«上一篇
文章快速检索     高级检索
下一篇»
  应用科技  2018, Vol. 45 Issue (6): 17-21  DOI: 10.11991/yykj.201803014
0

引用本文  

王娜, 范斌, 王丽楠, 等. 国际权威海洋平台振动和噪声规范的对比研究[J]. 应用科技, 2018, 45(6), 17-21. DOI: 10.11991/yykj.201803014.
WANG Na, FAN Bin, WANG Li'nan, et al. Contrast and research of international authoritative standards about vibration and noise of ocean platform[J]. Applied Science and Technology, 2018, 45(6), 17-21. DOI: 10.11991/yykj.201803014.

通信作者

王美婷,E-mail:1335622757@qq.com

作者简介

王娜(1981−),女,工程师,博士研究生;
范斌(1991−),男,硕士研究生

文章历史

收稿日期:2018-03-26
网络出版日期:2018-09-21
国际权威海洋平台振动和噪声规范的对比研究
王娜1, 范斌2, 王丽楠2, 王美婷2, 郭君2    
1. 烟台中集来福士海洋工程有限公司,山东 烟台 264000;
2. 哈尔滨工程大学 船舶工程学院,黑龙江 哈尔滨 150001
摘要:船舶在作业过程中会受到环境及自身设备激励载荷的作用,进而产生一定的振动和噪声,需要在船舶设计、建造至交付的全生命周期内对其进行全面的控制,以确保实船测试结果满足相应的规范要求。然而对于不同的工作状态以及作业需求,需满足的标准也不尽相同。文中对比了振动方面的1984年和2000年制定的ISO6954权威规范,以及噪声方面的IMO MSC337(91)规范和以DNV船级社为代表的船级社舒适性标准规范,研究这些规范的内容方法和体系,其评估结果有助于根据不同情况选择适当的规范,在实际的船舶设计建造过程中可以更有针对性地加强减振降噪结构设计。
关键词船舶振动    舱室噪声    舒适度指数    海洋平台    船舶设计    声级计    加速度计    频谱特性    
Contrast and research of international authoritative standards about vibration and noise of ocean platform
WANG Na1, FAN Bin2, WANG Li'nan2, WANG Meiting2, GUO Jun2    
1. Yantai CIMC Raffles Offshore Ltd., Yantai 264000, China;
2. College of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China
Abstract: During operation, ships will produce structural vibration and noise due to exciting forces from environment and equipment on the ship. We need to control it during the whole life cycle, including ship design, construction, and delivery, to ensure that the actual ship test results meet the corresponding specifications. However, the standards to be met are different for different working conditions and job requirements. The authoritative standards about vibration are ISO6954 set in 1984 and 2000. The authoritative standards about noise are standards set by IMO MSC337(91), as well as comfort standard represented by DNV. The authors compare these norms and studies, research their content, method and system. The evaluation results help to select appropriate specifications according to different situations. In the actual ship design and construction process, the structural design for vibration damping and noise reduction can be more targeted in actual application.
Keywords: ship vibration    ship noise    index of comfort    ocean platform    ship design    sound level meter    accelerometer    spectrum characteristics    

许多国家建造船舶都有一定的历史,都各自遵循着互不相同的传统方式和理念,有着繁杂的振动噪声评估体系,所以在彼此交流中会产生分歧与争议,极为不便。因此,需要制定具有权威性且共同遵守的规范来统一船舶在振动和噪声方面的标准[1]。为此,国际标准化组织“机械振动与冲击”技术委员会制定了ISO 6954 振动评价标准,目前该规范分为2种版本,一个是1984年制定的ISO6954-1984《商船振动综合评估指南》,另一个是2000年制定的ISO6954-2000《客船和商船适居性振动测量、报告和评价准则》。其中,ISO6954-1984是针对船体振动的评估,而ISO6954-2000则是针对人体对船舶的适居性的评估[2]。对于噪声方面,国际海事组织(International Maritime Organization,IMO)明确要求从2014年7月1日起,生产建造中或将要下海的船舶必须满足《船上噪声等级规则》,防止噪声对海洋平台及工作人员有较大不利影响[3]。此外,业内比较著名和权威的DNV船级社也对振动和噪声作出过相应要求[4]。本文主要对上述规范进行研究讨论。

