1、武汉理工大学毕业设计（论文）1目 录摘 要 .IAbstract .II第一章 绪论 .11.1 研究背景 15.11.2 海洋平台噪声概述 10.11.2.1 噪声的物理量度 .11.2.2 海洋平台噪声源 .31.2.3 海洋平台噪声传播路径 .41.3 国内外海洋平台噪声预报研究进展与发展趋势 67.41.3.1 国内外能量统计分析法研究进展 .41.3.2 发展趋势与研究展望 .51.3.3 海洋平台噪声预报的研究现状 .61.4 本文的主要内容 .6第二章 统计能量法基本原理及 VA One 软件 .72.1 统计能量分析法基本理论 .72.1.1 统计能量分析法基本含义 .72.1
2、.2 统计能量分析法基本方程 .82.1.3 统计能量分析法的基本参数 .92.2 VA One 软件介绍 12.102.2.1 简介 .102.2.2 VA One 模型的建立过程 .112.3 本章小结 .12第三章 海洋平台高频段舱室噪声预报 .133.1 建立海洋平台 SEA 模型 .133.2 高频段舱室噪声预报 .153.3 本章小结 .18第四章 海洋平台舱室的噪声控制措施 .194. 1 噪声控制方法综述 8 .194.1.1 噪声控制的一般原则 .194.1.2 海洋平台噪声控制的常用方法 .194.1.3 吸声处理 .21武汉理工大学毕业设计（论文）24.1.4 隔声处理
3、.224.1.5 消声器处理 .224.1.6 隔振与阻尼减振 .234.2 噪声控制研究 .234.2.1 单层材料 .244.2.2 双层材料 .264.2.3 三层材料 .274.3 本章小结 .29第五章 总结与展望 .305.1 全文总结 .305.2 展望 .30参考文献 .31致 谢 .33武汉理工大学毕业设计（论文）I摘 要现如今，在我国战略发展上，海洋平台占据着重要的地位。海洋平台在海上进行钻井、采油、集运、观测、导航等工作，其重要性不言而喻。对于海洋平台这样的大型复杂结构，除海上作业外，工人的起居也在上面。传统上重点考虑的是其安全性能，但是随着对工人生活环境的要求的提高，环
4、境标准也相应出台,因此，在平台设计阶段就进行舱室噪声预报分析是非常有意义的。VA One 是将有限元分析、边界元分析、统计能量分析集成在一个模拟环境中的全频段振动噪声分析软件。本文介绍了有限元法统计能量法(SEA)基本原理和适用范围，并应用 VA One 软件实现了海洋平台舱室噪声问题的高频段预报分析。简述了噪声控制问题的一般方法，应用 VA One 软件对不同层数的、由不同厚度与密度吸声材料组成的复合吸声材料进行了优化研究，并得到了相对较轻，吸声性能较佳的复合吸声材料，取得了良好的吸声效果。本文的研究对如何应用 SEA 方法以及 VA One 软件进行声振研究、如何建立上层建筑结构的仿真分析
5、模型、如何有效的在海洋平台的设计阶段对舱室进行减振降噪有一定的及参考价值。关键词:SEA、VA One、海洋平台、噪声预报与控制武汉理工大学毕业设计（论文）IIAbstractMore recently, offshore platforms play an important role in our strategy development. The importance of offshore platforms is self-evident for its application such as drilling，oil extraction，observation，navigatio
6、n. As such a big and complex structure，offshore platforms carry on offshore operation and house workers as well. Traditionally safety of offshore platforms is a major consideration, however, environmental standards in terms of living conditions of workers has been released to improving working envir
