大型海洋固定平台振动噪声预报全频域方法研究

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(1.海洋石油工程股份有限公司设计公司， 天津 300451； 2. 大连理工大学， 辽宁 大连 116024)

大型海洋固定平台振动噪声预报全频域方法研究

沈志恒1，潘友鹏2，贺相军1，李巍1，惠宁1

(1.海洋石油工程股份有限公司设计公司，天津300451； 2.大连理工大学，辽宁大连116024)

该文结合声学有限元方法(FEM)、边界元方法(BEM)和统计能量分析方法(SEA)的全频域声学分析技术，对海洋工程结构物——大型或超大型海洋固定平台进行同一环境条件下的一体化声学建模与计算并对海洋固定平台开敞区域和舱室进行全频域噪声预报分析。

海洋固定平台；噪声；有限元方法；边界元方法；统计能量分析方法

0 引言

随着海洋固定平台功能的复杂化，其结构尺寸和设备的复杂程度随之提升，这种趋势对大型海洋固定平台噪声分析提出了更高的要求，分析各种工况下大型海洋固定平台噪声水平对工作人员的影响，已成为非常重要的事情[1、2]。

声学计算主要有两种方法：一是精确解计算方法，二是数值模拟计算方法，对于实际分析来说，数值模拟计算占绝大部分。传统有限元及边界元算法能有效地解决小型结构的振动声辐射问题，这是因为对于小型结构物来说，在中低频段内，网格划分精细程度即能满足现代计算机计算要求，又能满足求解条件[3]。而对于大型或超大型海洋固定平台结构，采用传统的有限元及边界元法求解低频域下的噪声水平，则对计算机要求条件更高，采用常规的减振降噪设计措施和相应的声学计算技术既耗时费力，又有较大技术难度[4]。该文研究了对于大型海洋固定平台这种特殊结构(除生活楼子外绝大部分区域为开敞区域)的全频段求解问题，为今后该方面研究工作提供了参考。

1 声学模拟方法

声学计算是一种宽频域动力学响应分析，其计算频率范围一般覆盖20 Hz～20 000 Hz，单一声学计算方法无法完成全部计算。在全频域声学计算中，低频域一般采用声学有限元法或边界元法求解，中频域采用混合法求解，高频域一般采用统计能量分析方法求解。针对不同的求解频域和求解算法，必须建立不同的声学模型，而对于大型或超大型海洋固定平台这种大型复杂的结构，其求解规模与求解效率是尚未解决的难题。以下是大型海洋固定平台的一些常用求解方法。

1.1声线法

利用声线法计算空气传声，同时利用统计能量分析法计算结构传声，从而得到平台各区域噪声的声压级。该法是基于几何声学的方法，当声波的频率较高时，忽略其波动性质，不考虑干涉和衍射现象，把声源向外辐射的声能量以声线代替，用以表示声音的传播方向和路径，声线在遇到界面或障碍物时，部分能量被吸收，同时产生反射声。通过声线法计算出海洋固定平台空气传声，再结合统计能量分析法计算出平台结构传声，综合考虑两者的影响，最后进行声压级的叠加，从而得到整个海洋平台的噪声分布规律，这种方法目前应用于海洋平台的噪声求解。对于海洋固定平台来说，空气噪声传播途径分为空气直达声以及二次辐射噪声(如图1所示)。

通过上述分析可以看出，首先该方法把声振传播的空气噪声和结构噪声完全独立出来，只能考虑单纯的通过空气传播的直达声，而不能考虑到声振耦合辐射的二次噪声，即板的辐射噪声；其次该方法仅仅对平台噪声进行中高频域噪声求解，不能实现平台低频噪声求解。

图1 开敞区域噪声空气传播示意图

1.2边界元、有限元方法

边界元方法多用于内声场和外声场计算，分为直接法和间接法两种方法。直接边界元法是以结构表面的声压和法向振速为边界量，适用于具有封闭表面结构的声辐射和声散射计算；间接边界元法是以结构表面的声压差和速度差为边界量，适用于表面不封闭结构的声辐射和声散射计算。边界元法依据一定的边界条件来求解波动方程，对于外声场还要有无穷远处的辐射条。

有限元法主要应用于计算低频域内的结构与声场的耦合问题。有限元法应用于纯声场分析时，可以运用有限元模拟各种声学介质，例如流体、穿孔板等，计算固有频率和声模态，在频域或时域中计算空腔的声模态和声振耦合响应，并且考虑了流体效应。其缺点在于有限元单元的尺寸要远远小于结构中弹性波的波长，所以导致有限元法计算量过大。

结合有限元法与边界元法求解振动噪声辐射问题，既利用了有限元法在求解结构振动问题上的优越性，又利用了边界元法在求解纯声场问题上的优越性，避免了边界元法不适于求解结构振动问题的局限性。综合考虑大型海洋固定平台这样复杂环境下的各种声振动源，结合这两种方法求解振动噪声辐射。对于中高频噪声来说，有限单元数量巨大，目前计算机难以求解；对于低频噪声来说，有限单元数量相对较少，可以求解。

