海上平台组块风道噪声特性及降噪措施分析.pdf

海上平台组块风道噪声特性及降噪措施分析 刘新福1*,程 辉1,李 晖2,李 博3,高 鹏4,张守森4,刘碧龙1(1.青岛理工大学 机械与汽车工程学院,山东青岛 2 6 6 5 2 0;2.中海油研究总院有限责任公司,北京 1 0 0 0 2 8;3.中国海洋石油国际有限公司业务发展中心,北京 1 0 0 0 2 7;4.海洋石油工程股份有限公司,天津 3 0 0 4 5 1)摘要 海上平台组块房间风道及其设备运行过程中产生各种噪声,对操作人员甚至是水下鱼类等造成不同程度的影响,有必要对海上平台组块噪声控制提出更高要求。综合湍流脉动与风机空气激励耦合作用,建立平台组块风道噪声计算模型,利用F WH方法分析通风系统中风道噪声对平台房间声压级影响;基于统计能量(S E A)法,构建平台组块房间S E A模型,分析S E A子系统内损耗因子和子系统间耦合损耗因子,并预报组块房间噪声动态分布状况,确定典型工况噪声传播路径及主导分量,对超标房间采取降噪措施以达到噪声控制的目的。结果表明:海上平台组块的风道噪声多处在中低频段,且对组块房间总声压级影响较小;低频噪声传播较远,高频噪声衰减较快,远处房间主要受低频空气噪声和结构噪声影响。由此,针对空气噪声和结构噪声分别设计隔声和隔振措施,平台组块房间均满足国家标准要求。关键词 风道噪声;噪声模拟与预报;湍流脉动;降噪措施;传播路径中图分类号:T E 9 5;T B 5 3 5 文献标志码:A 文章编号:2 0 9 5 7 2 9 7(2 0 2 3)0 0 5 1 0 6d o i:1 0.1 2 0 8 7/o e e t.2 0 9 5-7 2 9 7.2 0 2 3.0 2.0 8N o i s e C h a r a c t e r i s t i c s a n d I t s R e d u c t i o n M e a s u r e s o f A i r D u c t o n O f f s h o r e P l a t f o r m B l o c k sL I U X i n f u1*,C H E N G H u i1,L I H u i2,L I B o3,G A O P e n g4,Z HA N G S h o u s e n4,L I U B i l o n g1(1.S c h o o l o f M e c h a n i c a l a n d A u t o m o t i v e E n g i n e e r i n g,Q i n g d a o U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,Q i n g d a o S h a n d o n g 2 6 6 5 2 0,C h i n a;2.C N O O C R e s e a r c h I n s t i t u t e L t d.,B e i j i n g 1 0 0 0 2 8,C h i n a;3.B u s i n e s s D e v e l o p m e n t C e n t e r,C N O O C I n t e r n a t i o n a l L t d.,B e i j i n g 1 0 0 0 2 7,C h i n a;4.C h i n a O f f s h o r e O i l E n g i n e e r i n g C o m p a n y L t d.,T i a n j i n 3 0 0 4 5 1,C h i n a)A b s t r a c t V a r i o u s n o i s e s a r e g e n e r a t e d d u r i n g t h e o p e r a t i o n o f a i r d u c t s a n d e q u i p m e n t i n b l o c k r o o m s o f o f f s h o r e p l a t f o r m s,w h i c h w i l l r e s u l t i n v a r i a b l e e f f e c t s o n t h e o p e r a t o r s a n d e v e n t h e l i v e s u n d e r w a t e r.T h e r e f o r e,i t i s n e c e s s a r y t o p u t f o r w a r d h i g h e r r e q u i r e m e n t s f o r b l o c k n o i s e c o n t r o l o f o f f s h o r e p l a t f o r m s.C