得到的最优解不仅吸声效果好而且相对质量小，该优化结果是有效的。

表4　验证对比试验

5　结语

基于统计能量分析方法，对海洋平台舱室高频噪声进行预报，根据经验公式、相似模型与说明书，得到结构子系统的损耗因子、耦合损耗因子等统计能量参数，确定主机、发电机、空调等噪声源空气噪声和结构噪声激励，采用VA One计算舱室高频噪声，给出舱室的声压云图和A计权声压级。对比舱室噪声级结果与规范要求值，对不满足规范噪声要求的舱室采取降噪措施处理，依据噪声超标舱室的能量输入情况和能量传递路径来确定阻尼材料的最佳布置位置。根据吸声材料的吸声特点，对舱室布置多层吸声材料组合进行研究，从以上研究得到以下结论：

（1）舱室有无舾装材料时，舱室A计权声压级差别较大，表明舾装材料对噪声预报精度有明显影响。对不满足规范要求的舱室采取降噪措施，通过舱室的输入功率和能量传递路径，确定阻尼材料最佳布置位置。

（2）分析五种常用吸声材料的吸声效果和吸声特性，根据海洋平台实际需求，选用三种合适的吸声材料组合，采用序列二次规划算法迭代搜索寻找最优解，得到降噪效果最好且重量满足要求的三种材料的最佳厚度。通过七种对比试验，验证该算法得到的最优解的有效性。

确定统计能量分析参数，再分析能量传递路径，最后对舱室吸声材料声学组合进行优化，形成一套舱室噪声预报及优化流程，对平台舱室布置及吸声材料选择等方面提供了参考，具有一定的实际工程应用价值。

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Prediction and Control of Cabin High-frequency Noise of Offshore Platforms

CHENPan1，QI Qiong-fang2
（1.China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China；2.School of Transportation，Wuhan University of Technology，Wuhan 430063，China）

Based on statistical energy analysis（SEA），the model for high frequency noise prediction of offshore platforms is established.Using the VA One software，the high-frequency noise is predicted in the cases of considering and without considering outfitting materials.Comparing the calculated A-level of sound pressure of the cabin noise with the specification value，the cabins which do not satisfy the noise specification are extracted and treated with noise control measures.In addition，according to the energy input situation and energy transfer path of the cabins with excessive noise，the optimum layout of the damping materials can be determined.Based on the material sound absorption characteristic within different frequency band，multilayer sound-absorbing materials are applied to the cabins to reduce sound pressure level.The thickness and mass of the sound-absorbing materials are optimized by using Sequential Quadratic Programming.The results are verified by mutual comparison of the results of simulations.

acoustics；offshore platform；statistical energy analysis；noise prediction；acoustical optimization

TB533.2

ADOI编码：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.03.019

1006-1355（2016）03-0089-05

2015-10-16

陈攀（1989-），男，湖北省宜昌市人，工学硕士，主要研究方向为为船舶结构动力学。E-mail：panda3267@126.com