多角度隔声结构设计对FPSO的降噪研究

刘子豪，窦培林，朱维龙，邹 湘

(江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏镇江，212003)

多角度隔声结构设计对FPSO的降噪研究

刘子豪，窦培林*，朱维龙，邹 湘

(江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏镇江，212003)

基于不同的角度变换，入射声波在传递过程中经壁板间的多次反射，使声波能被舱室间的连接结构与空气层反复阻隔和吸收，达到隔声效果．文中对FPSO相邻的两个舱室的壁板连接方式，由常规连接方式(即相邻两舱室连接的舱壁板夹角为0°)，改为夹角为15°，30°，45°的3种连接方式．优选其中隔声量最大的连接方式，在此基础上，再次提出3种新型连接方式(又称为分形结构)，再次比较这3种分形结构隔声量的大小，并选出隔声效果最佳的一种分形结构．

FPSO;舱壁连接;隔声量;连结方式;分形结构

随着海洋石油钻探开采技术的日渐成熟，浮式生产储油船系统FPSO已成为集技术与高附加值为一体的新型海上石油开采设施．船员长期生活和工作在FPSO上，常常会受到主机、排风扇、空调器、变压器、泵、油气水处理动力机械等有关振动源和噪声源的影响［1－2］，因此，FPSO上层建筑的减振降噪已成为人们关注的热点［3－4］．

国际海事组织IMO和海洋工程已开始实施相应的规范对FPSO居住舱和工作环境噪声提出了要求，在对FPSO开发设计过程中须预报舱室和工作的环境噪声［5－6］，采取减振降噪措施或改进设计来满足规范要求，保证设备仪器的正常运行，健康地工作生活和改善作业环境．文中通过对FPSO生活舱室的噪声分析［7－8］，提出了一种多角度的隔声结构设计方法，以期提高其降噪能力．

1 隔声理论

1.1 隔声、透声系数、隔声量的概念

声波在传播过程中，遇到匀质屏障物(如木板、金属板等)时，由于介质特性阻抗的变化，使部分声能被屏障物反射回去，其中的一些声能被屏障物吸收，还剩一部分声能透过屏障物透射到另一个空间去，因为在传播过程中有反射和吸收的效果，才降低了噪声的传播．由此可见，由屏障物引起的声能降低的现象称为隔声．隔声构件透声能力的大小，用透声系数τ来表示［4］:

式中:EA为入射声能;EC为透射过去的声能;τ为构件材料的透声系数，它的值介于0～1．τ值越小，说明该构件与材料的隔声性能越好．一般隔声构件的τ值，范围在10－5～10－1．

1.2 隔声量与空气层厚度相关公式

双层墙结构的隔声量，所采用的经验公式估算(单位:dB):

式中:m1，m2分别为双层板各自的质量;f为所处的频率范围;ΔR为空气层附加的隔声量．随着空气层厚度的增加，与其附加隔声量也随之增大．

2 舱室间各壁板连接结构的隔声分析

因空气层厚度与隔声量的大小有直接关系．文中两相邻舱室由常规连接(即相邻两舱室连接的舱壁板夹角为0°)改为多角度连接，其舱室间的空间都由舱壁板进行全封闭的结构连接，以形成尖劈状的空气层，作为一种隔声结构，来提高整体结构的隔声性能．由于两相邻舱室的连接角度发生变化，这使得舱室间的空气层厚度也随之改变，直接影响到隔声量的大小．

为了仿真验证这种设计方法具有可行性，采用声学分析软件VAone，以两个体积为1 m3的舱室作为研究对象，分别称为振动源舱室和目标舱室，选用标准恒定输入功率为1 W的结构噪声源和混响声场的声压为1 Pa的空气噪声源，作为施加在振动舱室里的激励源，以及选用1/3倍频程和频率范围在63～2 000 Hz，来研究声波能量从振动舱室经过中间隔声结构最后到达目标舱室的有效隔声量的大小．