o n s i d e r i n g t h e c o u p l i n g e f f e c t o f t u r b u l e n c e p u l s a t i o n a n d f a n a i r e x c i t a t i o n,i n t h e p a p e r,t h e c a l c u l a t i o n m o d e l o f t h e a i r d u c t n o i s e o f t h e p l a t f o r m b l o c k i s e s t a b l i s h e d,a n d t h e F WH m e t h o d i s u s e d t o a n a l y z e t h e i n f l u e n c e o f t h e a i r d u c t n o i s e i n t h e v e n t i l a t i o n s y s t e m o n t h e s o u n d p r e s s u r e l e v e l o f t h e p l a t f o r m r o o m;B a s e d o n t h e s t a t i s t i c a l e n e r g y m e t h o d,w e f u r t h e r b u i l d t h e S E A m o d e l o f t h e p l a t f o r m m o d u l a r r o o m,a n a l y z e t h e l o s s f a c t o r i n t h e S E A s u b s y s t e m a n d t h e c o u p l i n g l o s s f a c t o r b e t w e e n s u b s y s t e m s,p r e d i c t t h e d y n a m i c d i s t r i b u t i o n o f t h e n o i s e i n t h e m o d u l a r r o o m,d e t e r m i n e t h e n o i s e p r o p a g a t i o n p a t h a n d d o m i n a n t c o m p o n e n t u n d e r t y p i c a l w o r k i n g c o n d i t i o n s,a n d t a k e n o i s e 基金项目:国家自然科学基金面上项目(5 2 0 7 4 1 6 1),泰山学者工程专项经费资助(t s q n 2 0 2 2 1 1 1 7 7),山东省高等学校青创人才引育计划(2 0 2 1青创3 0 6 1 3 0 1 9),山东省自然科学基金面上项目(Z R 2 0 2 2 M E 1 7 3)。作者简介:刘新福(1 9 8 3),男,教授,博士生导师,泰山学者,2 0 1 2年博士毕业于中国石油大学(华东)石油机械工程专业,现从事海洋工程装备技术和智能油气开采方面的研究工作。E-m a i l:u p c d o c t o r 1 2 6.c o m。第1 0卷 第2期 2 0 2 3年6月海洋工程装备与技术O C E A N E N G I N E E R I N G E QU I P ME N T A N D T E C HN O L O G YV o l.1 0,N o.2J u n.,2 0 2 35 2 海洋工程装备与技术第1 0卷r e d u c t i o n m e a s u r e s f o r r o o m s e x c e e d i n g t h e s t a n d a r d t o a c h i e v e t h e p u r p o s e o f n o i s e c o n t r o l.T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e a i r d u c t n o i s e o f o f f s h o r e p l a t f o r m m o d u l e s i s m o s t l y i n t h e m i d d l e a n d l o w f r e q u e n c y b a n d,a n d h a s l i t t l e e f f e c t o n t h e t o t a l s o u n d p r e s s u r e l e v e l o f t h e m o d u l e r o o m.A t t h e s a m e t i