CN107762823A - 一种泵类设备噪声源特性试验装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种泵类设备噪声源特性试验装置及测量方法，包括泵类设备，泵类设备的出口端通过循环管路与泵类设备的进口端连接，泵类设备的出口端和进口端均依次连接有测量管段和复合式消声装置；其中，测量管段内布设有多个水听器，复合式消声装置包括依次连接的脉动压力衰减装置和抗性消声器，抗性消声器的顶端设有排气阀。结构简单，测量方便，提高测量准确度，便于设备厂加工实现，能有效地降低试验测量的不确定度，避免振动及湍流脉动干扰。
Description
技术领域
本发明涉及设备测量技术领域，具体涉及一种泵类设备噪声源特性试验装置及测量方法。
背景技术
管路系统是水下潜器的重要系统之一，普遍存在于潜器各个舱室。管路系统的噪声传递被称为潜器噪声的第二通道，直接影响着潜器的总体噪声水平。而泵类设备作为管路系统主要的噪声源，其噪声一直受到重视。目前，大量泵类设备的水噪声测量均在设备的生产厂开展，出厂时多直接测量泵外接管路内的水噪声，其泵源特性测量并没有广泛开展。直接测量得到的泵管路水噪声与接入的管路系统相关，并不能代表泵本身的噪声源特性。而在定量声学设计中却需要泵的源特性参数，该参数是泵的特有属性，与外部管路系统不相关。噪声源参数可为管路系统的定量声学设计提供必要的输入参数，推动潜器管路系统的定量声学设计进程；还可为管路元器件设计和使用部门设计及选型时提供准确的参考依据。
泵的水动力噪声源特性测试理论已经取得了较多研究结果，一些研究已重点关注试验装置的实现、合理与可行性。目前常用的泵源特性测量装置中，多采用阻抗变化器，阻抗调节范围大，内部构造相对复杂，多用于实验室研究，不易在泵类设备的生产厂开展。本发明在现有测试理论的基础上，提出了一种易于在设备厂泵类设备的声源特性的试验装置，能方便有效地获得泵类设备的水噪声源特性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种泵类设备噪声源特性试验装置及测量方法，结构简单，测量方便，提高测量准确度，便于设备厂加工实现，能有效地降低试验测量的不确定度，避免振动及湍流脉动干扰。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种泵类设备噪声源特性试验装置，包括泵类设备，泵类设备的出口端通过循环管路与泵类设备的进口端连接，泵类设备的出口端和进口端均依次连接有测量管段和复合式消声装置；其中，测量管段内布设有多个水听器，复合式消声装置包括依次连接的脉动压力衰减装置和抗性消声器，抗性消声器的顶端设有排气阀。
按照上述技术方案，泵类设备的出口端与出口端测量管段之间连接有管路状态监控段，管路状态监控段内布设有压力监控表和流量监控表。
按照上述技术方案，每个测量管段内最端部的水听器距离测量管段的端部距离为测量管段的管径4～6倍，水听器之间的间距为0.4～0.6m。
进一步地，管路状态监控段的长度为循环管路管径的4～6倍，管路状态监控段的管壁厚度为8～12mm。
按照上述技术方案，水听器外套设有套筒，套筒通过螺纹固设于测量管段的管壁上，水听器与套筒之间和套筒与测量管段的管壁之间均设有橡胶密封垫片。
按照上述技术方案，脉动压力衰减装置为橡胶软管或挠性接管。
按照上述技术方案，抗性消声器包括内管和外管，外管套装于内管上，内管的管壁上布设有多个通孔，内管的两端设有法兰。
一种采用以上所述的泵类设备噪声源特性试验装置的测量方法，包括以下步骤：
1)开启泵类设备使水在循环管路中充分循环后，关闭泵类设备；
2)通过排气阀排干循环管路中的空气；
3)开启泵类设备，稳定后，通过水听器采集第一水噪信号后，关闭泵类设备；
4)将泵类设备的出口端连接的复合式消声装置替换为等长度的直管段，重新开启泵类设备，稳定后，通过水听器采集第二水噪信号后，关闭泵类设备；
