大型导管架平台声振预报研究

焦自权，孙勇敢，马 骏

(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.大连理工大学 船舶工程学院,辽宁 大连 116024)

0 引 言

海上石油平台在正常运营期间，平台上各个设备的正常运转所产生的振动以及高分贝噪声，不仅会引起海洋石油平台上设备元件的共振和结构应力疲劳，还会对海上作业人员的身心健康带来不利的影响。长期处于高噪声环境下，不仅会导致噪声性耳鸣或者耳聋，还会诱发消化系统、神经系统、心血管系统等多方面的疾病，严重时会有生命危险。同时也会影响到工作人员的心情，会对平台的正常工作带来安全隐患[1]。长期以来，国内外学者在海洋石油平台设计阶段和建造过程中一直把声振力学环境数值预报模拟作为一项重要的研究课题。2000年12月我国能源部开始实施的《海上固定平台的安全规则》就规定了平台各处噪声限值，这意味着在海上平台从设计时期就必须考察整个平台的噪声环境。然而在平台的设计过程中，不可能进行相关的现场实测试验，也就很难得到平台噪声数据，因此大多数情况下会使用声学相关软件进行数值模拟来预测各区域的噪声水平[2]。依据数值模拟的噪声分析结果来进一步优化海洋平台上的设备合理布局，进而采取经济可行的减振降噪措施来满足各区域噪声标准的具体要求。

海洋石油平台噪声预报分析通常分为3个阶段[3]：①总体设计阶段：可以参照振动噪声水平和舒适性良好的类似平台作为设计依据，也可以利用经验公式法来作为参考；②详细设计阶段：根据总体设计阶段的结构图以及布置图等，利用有限元、边界元和统计能量法等相关声学软件进行数值仿真模拟分析，在此基础上选择噪声与振动控制方法来制定减振降噪处理意见，以此来修改平台结构设计方案；③海试测量检验阶段，不仅是对总体设计阶段所采用的理论进行实践验证，而且也能对软件进行数值仿真模拟分析的结果进行对比，为总体设计和详细设计阶段提供重要参考依据的同时，还为以后的平台设计提供理论及试验依据和相关经验。因此海洋平台噪声的预报分析，有助于优化海洋平台结构的声学性能，既为海上工作人员提供一个舒适的工作环境，又对于以后的平台噪声设计都具有重要的指导意义。

1 海洋平台噪声分析方法及理论基础

研究海洋平台的振动噪声分析问题常常使用数值模拟方法或者是经验近似方法，这些方法包括：统计能量法，能量有限元法，有限元/边界元方法，经验公式预测法等[4]。文中的研究方法主要是采用有限元/边界元方法和统计能量法。

对系统结构的声学性能数值计算模拟，其实质是在特定约束边界条件下求解给定振动及声辐射的偏微分方程矩阵的解。对于此类方程矩阵的解法通常有两类：数值分析法和解析分析法。数值法包括统计能量法、有限元/边界元方法、无限元法、波动法及双渐进展开法等。而解析分析法目前仅能求解比较简单规则小型系统结构在特殊激励下(例如简谐振动源激励)的振动声学计算问题。因此，目前应用最广泛的还是数值分析法，而有限元/边界元方法和统计能量分析方法也是其中很重要的一种分析计算方法。

1.1 有限元/边界元方法

瞬态声场的声压是由瞬态声源激励产生的，q(r,t)代表在瞬态声场中的声源激励，p(r,t)代表在瞬态声场中的声压，以上参数满足经典波动方程：

(1)

声源激励可为简谐激励和非简谐激励，如果是简谐激励q(t)，则由此产生的瞬态声场可以看作是稳态声场。此时上面瞬态声场的波动方程可以化简为 Helmholtz 方程：

▽2p(r,ω)+k2p(r,ω)=q(r)

(2)

同理，在不考虑结构与空气的耦合效应(耦合效应影响极小),即不考虑流体介质对系统结构的加载效应，结构在简谐激励力作用下的运动方程为:

(-ω2M+iωC+K)x=F

(3)

式中：x为系统结构节点的位移；F为结构所受到的简谐激励载荷；M为系统结构的质量；K为结构的刚度；C为系统比例阻尼。

海洋平台这类大型复杂结构系统中的水声学、结构声学以及声辐射方面也往往引用Helmholtz方程。在系统结构声振环境下产生的结构声的声压同时也满足以上两个波动方程[5]。

【Conclusion】 Adjust management methods and strengthen link management can improve the rate of screening and the recall and reduce the disability．