m e,l o w-f r e q u e n c y n o i s e s p r e a d s f a r a n d h i g h-f r e q u e n c y n o i s e a t t e n u a t e s q u i c k l y.T h e r e m o t e r o o m s a r e m a i n l y a f f e c t e d b y l o w-f r e q u e n c y a i r n o i s e a n d s t r u c t u r a l n o i s e.T h e r e f o r e,s o u n d i n s u l a t i o n a n d v i b r a t i o n i s o l a t i o n m e a s u r e s a r e d e s i g n e d r e s p e c t i v e l y f o r a i r n o i s e a n d s t r u c t u r a l n o i s e.O u r p l a t f o r m m o d u l e r o o m s m e e t t h e r e q u i r e m e n t s o f n a t i o n a l s t a n d a r d s.K e y w o r d s A i r d u c t n o i s e;N o i s e s i m u l a t i o n a n d p r e d i c t i o n;T u r b u l e n c e f l u c t u a t i o n;N o i s e r e d u c t i o n m e a s u r e;P r o p a g a t i o n p a t h0 引 言作为海洋油气资源开发的重要作业设施,同时作为工作人员长期工作与居住的场所,钻井平台的振动噪声水平对操作人员甚至是水下鱼类等造成不同程度的影响。随着国内外钻井平台技术的蓬勃发展,平台噪声控制越来越受到重视,就平台噪声控制也开展了多方面研究。动力机械噪声的控制主要是从声源及传播路径两方面着手。声源的控制主要由生产厂家完成,例如,针对排气噪声对柴油发电机组消声器进行结构设计与改进,以及改变设备结构和改善设备工作条件来控制结构噪声1。使用隔声构件在传播路径上控制噪声,已经广泛应用于船舶、建筑以及航天等多个领域中。从1 8 9 6年R a y l e i g h2研究单层墙壁隔声量开始,C r e m e r和L o n d o n3分别对单层结构和双层结构的隔声性能进行了理论上的研究。随着百多年来研究的深入,隔声结构逐渐发展为复合板。F o r d4、D y m5和N a r a y a n a n6等人研究了复合板结构中阻尼材料不同情况下的隔声量。何祚镛7针对有限大的隔声结构进行隔声量分析,分析了有限大薄板结构的振动特性,同时研究了材料参数对复合结构振动特性的影响。郑辉8、刘吉轩9、黄建国1 0和路小军1 1分别应用传递矩阵法、参数法、统计能量法对阻尼结构进行隔声研究。目前,船舶与海洋工程结构声学环境的预报方法主要有工程估算法和数值计算法两种。数值计算法主要包括有统计能量法(S E A)、有限元法(F EM)、边界元法(B EM)等,其有效性已被工程界普遍认可。本文以组块房间作为研究对象,旨在介绍海洋平台风道噪声和机械动力噪声隔音措施的设计方法。由于平台噪声特性,应用F EM法分析风道系统噪声,并分析风道噪声对整体噪声的影响。应用S E A法,分析柴油发电机结构噪声和空气噪声的传播,并在噪声传播路径上设计隔声措施,保证工作区域声压级低于6 5 d B。1 平台组块风道噪声分析1.1 平台组块风道噪声预报模型平台组块噪声预报模型如图1所示,展示了单层楼层构成,包括6个房间以及通风风道,整个组块房间由3层构成,底层为动力机械楼层,顶层为工作楼层。其中,平台组块风道仿真分析模型如图2所示,气体入口位于模型右下方,经过主风道最后送至每个房间。图1 平台组块噪声预报模型F i g.1 P r e d i c t i o n m o d e l o f p l a t f o r m b l o c k n o i s e图2 平台组块风道仿真分析模型F i g.2 S i m u l a t i o n a n a l y s i s m o d e l o f p l a t f o r m b l o c k a i r d u c t第2期刘新福,等:海上平台组块风道噪声特性及降噪措施分析5 3 主风道噪声主要由风机空气噪声经管道传递的噪声,以及高速空气经由管道流动产生的边界层脱离激励管道引起管道结构辐射噪声两部分组成。1.2 风道噪声数值模拟求解风道噪声,第一步需要求解流体在风道内的流动状态,生成时间精确的流动解。