基于倍频程估算的半潜平台全频域噪声分析

梅华东， 徐芹亮， 沈志恒， 马邦勇， 李艳华

(1.海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452；2.烟台中集来福士海洋工程有限公司， 山东 烟台 264000)

0 引 言

深水半潜式钻井平台结构复杂、体积庞大，对相应的平台设计和维护提出了很高的要求。半潜式钻井平台的固有频率较低，环境载荷和平台内部的振动及噪声源等较为复杂[1]。文献[1]仅对高频段噪声进行了分析，平台的全频段噪声须结合实际工程材料和设备的激振输入确定。本文以某深水半潜生产平台为例，系统考虑其上部模块(含生活楼)和船体设置多种设备的影响，其噪声源为常年工作的振动设备。平台生活区的噪声主要由上部模块噪声设备产生的通过外板、隔壁和支柱等结构传递的结构噪声与生活区的风机、空调等产生的空气辐射噪声叠加组成[2-3]。本文对全频段噪声进行分析评估，并给出噪声控制建议。

1 海洋平台噪声分析方法

总噪声等级预测包括空气声、结构声和空调通风噪声，以及这些噪声的叠加计算，主要分析方法如下。

1.1 空气声模拟方法

空气声计算分析采用统计能量法软件系统VA ONE，预测计算各类区域，如生活楼舱室、机械设备舱室，包括对开敞区域声场进行初步评估。统计能量分析的基本原理是根据模态(振型)相似和自然边界等准则，将一个复杂系统(包括机械的或声学的系统)划分成不同的模态群，并从统计意义上将大系统分解成若干个便于分析和管理的独立子系统，每个子系统模拟成一组解耦模态相同的振子，根据输入到子系统的能量等于子系统耗散的能量加上系统间传递的能量，建立表征各系统的能量损耗与输入功率之间关系的线性方程组(称之为能量流平衡方程)，解出该方程组便可得到每个子系统所具有的平均能量，由此可换算出其他物理量。能量流平衡方程为

(1)

式(1)中：ω为角频率；i为1,2,…,N；Pi,in为输入功率；ni为模态密度；ηi为内损耗因子；ηij为耦合损耗因子；Ei为子系统的平均能量。

(2)

式(2)中：Kik为贮能比，Kik=Ei/Ek;Ek为子系统k的平均振动能量；Pk为子系统k的输入功率；k为第k个子系统。

空气声分析计算中，VA ONE软件需要的空气声输入信息有：几何模型信息，声源设备的位置，舱壁、地板及结构的布置，声源设备的噪声频谱，内装、绝缘材料的隔声性能，开敞区建筑物、设备等结构的外形尺寸。

1.2 结构声分析方法

结构声计算分析以ABAQUS有限元法为基础，结合统计能量法软件系统VA ONE，预测计算各类区域的结构辐射噪声，如对生活楼舱室和机械设备舱室的结构辐射噪声进行评估。为实现全频域的结构声分析，低频结构声是通过ABAQUS软件校核结构形式实现的(低于100 Hz)，以避免过度振动引发二次噪声。需要的结构声输入信息有主要旋转设备振动源的信息和结构设计图纸。中高频结构声是通过VA ONE软件实现的(高于63 Hz)，可直接考虑设备振动激励(也称“结构声激励”)通过结构传递之后引发的二次噪声水平。需要的结构声输入信息有：项目的几何模型信息，声源设备的位置，舱壁、地板及结构的布置，声源设备的振动频谱，内装、绝缘材料的隔声性能。

1.3 空调通风系统噪声计算

通风系统噪声计算主要包括风机声源噪声的估算、管路系统噪声自然衰减的计算、管道系统气流再生噪声的计算和消声器的选用与计算等。在空调通风系统中，管道系统内的噪声自然衰减是通风噪声计算必须考虑的因素。管道系统内的噪声自然衰减主要来源于直管道的声衰减，弯头、三通和变径管的声衰减，风口末端的声衰减，以及风口噪声向房间内传播途径的声衰减等。消声装置(主要是消声器)是通风管道系统中主要的降噪部件，可根据管路噪声的特点定制专用消声器，或选择通用消声器。消声器的降噪能力通常在10 dB以上，对通风风机噪声和气流引起的二次噪声都有较好的降噪效果。

以风机噪声为声源，经风管(直管、弯头、三通和各类阀门)的自然衰减得到管道末端风口的输出声功率。以该声功率值作为舱室的声源进行室内混响计算，得到该处舱室的室内通风噪声平均值。

轴流风机声功率级LW估算方法的表达式为

LW=19+10lg(QH2)-20

(3)

式(3)中：Q为风量，m3/h；H为风压，Pa。

直管道、弯头等部件的噪声自然衰减可通过经验公式得到。

1.4 总噪声计算

总噪声计算是基于空气声、结构声和空调声的预测结果。对于每个区域(房间)，总噪声值LTotal为这些噪声分量的合成，表达式为

(4)

式(4)中：Lair为空气声;LHVAC为空调声;Lstr为结构声。

2 海洋平台噪声计算模拟

2.1 室内噪声分析模型

室内噪声分析建立的SEA(Statistical Energy Analysis)结构子系统模型见图1。模型中不同的颜色代表不同的板厚，其中紫色为设备模型，根据设备外形尺寸大致模拟。另外，阻尼材料以结构阻尼的方式考虑，舾装材料的吸声/隔声特性数值以VA ONE中的NCT(Noise Control Treatment)的方式定义。在分析中所用钢板的参数:杨氏模量为2.10×105N/mm2;密度为7 850×10-9kg/mm3;泊松比为0.3；剪切模量为7.5×1010Pa。在VA ONE系统中，SEA的声腔模型至少需要2个面围成的封闭空间，该声腔可用来预测封闭空间或舱室的平均声压级。在分析模型中，需对声腔定义吸声系数，以更准确地模拟结构声和空气噪声的传递。全船空腔子系统模型见图2。

