多角度隔聲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)FPSO的降噪研究

劉子豪，竇培林，朱維龍，鄒 湘

(江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江，212003)

多角度隔聲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)FPSO的降噪研究

劉子豪，竇培林*，朱維龍，鄒 湘

(江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江，212003)

基于不同的角度變換，入射聲波在傳遞過(guò)程中經(jīng)壁板間的多次反射，使聲波能被艙室間的連接結(jié)構(gòu)與空氣層反復(fù)阻隔和吸收，達(dá)到隔聲效果．文中對(duì)FPSO相鄰的兩個(gè)艙室的壁板連接方式，由常規(guī)連接方式(即相鄰兩艙室連接的艙壁板夾角為0°)，改為夾角為15°，30°，45°的3種連接方式．優(yōu)選其中隔聲量最大的連接方式，在此基礎(chǔ)上，再次提出3種新型連接方式(又稱為分形結(jié)構(gòu))，再次比較這3種分形結(jié)構(gòu)隔聲量的大小，并選出隔聲效果最佳的一種分形結(jié)構(gòu)．

FPSO;艙壁連接;隔聲量;連結(jié)方式;分形結(jié)構(gòu)

隨著海洋石油鉆探開采技術(shù)的日漸成熟，浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油船系統(tǒng)FPSO已成為集技術(shù)與高附加值為一體的新型海上石油開采設(shè)施．船員長(zhǎng)期生活和工作在FPSO上，常常會(huì)受到主機(jī)、排風(fēng)扇、空調(diào)器、變壓器、泵、油氣水處理動(dòng)力機(jī)械等有關(guān)振動(dòng)源和噪聲源的影響［1－2］，因此，F(xiàn)PSO上層建筑的減振降噪已成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)［3－4］．

國(guó)際海事組織IMO和海洋工程已開始實(shí)施相應(yīng)的規(guī)范對(duì)FPSO居住艙和工作環(huán)境噪聲提出了要求，在對(duì)FPSO開發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中須預(yù)報(bào)艙室和工作的環(huán)境噪聲［5－6］，采取減振降噪措施或改進(jìn)設(shè)計(jì)來(lái)滿足規(guī)范要求，保證設(shè)備儀器的正常運(yùn)行，健康地工作生活和改善作業(yè)環(huán)境．文中通過(guò)對(duì)FPSO生活艙室的噪聲分析［7－8］，提出了一種多角度的隔聲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，以期提高其降噪能力．

1 隔聲理論

1.1 隔聲、透聲系數(shù)、隔聲量的概念

聲波在傳播過(guò)程中，遇到勻質(zhì)屏障物(如木板、金屬板等)時(shí)，由于介質(zhì)特性阻抗的變化，使部分聲能被屏障物反射回去，其中的一些聲能被屏障物吸收，還剩一部分聲能透過(guò)屏障物透射到另一個(gè)空間去，因?yàn)樵趥鞑ミ^(guò)程中有反射和吸收的效果，才降低了噪聲的傳播．由此可見，由屏障物引起的聲能降低的現(xiàn)象稱為隔聲．隔聲構(gòu)件透聲能力的大小，用透聲系數(shù)τ來(lái)表示［4］:

式中:EA為入射聲能;EC為透射過(guò)去的聲能;τ為構(gòu)件材料的透聲系數(shù)，它的值介于0～1．τ值越小，說(shuō)明該構(gòu)件與材料的隔聲性能越好．一般隔聲構(gòu)件的τ值，范圍在10－5～10－1．

1.2 隔聲量與空氣層厚度相關(guān)公式

雙層墻結(jié)構(gòu)的隔聲量，所采用的經(jīng)驗(yàn)公式估算(單位:dB):

式中:m1，m2分別為雙層板各自的質(zhì)量;f為所處的頻率范圍;ΔR為空氣層附加的隔聲量．隨著空氣層厚度的增加，與其附加隔聲量也隨之增大．

2 艙室間各壁板連接結(jié)構(gòu)的隔聲分析

因空氣層厚度與隔聲量的大小有直接關(guān)系．文中兩相鄰艙室由常規(guī)連接(即相鄰兩艙室連接的艙壁板夾角為0°)改為多角度連接，其艙室間的空間都由艙壁板進(jìn)行全封閉的結(jié)構(gòu)連接，以形成尖劈狀的空氣層，作為一種隔聲結(jié)構(gòu)，來(lái)提高整體結(jié)構(gòu)的隔聲性能．由于兩相鄰艙室的連接角度發(fā)生變化，這使得艙室間的空氣層厚度也隨之改變，直接影響到隔聲量的大?。?/p>