7、onment. So, it is significant to analyze noise and vibration of offshore platforms in design stage.VA One is a software to analyze vibration and noise in full band，which integrate finite-element analysis，boundary element analysis and statistical energy analysis. This article firstly describes princi
8、ples of Statistical Energy Analysis (SEA)ultimate and scope of its applications，and then to solve offshore platform cabin noise in high frequency section ，which make it possible to forecast high frequency section noise.Describing the general method of noise control, and applying VA One software on d
9、ifferent layers，different thickness and density Composite sound-absorbing materials，thus we get relevantly light，effective materials，which gains effective sound absorption.The study of this article has something referential value for application of SEA and VA One to Vibration and Acoustic, modeling
10、of structures of offshore platforms and reduction the vibration and noise effectively in design stage.Key words: SEA, VA One, offshore platform, noise prediction and control武汉理工大学毕业设计（论文）1第一章 绪论1.1 研究背景 15石油、天然气，被人们称之为“工业的血液” ，既是重要的能源，又是重要的战略物资。在工农业生产、国防军事及人们的日常生活中起着举足轻重的作用。目前，世界各国在海上寻找石油、天然气的活动正在向纵
11、深发展，在海洋找油、找气的调查、勘探工作不断扩大，海底油气资源的勘探开发已成为沿海国家重要的经济活动内容。由于中国经济的高速发展对能源的需求和基于国家能源战略的考虑，发展海洋石油天然气工业是解决我国能源问题的主要途径之一。海洋平台是集油田勘探、油气处理、发电、供热、原油产品储存和外输、人员居住于一体的综合性海洋工程装备，是实施海底油气勘探和开采的工作基地。对于海洋平台这样的大型复杂结构，除海上作业外，工人的起居也在上面。传统上重点考虑的是其安全性能，但是随着对工人生活环境的要求的提高，环境标准也相应出台，2000 年12 月开始实施的海上固定平台的安全规则就规定了平台各处噪声限值，这意味着在海
12、上平台的设计时期就必须考察整个平台的噪声环境。海上平台主体为钢结构，各部分通过焊接、铰接等方式连接，基本为一个整体。预测时可认为噪声主要来自于运作的机器，机器除对空气辐射噪声外，还因为其振动对周围地面产生影响，从而会通过结构传播能量。一般的厂区噪声预测，其密封场所相对独立，计算时只需考虑空气声传播，但是对于海上平台这种整体结构，密封场所的噪声主要来源于结构传播噪声，只考虑空气声传播的噪声预测方法在这种情况下已经不适用了，必须考察结构声传播的噪声影响。在以往海洋平台的设计时，大多是在已设计完毕的平台上采取各种降噪措施，一般只能解决局部问题，而且加大了制造成本。如果在设计初期阶段就考虑到声学设计要