1.2 统计能量分析方法

统计能量方法主要是针对系统结构的中高频振动噪声分析，其基本理论依据是将繁杂的系统结构划分成若干个相互耦合的动力学子系统，以此形成统计能量分析模型，将能量视为以波动传播方式下向结构中传递，进而得到各子系统的功率流平衡方程，将已知的输入功率和内损耗因子及耦合损耗因子输入功率流平衡方程，就可以求解各动力学子系统的能量矩阵，由此便可以计算出结构中各子系统的平均动力响应。

统计能量分析方法的功率流平衡方程(两个耦合子系统方程)为：

(4)

式中：Pi为子系统的平均时间上能量输入；ω为研究频段的中心频率；Ei为子系统的能量；ni和ηi分别为子系统的模态密度和阻尼损耗因子。

由式(4)可以看出，只要获得以上参数，即可求出子系统的能量，进而可以求出工程中所需要的声学特性[6]。

然而统计能量方法理论也有一定的局限性，理论上对于模态数>5的高频声学问题具有较高的精度，而对于模态数<<5的中低频声学问题应用统计能量方法还是不够准确。同时由于其采用的是数学理论中的统计学原理，最终结果是提供子系统频域单位上的空间平均值，并不能对子系统中某一确切位置做出计算响应。虽然统计能量方法有一定的局限性和相应的适用范围，但它现在仍是目前解决复杂系统结构声学特性尤其是高频带激励响应问题的有效方法。

2 海洋平台噪声预报流程及模型化

笔者的研究对象是大型导管架海洋平台，对平台进行噪声数值模拟。其目的是根据相关规范标准，研究平台在设计阶段的噪声水平以满足设计要求及规范。噪声分析研究内容涵盖了平台的各个区域，包括上层甲板，中层甲板，下层甲板等区域及各生活工作舱室。所使用的软件是VA ONE，噪声分析过程中运用到的方法：有限单元方法(Finite Element Method)；边界单元方法(Boundary Element Method)；统计能量分析法(Statistical Energy Method)。

参考船舶噪声计算预报的一般流程，结合海洋平台振动噪声的特点，提出如下的海洋平台振动噪声预报流程。具体实施简要过程如下：

1) 根据提供的结构图，运用有限元建模软件PATRAN来建立平台各层甲板和舱室的几何模型。

2) 将几何模型导入VA ONE中，建立声振有限元模型。

4) 建立统计能量模型，在各个声源相应处添加激励，在紧贴各个舱室外板处建立与舱室长宽相同厚度为0.5 m声腔，再在这些外部声腔内加上扩散声场，扩散声场中的声压谱为边界元方法中空气直达声的计算结果。其中甲板上添加的激励源等效于结构声传播到舱室的声源，而外部声腔内的扩散声场等效于空气噪声传播到舱室的声源。

在本次噪声研究中，大部分声源皆为开场声源，小部分声源在封闭舱室内，以此来模拟计算开场噪声云图和封闭舱室噪声。显然，在VA ONE中单纯应用边界元方法或统计能力分析方法都不能解决此问题。因此，对于开场噪声云图我们采用的是有限元方法和边界元方法，而对于封闭舱室噪声采用的是有限元方法，边界元方法和统计能力分析方法来模拟计算。而数值模拟过程中影响噪声分析的因素有很多，如平台的结构、噪声源的数据及分布、隔音材料参数等。因此对此平台进行噪声分析预报过程中，需要该平台的结构图、总布置图、舾装图及舱室设计图等图纸，除此之外还需要平台上的振动噪声设备的声学数据，如：主辅机、电动机、发电机、风机以及各种泵等设备的激振力与噪声辐射频谱。而已知这些参数还远远不够，还需要获得主要噪声设备的装备图，如：主机是否安装隔音罩，是否有排气系统，是否设置隔振设备；各个舱室的隔音吸声材料以及防火材料等物理参数和声学特性等，比如：隔音防火材料石棉的密度、流阻、孔隙度、弯曲度及热力学性质等。

根据提供的结构图，运用有限元分析软件PATRAN来建立海洋平台各层甲板和舱室的模型。利用已有的结构有限元模型，导入VA ONE 软件，并建立相应的舱室声腔有限元/边界元模型，加入相应的振源、噪声源和声学边界条件，即可完成低频域振动声学模型的建立。计算中所采用的结构参数： 船体材料密度为7 800 kg/m3，弹性模量为2.1×1011N/m2，泊松比为0.3，空气吸声系数选取默认值。模型流体特性为空气，见图1。

