CN109141617B - 一种测量水洞工作段内模型流激噪声的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种测量水洞工作段内模型流激噪声的装置及方法，属于声学测量领域。本发明包括：重力式低噪声水洞1和测量装置，其特征在于，所述的重力式低噪声水洞1是由上水箱10、直立管11、收缩段12、工作段13、扩散段14、泄水管15和混响箱16组成；所述的上水箱10的底部连接直立管11，直立管11的尾端顺次连接收缩段12、工作段13、扩散段14和泄水管15，混响箱16附加在工作段13上。所述的测量装置包括：支架2、减振垫3、圆饼形气囊4、脉动压力传感器5、水听器6、信号源7、功率放大器8和球形声源9；所述的信号源7发射单频正弦信号，经功率放大器8后传至球形声源9，由脉动压力传感器5和水听器6接收球形声源9所发射的声信号。
Description
技术领域
本发明属于声学测量领域，具体涉及一种测量水洞工作段内模型流激噪声的装置及方法。
背景技术
目前，在重力式水洞中，常采用潜艇、鱼雷等缩比模型研究不同类型航行器的流场和声场特征。为消除流动冲击水听器所带来的影响，发展了以水下混响法作为典型代表的流激噪声测量方法，它是通过空间平均的技术测量包裹在水洞工作段外混响箱内的声压功率谱，通过标准声源校正得到混响箱的房间常数，进而得到在水流冲击下模型在自由场的辐射声功率，为进一步分析航行器在流场作用下的辐射噪声产生机理、有针对性地开展减阻和降噪方法研究提供了技术支撑。
众所周知，在进行缩比模型试验时，所关注的一个重要指标就是频率缩比，即模型缩小N倍，相应的测试频率就要提高N倍，这使得高频段的流激噪声特征对于分析航行器的声学性能是至关重要的。由于水洞的工作段穿过混响箱，两端连接钢制管道，造成工作段内模型的辐射噪声会通过管道进行传播，使得混响箱内所测量的模型在流激作用下的辐射声功率，只是大部分的声功率，并非全部的辐射声功率，因为混响箱漏掉了管道内传播的声功率。若将水洞工作段两端的管道视作软边界波导，由其截止频率的计算公式可知，管道只是对低频声波有截止作用，而不会截止高频声波，这也表明混响箱所测量的流激条件下模型的辐射声功率里面漏掉了管道中传播的声功率。
对于管道内流激噪声的测量，一直无法回避的一个问题就是：“伪声”。由于水听器是由压敏元件构成的，只要触及压力就会有电信号输出，因此，当湍流脉动压力激励水听器时，也会产生电信号输出，但这是“伪声”，混杂在模型所辐射的声信号之中，从而使得所测量的模型的辐射声功率偏高。从目前能够检索到的管道内流激噪声测量方法可见，这些方法多是在管壁中插入水听器，以此来考察水听器接收到的噪声信号①张浩，离心泵流噪声实验研究，噪声与振动控制，2013；②夏极，管路低噪声排水装置设计及试验研究，舰船科学技术，2017，由于没有考虑管壁处安装水听器所处于的声学绝对软管道外面为空气边界问题，可能会使得测量结果偏小，而且也尚未涉及如何消除由湍流脉动压力所造成的“伪声”干扰。
脉动压力传感器是一种可测量压力脉动的器件，广泛用于水力发电机、充气或充水管道的试验测试中。2015年，在哈尔滨工程大学水声技术实验室的混响水池内所开展的评价水力消音器的试验中，发现：以充水钢管的轴线为对称放置的、同一位置的水听器和脉动压力传感器所测量的信号频谱特征是相同的，只是在量级上有差别，而量级上的差别则是由于水听器和脉动压力传感器的灵敏度不同所造成的。由此带来启示：如果利用脉动压力传感器的数据修正水听器所测量的信号，就可以去除水听器因湍流脉动压力所带来的“伪声”干扰，从而能够利用管道中放置水听器来直接测量模型的流激噪声。
发明内容
本发明的目的是这样实现的：
一种测量水洞工作段内模型流激噪声的装置，包括：重力式低噪声水洞1和测量装置，其特征在于，所述的重力式低噪声水洞1是由上水箱10、直立管11、收缩段12、工作段13、扩散段14、泄水管15和混响箱16组成；所述的上水箱10的底部连接直立管11，直立管11的尾端顺次连接收缩段12、工作段13、扩散段14和泄水管15，所述的收缩段12、工作段13、扩散段14呈管状，混响箱16附加在工作段13上。
所述的测量装置包括：支架2、减振垫3、圆饼形气囊4、脉动压力传感器5、水听器6、信号源7、功率放大器8和球形声源9；所述的支架2上按照中心对称的方式开设上通孔17和下通孔18，在支架2的两端分别设有上固定端19和下固定端20；所述的上固定端19和下固定端20均设有通孔，利用上固定端19和下固定端20的通孔，结合螺栓和螺母，将支架2紧固在重力式低噪声水洞1的扩散段14的管壁上；所述的减振垫3为聚乙烯薄膜制成的双层圆柱结构，在圆柱结构内充气，填充在支架2的上通孔17和下通孔18处，以放置脉动压力传感器5和水听器6；所述的圆饼形气囊4贴敷在脉动压力传感器5的表面；所述的信号源7发射单频正弦信号，经功率放大器8后传至球形声源9，由脉动压力传感器5和水听器6接收球形声源9所发射的声信号。