1 常用振动规范

现在国际上常用且权威的振动规范大致有3种:ISO6954-1984、ISO6954-2000以及DNV船级社规范,3种规范的介绍见表1

表 1 振动规范介绍

ISO6954-1984标准主要内容是对船体振动的评估,在振动测量方法上作了相应规定[5]。其中规定人体对船舶适居性的评估应满足ISO2631/1的要求。但ISO6954与ISO2631/1的评价体系不同。另一方面,人们对机械振动方面的研究更加深入,不断利用先进的技术和设备改进以前的实验方法,从而得到更准确的结果。终于在1997年ISO2631/1的新版正式取代了1985年版,在旧版的基础上,新版改进的内容如表2

表 2 新版改进内容

虽然最新出版的ISO6954-2000考虑了人体适居性,本应该取代ISO6954-1984被业界所遵循,但是前者在实际工程中已经被习惯性地使用,而且使用过程中保留了许多数据和经验,如果迅速采用新版,会导致原来的数据和经验与其不吻合从而失去意义,所以后者不容易被工业界所接受[6]。另一方面,船舶振动一直存在着许多其他的评估文件和试验方法,突然改用新版规范,会导致各文件和评估方法矛盾冲突,影响实际生产应用[7]。目前ISO6954-1984与ISO6954-2000这2种版本均被采用。

DNV船级社早在很久之前就对船舶振动作出相关规范要求,在2014年的修改中,DNV船级社开始逐渐关注并重视人体对振动的反应,规范中引入舒适度指数来作为评价振动的参数,这是DNV船级社振动规范的一个显著特点。

2 国际振动权威规范对比研究 2.1 不同船型及不同区域划分方式

船舶和海洋平台都是海上进行多种作业的巨大复杂建筑物。为了达到多种目的,完成不同的任务,船舶和海洋平台必然分为很多类型。而且由于船舶和海洋平台结构复杂多样,设备数目繁多,同一类型船舶或海洋平台的不同区域结构设施也互不相同[8]。这些对于船舶和海洋平台的振动分析及结果有着很大影响。此外,每种规范采用的方法不同,评价体系各异,所以各个规范对船舶类型和研究区域的划分方式自然各有千秋。

ISO6954-1984和ISO6954-2000规范根据舒适度以及工作需求将船舶舱室划分为3个区域:乘客居住处所、船员生活处所和工作处所[9]。而DNV船级社规范相比而言,对船舶划分的较细致,详见表3

表 3 DNV船级社划分方法

针对不同船舶类型和船上不同用途的区域,各个规范采取不同的测量方法、选取方式和相关参数作为评价准则。

2.2 研究对象及方法

描述船舶振动的概念和参数很多,比如振动位移、速度、角速度、加速度等,不同的概念体现了船舶振动中的不同特征。限于人类科学技术和已发明的理论方法,同时考虑所有参数来对船舶振动作出最全面评估是十分不容易的,所以,只能从诸多参数中选取比较具有代表性、准确性的参数来进行处理并评估船舶振动[10]

各种规范采用的研究方法和评估体系不同,对振动影响的诸多方面侧重也不同,下面介绍上述3种规范各自的研究对象及方法。

ISO6954-1984振动评价规范主要利用最大重复值(MRA)来评定,公式为

${Z_{{\rm{MRA}}}} = ({C_F}\sqrt 2 ){Z_{{\rm{time - rms}}}}$

式中:Ztime-rms是将振动的响应值对时间取平均后,再将得到的结果取均方根,Ztime-rms的物理意义是体现振动的能量。

${Z_{{\rm{MRA}}}} = \sqrt {\frac{1}{T}\int\limits_0^T {{Z^2}(t){\rm{d}}t} } $

式中 ${Z^2}(t)$ 通常是速度或加速度的响应值。

CF是波峰系数,一般可以通过测量得到,若由于实际情况较难进行测量,则通常取1.8。ISO6954-1984振动评价规范认为船体振动一般表现为窄带振动,而且波峰系数通常为2.5,所以采用最大重复值作为评价依据。

ISO6954-2000振动评价规范考虑到人体对不同频率振动的反应,采用基于频率加权汇总的有效值Zfreq-rms作为评价对象。

${Z_{{\rm{freq - rms}}}} = {[{\sum\limits_i {({w_i}{z_i})} ^2}]^{\frac{1}{2}}}$

式中:wi表示第i个1/3倍频带所占的比重,包括加速度wa和速度wvwawv可以通过频率加权曲线查得;zi表示在1~80 Hz中1/3倍频程内第i个响应值的均方根值。