图1 海洋平台有限元/边界元模型Fig.1 Sea platform FEM/BEM model

建立海洋平台声学混合法模型，定义声阻抗边界条件和振动噪声源，声振分析中采用倍频程频率。模型中甲板采用的是钢板(加筋板)，进而相继添加板的阻尼损耗因子参数，板的拉伸，屈曲，剪切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，计算频率为31.5～8 000 Hz。舱室内和封闭空间内的声腔内流体为空气。舱室防火隔声降噪设计中所用防火吸声材料和隔声材料都按照结构设计和等级防火标准来添加到模型当中，见图2。

图2 海洋平台统计能量分析子系统模型Fig.2 Statistical energy analysis subsystem model of sea platform

3 海洋平台噪声预报分析及优化研究

3.1 海洋平台开场区域预报结果及优化分析

海洋平台在正常工作时，开场甲板上有很多噪声设备，比如：各类泵、电动机、空气压缩机、风机以及各类阀门等，这些设备对开场甲板空间噪声的贡献主要是由其空气声所造成的，这些噪声发生干涉、衍射及反射等现象，进而形成一个高分贝声场，从而对海上工作人员的身心健康带来不利的影响。《海上固定平台安全规则》对平台各个舱室以及其他区域的噪声水平都设定了标准限制，而平台在设计阶段，不可能进行现场实测去得到相应的噪声数据，因此通常采取声振数值模拟的方法来进行预报分析。笔者运用边界元方法来研究计算出平台的上甲板的噪声分布云图,见图3。

图3 平台上甲板噪声云图Fig.3 Noise contour of deck at the platform

海洋平台在正常工况下运行时，上甲板上有很多复杂大型的噪声源，而平台开敞区域噪声水平主要是受空气噪声影响为主，各个噪声源发生干涉、反射和衍生等现象，进而相互干扰叠加。根据以上模拟结果可以得出以下结论：上甲板在正常运行下，噪声源中CEP-X-A/B和CEP-X-C/D两个设备对整个噪声分布贡献较大，超过90 dB，因此，对于噪声贡献较大的声源(如CEP-X-A/B等)可采取适当的降噪措施(安装隔声罩，消音器等)。并根据国际海事组织A.468(XII)的相关规则，应在噪声水平超过85 dB的区域竖立警示牌，且进入此区域的工作人员应配戴相应的护耳装置[7]，见图4。

图4 上甲板高噪声区域示意Fig.4 High noise areas diagram of upper deck

3.2 海洋平台生活工作舱室预报结果及优化分析

噪声控制中隔振降噪的方法有很多种，大体可以从3个方面来控制[8]：首先对声源进行控制，可以改进声源设备的结构以及提高设备的质量来降低声源设备的振动和噪声辐射，也可以对声源设备进行隔振减振(在设备基座上安装隔振器或者是减振弹簧等)、隔声吸声(声源设备安装隔音罩或者是安装消声器等)措施，这是声学中隔振降噪的最基本、最有效的措施；其次在传播路径上进行控制，可以充分利用声学的吸收、反射、干涉及衍射等现象设立隔声屏障，也可以在声振传播结构中设立隔振阻尼(在振动较大的结构中设立隔振高阻尼材料，使声能在传播过程中由于阻尼的作用大量消耗为热能)、隔声吸声(在各个重要舱室设立隔声吸声材料)等措施；最后对于在海上平台的工作人员来说，对于噪声较大的特殊地方，比如机舱和发电机室，一方面在此区域要戴上护耳器或护耳罩等防护措施，另一方面也要尽量减少在此区域内的暴露时间，并对此区域的工作人员要进行定期听力测试。

海洋平台上居住工作舱室较多，只有个别居住舱室紧邻高噪声源设备(中央空调等)；另外，从控制空船重量的角度，生活楼区域90%以上的居住舱室间分别采用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。计算结果表明，各个舱室达到了合同规格书的要求，也达到了IMO及船级社入级噪声限值标准。表1简要列举了典型舱室噪声计算结果与规范检验对比情况。

表1 舱室噪声水平计算结果对比

在此次海洋平台舱室噪声预报分析过程中，虽然舱室噪声都达到了IMO规范和船级社入级规范的要求，但是个别舱室如B212房间(Recreation Room)很接近限制值。考虑到数值模拟存在一定的误差，建造过程中的漏洞，忽略海洋背景噪声以及考虑噪声源的疏漏等原因，为了达到设计阶段的预期目标，因此对此房间进行隔音降噪处理。

决定统计能量分析方法计算精度的因素之一是每个子系统模态密度和单位带宽Δf内模态数N>5，因此在进行计算前，必须首先计算出各子系统模态密度(图5)，据此确定出满足计算精度的下限频率。

