某船鉆采工況下的減振降噪分析

黃天星 李建明 祝文倩 黃建軍 鄒海斌

摘? ? 要：本文采用基于統(tǒng)計(jì)能量分析法的VA One軟件分析平臺，建立某船的SEA聲學(xué)模型，綜合考慮該船鉆采工況下的主要振動噪聲設(shè)備的聲能量激勵，通過數(shù)值仿真計(jì)算出全船A計(jì)權(quán)聲壓級，評估該船艙室噪聲水平是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，同時確定艙室噪聲超標(biāo)的具體數(shù)值，提供后續(xù)降噪處理的依據(jù)，對于噪聲超標(biāo)的艙室給出可操作、經(jīng)濟(jì)和方便的降噪方案。

關(guān)鍵詞：VA One；統(tǒng)計(jì)能量分析方法；艙室噪聲；降噪

中圖分類號：X593? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Analysis on Vibration and Noise Reduction of A Ship

Under Drilling and Production Conditions

HUANG Tianxing1， LI Jianming1， ZHU Wenqian1， HUANG Jianjun2， ZOU Haibin1

（ 1. Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250;? 2. CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Co.， Ltd.， Guangzhou 510715 ）

Abstract： In this paper， it adopts the VA One software analysis platform based on the statistical energy analysis method and sets up the SEA acoustic model of a ship. It considers comprehensively the acoustic energy incentives of the main vibration noise equipment of the ship under drilling & production conditions， and through the numerical simulation calculates the cabin A sound pressure level of the whole ship to assess whether the cabin room noise level has reached the standard of specification， and at the same time determine the specific value of the cabin noise exceeding the standard and provide the basis for treatment of subsequent noise reduction. An operable， economical and convenient noise reduction scheme is proposed for the cabins if exceeding the noise standard.

Key words： VA One; Statistical Energy Analysis Method; Cabin Noise; Noise Reduction.

1? ? ?前言

隨著社會的進(jìn)步，人們的環(huán)保意識逐漸提高，船舶的噪聲嚴(yán)重影響船員的日常生活和工作，引起相關(guān)各界的關(guān)注，并在相應(yīng)的規(guī)范規(guī)則中提出明確的要求，將其作為船舶舒適性的一個重要指標(biāo)?？梢?，人們對噪聲非常的關(guān)注，在船舶設(shè)計(jì)中噪聲指標(biāo)將會融入到新船合同中。

本船作為長期的海上移動工作平臺，設(shè)有發(fā)電機(jī)組、推進(jìn)裝置、輔助設(shè)備、管路系統(tǒng)、通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)等主要振動噪聲源設(shè)備，其振動噪聲不僅影響船員工作效率和健康，還能引起船體結(jié)構(gòu)疲勞損壞、設(shè)備的安全性等問題，且建造后整改措施有限，需要通過分析、計(jì)算等手段進(jìn)行研究。

目前對船舶設(shè)備的激勵特性還未完全掌握，給振動噪音控制帶來難度。因此，為保證船舶建造過程的順利開展，以及完工后振動噪音能夠滿足用戶的需求，需要開展減振降噪設(shè)計(jì)建造控制技術(shù)研究。

2? ? 船舶簡介

本船主尺度如下：

總? ? 長? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 179.80 m

型? ? 寬? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 32.80 m

型? ? 深? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 15.50 m

設(shè)計(jì)吃水? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 9.20 m

定? ? 員? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 180人

本船為雙層底結(jié)構(gòu)，主要艙室有：設(shè)備處所、船員工作處所、實(shí)驗(yàn)處所、住艙、儲藏室以及公共區(qū)域等。自上而下，依次設(shè)置頂甲板、駕駛甲板、第四甲板、第三甲板、第二甲板、第一甲板、主甲板、上甲板、下甲板、內(nèi)底甲板。

3? ? 各工況艙室噪聲評估指標(biāo)

本船的噪聲評估，主要包含以下工況：

（1）航行工況

船舶以80%最大推進(jìn)輸出功率穩(wěn)定向前航行，并滿足CCS規(guī)范要求；6 套柴發(fā)機(jī)組中，3套以額定功率運(yùn)行、3套備用；3臺主推進(jìn)器以80%額定功率運(yùn)行，伸縮推及艏側(cè)推不運(yùn)行，相關(guān)輔機(jī)設(shè)備及空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行。