DNV船级社标准引入舒适度指数(CRN)1~3,其中1代表最舒适,3代表可接受舒适程度。测量计算得到速度的基于频率加权的振动响应值的有效值(均方根值),本文认为等效于ISO6954-2000中的Zfreq-rms

2.3 实际测量要求

实际测量是获取数据最直观也是最准确的途径,是制定规范的重要依据,同时也是验证实船是否符合规范的不可缺少的重要过程。由于船舶和海洋平台巨大且复杂,不可能将其上所有点的速度、加速度等数据全部测量出来与规范比较,所以只能根据理论选取具有代表性的位置进行测量。振动较大且需要重点考虑的部位测点布置较密集,振动较小且不作重点考虑的部位测点布置较稀疏,这样既保证实际测量的准确性,能大致反映出相关的振动特性,同时节省大量物力财力,方便实际应用。上述3种规范在实际测量上差距较大,首先从测量仪器上来看,ISO6954-1984采用快速傅里叶信号仪器(FFT),ISO6954-2000则采用振级计(即考虑频率加权功能)[11],而DNV船级社规范采用的是振级计和一些基于PC的相关设备;其次,3种规范对测量环境和报告形式都作了规定,且各自测量环境和报告形式相差较多。DNV船级社规范比较重视测量位置,对此作出了非常细致的定量规定,比如船体各部分取出多少比例的船舱进行测量最为合适等。上述3种规范也有相同之处,比如3种规范测量的方向相同,都是纵向、横向和垂向;测量时间也基本相同,都为1 min左右。

2.4 使用范围及评价结果分析

船舶和海洋平台类型众多,结构极其复杂多样;另外,两者在海上受到的载荷形式繁多,如风浪载荷、主机载荷等,在外界环境不确定性和不稳定性特别强的情况下,想要制定一个规范来评估和预报所有海况下各种船舶的振动情况是难以实现的,所以每种规范都有其适用范围,其分析和评估的结果也有一定的局限性。上述3种规范最终结果相差不大,但各具特点。其中ISO6954的1984版和2000版标准见表45

表 4 ISO6954-1984标价标准
表 5 ISO6954-2000对频率加权汇总的响应均方根值

3种规范特点对比如下。

ISO6954-1984规范特点:

1)未对船舶不同区域进行较细的分类;

2)方法较直观方便,能够体现峰值与振源之间的联系,可以从响应谱上直接读取所需数据;

3)由于采用最大重复值,所以仅针对响应谱最大单一峰值,忽略对其他激励源引起的波峰的考虑,实际应用中,可能发生共振;

4)仅考虑响应谱窄带特性,忽略对宽带特性的考虑,而实际响应谱宽带出现较多。但对于响应谱峰值较小,带宽且能量较集中在中、高频段的情况,结果比ISO6954-2000真实;

5)计算中转换系数 ${C_F}$ 不易测量;

6)由于采用最大重复值,所以不能充分表达人体对于复杂振动的反应[12]

ISO6954-2000规范特点:

1)对船舶不同区域进行初步划分;

2)由于采用基于频率加权汇总的有效值,所以考虑整个响应谱,在响应谱上不能直观读取数据;

3)考虑了其他波峰值的影响;

4)考虑了宽带特性,但对于响应谱峰值较小,带宽且能量较集中在中、高频段的情况结果不真实;

5)考虑了人体对于不同频率振动的反应。

DNV船级社规范特点:

1)引入舒适度指数,且对不同船型和不同区域的划分等级标准均不同非常详细,更人性化;

2)基于频率加权的有效值可直接与标准对比;

3)对于振动超出规范限制的情况作了相应规定,即规定了振动的最大极限。

通过以上特点分析得知,每种规范都有其优点,对于振动分析的侧重方面不尽相同,采用的参数和计算方法也有差别,采用规范时,要考虑实际船舶情况,采取最适合的规范。

3 国际权威噪声规范对比研究 3.1 规范适用范围

船舶和海洋平台类型较多,对于每种类型,噪声控制侧重点都有所差异,所以每种规范都有一定的适用范围[13]。DNV船级社规范涵盖范围较广,适用于大部分类型船舶。IMO通过的MSC337(91)《船上噪声等级规范》主要适用于1 600 t及以上船舶(特殊情况,偶尔也适用于1 600 t以下船舶),不适用于以下类型船舶:动力支承船、高速船、渔船、铺管驳船、起重驳,海上移动式钻井平台、非商业用途性游艇、军舰及军队运输船,非机械推进船舶、打桩船、挖泥船[14]