从中获得选定声源表面上相关变量(例如压力、速度和密度等)的时间历程数据。第二步,利用声学比拟积分(FWH)法,使用收集的声源数据计算用户指定的接收器位置处的声压信号。FWH方程由连续性方程和N a v i e r-S t o k e s方程推导,可表示为1c2p t2-2p=2xixjTi jH(f)-xi Pi jnj+ui(un-vn)(f)+t 0vn+(un-vn)(f)(1)式中,ui为流体在xi方向的速度分量;un为流体在垂直表面方向的速度分量;vi为xi方向表面速度分量;vn为垂直表面的速度分量;(f)为D i r a c D e l t a函数;H(f)为赫维塞(H e a v i s i d e)函数;p为远场声压,f=0表示无边界空间流动的一个数学定义面,利用通用函数和自由空间的格林函数求解。表面(f=0)代表声辐射面,即不可渗透的实体面或可渗 透 实 体 的 等 价 面;c为 远 场 声 速;Ti j为L i g h t h i l l应力张量;Pi j为可压缩的应力张量。将风道壁面设为声源表面,在每个房间中选择一个坐标点作为声源接受点。假设主风道空气流速为1 0m/s,通过仿真分析,湍流脉动与风机空气激励产生的噪声传递至各房间的噪声值如表1所示,可知气动噪声主要由低频噪声组成。表1 湍流脉动与风机空气激励耦合作用引起的风口噪声T a b.1 T u y e r e n o i s e c a u s e d b y c o u p l i n g o f t u r b u l e n c e p u l s a t i o n a n d f a n a i r e x c i t a t i o n 频率/H z房间 3 1.56 31 2 52 5 05 0 01 0 15 85 13 93 02 71 0 25 54 94 12 11 21 0 35 54 93 92 11 81 0 45 54 94 12 11 21 0 55 15 03 81 61 1(续表)频率/H z房间 3 1.56 31 2 52 5 05 0 01 0 65 14 83 83 22 92 0 15 85 23 83 53 22 0 25 65 04 73 33 02 0 35 75 03 81 71 22 0 46 35 95 75 45 02 0 55 45 04 02 31 92 0 65 45 04 03 43 13 0 15 95 03 73 02 63 0 26 15 45 04 84 53 0 35 94 93 83 12 83 0 46 15 45 04 84 53 0 55 64 93 52 02 03 0 65 64 83 93 12 9 利用FWH方法无法直接查看平台组块风道壁面处的声压级。使用F l u e n t中宽频噪声模块,是利用定常求解的流场数据,通过一系列半经验公式计算出所需的声学量,其计算结果如图3所示。在风道入口处以及各转角或变径处声压级较大,是由于在转角处由于风向改变,产生冲击振动噪声和涡流噪声;在变径处,流体通过的横截面积变小的时候,速度变大使得声波频率变高。图3 平台组块风道壁面声压级F i g.3 S o u n d p r e s s u r e l e v e l o f a i r d u c t w a l l o f p l a t f o r m m o d u l e2 海上平台组块房间噪声模拟2.1 平台组块房间噪声模拟与预报模型S E A作为结构声学系统的一种分析方法得到了广泛的接受。S E A利用了统计力学、室内声学、波传播和模态分析中的许多基本概念,是振动和声学分析的有效方法。影响S E A计算精度的两个方5 4 海洋工程装备与技术第1 0卷面为模态密度和损耗因子。保证S E A预报模型宽频分析的有效性,一般需保障各子系统在分析频带的模态数不小于5(对于形状及曲率变化较小板架等子系统,其模态数可放宽至满足模态数不小于1)。损耗因子分为内损耗因子(i)和耦合损耗因子(i j)。内损耗因子表示单位时间结构或声腔子系统所消耗的能量(),与系统内部储存的总能量(E)的比值1 2,计算公式如下:i=E=12 fE(2)内损耗因子计算也可通过实验法测得。利用S E A求解振动噪声问题时,结构子系统响应的精度受内损耗因子的影响很小。根据组块房间噪声分析的几何模型,建立S E A仿真分析模型,如图4所示,S E A模型包括1 5 6个结构子系统、3 6个声腔子系统和一个半无限流体,损失因子为1%。子系统结构和物理特性使用均匀铝板,厚度为1 0mm。经过模态数计算,满足S E A计算要求。图4 平台组块房间S E A模型F i g.4 S E A m o d e l o f p l a t f o r m m o d u l e r o o m工作楼层噪声的来源主要有风道噪声激励和房间1 0 2和1 0 5的柴油发电机的传递的空气声和结构声。