13、求，预先估算出平台舱室噪声级，便可以在设计阶段合理选择舱室位置，并事先合理布置减振吸声材料，提出改进措施，这样将有效降低制造成本。因此，在设计初期就对平台进行舱室噪声预报分析，并且事先合理布置减振吸声器材是有实际意义的。1.2 海洋平台噪声概述 101.2.1 噪声的物理量度噪 声 是 发 声 体 做 无 规 则 振 动 时 发 出 的 声 音 ， 是 由 不 同 频 率 和 强 弱 的 声 音 所 组 成武汉理工大学毕业设计（论文）2的 ， 因 此 ， 可 以 使 用 声 音 的 物 理 量 来 描 述 噪 声 。（ 1） 声 压 （ p） 、 声 功 率 （ W） 和 声 强 （ I）介质
14、压强的变化量称为声压，介质中有声场时的压强 P 与无声场时的压强 P0之差即为声压。声压的大小反应的是声波的强弱，单位是帕斯卡，简称帕（Pa） 。人耳对 1KHz声音的可听阈（即刚刚能察觉到它的存在是的声压）约 210-5Pa；微风轻轻吹动树叶的声音约 210-4Pa；在房间内高声谈话声约为 0.05 到 0.1Pa；交响乐演奏声（相距 5m-10m处）约为 0.3Pa；飞机的强力发动机发出的声音（相距 5m 处）约 200Pa。声功率指声源在单位时间内向外辐射的声能。声源声功率有时指的是和在某个频带的声功率，此时需要注明所指的频率范围。在噪声检测中，声功率指的是声源总声功率。单位为 W。声传
15、播时也伴随着能量的传播。用单位时间内通过垂直于声波传播方向的单位面积的能量(声波的能量流密度)表示。声强的单位是瓦/平方米。声强的大小与声速成正比，与声波的频率的平方、振幅的平方成正比。三者之间的关系如下：（1）=2 （2）=2 （3）=（2）声学量的级与分贝19 世纪，著名的心理学家韦伯（E.H.Weber）判断人耳对声音的感觉满足对数定律。20 世纪初，声压测量，特别是通过换能后的声压测量逐渐被广泛采用，因为声压的范围很大，就采用了对数标准。用这种对数标准来度量声压、声强和声功率分别被称为声压级、声强级和声功率级，单位都是分贝（db） 。声压级用符号 Lp表示，其定义为将待测声压有效值 p
16、e与参考声压 pref的比值取常用对数，再乘以 20，即：(4) =20（ ）在空气中其基准值为 pref=20Pa，在水中其基准值为 pref=1Pa。声强级 LI是指在某一指定方向上的给定声强 I 与参考声强 Iref的比值取常用对数，再乘以 10，即：(5)=10（ ）在空气中其基准值为 Iref=1pW/m2。武汉理工大学毕业设计（论文）3声功率级 LW是声功率 W 与基准声功率 Wref的比值取常用对数，再乘以 10，即：(6)=10（ ）其基准值为 Wref=1pW。（3）噪声的频谱分析频谱是在频率域上描述声音强度变化规律的曲线，一般以频率（或频带）为横坐标，以声压级（或声功率级）
17、为纵坐标。工业噪声一般都是由各种频率和强度不同的成分杂乱无章的组成的，其频谱有连续谱、离散谱，也有二者的混合谱。为了了解噪声的成分和性质，进行频谱分析是十分必要的。在一般情况下，对工业噪声没有必要逐一频率进行分析。根据人耳对声音频率变化的反应，可以把可听声的频率范围按频程划分成频带。工程上常用的有 1/1 倍频程和 1/3频程。倍程是两个频率之比为 2：1 的频程，其中心频率是上下限的几何平均值。1/3 倍频程是把每一个倍程再分成 3 份。噪声测量中常用倍频程，目前通用的倍频程中心频带为 31. 5, 63, 125, 250, 500, 1000, 2000,4000, 8000, 1600
