多纜地球物理勘探船艙室噪聲預(yù)報(bào)及控制研究

任康旭， 姚　雯， 肖文偉， 田　穎

(1.上海船舶工藝研究所， 上海 200032； 2.中船澄西船舶(廣州)有限公司， 廣東 廣州 511462)

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多纜地球物理勘探船艙室噪聲預(yù)報(bào)及控制研究

任康旭1， 姚雯1， 肖文偉2， 田穎1

(1.上海船舶工藝研究所， 上海 200032； 2.中船澄西船舶(廣州)有限公司， 廣東 廣州 511462)

以多纜地球物理勘探船(以下簡(jiǎn)稱物探船)為研究對(duì)象，分析了物探船主要的噪聲源，包括主機(jī)、發(fā)電機(jī)組、螺旋槳工作產(chǎn)生的空氣和結(jié)構(gòu)噪聲等。在滿足MSC.337(91)《船上噪聲等級(jí)規(guī)則》的艙室噪聲標(biāo)準(zhǔn)限值要求基礎(chǔ)上，采用商用船舶聲學(xué)設(shè)計(jì)評(píng)估軟件建立全船統(tǒng)計(jì)能量模型，對(duì)其進(jìn)行艙室噪聲預(yù)報(bào)，并針對(duì)結(jié)果提出可供參考的減振降噪設(shè)計(jì)建議，從而為提出聲學(xué)設(shè)計(jì)和噪聲控制重點(diǎn)奠定基礎(chǔ)。

艙室噪聲統(tǒng)計(jì)能量分析噪聲預(yù)報(bào)

0　引言

隨著陸地石油資源的枯竭以及石油價(jià)格的居高不下，越來越多的海工裝備被用于海洋油氣資源的勘探與開采。海洋油氣勘查是一個(gè)高技術(shù)密集的領(lǐng)域，主要包括海洋油氣地球物理勘探技術(shù)、海洋油氣鉆探技術(shù)。三維高性能深水物探船是海洋油氣勘探、開發(fā)、利用這條產(chǎn)業(yè)鏈上的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。其所需裝備技術(shù)的發(fā)展是決定未來海洋優(yōu)勢(shì)，提升國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵所在。高性能物探船的建成和使用，將極大地提高國(guó)內(nèi)的三維地震采集能力，對(duì)中國(guó)近海石油的勘察和開采具有十分重要的意義。

為最大限度地降低海上移動(dòng)平臺(tái)以及平臺(tái)上人員和環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)，2009年國(guó)際海事組織(IMO)在第26屆大會(huì)上以A.1023(26)號(hào)決議通過了《2009年海上移動(dòng)式鉆井平臺(tái)構(gòu)造和設(shè)備規(guī)則》(2009年MODU規(guī)則)，對(duì)平臺(tái)設(shè)計(jì)和建造中有害物質(zhì)的使用、噪聲控制等方面提出了要求。

物探船是利用聲納發(fā)射、接受聲波來進(jìn)行深海石油等資源進(jìn)行勘探的船舶。對(duì)于物探船而言，如果其水下輻射噪聲過大，將會(huì)降低自身聲納的探測(cè)功能，從而嚴(yán)重影響到勘探工作的完成質(zhì)量，而艙室噪聲的大小更是極大程度上會(huì)影響船員居住和工作的舒適度。因此，多纜高性能地球物理勘探船對(duì)于噪聲的控制要求將高于常規(guī)船舶。同時(shí)，多纜高性能地球物理勘探船是復(fù)雜的工程結(jié)構(gòu)物，采用有限元方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析時(shí)，結(jié)構(gòu)有限元模型規(guī)模比較大、激勵(lì)源也比較多，比常規(guī)的船舶噪聲計(jì)算更為復(fù)雜。

1　物探船艙室噪聲限值要求

物探船振動(dòng)與噪聲水平可按照ISO6954《機(jī)械振動(dòng)和沖擊——商船振動(dòng)綜合評(píng)價(jià)指南》、MSC 337(91)《船上噪聲等級(jí)規(guī)則》的要求，或者按照各船級(jí)社對(duì)于振動(dòng)和艙室舒適度的附加船級(jí)符號(hào)來要求。物探船因作業(yè)周期較長(zhǎng)、大功率機(jī)械設(shè)備多和艙室空間狹小等特點(diǎn)，船員及特殊人員長(zhǎng)期受到振動(dòng)、噪音的侵?jǐn)_，對(duì)于艙室舒適度及特殊工作艙室的振動(dòng)、噪音控制要求比普通商船更為嚴(yán)格。噪音方面除滿足MSC 337(91)外，還應(yīng)滿足表1和表2的要求。