柴油发电机的空气声(Lw)和结构声(La)可通过下式1 3计算:Lw=5 7+1 0 l o g(h p)+C0(3)La=-2 0 l o g(w)+2 0 l o g(h p)+3 0 l o g(r p m/R PM)+1 2 4+C0(4)式中:h p为柴油机额定马力;w为柴油机总重;r p m、R PM分别为实际转速和额定转速;C0为倍频程波段调整。依据空气声和结构声的测量数据(见表2),将空气声加载至柴油机所在房间的声腔子系统,结构声加载至房间地板,风道噪声加载至相应房间。表2 柴油发电机噪音水平(d B)T a b.2 N o i s e L e v e l o f D i e s e l G e n e r a t o r(d B)源级倍频程中心频率/H z6 31 2 52 5 05 0 01 0 0 02 0 0 04 0 0 0 8 0 0 0Lw/(r e f.1 0-1 2W)8 99 41 0 01 1 2 1 1 3 1 0 9 1 0 4 9 2La/(r e f.1 0-5m/s2)7 77 9 7 8 7 9 7 77 67 67 62.2 平台组块房间噪声模拟与预报对典型工况的组块房间钢结构(不包括装修材料和减振降噪材料的影响)施加相关激励后进行噪声预报。平台噪声预报结果如图5所示。结果表明,声压级最大位置位于柴油发电机房,总声压级为1 1 2.3 d B;离发电机房越远,声压级越小,最小区域声压级为7 0.3 5 d B。图5 海上平台组块房间噪声动态分布状况F i g.5 N o i s e p r e d i c t i o n o f o f f s h o r e p l a t f o r m m o d u l e r o o m表3给出了工作楼层(顶层)各房间噪声水平。房间3 0 2和3 0 5声压级最大,为7 6 d B,不满足规定(6 5 d B)。其声压级图谱如图6所示,中低频噪声较大,是因为声波在传递过程中,高频噪声波长较短,易衰减;低频噪声波长较长,穿透性强。第2期刘新福,等:海上平台组块风道噪声特性及降噪措施分析5 5 表3 海上平台工作楼层房间噪声预报结果T a b.3 P r e d i c t i o n r e s u l t s o f r o o m n o i s e o n w o r k i n g f l o o r o f o f f s h o r e p l a t f o r m房间3 0 13 0 23 0 33 0 43 0 53 0 6预报结果/d B7 27 67 37 37 67 2图6 平台组块3 0 2房间声压级图谱F i g.6 S o u n d p r e s s u r e l e v e l m a p o f p l a t f o r m m o d u l e r o o m 3 0 23 平台组块房间噪声控制方法控制噪声水平需要合适的降噪措施。V A O n e软件提供了包括泡沫、纤维、复合板等多种隔声材料。板材厚度对噪声的衰减有着较大的影响,设置板材厚度作为自变量,房间3 0 2的噪声水平作为因变量,进行数值求解。结果如图7所示,在板材厚度为3mm时,房间3 0 2声压级最低,为7 3 d B,较原始1 0mm板材声压级降低3 d B。图7 平台组块3 0 2房间声压级与板材厚度关系F i g.7 R e l a t i o n s h i p b e t w e e n s o u n d p r e s s u r e l e v e l a n d p l a t e t h i c k n e s s i n R o o m 3 0 2在优化板材结构后,结果显示,仍有大部分房间超出规范要求,需要对本平台组块房间进行降噪方案设计。对组块房间围壁结构进行声学处理(n o i s e c o n t r o l t r e a t m e n t),即在房间围壁和内部间隔表面敷设声学材料,以达到吸声、隔声的目的。为降低空气声传递至工作区域,在组块房间天花板采用复合岩棉板,墙面采用A 6 0级8 0mm低生物轻质绝缘纤维+1.0mm镀锌板;为了降低柴油发电机结构噪声传递至工作区域,在1 0 2和1 0 5房间地板采用木作衬板,并在主机基座增加弹簧减振器,使其由刚性基座转化为弹性基座。在考虑房间内装材料并结合降噪设计后,平台工作区房间噪声都明显降低。图8展示了施加降噪措施后海洋平台组块房间噪声分布,最小声压级降低为4 1 d B;工作区房间声压级如表4所示,噪声值符合标准(6 5 d B)。