18、0Hz，这十个频程可以把可听声全部包括进来，这样，就可以大大简化海洋平台噪声测量过程。1.2.2 海洋平台噪声源对于海上平台这种整体化的复杂结构，上层建筑噪声预报与控制方面，传统的噪声分析程序已经不够用。虽然如此，但仍可以凭借船舶噪声预报与控制中的经验加以解决，根据船舶噪声预报的经验和实绩，本文主要考虑结构传播噪声和空气传播噪声对海洋平台上层建筑的影响。（1）空气动力噪声主要有通风机噪声和空调噪声。这类噪声是因为高速气流、不稳定气流以及由于气流与物体相互作用而产生的。不管是通风机噪声还是空调噪声，一般可以分成两种，空气动力源机械运转产生的噪声和管道气流再生噪声。主机的空气噪声主要指进排气系统直
19、接辐射的噪声以及燃油在气缸内燃烧所产生的噪声。进气系统是主机(特别是柴油机)最强烈的噪声来源，往往决定着机舱内总噪声声压级，涡流、气柱脉动、气流阻塞以及废气涡轮中的气流旋转都是引起进气系统的空气噪声的主要原因。（2）结构噪声由以振动系统的一个或多个固有振动频率为主要组成部分所引起的噪声称为结构噪声。任何机械部件均有其固有的振动方式，不同的振动方式有相应不同的振动频率。而机件只由较低阶次的振动方式决定其振动特点，也就是在相同力的作用下，低阶次的振动幅度值较大，对机械和人的影响才大。振动的方式、频率与材料的物理性质、部件的结构武汉理工大学毕业设计（论文）4形状和振动的边界条件有关。由各种原因引起的
20、海洋平台或其局部结构的振动，只要其频率范围在声频范围内，都会引起结构噪声。发电机的振动引起的噪声从几十赫兹到几千赫兹，除了会引起海洋平台结构的振动噪声外，还会引起其他部件的噪声。这种噪声随着频率的增加会逐渐减小。海洋平台总振动引起的变形会使壳板、木质盖板与其它附件之间产生摩擦使结构发出各种轧轧声以及一些部件的碰击声。1.2.3 海洋平台噪声传播路径本文主要研究的噪声方式有两种：结构振动噪声传播和空气噪声传播。海洋平台主体为钢结构，各部分通过焊接、铰接等方式连接，基本为一个整体。可认为噪声主要来自于运作的机器，机器除对空气辐射噪声外，还因为其振动对周围地面产生影响，从而会通过结构传播能量。一般的
21、厂区噪声预测，其密封场所相对独立，计算时只需考虑空气声传播，但是对于海上平台这种整体结构，密封场所的噪声主要来源于结构传播噪声，除了考虑空气声传播的噪声，还必须考察结构声传播的噪声影响。1.3 国内外海洋平台噪声预报研究进展与发展趋势 67按现有的声学计算方法，难以采用单一方法实现对负责结构全频段的振动声学计算，因此需要对模型划分分析频段分为，在不同的频段内采用不同的分析方法。本文分析结构声传播的是基于统计能量法，并应用 VA One 分析软件进行舱室噪声的预报。 VA One 是将有限元分析、边界元分析、统计能量分析以及 FE-SEA 混合分析集成在一个模拟环境中的全频段振动噪声分析软件。统
22、计能量方法适用于中低频以上所有频率的声学特性分析，能够有效的解决结构振动对外辐射产生的噪声问题。1.3.1 国内外能量统计分析法研究进展统计能量分析法(Statistical Energy Analysis 简记作 SEA)是受电路中的热噪声问题的启发，由 Lyon 率先提出的解决结构高频振动的分析方法。Lyon 总结了 1962 年以来的统计能量分析研究和应用成果，并对统计能量分析未来的研究问题进行了探索，于1975 年出版Statistical Energy Analysis of Dynamical System:Theory and Application一书，被认为是一部关于统计能量
23、分析的重要著作。在国内，统计能量法方面的著作有振动系统的统计能量分析方法(姚德源，北京工业学院出版社，1986 年)和结构耦合动力学的统计能量分析与应用(王其政，航天部七零二所，1990 年)，为了武汉理工大学毕业设计（论文）5能充分反映出统计能量分析这一新领域的科研、工程应用和教学成就，他们通力合作，出版了统计能量分析原理及其应用 。在 70 年代中期以后，国外相继出现了用统计能量分析预示声振环境的计算机,如在70 年代末 80 年代初，美国 NASA 的 Goddard 飞行中心与 Lockheed 公司等几个单位合作研制了声振有效载荷环境预示系统(VEPEPS) ，欧洲宇航局研制出了通用