（2）鉆采工況

船舶定位于井口，處于動力定位模式；進(jìn)行正常鉆井作業(yè)，鉆機(jī)液壓泵站、環(huán)線液壓泵站、振動篩、泥漿泵等設(shè)備正常運(yùn)行；6套柴發(fā)機(jī)組中5套運(yùn)行（額定功率）、1套備用；3臺主推進(jìn)器以50%功率運(yùn)行；3臺伸縮推以50%功率運(yùn)行；艏側(cè)推不運(yùn)行；相關(guān)輔機(jī)設(shè)備及空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行；鉆井相關(guān)設(shè)備運(yùn)行。

本船的艙室空氣噪聲級，應(yīng)滿足IMO最新艙室噪聲規(guī)范MSC.337（91）和CCSG-ECO（NOIl）的要求，見表1、表2所列。

4? ? 艙室噪聲評估

4.1? ?基礎(chǔ)理論

運(yùn)用VA One 軟件分析平臺及統(tǒng)計(jì)能量方法，對艙室噪聲進(jìn)行評估。為了一并解決聲場和結(jié)構(gòu)振動問題，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)能量法解決結(jié)構(gòu)高頻聲振問題，運(yùn)用能量的觀點(diǎn)，關(guān)注頻域、時域和空間上的統(tǒng)計(jì)平均值[1]。

傳統(tǒng)模態(tài)分析方法，由于頻率范圍更大的拓寬使得分析誤差增大，難度也越來越大。雖然傳統(tǒng)的模態(tài)分析方法關(guān)于研究結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動力學(xué)問題有很長歷史，但是仍在可以清晰辨別的有限數(shù)量的低階模態(tài)的范圍里分析，而高階模態(tài)的參數(shù)不確定是研究工程結(jié)構(gòu)系統(tǒng)振動問題的難點(diǎn)，使用統(tǒng)計(jì)模態(tài)的概念，將振動能量當(dāng)成敘述振動的基礎(chǔ)值，再通過模態(tài)與振動波之間存在的內(nèi)在關(guān)系，建立結(jié)構(gòu)振動、其它子系統(tǒng)與分析聲耦合動力學(xué)的統(tǒng)計(jì)能量方法[2]，允許較初步的系統(tǒng)模型參數(shù)。

統(tǒng)計(jì)能量法無法精準(zhǔn)地預(yù)測系統(tǒng)的具體位置，主要是由于這個方法的任一參數(shù)均是頻域、時、空的平均統(tǒng)計(jì)量。在以下的假設(shè)條件下，建立統(tǒng)計(jì)能量法的聲學(xué)模型：各個子系統(tǒng)之間沒有非保守性的耦合特征，它們之間是守恒的、線性的耦合；系統(tǒng)所受的力應(yīng)用線性相加原理，并且具有模態(tài)的非相干性，能量是在所研究頻帶內(nèi)所有具有共振頻率的結(jié)構(gòu)間流動的；不同的子結(jié)構(gòu)間適用互易性原理，振動時耦合的子結(jié)構(gòu)間實(shí)際能量與能量流成正比；子結(jié)構(gòu)中給定頻帶內(nèi)的所有共振模態(tài)間能量等分[3～4]。

4.2? ?基礎(chǔ)假設(shè)

根據(jù)統(tǒng)計(jì)能量法的基本思想，全船的SEA模型經(jīng)過了一些簡化，去除了許多細(xì)微結(jié)構(gòu)。噪聲計(jì)算加載的載荷，一部分是根據(jù)規(guī)格書中提出的振動噪聲限值要求給出的，一部分是通過相似船型或者經(jīng)驗(yàn)公式對比得到的，所以計(jì)算的結(jié)果有一定誤差，本次評估是基于以下的假設(shè)進(jìn)行：

（1）設(shè)備都是按照技術(shù)規(guī)范安裝，沒有出現(xiàn)較大的波動，即沒有帶來附加的不平衡載荷等；

（2）不考慮外部因素影響，包括第二噪聲的影響，包括一些背景噪聲如風(fēng)聲、海水的聲音以及開關(guān)門聲等；

（3）生產(chǎn)廠商不能提供的設(shè)備激勵數(shù)據(jù)，包括設(shè)備的載荷以及空氣噪聲是由類比或經(jīng)驗(yàn)公式得到；

（4）聲學(xué)模型忽略了一些小的結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行簡化；

（5）計(jì)算噪聲的時候，各艙室的甲板敷料、圍壁與天花板，以最終艙室敷料布置圖為準(zhǔn)。

4.3? ?艙室噪聲評估聲學(xué)模型

艙室噪聲計(jì)算評估過程，主要包括：聲學(xué)建模、聲學(xué)處理、加載、求解、后處理。

艙室噪聲聲學(xué)模型外形圖，如圖1所示：主要由帶加強(qiáng)筋的平板、木作隔板等組成，根據(jù)船舶實(shí)際功能考慮相應(yīng)開口區(qū)；圖2為艙室噪聲內(nèi)部聲腔圖；圖3為最終艙室噪聲計(jì)算聲學(xué)模型。