图1 船体结构模型

图2 全船空腔子系统模型

2.2 外场噪声分析模型

根据外场噪声分析方法，外场噪声分析模型以整体噪声分析模型为基础，增加外场声腔体，涵盖关注的外场区域。为满足声学计算的基础理论要求，更好地体现噪声衰减梯度，将外场区域声腔分割为3 m×3 m的空间体。包含外场区域的声学模型见图3，结构外部的灰色腔体为模拟外场的声腔。

图3 包含外场区域的声学模型

3 海洋平台噪声计算分析

3.1 激励源的设定

激励源一般由设备厂家提供，若厂家无法提供，则根据经验公式推算。

中高速柴油机机脚加速度级La(参考加速度1 μm/s2)的估算公式为

(5)

式(5)中：m为柴油机的质量，kg；Pe为柴油机的额定功率，kW；ne为柴油机的额定转速，r/min；n为柴油机的工作转速，r/min；Ca为柴油机振动的倍频程修正值，dB，其取值见表1。

表1 柴油机振动的倍频程修正值

柴油机的辐射声功率级Lw(参考声功率w0=10-12W)的估算公式为

Lw=10lgPe+58+Cw

(6)

式(6)中：Lw为柴油机的辐射声功率级，dB;Pe为柴油机的额定功率，kW；Cw为柴油机空气噪声的倍频程修正值，dB。

3.2 结构低频分析计算

采用有限元方法和解析法评估低频结构声，对板格结构的频率进行计算，依照实船经验，若板格结构无共振出现，可认为船体在低频阶段无产生结构声的风险。主要激励频率考虑辅助柴油发电机组、应急柴油发电机组、柴油机驱动消防泵和燃气轮机。由于柴油机是弹性安装的，通过柔性支承传递的激励通常可忽略不计，辅机和应急柴油发电机组的转速为1 500 r/min，对应的一阶谐波频率为25 Hz，因此认为一阶激励并没有完全被弹性件衰减。值得考虑的是，辅助柴油发电机、应急柴油发电机和柴油机驱动消防泵都属于应急设备，每2周启动1次，启动时运行时间在30 min以内。因此，由此类设备引起低频结构声异常的情况不作重点考虑。燃气轮机由于自身作业的特殊性，其噪声贡献以高频为主，低频结构声可不考虑。因此，主要旋转设备对低频结构噪声的影响非常有限，是安全的。

3.3 室内噪声分析计算

在VA ONE系统中，设备的噪声和振动激励值是以功率的形式输入的，包括空气声功率和结构声功率，分别作用在声腔和结构上模拟。在此基础上，对平台室内声场进行噪声分析计算，结果见图4。由图4可知，大部分房间的噪声值都能满足噪声限值的要求。LAB、Galley和立柱区域的控制室因通风系统噪声过大，导致总噪声超出限值，设计中通过增加管路消声器或内衬管、具有消声功能的散射器等来降低总噪声[4-6]。

图4 室内噪声分析结果

甲板上2个限值较小的重要房间(中控设备间和中控间)设置备用分体空调，正常工况下中央空调运行，在进行噪声计算时无需考虑分体空调，噪声满足规范的要求。LAB试验台排风机对室内的影响较大，舱室噪声可达64 dB(A)，超出了限值(按IMO MSC.337(91)规定的60 dB(A))的要求。在排风管路系统中增加消声器，可降低室内噪声到59 dB(A)，满足规范的要求[7-9]。

4 结 语

半潜平台噪声分析需综合考虑平台的布置、设备运行的频次和人员居住房间的隔音材料等因素，其中准确输入确定设备的空气噪声和结构噪声非常关键。本文采用部分厂家提供的倍频程数据，结合以往项目的设备激励的数据模拟，为降噪提供设计依据。对于半潜平台噪声控制，要做好以下几方面工作：

1) 提供几种重要激励源设备的振动、噪声数值估算方法，可将其作为项目分析设计阶段初步估算的输入参考。

2) 对于低频(100 Hz以下)噪声，可采用有限元法，以校核共振风险的方式进行评估；对于中高频噪声，可采用统计能量法进行分析。

3) 舱室通风噪声需采用经验公式法单独计算校核，由于经验公式的使用和工程师的经验等人为因素通常会导致计算结果有较大的差异，建议保留3 dB的安全系数。

4) 当启动房间内大型旋转设备时，内场噪声超标主要是由这些高噪声设备的空气声引起的。因此，要控制室内噪声，主要考虑隔声问题。即阻断/降低空气声或结构声向目标舱室传递，对应的应急发电机室和ESSENTIAL发电机室均需设计安装吸、隔声绝缘材料和装置，有效阻断/降低空气声或结构声向外传递。

5) 半潜平台船体立柱通风管线密集，易造成噪声过大，需增加管路消声器、散射器和内衬管予以控制。

6) 外场区域一般人员持续操作时间短，对于噪声超出85 dB(A)的区域，为保障船员的健康和安全，需设置明显的高噪声标示，当有人员在这些区域工作、驻留时，需佩戴防护耳罩。