2.1 0°，15°，30°，45°舱室间壁板连接的隔声结构

由图1，2可见，在0°舱室间壁板连接下频率f范围为63～2 000 Hz，有效的隔声量只有3 dB．这种常规壁板连接结构的隔声效果不佳．

图1 常规(0°角度)壁板连接的隔声结构Fig．1 Insulation of routine connection

图2 常规(0°角度)壁板连接结构的隔声量Fig．2 TL of routine bulkhead connection

由图3，4可知，在15°舱室间壁板连接下，有效的隔声量呈明显上升，隔声的最高值达到38 dB．这相对于0°舱室壁板连结的隔声量最高只有3 dB的数值有较大幅度地提高，直接表明了夹角间空气层对隔声起到十分显著的隔声效果．

图3 夹角15°壁板连接的隔声结构Fig．3 Insulation of angle 15°connection

图4 夹角15°壁板连接结构隔声量Fig．4 TL of angle 15°bulkhead connection

对比图4，5，6可以发现:在频率范围为63～2 000 Hz内，呈30°夹角舱室壁板连接方式的隔声量在整体上比夹角呈15°连接结构的隔声量要略微多出1～2 dB．表明适度增大舱室间的夹角，使得空气层厚度增加，能够略微提高结构的隔声性能．

图5 夹角30°壁板连接的隔声结构Fig．5 Insulation of angle 30°connection

图6 夹角30°壁板连接结构隔声量Fig．6 TL of angle 30°bulkhead connection

比较图8与图6的隔声量，在各个中心频率上，45°夹角的有效隔声能力有所下降，隔声量正比于频率的斜率降低，且在低频段的隔声量和整体的隔声能力都不如呈30°角的连接结构的隔声效果明显．同时说明了因角度的增大，当舱壁间空气层的厚度达到一定量时，整体的隔声性能开始下降．

图7 夹角45°壁板连接的隔声结构Fig．7 Insulation of angle 45°connection

图8 夹角45°壁板连接结构隔声量Fig．8 TL of angle 45°bulkhead connection

综上所述:对比4组不同壁板连接结构的隔声量，其中壁板夹角成30°的连接结构隔声效果最佳．

2.2 含30°角舱室间壁板连接的分形结构

由两舱室间壁板所连接而成的隔声结构，在隔声性能上有一定的局限性．在常规的工程作业中，以上呈多角度的隔声连接结构比较浪费上层建筑的面积和空间资源，且舱室间的连接是成曲线形排布的，施工难度较大．然而，呈30°壁板连接的隔声结构，其强度与刚度并不稳定，容易产生结构疲劳和裂纹，没有安全保障．因此，在壁板夹角呈30°隔声量最优的基础上，提出3种舱室间含30°角的壁板相连的分形结构(图9～14)．

由图9可知，相邻两舱室连接成直线形方式排布．分形结构Ⅰ的振动舱室和目标舱室之间有成夹角型的空气腔，且夹角为30°．分形结构Ⅰ与夹角成30°的舱室壁板的结构连接形式(图6)，在整体的隔声性能上近乎相同，两者的隔声量几乎相等．这种隔声分形结构便于建造与施工，保证舱室的结构强度．

图9 含30°角壁板连接的分形结构ⅠFig．9 Fractal structureⅠwith angle 30°connection

图10 含30°角分形结构Ⅰ的隔声量Fig．10 TL with angle 30°fractal structureⅠ

图11 含30°角壁板连接的分形结构ⅡFig．11 Fractal structureⅡwith angle 30°connection

由图11可知，相邻两舱室连接成曲线形方式排布．在两个舱室间的夹角1/2处额外加一层舱壁板，使中间被分割为2个成1/2夹角的相同体积且相互毗连的隔声空间，且1/2夹角为15°．比较夹角成30°壁板连接的隔声结构(图6)和分形结构Ⅰ(图10)的隔声量发现:在各个中心频率上，分形结构Ⅱ(图12)的隔声量最大，且隔声量的差值大约保持在1～8 dB．可见分形结构Ⅱ的隔声性能优于夹角成30°壁板连接的隔声结构和分形结构Ⅰ．分形结构Ⅱ的排布提高了整体隔声的降噪量．

