黄天星 李建明 祝文倩 黄建军 邹海斌
摘 要：本文采用基于统计能量分析法的VA One软件分析平台，建立某船的SEA声学模型，综合考虑该船钻采工况下的主要振动噪声设备的声能量激励，通过数值仿真计算出全船A计权声压级，评估该船舱室噪声水平是否达到标准，同时确定舱室噪声超标的具体数值，提供后续降噪处理的依据，对于噪声超标的舱室给出可操作、经济和方便的降噪方案。
关键词：VA One；
统计能量分析方法；
舱室噪声；
降噪
中图分类号：X593 文献标识码：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
随着社会的进步，人们的环保意识逐渐提高，船舶的噪声严重影响船员的日常生活和工作，引起相关各界的关注，并在相应的规范规则中提出明确的要求，将其作为船舶舒适性的一个重要指标。可見，人们对噪声非常的关注，在船舶设计中噪声指标将会融入到新船合同中。
本船作为长期的海上移动工作平台，设有发电机组、推进装置、辅助设备、管路系统、通风空调系统等主要振动噪声源设备，其振动噪声不仅影响船员工作效率和健康，还能引起船体结构疲劳损坏、设备的安全性等问题，且建造后整改措施有限，需要通过分析、计算等手段进行研究。
目前对船舶设备的激励特性还未完全掌握，给振动噪音控制带来难度。因此，为保证船舶建造过程的顺利开展，以及完工后振动噪音能够满足用户的需求，需要开展减振降噪设计建造控制技术研究。
2 船舶简介
本船主尺度如下：
总 长 179.80 m
型 宽 32.80 m
型 深 15.50 m
设计吃水 9.20 m
定 员 180人
本船为双层底结构，主要舱室有：设备处所、船员工作处所、实验处所、住舱、储藏室以及公共区域等。自上而下，依次设置顶甲板、驾驶甲板、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、内底甲板。
3 各工况舱室噪声评估指标
本船的噪声评估，主要包含以下工况：
（1）航行工况
船舶以80%最大推进输出功率稳定向前航行，并满足CCS规范要求；
6 套柴发机组中，3套以额定功率运行、3套备用；
3台主推进器以80%额定功率运行，伸缩推及艏侧推不运行，相关辅机设备及空调通风系统运行。
（2）钻采工况
船舶定位于井口，处于动力定位模式；
进行正常钻井作业，钻机液压泵站、环线液压泵站、振动筛、泥浆泵等设备正常运行；
6套柴发机组中5套运行（额定功率）、1套备用；
3台主推进器以50%功率运行；
3台伸缩推以50%功率运行；
艏侧推不运行；
相关辅机设备及空调通风系统运行；
钻井相关设备运行。
本船的舱室空气噪声级，应满足IMO最新舱室噪声规范MSC.337（91）和CCSG-ECO（NOIl）的要求，见表1、表2所列。
4 舱室噪声评估
4.1 基础理论
运用VA One 软件分析平台及统计能量方法，对舱室噪声进行评估。为了一并解决声场和结构振动问题，运用统计能量法解决结构高频声振问题，运用能量的观点，关注频域、时域和空间上的统计平均值[1]。
传统模态分析方法，由于频率范围更大的拓宽使得分析误差增大，难度也越来越大。虽然传统的模态分析方法关于研究结构系统的动力学问题有很长历史，但是仍在可以清晰辨别的有限数量的低階模态的范围里分析，而高阶模态的参数不确定是研究工程结构系统振动问题的难点，使用统计模态的概念，将振动能量当成叙述振动的基础值，再通过模态与振动波之间存在的内在关系，建立结构振动、其它子系统与分析声耦合动力学的统计能量方法[2]，允许较初步的系统模型参数。
统计能量法无法精准地预测系统的具体位置，主要是由于这个方法的任一参数均是频域、时、空的平均统计量。在以下的假设条件下，建立统计能量法的声学模型：各个子系统之间没有非保守性的耦合特征，它们之间是守恒的、线性的耦合；