表1　物探船各場(chǎng)所允許的最大噪聲量級(jí)

注：當(dāng)在距離通風(fēng)進(jìn)出3 m內(nèi)測(cè)量時(shí)可以接受5 dB(A)的偏差。

表2　物探船船員處所最小空氣聲隔聲指數(shù)

2　艙室預(yù)報(bào)評(píng)估技術(shù)

2.1預(yù)報(bào)評(píng)估方法

目前，主要采用統(tǒng)計(jì)能量分析法(SEA)作為物探船艙室噪聲的評(píng)估方法。統(tǒng)計(jì)能量分析法(SEA)起源于20世紀(jì)60年代，由Lyon首先提出，用于研究結(jié)構(gòu)高頻的動(dòng)態(tài)特性。此方法的基本思想是：從“統(tǒng)計(jì)”的觀點(diǎn)出發(fā)，忽略了艦船建造的許多具體細(xì)節(jié)，即允許有較粗略的模型，并以“能量”作為獨(dú)立的動(dòng)力學(xué)變量，利用統(tǒng)計(jì)量描述系統(tǒng)在外載荷作用下的動(dòng)力特性，能夠較好地解決結(jié)構(gòu)和聲場(chǎng)之間的耦合問題。

由于采用統(tǒng)計(jì)能量分析方法計(jì)算得到的振動(dòng)與聲輻射的結(jié)果都是基于時(shí)間或空間上的平均值，因此該方法正是利用了結(jié)構(gòu)高階模態(tài)密集性這一特性來實(shí)施預(yù)報(bào)，這是因?yàn)榉治鲱l帶內(nèi)的模態(tài)越多，得到的平均值就越接近真實(shí)結(jié)果，能在高頻段內(nèi)有效地分析出結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)與聲輻射狀況。國(guó)內(nèi)基于統(tǒng)計(jì)能量法針對(duì)船舶艙室噪聲預(yù)報(bào)也開發(fā)了相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算軟件Cabin Noise等。

為完成物探船艙室的噪聲評(píng)估工作，需依次實(shí)現(xiàn)圖1中所示的基本功能。

圖1　評(píng)估流程圖

2.2材料屬性

船舶結(jié)構(gòu)的材料特性主要包括彈性模量、泊松比、密度、損耗因子(倍頻程形式)等。

結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)的屬性主要包括船舶結(jié)構(gòu)的材料特性、厚度、加強(qiáng)筋情況(面積、慣性矩、間距等)、內(nèi)飾結(jié)構(gòu)情況(材料特性、厚度等)。

聲腔子系統(tǒng)的屬性主要包括介質(zhì)特性(聲速和密度)、吸聲系數(shù)(倍頻程形式)等。

賦予子系統(tǒng)屬性時(shí)需要選擇相應(yīng)材料特性參數(shù)。材料特性可以根據(jù)查找相關(guān)的材料手冊(cè)或者由廠家提供。結(jié)構(gòu)參數(shù)則主要根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙獲得。

2.3船舶內(nèi)飾材料的考慮方式

由于物探船內(nèi)飾材料及布局會(huì)影響船體結(jié)構(gòu)的阻尼，影響聲學(xué)的傳遞特性，從而影響預(yù)報(bào)精度，因此在進(jìn)行艙室噪聲預(yù)報(bào)時(shí)，需要考慮船舶內(nèi)裝及布局對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。首先，應(yīng)該結(jié)合內(nèi)裝布置圖，在不同的位置布置相應(yīng)的內(nèi)裝材料，并設(shè)計(jì)其相應(yīng)的材料屬性(厚度、阻尼系數(shù)、吸聲系數(shù)等)。

在模型的建立過程中可以定義噪聲控制處理方案(Noise Control Treatment，簡(jiǎn)稱NCT)，如圖2所示。通常情況下，NCT是通過分層定義的，每一個(gè)NCT都可以有很多個(gè)層(Layer)，能夠模擬實(shí)際施工中各個(gè)噪聲控制材料的排列順序，物探船部分結(jié)構(gòu)的NTC設(shè)置方法如表3所示。NCT的計(jì)算通過兩種方式進(jìn)行：(1)聲腔介質(zhì)吸聲系數(shù)的計(jì)算可通過“Cavity Subsystem Dialog”復(fù)選框中勾中“Using the absorption from NCT”來計(jì)算；(2)板系統(tǒng)的損耗因子可通過“Plate Subsystem Dialog”復(fù)選框中勾中“Using the damping from NCT”來計(jì)算。