5)将泵类设备的进口端连接的复合式消声装置替换为等长度的直管段，重新开启泵类设备，稳定后，通过水听器采集第三水噪信号后，关闭泵类设备；
6)通过3批采集到的水噪信号进行处理，求得泵类设备的水噪声源特性。
按照上述技术方案，所述步骤6)中，每个测量管段内均分布有2个水听器，通过3批采集到的水噪信号，依据以下公式求得泵类设备的水噪声源特性，泵类设备的水噪声源特性，泵类设备的水噪声源特性包括泵进口端的水噪声源特性参数进口端的反射系数ri和出口端行波透射到进口端的透射系数τo，泵出口端的水噪声源特性参数出口端的反射系数ro，进口端行波透射到出口端的透射系数τi；
泵进口端的水噪声源特性参数进口端的反射系数ri和出口端行波透射到进口端的透射系数τo，依据以下公式求得：
泵出口端的水噪声源特性参数出口端的反射系数ro，进口端行波透射到出口端的透射系数τi，依据以下公式求得：
其中，为泵出口端处正方向传播的声波，为泵出口端处反方向传播的声波，ro为泵出口端处反射系数，均为通过泵类设备进口端的两个水听器测得的声压运用平面波分离原理求得；
为泵进口端处正方向传播的声波，为泵进口端处反方向传播的声波，ri为泵进口端处反射系数，均为通过泵类设备出口端的两个水听器测得的声压运用平面波分离原理求得；
上述矩阵公式右边第一个矩阵的上标“-1”表示求逆，矩阵元素中的上标1、2、3分别表示3次测量得到的结果，分布对应本专利中测量步骤3)、步骤4)和步骤5)的分离结果。
本发明具有以下有益效果：
本装置及测量方法，结构简单，测量方便，通过复合式消声装置，来改变泵类设备进出口管路的声学负载，通过在泵进出口管路安装和拆除该复合式消声装置，解耦泵类设备的四端参数模型，从而归算出泵的噪声源特性，其次通过泵进出口的水管路系统设计，优化管路测量管段：提出泵与管路的连接方式、管路的走向及固定方式、测量管段的设计及安装方式等，达到降低本试验装置系统噪声，提高测量准确度的目的，本发明的管段模块化设计便于设备厂加工实现，获取泵的水噪声源特性可靠易行，能有效地降低试验测量的不确定度，避免振动及湍流脉动干扰；测量到较准确的泵源特性参数，能为定量声学设计提供重要的输入参数。
附图说明
图1是本发明实施例中泵类设备噪声源特性试验装置的结构示意图；
图2是图1的C-C剖视图；
图3是本发明实施例中抗性消声器的剖视图；
图4是图3的A-A剖视图；
图5是图3的B向局部示意图；
图6是本发明实施例中泵类设备源特性测量原理图；
图中，1-泵类设备，2-出口循环管路，3-压力监控表，4-流量监控表，5-管路状态监控管段，6-出口端测量管段，7-出口端脉动压力衰减装置，8-出口端抗性消声器，9-进口循环管路，10-进口端测量管段，11-进口端脉动压力衰减装置，12-进口端抗性消声器，13-水听器，14-橡胶密封垫片，15-套筒，16-外管，17-内管，18-排气阀，19-通孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
参照图1～图6所示，本发明提供的一个实施例中的泵类设备噪声源特性试验装置，包括泵类设备1，泵类设备1的出口端通过循环管路与泵类设备1的进口端连接，泵类设备1的出口端和进口端均依次连接有测量管段和复合式消声装置；其中，测量管段内布设有多个水听器13，复合式消声装置包括依次连接的脉动压力衰减装置和抗性消声器；分别为复合式消声装置的第一部分和第二部分，抗性消声器的顶端设有排气阀18。
进一步地，泵类设备1的出口端与出口端测量管段6之间连接有管路状态监控段，管路状态监控段内布设有压力监控表3和流量监控表4。
进一步地，管路状态监控段的长度为循环管路管径的5倍，管路状态监控段的管壁厚度为10mm。
进一步地，每个测量管段内最端部的水听器13距离测量管段的端部距离为测量管段的管径5倍，水听器13之间的间距为0.5m，水听器13的个数为2个。
进一步地，水听器13布设于测量管段的下半段，利于排出空气。
进一步地，水听器13外套设有套筒15，套筒15通过螺纹固设于测量管段的管壁上，水听器13与套筒15之间和套筒15与测量管段的管壁之间均设有橡胶密封垫片14。