系统所受的力应用线性相加原理，并且具有模态的非相干性，能量是在所研究频带内所有具有共振频率的结构间流动的；
不同的子结构间适用互易性原理，振动时耦合的子结构间实际能量与能量流成正比；
子结构中给定频带内的所有共振模态间能量等分[3～4]。
4.2 基础假设
根据统计能量法的基本思想，全船的SEA模型经过了一些简化，去除了许多细微结构。噪声计算加载的载荷，一部分是根据规格书中提出的振动噪声限值要求给出的，一部分是通过相似船型或者经验公式对比得到的，所以计算的结果有一定误差，本次评估是基于以下的假设进行：
（1）设备都是按照技术规范安装，没有出现较大的波动，即没有带来附加的不平衡载荷等；
（2）不考虑外部因素影响，包括第二噪声的影响，包括一些背景噪声如风声、海水的声音以及开关门声等；
（3）生产厂商不能提供的设备激励数据，包括设备的载荷以及空气噪声是由类比或经验公式得到；
（4）声学模型忽略了一些小的结构，并进行简化；
（5）计算噪声的时候，各舱室的甲板敷料、围壁与天花板，以最终舱室敷料布置图为准。
4.3 舱室噪声评估声学模型
舱室噪声计算评估过程，主要包括：声学建模、声学处理、加载、求解、后处理。
舱室噪声声学模型外形图，如图1所示：主要由带加强筋的平板、木作隔板等组成，根据船舶实际功能考虑相应开口区；
图2为舱室噪声内部声腔图；
图3为最终舱室噪声计算声学模型。
4.4 目标舱室处理
为满足噪声指标要求，设计时从船体结构、轮机设备、舱室舾装等方面采取了一系列的降噪措施。如：振源设备的隔振处理、风机安装消音器、隔音层、浮动地板、升高地板等。
船上除了钢板以外，其它处理如木作处理、甲板敷料、阻尼敷料、防火绝缘材料、门、窗等，都具有降噪功能。
4.4.1 木作绝缘处理
根据不同舱室对噪声的不同要求，船上不同位置使用了不同材料、不同厚度的绝缘处理，在住舱和工作舱室中，绝缘材料表面加覆盖木作板材。需要指出的是，绝缘材料具有良好的吸声性能，而一般的木作板材是由镀锌薄钢板与中间绝缘夹芯组成，表面光滑，对声波起到反射作用，不利于舱室围壁与天花板的吸声。因此，在某些噪声要求较高区域，如集控室、控制室、机舱附近的办公室等，应考虑使用多孔吸音板木作结构，保留绝缘材料吸音效果的同时，也能起到很好的木作效果。
全船使用到的木作板材主要有：复合岩棉板、铝蜂窝板、玻镁彩钢板；
全船使用到的绝缘材料主要有：H-60绝缘、A-60绝缘、岩棉。
4.4.2 甲板敷料
根据舱室的不同类型，甲板上需要敷设不同的甲板材料，起到一定的隔振、隔声作用。主要的甲板敷料有：轻质自流平甲板基层敷料、PVC地板、橡胶地板、聚氨酯地板、浮动地板敷料、水泥敷料、防滑瓷砖等；
为满足不同舱室的舱室噪声指标，在部分舱室设置有浮动地板，包括集控室、高级套房、第二甲板住舱、第一甲板住舱、主甲板住舱等。
4.4.3 阻尼处理
阻尼处理的目的是降低板材的振动和空气噪声传递，从而降低舱室的噪声水平。针对噪声源区域、某些局部振动较大或对舱室振动要求较高的舱室（如机舱、推进器舱、艏侧推舱、空调器室、机舱棚、实验室、住舱等），将阻尼材料敷设在舱室的甲板、围壁、设备基座等位置，用来降低结构噪声对附近舱室的声能量贡献。
4.5 载荷
根据船舶的工况特点和以往的评估经验，导致舱室噪声较大的激励源有：主柴油发电机组、应急发电机组、艏侧推、全回转主推进器、伸缩式全回转推进器、辅机泵组、空调通风系统、风机等，因此将这些激励源的结构噪声和空气噪声数据输入到软件中，并注意考虑隔振设备、消音器等的效果影响。
4.5.1主柴油发电机组
本船设置有三个机舱，每个机舱布置两套柴油发电机组，六套柴油发电机组均采用双层弹性隔振安装。
主发电机组向外传递的振动噪声能量分为两个部分：结构噪声与空气噪声。