圖2　NCT定義方法

NCT層數(shù)Layer1Layer2Layer3Layer4艙室內(nèi)部艙壁巖棉空氣復(fù)合巖棉板/艙室外圍艙壁A60級(jí)硅酸鋁硬氈玻璃絲布空氣復(fù)合巖棉板巖棉玻璃絲布空氣復(fù)合巖棉板天花板A60級(jí)硅酸鋁硬氈玻璃絲布空氣復(fù)合巖棉板巖棉玻璃絲布空氣復(fù)合巖棉板甲板敷料乳膠水泥流平敷料塑料地板/乳膠水泥流平敷料橡膠地板/乳膠水泥流平敷料地毯/

表3為NCT設(shè)置方法。其中塑料和橡膠地板的內(nèi)損耗因子按照高分子聚合物損耗因子的最小值取0.1，乳膠水泥及流平敷料的內(nèi)損耗因子按照水泥損耗因子的較小值取0.02，復(fù)合巖棉板的內(nèi)損耗因子取0.015。其他材料屬于纖維狀材料，其內(nèi)損耗因子由統(tǒng)計(jì)能量分析軟件自行計(jì)算。

3　噪聲源分析

根據(jù)多纜高性能地球物理勘探船的總體布置情況，確定了物探船的主要噪聲源分為機(jī)械噪聲、螺旋槳噪聲和水動(dòng)力噪聲三大類。主要噪聲源為：主機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)組、泵機(jī)、通風(fēng)管路、螺旋槳。確定了物探船的主要噪聲分為機(jī)械噪聲、螺旋槳噪聲和水動(dòng)力噪聲三類。主要噪聲源為主機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)組、泵機(jī)、通風(fēng)管路、螺旋槳。

在確定主要噪聲源的基礎(chǔ)上，分析了多纜高性能地球物理勘探船噪聲傳遞路徑，多纜高性能地球物理勘探船噪聲傳遞路徑主要有三種：空氣傳遞、結(jié)構(gòu)傳遞和水下傳遞。其中船上噪聲主要通過空氣介質(zhì)和船體結(jié)構(gòu)兩種途徑傳遞，以空氣噪聲和結(jié)構(gòu)噪聲兩種方式傳播。空氣噪聲主要在距噪聲源較近或者含有噪聲源的艙室(如機(jī)艙、空調(diào)機(jī)室、泵艙等)中傳播；結(jié)構(gòu)噪聲主要是由船上噪聲源通過機(jī)座等的振動(dòng)傳到船體結(jié)構(gòu)上。

3.1柴油發(fā)電機(jī)組

4臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組分別位于85#～100#肋位。柴油機(jī)型號(hào)為W?rtsil?9L32，額定功率為4 200 kW，額定轉(zhuǎn)速為750 r/min。柴油發(fā)電機(jī)組的空氣聲和結(jié)構(gòu)聲分別如表4所示。

表4　柴油發(fā)電機(jī)組空氣聲和結(jié)構(gòu)聲

3.2推進(jìn)電機(jī)

兩臺(tái)推進(jìn)裝置分別位于35#～45#肋位，推進(jìn)電機(jī)為西門子1RN6714-8HV90-Z，額定功率為4 500 kW，額定轉(zhuǎn)速為750 r/min。推進(jìn)電機(jī)的空氣聲和結(jié)構(gòu)聲如表5所示。

表5　推進(jìn)電機(jī)空氣聲和結(jié)構(gòu)聲

3.3螺旋槳

螺旋槳為四葉槳，可變螺距，直徑為4.2 m，額定轉(zhuǎn)速為146 r/min。螺旋槳的結(jié)構(gòu)聲如表6所示。

表6　螺旋槳結(jié)構(gòu)聲

4　艙室噪聲預(yù)報(bào)

4.1模型建立

為了計(jì)算物探船各主要艙室的空氣噪聲，建立全船艙室噪聲計(jì)算模型(見圖3)，采用統(tǒng)計(jì)能量法對(duì)艙室噪聲進(jìn)行計(jì)算。