进一步地，脉动压力衰减装置为橡胶软管或挠性接管。
进一步地，抗性消声器包括内管17和外管16，外管16套装于内管17上，内管17的管壁上布设有多个通孔19，内管17的两端设有法兰；用于与相邻管段连接，内管17和外管16构成穿孔管式结构，穿孔管式消声器的内径与循环管路的内径相同，排气阀18设置于外管16的顶部。
一种采用以上所述的泵类设备1噪声源特性试验装置的测量方法，包括以下步骤：
1)开启泵类设备1使水在循环管路中充分循环后，关闭泵类设备1；
2)通过排气阀18排干循环管路中的空气；
3)开启泵类设备1，稳定后，通过水听器13采集第一水噪信号后，关闭泵类设备1；
4)将泵类设备1的出口端连接的复合式消声装置替换为等长度的直管段，重新开启泵类设备1，稳定后，通过水听器13采集第二水噪信号后，关闭泵类设备1；
5)将泵类设备1的进口端连接的复合式消声装置替换为等长度的直管段，重新开启泵类设备1，稳定后，通过水听器13采集第三水噪信号后，关闭泵类设备1；
6)通过3批采集到的水噪信号进行处理，求得泵类设备1的水噪声源特性。
进一步地，所述步骤6)中，每个测量管段内均分布有2个水听器13，通过3批采集到的水噪信号，依据以下公式求得泵类设备1的水噪声源特性，泵类设备1的水噪声源特性，泵类设备1的水噪声源特性包括泵进口端的水噪声源特性参数进口端的反射系数ri和出口端行波透射到进口端的透射系数τo，泵出口端的水噪声源特性参数出口端的反射系数ro，进口端行波透射到出口端的透射系数τi；
泵进口端的水噪声源特性参数进口端的反射系数ri和出口端行波透射到进口端的透射系数τo，依据以下公式求得：
泵出口端的水噪声源特性参数出口端的反射系数ro，进口端行波透射到出口端的透射系数τi，依据以下公式求得：
其中，为泵出口端处正方向传播的声波，为泵出口端处反方向传播的声波，ro为泵出口端处反射系数，均为通过泵类设备1进口端的两个水听器13测得的声压运用平面波分离原理求得，泵类设备1出口端的两个水听器13分别位于泵类设备1进口端的两个水噪声测量点xo1、xo2；
为泵进口端处正方向传播的声波，为泵进口端处反方向传播的声波，ri为泵进口端处反射系数，均为通过泵类设备1出口端的两个水听器13测得的声压运用平面波分离原理求得，泵类设备1进口端的两个水听器13分别位于泵类设备1进口端的两个水噪声测量点xi1、xi2；
上述矩阵公式右边第一个矩阵的上标“-1”表示求逆，矩阵元素中的上标1、2、3分别表示3次测量得到的结果，分布对应本专利中测量步骤3)、步骤4)和步骤5)的分离结果。
本发明的工作原理：
泵类设备1的声源特性的试验装置由测量管段、复合式消声装置、用于连接的循环管路系统及状态监控装置组成。
测量管段：测量管段是实施测量的一段管路，水听器13或脉动压力传感器安装在该管段上。该管段的设计充分考虑了振动及湍流的影响，提高了测量的可靠性。
复合式消声装置：该装置用于改变管路系统的声学负载，是源特性测量中的关键装置。该装置结合了抗性消声器及气囊消声器的优点：对于管路中的高频声，能产生明显的反射，对于泵的低频特征线谱产生的脉动压力也能明显地衰减，因此能在宽频段内改变管路系统的声学负载，从而较好地满足源特性测量对测量装置的要求。
循环管路：循环管路用于连接泵、测量管段及声阻抗变换器，从而形成密闭的循环水系统。该循环管路的固定及安装基础能有效降低振动对水噪声测量的影响，循环管路的布置也考虑到管内流场的均匀性及泵近场压力脉动对水噪声测量的影响，同时为管路内流场监控提供平台，能提高测量的可靠性。
状态监控装置：主要用于监控管路系统的压力、流量。能够保障泵类设备1处于理想稳定的工作状态，从而提高测量的可靠性和重复性。
该测量装置可运用管路水噪声多负载测量方法，通过安装和拆除复合式消声装置，较为方便的开展泵类设备1的水噪声源特性测量。