為了仿真驗(yàn)證這種設(shè)計(jì)方法具有可行性，采用聲學(xué)分析軟件VAone，以兩個(gè)體積為1 m3的艙室作為研究對(duì)象，分別稱為振動(dòng)源艙室和目標(biāo)艙室，選用標(biāo)準(zhǔn)恒定輸入功率為1 W的結(jié)構(gòu)噪聲源和混響聲場(chǎng)的聲壓為1 Pa的空氣噪聲源，作為施加在振動(dòng)艙室里的激勵(lì)源，以及選用1/3倍頻程和頻率范圍在63～2 000 Hz，來(lái)研究聲波能量從振動(dòng)艙室經(jīng)過(guò)中間隔聲結(jié)構(gòu)最后到達(dá)目標(biāo)艙室的有效隔聲量的大小．

2.1 0°，15°，30°，45°艙室間壁板連接的隔聲結(jié)構(gòu)

由圖1，2可見，在0°艙室間壁板連接下頻率f范圍為63～2 000 Hz，有效的隔聲量只有3 dB．這種常規(guī)壁板連接結(jié)構(gòu)的隔聲效果不佳．

圖1 常規(guī)(0°角度)壁板連接的隔聲結(jié)構(gòu)Fig．1 Insulation of routine connection

圖2 常規(guī)(0°角度)壁板連接結(jié)構(gòu)的隔聲量Fig．2 TL of routine bulkhead connection

由圖3，4可知，在15°艙室間壁板連接下，有效的隔聲量呈明顯上升，隔聲的最高值達(dá)到38 dB．這相對(duì)于0°艙室壁板連結(jié)的隔聲量最高只有3 dB的數(shù)值有較大幅度地提高，直接表明了夾角間空氣層對(duì)隔聲起到十分顯著的隔聲效果．

圖3 夾角15°壁板連接的隔聲結(jié)構(gòu)Fig．3 Insulation of angle 15°connection

圖4 夾角15°壁板連接結(jié)構(gòu)隔聲量Fig．4 TL of angle 15°bulkhead connection

對(duì)比圖4，5，6可以發(fā)現(xiàn):在頻率范圍為63～2 000 Hz內(nèi)，呈30°夾角艙室壁板連接方式的隔聲量在整體上比夾角呈15°連接結(jié)構(gòu)的隔聲量要略微多出1～2 dB．表明適度增大艙室間的夾角，使得空氣層厚度增加，能夠略微提高結(jié)構(gòu)的隔聲性能．

圖5 夾角30°壁板連接的隔聲結(jié)構(gòu)Fig．5 Insulation of angle 30°connection

圖6 夾角30°壁板連接結(jié)構(gòu)隔聲量Fig．6 TL of angle 30°bulkhead connection

比較圖8與圖6的隔聲量，在各個(gè)中心頻率上，45°夾角的有效隔聲能力有所下降，隔聲量正比于頻率的斜率降低，且在低頻段的隔聲量和整體的隔聲能力都不如呈30°角的連接結(jié)構(gòu)的隔聲效果明顯．同時(shí)說(shuō)明了因角度的增大，當(dāng)艙壁間空氣層的厚度達(dá)到一定量時(shí)，整體的隔聲性能開始下降．

圖7 夾角45°壁板連接的隔聲結(jié)構(gòu)Fig．7 Insulation of angle 45°connection

圖8 夾角45°壁板連接結(jié)構(gòu)隔聲量Fig．8 TL of angle 45°bulkhead connection

綜上所述:對(duì)比4組不同壁板連接結(jié)構(gòu)的隔聲量，其中壁板夾角成30°的連接結(jié)構(gòu)隔聲效果最佳．

2.2 含30°角艙室間壁板連接的分形結(jié)構(gòu)

由兩艙室間壁板所連接而成的隔聲結(jié)構(gòu)，在隔聲性能上有一定的局限性．在常規(guī)的工程作業(yè)中，以上呈多角度的隔聲連接結(jié)構(gòu)比較浪費(fèi)上層建筑的面積和空間資源，且艙室間的連接是成曲線形排布的，施工難度較大．然而，呈30°壁板連接的隔聲結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度與剛度并不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)疲勞和裂紋，沒有安全保障．因此，在壁板夾角呈30°隔聲量最優(yōu)的基礎(chǔ)上，提出3種艙室間含30°角的壁板相連的分形結(jié)構(gòu)(圖9～14)．

由圖9可知，相鄰兩艙室連接成直線形方式排布．分形結(jié)構(gòu)Ⅰ的振動(dòng)艙室和目標(biāo)艙室之間有成夾角型的空氣腔，且夾角為30°．分形結(jié)構(gòu)Ⅰ與夾角成30°的艙室壁板的結(jié)構(gòu)連接形式(圖6)，在整體的隔聲性能上近乎相同，兩者的隔聲量幾乎相等．這種隔聲分形結(jié)構(gòu)便于建造與施工，保證艙室的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度．