圖3　多纜高性能地球物理勘探船全船艙室聲腔模型

4.2計(jì)算結(jié)果

本文主要關(guān)注的是居住區(qū)域的艙室噪聲。居住區(qū)域主要位于第6甲板至駕駛室頂甲板80#～125#肋位，以及第1甲板至第5甲板80#～150#肋位。計(jì)算得到的該船有代表性的艙室噪聲結(jié)果節(jié)選如表7所示。噪聲限值來源于MSC 337(91)《船上噪聲等級(jí)規(guī)則》。

表7　艙室噪聲計(jì)算結(jié)果節(jié)選

4.3降噪建議

從計(jì)算結(jié)果來看，物探船整體上處于良好水平。綜合考慮到物探船對(duì)船體機(jī)械振動(dòng)環(huán)境要求比較高、船舶自噪聲對(duì)測(cè)量區(qū)域被探測(cè)目標(biāo)的影響要小、動(dòng)力設(shè)備產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲對(duì)船上作業(yè)人員身體、心理、情緒的影響要小等因素，提出以下降噪建議：

(1) 由于3甲板和2甲板在機(jī)艙區(qū)域，離機(jī)艙聲源較近，受激勵(lì)源結(jié)構(gòu)噪聲影響較大，兩層甲板上布置的居住艙室雖都能滿足規(guī)范要求，但部分艙室預(yù)報(bào)值接近限制值，建議加厚舾裝材料，或適當(dāng)運(yùn)用阻尼材料，降低結(jié)構(gòu)聲傳遞的影響。

(2) 位于85#～100#肋位的4臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組，建議在機(jī)組外部設(shè)置相應(yīng)的圍壁和天花板，形成柴油發(fā)電機(jī)組艙室(注意考慮柴油機(jī)送風(fēng))，從而降低柴油發(fā)電機(jī)組的空氣噪聲對(duì)全船噪聲的影響。

5　小結(jié)

結(jié)合多纜高性能地球物理勘探船的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，根據(jù)該船主要物探頻段特點(diǎn)，對(duì)船上主要噪聲源，如主機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)組、泵機(jī)、通風(fēng)管路、螺旋槳等特性參數(shù)進(jìn)行測(cè)量、收集、分析和整理，為載體船聲學(xué)設(shè)計(jì)評(píng)估提供必要的輸入數(shù)據(jù)。選取統(tǒng)計(jì)能量法，重點(diǎn)開展多纜高性能地球物理勘探船噪聲源分析、控制和評(píng)估研究，并提出船舶噪聲控制措施，為設(shè)計(jì)其噪聲控制方案打下基礎(chǔ)。

[1]MSC 337(91). Code on noise levels on board ships[S].2012.

[2]姚德源,王其政.統(tǒng)計(jì)能量分析原理及其應(yīng)用[M].北京:北京理工大學(xué)出版社，1995.

[3]馬大猷.噪聲與振動(dòng)控制工程手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[4](俄)阿·斯·尼基福羅夫著，謝信，王軻譯校.船體結(jié)構(gòu)聲學(xué)設(shè)計(jì)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1998.

[5]Riehard H L. Statistical energy analysis of dynamical systems: theory and applications[M]. Massachusetts: MIT Press, 1975.

[6]李澤成. 船舶艙室噪聲預(yù)報(bào)方法分析與評(píng)估計(jì)算[C]//中國(guó)船舶科學(xué)研究中心科技報(bào)告，2013.

Research on Cabin Noise Prediction and Control for Multi Cable Geophysical Prospecting Ship

REN Kang-xu1， YAO Wen1， XIAO Wen-wei2, TIAN Ying1

(1.Shanghai Shipbuilding Technology Research Institute， Shanghai 200032， China;2.Chengxi Shipyard (Guangzhou) Co., Ltd., Guangzhou Guangdong 511462, China)

Cabin noise on multi cable geophysical prospecting ship was researched in this paper.Firstly， geophysical prospecting ship noise source, including host, generator set, propeller was analyzed. Secondly, based on statistical energy analysis theory, a numerical model was build to compute ship cabin noise.Then， the vibration noise reduction design suggestions, which laying a foundation for acoustic design and noise control were proposed.

Cabin noiseStatistical energy analysisNoise prediction

任康旭(1982-)，男，工程師，從事船舶與海洋工程制造技術(shù)研究。

U663

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