如图1所示，本发明的测量装置涉及12个部分，分别为：泵类设备1、出口循环管路2、管内压力监控表3、管内流量监控表4、管路状态监控管段5、出口端测量管段6、出口端脉动压力衰减装置7(即为泵出口端复合式消声装置第一部分)、出口端抗性消声器8(即为泵出口端复合式消声装置第二部分)、进口循环管路9、泵出口的测量管段、进口端脉动压力衰减装置11(即为泵进口端复合式消声装置第一部分)、进口端抗性消声器12(即为泵进口端复合式消声装置第二部分)。
对于泵类设备1，本发明对其安装方式提出的要求为：泵类设备刚性固定在稳固的支架上，不能在泵和支架之间安装减振器或柔性减振垫，避免产生影响测量的晃动。泵类设备与循环管路系统保持刚性法兰连接，不能加装挠性接管。
对于出口循环管路2、进口循环管路9组成的循环管路，除泵进口可以采用一段弯管外，其他均采用直管段，尽量减少弯管的数量，管壁厚度10mm。循环管路采用刚性马脚钳定，马脚支架与管路间不加软性材料，选用厚度较大的圆环钳定，能降低管壁振动。上进口与出口的管路分开布置，不能共用一套马脚或支架，避免进出口管路的直接或间接接触。循环管路的长度为泵进出口管径的5倍。管路系统固定在刚性基础上，安装基础的重量大于受试设备及其附属件总重量的5倍。管路系统安装高度不宜过高，重心不超过1.5m。
压力监控表3、流量监控表4和管路状态监控管段5构成的管路状态监控装置，布置在管路出口循环管路2和测量管段之间，长度为管径的5倍，管壁厚度10mm。
出口端测量管段6、进口端测量管段10的测量管段尽量选择厚壁的管材，厚度至少大于10mm。测量管段的管径与泵的进出口管径相等，每个测量管段布放两个水听器13，水听器13间距0.5m。水听器13与最近的连接法兰距离为5倍管径。水听器13的管接头布置于测量管段的下半平面，利于排出空气。水听器13管接头安装装置构成图如图2所示：水听器13、测量管段的管壁、橡胶密封垫片14、套筒15，该水听器13安装装置与测量管段管壁连接处的内壁需充分打磨光滑，降低紊流对测量的影响。
出口端脉动压力衰减装置7、出口端抗性消声器8、进口端脉动压力衰减装置11、进口端抗性消声器12所示的复合式消声装置由两部分组成，位于测量管段的末端。出口端脉动压力衰减装置7、进口端脉动压力衰减装置11为复合式消声装置的第一部分：脉动压力衰减装置，工厂在搭建试验装置时可以选用厚壁橡胶软管或挠性接管。出口端抗性消声器8、进口端抗性消声器12装置为复合式消声装置的第二部分，该部分采用穿孔管构成的抗性消声器，穿孔管的内径与管路系统内径相同，消声器的外径为4倍的管路管径。抗性消声器顶端设置排气阀18。复合式消声装置的第二部分构成如图3所示。
下面简要说明运用本发明实施泵类设备水噪声源特性测量的步骤。
(1)开启泵类设备使管路水充分循环后，关闭泵类设备，从复合式消声装置最顶端的阀排出空气，重复该过程3次左右，排干管路系统内的空气。
(2)开启泵类设备，稳定后，采集水听器13的水噪信号。
(3)将出口端脉动压力衰减装置7、出口端抗性消声器8替换为等长度的直管段。开启泵类设备，稳定后，采集水听器13的水噪信号。
(4)将进口端脉动压力衰减装置11、进口端抗性消声器12替换为等长度的直管段。开启泵类设备，稳定后，采集水听器13的水噪信号。
对采集到的3批水噪声信号进行处理，即可得到泵类设备的水噪声源特性。简要方法如下：
求解该矩阵方程即可得到泵出口端的水噪声源特性参数
综上所述，本发明通过一种泵类设备的噪声特性参数测量的装置及方法，能方便有效地获得泵类设备的水噪声源特性，本发明能有效避免振动及湍流脉动干扰，降低试验测量的不确定度，通模块化分段设计，便于设备厂加工实现。本发明获取的噪声源特性可为管路系统的定量声学设计提供必要的输入参数，推动潜器管路系统的定量声学设计进程；还可为管路元器件设计和使用部门设计及选型时提供准确的参考依据；
该装置可以由设备厂或检测部门较方便地搭建，能够利用该装置开展泵类设备的水噪声测量，获取泵的水噪声源特性及阻抗特性。