3.2 噪声区域不同划分方式

船舶和海洋平台受到各种载荷,这些载荷会引起不同程度的结构振动,振动会间接地引起噪声。噪声对结构影响不大,在噪声的诸多影响中,其对于船舶和海洋平台舱室的影响最大,研究和分析噪声可以有助于舱室的布置,避免影响船上人员工作、休息[15-18]。DNV船级社和《船上噪声等级规范》关于噪声计算分析方面对1 600 t及以上的船舶舱室的划分方式见表6

表 6 MSC337(91)噪声区域划分方法
3.3 研究对象及参数

噪声的持续时间与其危害性息息相关,而且对测量的数值进行不同处理后,可以采用不同方法评估噪声。

DNV船级社规范选取的参数为所测的噪声分贝、相应的舒适度指数(通过对照表格,将分贝转换成相应的舒适度指数,1代表最舒适,3代表可接受舒适程度)、隔声指数(此处为标准噪声指数与记权隔声指数之和)。

《船上噪声等级规范》选取的参数为所测的噪声分贝、计权隔声指数、噪声暴露限制(与等效连续噪声不同,等效连续噪声是指不佩戴防护设备长期或24 h暴露在噪声中,IMO规定等效连续噪声不超过80 dB。而噪声暴露指短时间或佩戴防护设备情况下暴露在噪声中)。

3.4 实际测量要求

由于噪声对于船舶和海洋平台舱室影响最大,为了更好地得到准确的噪声数据,噪声规范对不同用途的舱室、舱室不同部位的测点分布作出十分详细的规定。

DNV船级社规范选取一些有代表性位置测量,如表7所示,通常将船体分为前中后3部分,对于不同类型船舶的不同区域选取位置方法不同。

表 7 DNV船级社规范测量位置

《船上噪声等级规范》对测点位置有相应要求。实际测量用到的传感器的布置高度应控制在甲板上方距离甲板1.2~1.6 m,1.2和1.6 m分别是是人体坐立时的高度[19]。一般情况下,测点之间的距离应大于或等于2 m,但尽量小于或等于10 m,具体距离视被测地面积等特点而定。在任何情况下,测点与被测地边界之间的距离要保证大于或等于0.5 m,有其他要求的区域如表8所示[20]

表 8 其他要求处所表

此外,两者测量环境有相同之处,如都要求关闭门窗等;也有不同之处,如DNV规定水深不小于3倍船吃水,而IMO规定不小于5倍吃水[21]。另外,DNV对于噪声超出标准的情况作出了相应规定,即规定了最大上限。IMO考虑到噪声与时间、是否佩戴防护设备之间的关系,并提出噪声暴露极限的相关规定和听力保护的规定。

4 评估结果分析

每种规范都详细规定了不同部位、不同舱室的最大噪声范围,本文列举部分数据如表9所示。

表 9 噪声水平水平对比

通过数据对比可知,对于乘客活动区域,DNV比IMO标准高、要求严;对于除乘客活动区域,DNV比IMO标准要稍高一些,但基本相同。

综合来看,DNV船级社规范的优点是引入了舒适度指数,标准会更细致、更人性化,而且侧重于对不同船型的划分[22]。而IMO通过的《船上噪声等级规范》的优点是侧重于对排水量的划分,分为1 600~10 000 t和大于等于10 000 t这2种。

5 结束语

本文通过参阅研究世界上权威而且常用的几种振动噪声评估规范,对比其内容、方法和体系,了解国际上对使用的船舶和海洋平台振动噪声方面的要求。这些规范为不同地区建造的船舶和海洋平台提供了一个统一合理的振动噪声标准。除此之外,由于船舶和海洋平台为海上作业建筑物,如果发生意外很难及时着陆,所以通过对刚建造好的船舶和海洋平台可以依据上述规范进行实船试验,进而发现问题缺陷,及时调整修改,从这方面来讲,国际上权威的规范能够起到对一定的风险预报的作用。