1.3统计能量法

统计能量法是一种有效的高频声振分析方法。其遵循模态相似原则，将复杂系统划分成若干个独立的子系统，以能量为基本变量描述各个子系统在外界激励下稳态振动中的能量存储、能量损耗和相邻子系统之间的能量传递。统计能量分析模型中的子系统分为结构子系统和声腔子系统，统计能量分析法对于同时存在结构和声腔子系统的模型较为适用[5]。

利用全频域噪声分析方法分别考虑计算空气传播噪声和结构传播噪声，从而得到平台噪声分布情况。这种方法虽说可以对结构进行全频段的噪声求解，但其求解难度较大。

2 大型海洋固定平台噪声全频段分析方法

大型海洋固定平台除上层建筑外，大部分是开敞区域，开敞区域主要以空气噪声传播为主，而各舱室区域既有空气噪声传播又有结构噪声传播。求解全频域下的噪声水平，不仅需考虑空气噪声传播、结构噪声传播，还需考虑空气和结构噪声耦合传播特性，因此，单一的求解方法不能满足需求。为了有效地求解大型海洋固定平台的全频域噪声水平，既能避免因单元数量的过大而导致求解困难，又能考虑平台大部分区域为开敞空间的特点，该文提出了如下的求解过程和方法。

(1) 确定海洋固定平台在各种不同工况下的振动源和噪声源，并得到相关振动噪声源谱数据参数，如厂家提供的机械设备倍频程噪声功率谱等。

(2) 进行平台振动噪声预报模型建模，具体内容包括：

1) 建立低频域平台结构有限元模型(如图2所示)；

2) 建立低频域平台声学有限元或边界元模型(如图2、图3所示)，设置声学相关参数；

3) 建立中高频域统计能量分析模型(如图4所示)，设置声学相关参数。

图2 海洋固定平台有限元模型 图3 海洋固定平台边界元模型

图4 海洋固定平台高频统计能量分析模型

(3) 进行全频域平台振动噪声预报，具体内容包括：

1) 低频域内，采用有限元法/边界元法进行平台振动噪声频响分析，然后导出平台各舱室周围低频下的空气及结构传播能量；

2) 中高频域内，采用统计能量法进行平台振动噪声频响分析；

3) 把空气传播能量添加到统计能量模型中去，最后进行全频段求解。

(4) 确定关注舱室及开敞区域噪声声压级和传递路径，根据相关规范评价噪声水平。在给定的倍频程和指定位置，根据低频、中高频模型计算各舱室及开场区域的噪声声压谱，并采用相关规范对关注舱室的总声压级进行衡准，判定舱室及开敞区域噪声水平是否满足要求。

3 结论

模拟计算噪声的方法包括有限元法、边界元法及统计能量法，每个方法使用范围不同，视具体问题具体分析。该文主要探讨对于开场区域较多的大型海洋固定平台全频域噪声分析模拟方法，获得以下结论：

(1) 分析大型海洋固定平台时，因为其开敞区域占绝大部分，空气噪声传播为主要传播途径。该文探讨的分析方法可以同时考虑噪声的空气传播、结构传播及结构声辐射耦合情况。

(2) 有限元法、边界元法及统计能量分析方法都不能独立求解出全频域下的海洋固定平台噪声水平，该文所述分析方法较为完善，可以有效地求解大型海洋固定平台的全频域噪声水平。

[1] 陈刚,杨德庆,袁洪涛. 深水半潜式钻井平台振动噪声预报全频域方法[J]. 中国造船. 2010,(03): 108-118.

[2] 张艳春,惠宁,沈志恒. 海洋平台上噪声分析方法[J]. 噪声与振动控制. 2012,(02): 171-174.

[3] 王巍巍,罗超,韩笑. 海上石油平台在设计中的噪声分析[C]. 第十五届中国海洋(岸)工程学术讨论会论文集(下)，2011.

[4] 夏侯命胜. 深水半潜式钻井平台振动及噪声分析研究[D]. 北京：中国舰船研究院, 2011.

[5] 李峰,徐芹亮,滕瑶等. 统计能量法在船舶噪声与振动控制中的应用[J]. 噪声与振动控制， 2011，(06): 152-155.

FullSpectrumNoiseandVibrationPredictionTechnologyforLargeOffshoreFixedPlatform

SHEN Zhi-heng1， PAN You-peng2， HE Xiang-jun1， LI Wei1， HUI Ning1

(1. Engineering Company of Offshore Oil Engineering Co.， Ltd, Tianjin 300451， China;2. Dalian University of Technology, Liaoning Dalian 116024, China)

Noise and vibration prediction technology based on acoustic finite element method (FEM), boundary element method (BEM) and statistical energy analysis (SEA) in full spectrum is applied to design of large or very large offshore fixed platform. The modeling, vibration and acoustic computation of platform are completed in the same software environment. It forecasts the noise level in full spectrum of offshore fixed platform’s open area and cabins.

offshore fixed platform; noise; FEM; BEM; SEA

2014-02-21

海洋石油工程股份有限公司分公司科研项目资助(E-0812U017)。

沈志恒(1981-)，男，工程师。

1001-4500(2015)01-0059-04

P75

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