以上的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种泵类设备噪声源特性试验装置，包括泵类设备，泵类设备的出口端通过循环管路与泵类设备的进口端连接，其特征在于，泵类设备的出口端和进口端均依次连接有测量管段和复合式消声装置；其中，测量管段内布设有多个水听器，复合式消声装置包括依次连接的脉动压力衰减装置和抗性消声器，抗性消声器的顶端设有排气阀。
2.根据权利要求1所述的泵类设备噪声源特性试验装置，其特征在于，泵类设备的出口端与出口端测量管段之间连接有管路状态监控段，管路状态监控段内布设有压力监控表和流量监控表。
3.根据权利要求1所述的泵类设备噪声源特性试验装置，其特征在于，每个测量管段内最端部的水听器距离测量管段的端部距离为测量管段的管径4～6倍，水听器之间的间距为0.4～0.6m。
4.根据权利要求3所述的泵类设备噪声源特性试验装置，其特征在于，水听器外套设有套筒，套筒通过螺纹固设于测量管段的管壁上，水听器与套筒之间和套筒与测量管段的管壁之间均设有橡胶密封垫片。
5.根据权利要求1所述的泵类设备噪声源特性试验装置，其特征在于，脉动压力衰减装置为橡胶软管或挠性接管。
6.根据权利要求1所述的泵类设备噪声源特性试验装置，其特征在于，抗性消声器包括内管和外管，外管套装于内管上，内管的管壁上布设有多个通孔，内管的两端设有法兰。
7.一种采用权利要求1所述的泵类设备噪声源特性试验装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)开启泵类设备使水在循环管路中充分循环后，关闭泵类设备；
2)通过排气阀排干循环管路中的空气；
3)开启泵类设备，稳定后，通过水听器采集第一水噪信号后，关闭泵类设备；
4)将泵类设备的出口端连接的复合式消声装置替换为等长度的直管段，重新开启泵类设备，稳定后，通过水听器采集第二水噪信号后，关闭泵类设备；
5)将泵类设备的进口端连接的复合式消声装置替换为等长度的直管段，重新开启泵类设备，稳定后，通过水听器采集第三水噪信号后，关闭泵类设备；
6)通过3批采集到的水噪信号进行处理，求得泵类设备的水噪声源特性。
8.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于，所述步骤6)中，每个测量管段内均分布有2个水听器，通过3批采集到的水噪信号，依据以下公式求得泵类设备的水噪声源特性，泵类设备的水噪声源特性，泵类设备的水噪声源特性包括泵进口端的水噪声源特性参数进口端的反射系数ri和出口端行波透射到进口端的透射系数τo，泵出口端的水噪声源特性参数出口端的反射系数ro，进口端行波透射到出口端的透射系数τi；
泵进口端的水噪声源特性参数进口端的反射系数ri和出口端行波透射到进口端的透射系数τo，依据以下公式求得：
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</mrow>
泵出口端的水噪声源特性参数出口端的反射系数ro，进口端行波透射到出口端的透射系数τi，依据以下公式求得：
<mrow>
<mfenced open = "{" close = "}">
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</mfenced>
</mrow>
其中，为泵出口端处正方向传播的声波，为泵出口端处反方向传播的声波，ro为泵出口端处反射系数，均为通过泵类设备进口端的两个水听器测得的声压运用平面波分离原理求得；
为泵进口端处正方向传播的声波，为泵进口端处反方向传播的声波，ri为泵进口端处反射系数，均为通过泵类设备出口端的两个水听器测得的声压运用平面波分离原理求得；
上述矩阵公式右边第一个矩阵的上标“-1”表示求逆，矩阵元素中的上标1、2、3分别表示3次测量得到的结果，分布对应本专利中测量步骤3)、步骤4)和步骤5)的分离结果。
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