由图13可知，相邻两舱室连接成直线形方式排布．在两个舱室之间，通过2个对角线相互交错的舱室壁板的连接，将舱室之间的空间划分成4个区域，形成了有内部夹角(即在两舱室间的2个空间对角线上舱壁板的交错连接而形成的内夹角，且内夹角为30°)的舱室连接结构形式．分形结构Ⅲ与夹角成30°的舱室壁板的结构形式(图5，6)、分形结构Ⅰ(图9，10)和分形结构Ⅱ(图11，12)相比较，在63～2 000 Hz的各个中心频率上，分形结构Ⅲ的隔声量明显高于分形结构Ⅱ，其差值均保持在6～11 dB，隔声量都有着很明显的提高，且更易于施工建造和保证舱室的结构强度．说明了在3种隔声的分形结构中，含30°角分形结构Ⅲ的隔声性能最优．

图12 含30°角分形结构Ⅱ的隔声量Fig．12 TL with angle 30°fractal structureⅡ

图13 含30°角壁板连接的分形结构ⅢFig．13 Fractal structureⅢwith angle 30°connection

图14 含30°角分形结构Ⅲ的隔声量Fig．14 TL with angle 30°fractal structureⅢ

表1为在63～2 000 Hz之内和1/3倍频程的中心频率下，舱室间呈0°，15°，30°，45°壁板连接的隔声结构与含30°角隔声分形结构之间隔声量的对比．

表1舱室间各壁板连接结构的隔声量对比表Table 1 Transmission loss contrast with each structure of bulkhead connection amid cabins

3 结论

1)模拟计算了两个相邻舱室壁板间的夹角成0°，15°，30°，45°结构连结形式的隔声量，通过对比仿真结果得到:舱室壁板间夹角成30°的结构连接形式，其隔声量最大，整体的隔声性能最好．

2)在优选出的夹角为30°结构连接形式的基础上，又提出3种舱壁间含30°角的分形结构，通过仿真计算并对比其隔声量的大小，再次选出隔声效果最佳的分形结构Ⅲ，它除了保留了呈30°舱壁夹角的隔声性能优势之外，同时，还具备了分形结构Ⅰ和分形结构Ⅱ便于施工、保证舱室结构强度和提高降噪量的特点．

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(责任编辑:贡洪殿)

Noise reduction research of sound insulation structure with multi-angle amid adjacent cabins of FPSO

Liu Zihao，Dou Peilin*，Zhu Weilong，Zou Xiang
(School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang Jiangsu 212003，China)

Based on different angle transform，during the deliver process of incidence sound wave，with repeated reflection among bulkhead plates，sound energy was insulated and absorbed by junction structure and air layer．Three types bulkhead connections with inclued angle 15°，30°and 45°amid two adjacent cabins are used to modify the routine connection type of induded angle 0°．Based on the optimized style，three newtypes of connection，called fractal structure，is proposed to compare the amount of effective transmission loss once again，and the structure with the best effect of sound insulation selected out．

FPSO;bulkhead connection;sound insulation;connection type;fractal structure

U674.3

:A

:1673－4807(2015)05－0416－05

10．3969/j．issn．1673－4807．2015．05．002

2015－04－02

发改委研发与产业化基金资助项目(发改办高技20131144)

刘子豪(1990—)，男，硕士研究生．*通信作者:窦培林(1964—)，男，教授，研究方向为船舶与海洋工程结构物设计制造．E-mail:yxdpl@yahoo．com．cn

刘子豪，窦培林，朱维龙，等．多角度隔声结构设计对FPSO的降噪研究［J］．江苏科技大学学报:自然科学版，2015，29(5):416－420．