圖9 含30°角壁板連接的分形結(jié)構(gòu)ⅠFig．9 Fractal structureⅠwith angle 30°connection

圖10 含30°角分形結(jié)構(gòu)Ⅰ的隔聲量Fig．10 TL with angle 30°fractal structureⅠ

圖11 含30°角壁板連接的分形結(jié)構(gòu)ⅡFig．11 Fractal structureⅡwith angle 30°connection

由圖11可知，相鄰兩艙室連接成曲線形方式排布．在兩個(gè)艙室間的夾角1/2處額外加一層艙壁板，使中間被分割為2個(gè)成1/2夾角的相同體積且相互毗連的隔聲空間，且1/2夾角為15°．比較夾角成30°壁板連接的隔聲結(jié)構(gòu)(圖6)和分形結(jié)構(gòu)Ⅰ(圖10)的隔聲量發(fā)現(xiàn):在各個(gè)中心頻率上，分形結(jié)構(gòu)Ⅱ(圖12)的隔聲量最大，且隔聲量的差值大約保持在1～8 dB．可見分形結(jié)構(gòu)Ⅱ的隔聲性能優(yōu)于夾角成30°壁板連接的隔聲結(jié)構(gòu)和分形結(jié)構(gòu)Ⅰ．分形結(jié)構(gòu)Ⅱ的排布提高了整體隔聲的降噪量．

由圖13可知，相鄰兩艙室連接成直線形方式排布．在兩個(gè)艙室之間，通過(guò)2個(gè)對(duì)角線相互交錯(cuò)的艙室壁板的連接，將艙室之間的空間劃分成4個(gè)區(qū)域，形成了有內(nèi)部夾角(即在兩艙室間的2個(gè)空間對(duì)角線上艙壁板的交錯(cuò)連接而形成的內(nèi)夾角，且內(nèi)夾角為30°)的艙室連接結(jié)構(gòu)形式．分形結(jié)構(gòu)Ⅲ與夾角成30°的艙室壁板的結(jié)構(gòu)形式(圖5，6)、分形結(jié)構(gòu)Ⅰ(圖9，10)和分形結(jié)構(gòu)Ⅱ(圖11，12)相比較，在63～2 000 Hz的各個(gè)中心頻率上，分形結(jié)構(gòu)Ⅲ的隔聲量明顯高于分形結(jié)構(gòu)Ⅱ，其差值均保持在6～11 dB，隔聲量都有著很明顯的提高，且更易于施工建造和保證艙室的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度．說(shuō)明了在3種隔聲的分形結(jié)構(gòu)中，含30°角分形結(jié)構(gòu)Ⅲ的隔聲性能最優(yōu)．

圖12 含30°角分形結(jié)構(gòu)Ⅱ的隔聲量Fig．12 TL with angle 30°fractal structureⅡ

圖13 含30°角壁板連接的分形結(jié)構(gòu)ⅢFig．13 Fractal structureⅢwith angle 30°connection

圖14 含30°角分形結(jié)構(gòu)Ⅲ的隔聲量Fig．14 TL with angle 30°fractal structureⅢ

表1為在63～2 000 Hz之內(nèi)和1/3倍頻程的中心頻率下，艙室間呈0°，15°，30°，45°壁板連接的隔聲結(jié)構(gòu)與含30°角隔聲分形結(jié)構(gòu)之間隔聲量的對(duì)比．

表1艙室間各壁板連接結(jié)構(gòu)的隔聲量對(duì)比表Table 1 Transmission loss contrast with each structure of bulkhead connection amid cabins

3 結(jié)論

1)模擬計(jì)算了兩個(gè)相鄰艙室壁板間的夾角成0°，15°，30°，45°結(jié)構(gòu)連結(jié)形式的隔聲量，通過(guò)對(duì)比仿真結(jié)果得到:艙室壁板間夾角成30°的結(jié)構(gòu)連接形式，其隔聲量最大，整體的隔聲性能最好．

2)在優(yōu)選出的夾角為30°結(jié)構(gòu)連接形式的基礎(chǔ)上，又提出3種艙壁間含30°角的分形結(jié)構(gòu)，通過(guò)仿真計(jì)算并對(duì)比其隔聲量的大小，再次選出隔聲效果最佳的分形結(jié)構(gòu)Ⅲ，它除了保留了呈30°艙壁夾角的隔聲性能優(yōu)勢(shì)之外，同時(shí)，還具備了分形結(jié)構(gòu)Ⅰ和分形結(jié)構(gòu)Ⅱ便于施工、保證艙室結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和提高降噪量的特點(diǎn)．

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(責(zé)任編輯:貢洪殿)

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

發(fā)改委研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化基金資助項(xiàng)目(發(fā)改辦高技20131144)

劉子豪(1990—)，男，碩士研究生．*通信作者:竇培林(1964—)，男，教授，研究方向?yàn)榇芭c海洋工程結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造．E-mail:yxdpl@yahoo．com．cn

劉子豪，竇培林，朱維龍，等．多角度隔聲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)FPSO的降噪研究［J］．江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2015，29(5):416－420．