参考文献
[1] 黄金兵. 浅谈船舶振动水平的评价标准[J]. 广船科技, 2008(2): 3-6. (0)
[2] 吴嘉蒙, 夏利娟, 金咸定, 等. ISO 6954振动评价标准新旧版本的比较研究[J]. 振动与冲击, 2012, 31(10): 177-182. (0)
[3] 张辉, 张新波. 《船上噪声等级规则》修订案解析及应对措施[J]. 船舶标准化工程师, 2013(1): 28-29. DOI:10.3969/j.issn.1005-7560.2013.01.019 (0)
[4] 徐永超. 超大型原油船尾部结构型式优化设计研究[D]. 上海: 上海交通大学, 2014. (0)
[5] 吴敏. 大型货船内装设计现状及发展趋势[J]. 船舶, 2008, 19(3): 46-50. DOI:10.3969/j.issn.1673-6478.2008.03.014 (0)
[6] TOYAMA Y, AKASHI T. Analysis and evaluation of vibrations in superstructure of ships based on new ISO6954[C]//The Thirteenth International Offshore and Polar Engineering Conference. Honolulu, USA, 2003. (0)
[7] 黄志远. 新规背景下的噪声控制技术应用[J]. 船海工程, 2014, 43(3): 95-98. DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2014.03.024 (0)
[8] 姜海宁, 王进锋, 张识博, 等. 152K穿梭油轮满足COMF-C3V3的设计分析[J]. 船舶标准化与质量, 2014(1): 36-42. (0)
[9] TOYAMA Y, AKASHI T. Analysis and evaluation of vibrations in superstructure of ships based on new ISO6954[C]//The Thirteenth International Offshore and Polar Engineering Conference. Honolulu, USA, 2003. (0)
[10] 张春雷. 绿色船舶技术发展战略浅述[J]. 建材与装饰, 2016(31): 145-146. (0)
[11] HAYASHI S, KIMURA K, SAKAKIDA K, et al. Study on the optimization method of vibration level for the new standard of ISO6954[J]. Journal of the society of naval architects of Japan, 2002, 2001(190): 615-624. (0)
[12] 吴睿锋. 军用舰船结构设计规范发展综述[J]. 舰船科学技术, 2013, 35(4): 1-6. DOI:10.3404/j.issn.1672-7649.2013.04.001 (0)
[13] 彼得森, 斯托姆. 船舶噪声控制[M]. 王景炎, 译. 北京: 国防工业出版社, 1983. (0)
[14] 刘磊. 基于国际噪声新规范的船舶舱室噪声测试与计算方法研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2013. (0)
[15] 项久洋. 船上噪声等级规则浅谈[J]. 中国水运, 2015, 15(8): 68-70. (0)
[16] 刘继海, 肖金超, 魏三喜, 等. 绿色船舶的现状和发展趋势分析[J]. 船舶工程, 2016, 38(S2): 33-37. (0)
[17] 惠宁, 高鹏, 马骏, 等. 超大型海洋平台噪声预报研究[J]. 石油和化工设备, 2016, 19(11): 87-90, 93. DOI:10.3969/j.issn.1674-8980.2016.11.026 (0)
[18] 张信学, 赵峰, 王传荣, 等. 绿色船舶技术发展战略研究[J]. 中国工程科学, 2016, 18(2): 66-71. DOI:10.3969/j.issn.1009-1742.2016.02.010 (0)
[19] 范明伟, 祝玉梅, 陈雯, 等. 船舶典型舱段全频段空气噪声预报[J]. 船海工程, 2015, 44(3): 6-10. DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.03.002 (0)
[20] 张桂臣, 车驰东, 杨勇, 等. 船舶振动与噪声" 源−路径−接受点”[J]. 中国航海, 2014, 37(3): 108-111. DOI:10.3969/j.issn.1000-4653.2014.03.025 (0)
[21] 李泽成, 廖久宁, 吴文伟, 等. 海洋工程船的舱室噪声评估[J]. 舰船科学技术, 2015, 37(S1): 69-72. (0)
[22] 朱永峨. 我国客船、客滚船安全技术标准的改进[C]//中国航海学会船检专业委员会论文集. 银川: 中国航海学会, 2005. (0)