4.4? ?目標(biāo)艙室處理

為滿足噪聲指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)時從船體結(jié)構(gòu)、輪機(jī)設(shè)備、艙室舾裝等方面采取了一系列的降噪措施。如：振源設(shè)備的隔振處理、風(fēng)機(jī)安裝消音器、隔音層、浮動地板、升高地板等。

船上除了鋼板以外，其它處理如木作處理、甲板敷料、阻尼敷料、防火絕緣材料、門、窗等，都具有降噪功能。

4.4.1 木作絕緣處理

根據(jù)不同艙室對噪聲的不同要求，船上不同位置使用了不同材料、不同厚度的絕緣處理，在住艙和工作艙室中，絕緣材料表面加覆蓋木作板材。需要指出的是，絕緣材料具有良好的吸聲性能，而一般的木作板材是由鍍鋅薄鋼板與中間絕緣夾芯組成，表面光滑，對聲波起到反射作用，不利于艙室圍壁與天花板的吸聲。因此，在某些噪聲要求較高區(qū)域，如集控室、控制室、機(jī)艙附近的辦公室等，應(yīng)考慮使用多孔吸音板木作結(jié)構(gòu)，保留絕緣材料吸音效果的同時，也能起到很好的木作效果。

全船使用到的木作板材主要有：復(fù)合巖棉板、鋁蜂窩板、玻鎂彩鋼板；全船使用到的絕緣材料主要有：H-60絕緣、A-60絕緣、巖棉。

4.4.2 甲板敷料

根據(jù)艙室的不同類型，甲板上需要敷設(shè)不同的甲板材料，起到一定的隔振、隔聲作用。主要的甲板敷料有：輕質(zhì)自流平甲板基層敷料、PVC地板、橡膠地板、聚氨酯地板、浮動地板敷料、水泥敷料、防滑瓷磚等；為滿足不同艙室的艙室噪聲指標(biāo)，在部分艙室設(shè)置有浮動地板，包括集控室、高級套房、第二甲板住艙、第一甲板住艙、主甲板住艙等。

4.4.3 阻尼處理

阻尼處理的目的是降低板材的振動和空氣噪聲傳遞，從而降低艙室的噪聲水平。針對噪聲源區(qū)域、某些局部振動較大或?qū)ε撌艺駝右筝^高的艙室（如機(jī)艙、推進(jìn)器艙、艏側(cè)推艙、空調(diào)器室、機(jī)艙棚、實(shí)驗(yàn)室、住艙等），將阻尼材料敷設(shè)在艙室的甲板、圍壁、設(shè)備基座等位置，用來降低結(jié)構(gòu)噪聲對附近艙室的聲能量貢獻(xiàn)。

4.5? ?載荷

根據(jù)船舶的工況特點(diǎn)和以往的評估經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致艙室噪聲較大的激勵源有：主柴油發(fā)電機(jī)組、應(yīng)急發(fā)電機(jī)組、艏側(cè)推、全回轉(zhuǎn)主推進(jìn)器、伸縮式全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器、輔機(jī)泵組、空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)等，因此將這些激勵源的結(jié)構(gòu)噪聲和空氣噪聲數(shù)據(jù)輸入到軟件中，并注意考慮隔振設(shè)備、消音器等的效果影響。

4.5.1主柴油發(fā)電機(jī)組

本船設(shè)置有三個機(jī)艙，每個機(jī)艙布置兩套柴油發(fā)電機(jī)組，六套柴油發(fā)電機(jī)組均采用雙層彈性隔振安裝。

主發(fā)電機(jī)組向外傳遞的振動噪聲能量分為兩個部分：結(jié)構(gòu)噪聲與空氣噪聲。 空氣噪聲通過聲波的透射作用穿過船體板殼向外輻射，結(jié)構(gòu)噪聲通過發(fā)電機(jī)組 基座傳遞到平臺甲板向船體輻射。

為充分降低主發(fā)電機(jī)組噪聲源的能量向外傳遞，對發(fā)電機(jī)組進(jìn)行了隔振 設(shè)計(jì)，并提出了限值要求。在評估中，應(yīng)對基座振動限值進(jìn)行修正后，作為艙室噪聲評估的計(jì)算輸入；為了降低排氣噪聲，排氣管道安裝排氣 消音器，同時為了降低排氣管道結(jié)構(gòu)噪聲對附近艙室的影響，管道與機(jī)艙棚連接處應(yīng)使用彈性連接。