图5 舱室子系统模态数Fig.5 Modes of cabin subsystems

由图5可见，此舱室的声腔子系统在31.5 Hz时所对应的模态数>5,符合精度要求。此舱室噪声总声压级水平为53 dB(A声级)，见图6。

图6 舱室子系统噪声水平Fig.6 Noise level of cabin subsystems

下面提供两种隔振降噪方案。

方案1：根据隔振降噪原理，在传播路径上进行控制降噪，笔者采取依据能量流动图(图7)和能量输入图(图8)两种方法结合的方式来获取能量流动路径，以此来确定主要噪声源能量向所研究舱室流动的的途径，确定路径后再进行控制降噪。此方案中在传播路径上的结构进行施加阻尼，即软件中在结构构件上添加NCT(Noise Control Treatment)，使声能在传播过程中由于阻尼的作用大量消耗为热能，进而达到降噪目的。

图7 系统能量流动Fig.7 System energy flow

图8 舱室子系统能量输入Fig.8 Power inputs to subsystem

图7、图8可以得出两个主要传播路径：

传播路径1：Generator foundation A→beam-2931→Flat Plate-3043→beam-2931-2932→Flat Plate-3045…Flat Plate-4017…Flat Plate-293→cavity B 208→Flat Plate-172→cavity B 212

传播路径2：Generator foundation B→beam-297→Flat Plate-3033→beam-2982→Flat Plate-3035 …Flat Plate-4016 …beam-2994→Flat Plate-23→cavity B 107→Flat Plate-162→cavity B 212

对路径上所经过的甲板添加NCT(Noise Control Treatment)，所选的阻尼材料为海洋平台常用的陶瓷纤维(ceramic fiber)，添加厚度为8 mm。此措施旨在声能传播路径过程中被结构中的阻尼材料消耗掉，已达到降噪目标。图9为路径甲板铺设陶瓷纤维前后的阻尼损耗因子对比。

图9 降噪前后的阻尼损耗因子对比Fig.9 Comparison of damping loss factor before andafter the noise reduction

由图10和表2可以看出，通过在声能传播路径上的甲板添加陶瓷纤维阻尼材料，经过模拟计算分析得出B212房间的噪声总声压级水平降低了不到2.5 dB(A声级)。此措施不仅增加了建造成本，增长建造周期，增加了平台重量，而且效果不甚明显。同时在平台设计阶段，结构上已经铺设了隔音防火材料，加上传播路径分析不全面，即使在所有路径上添加阻尼材料效果也甚微。此措施操作上是可行的，但是工作量大，经济上不可取。

图10 舱室噪声水平对比Fig.10 Comparison of cabin noise level

频率/Hz31.5631252505001000200040008000降噪前2743474746453522-1降噪后2742454443433220-4

方案2:根据隔振降噪原理，在所研究舱室(即接受者)上进行控制降噪，依据传播路径分析得出，所研究舱室B212的能量来源主要来自于四周的甲板声振，因此根据降噪处理前的分析结果，通常选取多孔吸声材料为隔音降噪处理的理想材料。厚度一般取为3～50 mm，为提高中低频吸声性能,厚度取10 mm。本次降噪处理选用的材料是岩棉。采用声学中的双层墙隔声原理，在将此房间的上下甲板和四壁设置隔音双层墙。图11为舱室设置双层墙隔音材料前后的阻尼损耗因子对比。

图11 降噪前后的阻尼损耗因子对比Fig.11 Comparison of damping loss factor before and after the noise reduction

由图12和表3中可以看出，通过在所研究的舱室四周舱壁上添加岩棉隔音材料，在双层墙原理下B212房间的噪声总声压级水平降低了3 dB(A声级)，此方案达到了良好的降噪效果。

图12 舱室噪声水平对比Fig.12 Comparison of cabin noise level

通过表2和表3对比，方案2与方案1在低频时的隔音效果相差不大，但在中高频方案2比方案1隔音效果要明显。可以看出双层墙隔音不仅降噪水平上有明显的优势，而且在建造成本上与方案1相比更节省，因此在实际应用工程中，双层墙隔音措施是理想之选。在舱室声压级频谱图表对比中，也看到双层墙在低频区域内降噪效果较差，这也符合理论上双层墙隔音在低频时比高频时要困难。综上所述，设置隔音材料在建造过程中是可行的，经济上也是可取的。

4 结 语

通过运用基于声学有限元法、边界元法和统计能量法的声学分析软件 VA ONE，实现同一计算软件平台下超大型海洋工程结构声学建模与计算，为海洋平台声学预报提供新的解决途径。

1) 计算模拟出了海洋平台正常工作下的噪声分布云图，画出噪声超标区域。

2) 计算模拟出海洋平台工作生活舱室的噪声水平，并对典型舱室进行了两种降噪措施，验证得出双层墙隔音措施不仅能达到满意的降噪效果，而且也大大节省了建造成本。

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