空气噪声通过声波的透射作用穿过船体板壳向外辐射，结构噪声通过发电机组 基座传递到平台甲板向船体辐射。
为充分降低主发电机组噪声源的能量向外传递，对发电机组进行了隔振 设计，并提出了限值要求。在评估中，应对基座振动限值进行修正后，作为舱室噪声评估的计算输入；
为了降低排气噪声，排气管道安装排气 消音器，同时为了降低排气管道结构噪声对附近舱室的影响，管道与机舱棚连接处应使用弹性连接。
4.5.2推进器
推进器对舱室噪声的激励，包括螺旋桨脉动压力和空泡导致的桨正上方船体板架结构传递噪声、推进器舱电机及其他设备产生的空气辐射噪声。
4.5.3空调通风系统
船体是一个相对封闭的空间，舱室内的空气流动有赖于空调通风系统。空调 系统把新鲜空气送入舱室中，同时把回风抽出，这一过程会出现噪声，主要来自于风机、通风管路、舱室布风器等位置，空调机室布置在多层甲板，附近布置有大量住舱，是主要的局部噪声源。
为保证全船住舱的舒适性，需控制全船的空调管路布置以及消声措施。空调系统布置有送风、新风、回风消音器，送风消音器的消音量可达到25 dB；
新风消音器安装在百页窗外面，消音量15 dB，回风消音器的消音量为5 dB。空调系统订货时，应要求空调厂家依据以上要求进行降噪设计。
4.5.4辅机设备及风机
泵组、空压机组、冷水机组等辅助机械设备，是保证船舶正常航行、船员居住生活所必不可少的装备，在工作过程中会产生噪声与振动。为降低辅机设备对全船噪声水平的影响，对主要的设备进行单层、雙层或浮筏隔振处理。
船上在不同位置布置有大量的风机，是明显的局部噪声源，风机噪声大小与风机类型、风机压力、流量等因素有关；
甲板上布置有较多的进出风口，是开敞 甲板的一个重要局部噪声源。
5 评估结果
利用软件得出全船的每个甲板主要舱室噪声大小，如表3所列。评估结果为根据有限噪声源得到的理论结果，不考虑能量较小的二次噪声、环境噪声等，因此对于某些远离噪声源的舱室噪声评估结果可能小于40 dBA，实际情况会大于该值，对于这些舱室一般认为舱室噪声达标，仿真值作为参考。
6 噪声结果分析及建议
根据本次评估结果，有部分舱室实际噪声可能会超出限值要求。下面对超标舱室的噪声水平进行分析：
（1）机舱、辅机舱附近的集控室、控制室、办公室，需要得到更多的关注；
（2）钻采工况时，由于艏侧推装置的作用，全船艏部舱室的噪声水平相应提高；
（3）针对航行、钻采工况下的可能超标舱室，给出下列降噪建议：应急发电机舱壁敷设不低于5 mm厚的阻尼；
实验室、办公室等的甲板敷料浮动层，更换为类似性能的浮动地板；
空调通风系统应由厂家进行源头控制，保证布风器位置噪声低于舱室指标限值。
7 结语
本文应用能量统计法建立了某船的SEA模型，并对主要舱室进行噪声数值评估，以此结果对舱室的噪声进行分析并提出建议；
除此之外，设计阶段从船体结构、轮机设备、舱室 舾装等方面，采取一系列的降噪措施，为后续的设计和建造提供参考。
参考文献
[1] 孔宪才.浅谈减振降噪技术在“科学”轮上的集中应用[J].航海技术，2016（4）.
[2] 谢光能.减振降噪技术在高速船舶上的应用[J].广东造船，2019（2）.
[3] 周启学.科考船机械设备减振降噪措施的应用[J].船海工程，2019（4）.
[4] 某潜水支持船项目减振降噪主要措施[J].中国水运，2020（1）.
基金项目：2021年广东省海洋经济发展（海洋六大产业）专项资金项目（粤自然资合[2021]043号）
作者简介：黄天星（1984-），男，高级工程师。主要从事船舶设计工作。
李建明（1995-），男，助理工程师。主要从事船舶设计工作。
收稿日期：2022-10-24
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