4.5.2推進(jìn)器

推進(jìn)器對艙室噪聲的激勵，包括螺旋槳脈動壓力和空泡導(dǎo)致的槳正上方船體板架結(jié)構(gòu)傳遞噪聲、推進(jìn)器艙電機(jī)及其他設(shè)備產(chǎn)生的空氣輻射噪聲。

4.5.3空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)

船體是一個相對封閉的空間，艙室內(nèi)的空氣流動有賴于空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)?？照{(diào) 系統(tǒng)把新鮮空氣送入艙室中，同時把回風(fēng)抽出，這一過程會出現(xiàn)噪聲，主要來自于風(fēng)機(jī)、通風(fēng)管路、艙室布風(fēng)器等位置，空調(diào)機(jī)室布置在多層甲板，附近布置有大量住艙，是主要的局部噪聲源。

為保證全船住艙的舒適性，需控制全船的空調(diào)管路布置以及消聲措施?？照{(diào)系統(tǒng)布置有送風(fēng)、新風(fēng)、回風(fēng)消音器，送風(fēng)消音器的消音量可達(dá)到25 dB；新風(fēng)消音器安裝在百頁窗外面，消音量15 dB，回風(fēng)消音器的消音量為5 dB。空調(diào)系統(tǒng)訂貨時，應(yīng)要求空調(diào)廠家依據(jù)以上要求進(jìn)行降噪設(shè)計(jì)。

4.5.4輔機(jī)設(shè)備及風(fēng)機(jī)

泵組、空壓機(jī)組、冷水機(jī)組等輔助機(jī)械設(shè)備，是保證船舶正常航行、船員居住生活所必不可少的裝備，在工作過程中會產(chǎn)生噪聲與振動。為降低輔機(jī)設(shè)備對全船噪聲水平的影響，對主要的設(shè)備進(jìn)行單層、雙層或浮筏隔振處理。

船上在不同位置布置有大量的風(fēng)機(jī)，是明顯的局部噪聲源，風(fēng)機(jī)噪聲大小與風(fēng)機(jī)類型、風(fēng)機(jī)壓力、流量等因素有關(guān)；甲板上布置有較多的進(jìn)出風(fēng)口，是開敞 甲板的一個重要局部噪聲源。

5? ? 評估結(jié)果

利用軟件得出全船的每個甲板主要艙室噪聲大小，如表3所列。評估結(jié)果為根據(jù)有限噪聲源得到的理論結(jié)果，不考慮能量較小的二次噪聲、環(huán)境噪聲等，因此對于某些遠(yuǎn)離噪聲源的艙室噪聲評估結(jié)果可能小于40 dBA，實(shí)際情況會大于該值，對于這些艙室一般認(rèn)為艙室噪聲達(dá)標(biāo)，仿真值作為參考。

6? ? 噪聲結(jié)果分析及建議

根據(jù)本次評估結(jié)果，有部分艙室實(shí)際噪聲可能會超出限值要求。下面對超標(biāo)艙室的噪聲水平進(jìn)行分析：

（1）機(jī)艙、輔機(jī)艙附近的集控室、控制室、辦公室，需要得到更多的關(guān)注；

（2）鉆采工況時，由于艏側(cè)推裝置的作用，全船艏部艙室的噪聲水平相應(yīng)提高；

（3）針對航行、鉆采工況下的可能超標(biāo)艙室，給出下列降噪建議：應(yīng)急發(fā)電機(jī)艙壁敷設(shè)不低于5 mm厚的阻尼；實(shí)驗(yàn)室、辦公室等的甲板敷料浮動層，更換為類似性能的浮動地板；空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)由廠家進(jìn)行源頭控制，保證布風(fēng)器位置噪聲低于艙室指標(biāo)限值。

7? ? ?結(jié)語

本文應(yīng)用能量統(tǒng)計(jì)法建立了某船的SEA模型，并對主要艙室進(jìn)行噪聲數(shù)值評估，以此結(jié)果對艙室的噪聲進(jìn)行分析并提出建議；除此之外，設(shè)計(jì)階段從船體結(jié)構(gòu)、輪機(jī)設(shè)備、艙室 舾裝等方面，采取一系列的降噪措施，為后續(xù)的設(shè)計(jì)和建造提供參考。

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基金項(xiàng)目：2021年廣東省海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展（海洋六大產(chǎn)業(yè)）專項(xiàng)資金項(xiàng)目（粵自然資合[2021]043號）

作者簡介：黃天星（1984-），男，高級工程師。主要從事船舶設(shè)計(jì)工作。

李建明（1995-），男，助理工程師。主要從事船舶設(shè)計(jì)工作。

收稿日期：2022-10-24