24、 SEA 预示程序(GENSTEP) 。统计能量分析经过 80 年代的继续发展和扩大应用，美国的 Cambrige Callaberative 公司研制出了 SEAM 软件，McDonnel Dougals 公司业研制出了 Cosmic SEA软件以及美国 Vibro-Acoustic Sciences 公司研制的等。航天部七零二所和北京理工大学于 90 年代初分别研制出了声振环境预示系统软件和预示飞行器高频动力响应软件。现还在继续扩大研究和应用范围。国内学者在汽车、海洋平台、航天等方面对统计能量分析都做了相应的研究。叶武平应用 SEA 方法对整车噪声问题进行了研究，楼红伟对海洋平台出海管路系
25、统的噪声振动及声辐射进行研究，表明水流在受到外界激励时，管壳弹性振动的噪声相对于管口辐射来说是低的。刘玉友对轮齿啮合噪声经过空气传播到齿轮箱，再向外传播的过程进行研究，指出经过空气传的噪声在总体噪声中占重要成分。刘小平用统计能量法预示导弹仪器舱的动力学环境，建立包括圆柱壳、陀螺组合与内声场的 3 个子系统的统计能量模型，以飞行器高速飞行时的紊流边界层脉动压力引起的气动噪声作为激励源，对超音速导弹平飞阶段的结构加速度响应和声空间声压进行预测，与实验结果符合较好。统计能量法在抗冲设计中也得到了很多应用，宋宝丰对包装件受到冲击载荷时的瞬态冲击响应进行了分析，得到简化条件下两子系统受冲击载荷时的瞬态响
26、应能量的表达式，并由此得到响应速度、加速度等，为非破坏性预测产品机冲击脆值提供了参考。1.3.2 发展趋势与研究展望统计能量分析法从“统计”的观点出发忽略了船舶建造的许多具体细节，为解决船舶的早期振动与预测噪声提供了很好的解决办法。然而在实际工程应用中，运用统计能量分析法预测结构的振动与声响应受到了限制，其主要原因是:对于复杂机构的 SEA 参数，很难采用理论方法获得 :经典统计能量分析的非保守、弱祸合条件往往无法满足;在感兴趣的频域内，常常不满足统计假设的要求;不能预测子系统的某个局部位置的精确响应。国内外的学者在这些方面做了大量的研究工作，取得了显著的效果，随着对经典统计能量分析限制条件的
27、不断放宽，其应用将更广泛。统计能量法在船舶的应用中也有许多问题需要解决。（1）多激励源激励相关性船舶中多激励源存在源之间的相关性，相关激励源的能量不再是简单相加关系，同频信号的相位关系使某些激励增强，某些激励减弱。这种相关武汉理工大学毕业设计（论文）6性不仅取决于力源间的互功率谱密度，还取决于它们的传递响应函数矩阵。(2)非保守祸合问题目前基于阻抗导纳法的非保守祸合统计能量解法，只是针对两子系统的，对于多子系统非保守统计能量法问题需要进一步研究。(3)非线性因素的影响船舶降噪中，很多隔振元件都具有非线性特性，这些非线性元件使隔振器两端的能量流的频谱特性不再一一对应，有时一边的单频信号发生频率发
28、散现象。对于非线性元件连接系统功率的研究目前还没有相关资料报道。(4)实验方法由于船体体积庞大，真实实验很困难。张建提出的实验统计能量分析法为船舶的相似性研究提供了很好的参考。但统计能量的相似理论还很不完善，例如:如何在尺寸改变后保证子系统仍然具有足够高的模态密度和不变的耦合损耗因子。1.3.3 海洋平台噪声预报的研究现状近几年来，国内外许多专家和学者对噪声预报与控制在工程中的应用做了大量的研究，但是对海洋平台上层建筑噪声的研究却很少，在上层建筑噪声的研究中，仍凭借船舶噪声研究的经验和实绩加以应用。王滇庆 20在海洋平台生活模块噪声控制和预测中，借助船舶噪声研究的经验对生活模块进行了研究；王凡
29、 15分别基于统计能量分析软件 AutoSEA和声线法的 SoundPLAN 软件，对海洋平台噪声传播进行分析；文献 18应用统计能量法对高频声振环境响应进行计算；孙明赞 19对 FPSO 生活区舱室进行噪声预报，并分析噪声传播途径，进而进行降噪研究。1.4 本文的主要内容本文主要根据某海洋平台设计图纸和设计参数进行建模，并使用 VA One 软件对高频段舱室进行噪声预报，从而进行声学优化，在一定程度上控制噪声。主要内容分为一下几个方面：（1）介绍统计能量法原理及 VA One 软件的基本特性和功能；（2）应用 VA One 软件建立模型，在高频段内预报海洋平台舱室噪声声压级；（3）介绍噪声控制方法，应用 VA One 软件对舱室进行噪声控制，并进行仿真计算。