图8 施加降噪措施后平台组块房间噪声分布状况F i g.8 N o i s e d i s t r i b u t i o n i n t h e p l a t f o r m m o d u l e r o o m a f t e r n o i s e r e d u c t i o n m e a s u r e s a r e t a k e n表4 施加降噪措施后平台组块工作区声压级T a b.4 S o u n d p r e s s u r e l e v e l o f p l a t f o r m b l o c k w o r k i n g a r e a a f t e r n o i s e r e d u c t i o n m e a s u r e s a r e a p p l i e d房间3 0 13 0 23 0 33 0 43 0 53 0 6预报结果/d B5 66 35 75 76 35 64 结 论采用FWH方法对海上平台组块风道噪声进行数值求解,预测风道影响范围内的噪声水平。平台组块风道噪声主要集中在低频段但其声压级较低,对房间整体噪声影响较小。5 6 海洋工程装备与技术第1 0卷分析统计能量法S E A子系统内损耗因子和子系统间耦合损耗因子,并预报组块房间噪声动态分布状况,确定典型工况噪声传播路径及主导分量。高频段噪声主要集中在空气噪声源的舱室,高频噪声能量在传播过程中损耗迅速。通过优化板材厚度,在传递路径中添加隔声材料,控制空气声的传递;在动力机械基座添加阻尼结构,改变基座刚度,从源头限制结构声。通过噪声控制措施,能够达到良好的降噪效果,保证工作区声压级符合标准。参 考 文 献1张博慧,章易程,骆鸿儒等.内燃机噪声的研究综述与思考J.内燃机与配件,2 0 2 1,(1 9):1 0 6 1 0 8.2L o r d R,N o r m a n H N.T h e T h e o r y o f S o u n d J.P h y s i c s T o d a y,1 9 5 7,1 0(1):3 2 3 4.3A l b e r t L o n d o n.T r a n s m i s s i o n o f S o u n d t h r o u g h H o m o g e n e o u s W a l l s J.T h e J o u r n a l o f t h e A c o u s t i c a l S o c i e t y o f Am e r i c a,2 0 0 5,2 0(4):5 9 5 5 9 9.4F o r d R D,L o r d P,W a l k e r A W.S o u n d T r a n s m i s s i o n t h r o u g h S a n d w i c h C o n s t r u c t i o n s J.J o u r n a l o f S o u n d a n d V i b r a t i o n,1 9 6 7,5(1):9 2 1.5D y m C L,L a n g D C.T r a n s m i s s i o n L o s s o f D a m p e d A s y m m e t r i c S a n d w i c h P a n e l s w i t h O r t h o t r o p i c C o r e s J.J o u r n a l o f S o u n d a n d V i b r a t i o n,1 9 8 3,8 8(3):2 9 9 3 1 9.6N a r a y a n a n S,S h a n b h a g R L.S o u n d T r a n s m i s s i o n t h r o u g h a D a m p e d S a n d w i c h P a n e l J.J o u r n a l o f S o u n d a n d V i b r a t i o n,1 9 8 2,8 0(3):3 1 5 3 2 7.7何祚镛.水声作用下矩形弹性 粘弹性复合板的振动和散射声近场()矩形弹性 粘弹性复合板散射声近场研究J.声学学报,1 9 8 6,(1):1 1 9.8郑辉,陈端石,骆振黄.阻尼复合板的结构参数配置与传声损失J.振动工程学报,1 9 9 4,(4):2 9 7 3 0 5.9刘吉轩,陈花玲,扬春荣,等.薄膜阻尼结构隔声量估算和结构参数的影响实验研究J.振动与冲击,1 9 9 7,(4):3 9 4 2+9 7 9 8.1 0黄建国,杨家军,廖道训.阻尼复合结构的隔声性能与参数配置J.华中理工大学学报,1 9 9 8,(2):4 6.1 1陆晓军,王登峰,高印寒.有限结构复合阻尼钢板的声辐射隔声量估算和结构参数的影响J.吉林工业大学自然科学学报,2 0 0 0,(3):5 1 5 5.1 2刘一鸣.海洋平台典型设备隔声设计及其舱室噪声控制D.哈尔滨:哈尔滨工程大学,2 0 1 9.1 3李丹.船舶舱室噪声预示的统计能量分析研究D.大连:大连理工大学,2 0 0 3.