一种测量水洞工作段内模型流激噪声的方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤一将重力式水洞1的管道内充水，在其轴线上放置一个球形声源9；
步骤二调整支架2距离球形声源9为测试频率所对应的水中声波波长的十倍及以上；
步骤三将脉动压力传感器5和水听器6以支架2的中心进行对称放置；
步骤四由信号源7发射的单频正弦信号，经功率放大器8后接至球形声源9，由脉动压力传感器5和水听器6分别接收球形声源9所发射的声信号；
步骤五根据脉动压力传感器5和水听器6所接收到的声信号，根据两者接收信号的量级差别，进行灵敏度修正；脉动压力传感器5和水听器6灵敏度修正过程如下：
设需要修正的频率为10kHz，则此频率对应的水中声波波长为15cm，因此，球形声源9和支架2的距离至少保证1.5m以上，由信号源7发射单频正弦波，经功率放大器8后，加至球形声源9，由脉动压力传感器5和水听器6接收，根据脉动压力传感器5和水听器6接收到的声波压力信号幅度之差，修正脉动压力传感器5和水听器6的灵敏度之差；
步骤六将圆饼形气囊4贴敷在脉动压力传感器5的表面，在水洞的工作段内放置模型，开展不同流速下的流激噪声测量试验；
步骤七将水听器6接收到的声信号减去由步骤五中得到的修正量进行修正的脉动压力传感器5的信号，进而去除湍流脉动压力所导致的“伪声”干扰，从而得到模型的流激噪声。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的有益之处：首先，采用修正方法得到脉动压力传感器与水听器的灵敏度之差，使得同样的接收信号幅度下，两者的输出电压信号是相同的，消除了水听器与脉动压力传感器因形状、灵敏度和安装位置及方式等造成的灵敏度差异；其次，将发射换能器放置在管道的轴线上，此时在管道横截面圆形上的声压是按照贝塞尔函数分布的，由贝塞尔函数的性质可知，声场是关于管道径向对称的，即与管道中心呈对称位置处的脉动压力传感器和水听器所接收到声波压力是相同的，这为相对修正两者灵敏度的差异性提供了一个标准的声场；再次，将圆饼形气囊贴敷在脉动压力传感器的表面，使得湍流脉动压力通过圆饼形气囊内部的高压气体传递至脉动压力传感器的表面，由此接收流体的湍流脉动压力，而圆饼形气囊内部的高压气体作为与水的特性阻抗严重失配的介质，能够很好地隔离声波的压力传递至脉动压力传感器的表面，使得脉动压力传感器接收不到声波信号，这为由水听器的声信号中减去脉动压力造成的“伪声”信号，得到真正的流激噪声信号创造了条件，使得水听器能够“去伪存真”，得到真实的流激噪声；最后，为减少流动激励条件下导致的支架振动对脉动压力传感器和水听器的影响，采用充气减振垫作为振动隔离技术，由于气体是一种很好的减振介质，例如轮胎、空气弹簧等，因此，减振垫能够很好地减少支架因振动对脉动压力传感器和水听器所造成的背景干扰。
本发明的有益之处还在于：首先，湍流脉动压力是流体涡漩作为质团作用在结构表面而产生的激励力，声波压力则是以大量分子作为质团作用在结构表面而产生的压力，可见，湍流脉动压力与声波压力的载体是有差别的：一个是“宏观质团”的力，一个“微观质团”的力。当这两种力作用于圆饼形气囊时，产生了不同的机理：湍流脉动压力作为大质团的力，很容易就通过圆饼形气囊内部的充气气体传递至脉动压力传感器的表面，而声波压力作为小质团的压力，对圆饼形气囊内部充气气体的作用能力有限，还易被圆饼形气囊的形状变化、气体压力变化等吸收掉，从而使得声波压力经圆饼形气囊后，传递不到脉动压力传感器的表面，这也是空气介质与水介质的交界面会对声波产生严重阻抗失配的原因，因此，圆饼形气囊的作用是滤掉了声信号，而只传播了脉动压力信号；其次，湍流脉动压力与声波压力的作用机理不同，只有流动产生的地方，才可能存在湍流脉动压力，在静水中是不存在的，相反声波压力则可以存在于静水之中，可见，湍流脉动压力的信号与声波压力的信号是不相关的，两者也不相干，这使得由脉动压力传感器和水听器所测量得到的信号是脉动压力信号和声波压力信号的直接相加之和，因此，利用总信号中减去脉动压力信号得到声波压力信号是合理的，而且由于模型的流激噪声要比流噪声大至少40dB，可忽略流噪声的影响，认为水听器采集到信号的主要成份为流激噪声和湍流脉动压力信号，通过减去湍流脉动压力信号，就可以得到流激噪声信号；最后，该方法是采用固定方式开展的试验测量，省去了混响场到自由场之间的声场校准过程，测量工作量比混响法的小，而且也更容易跟数值计算的结果进行对比与分析。
附图说明
图1为重力式低噪声水洞的示意图；
图2为支架及其横截面示意图；
图3为减振垫及其横截面示意图；
图4为圆饼形气囊及其横截面示意图；
图5为一种测量水洞工作段内模型流激噪声方法的流程图；
图6为修正脉动压力传感器和水听器灵敏度示意图；
图7为脉动压力传感器接收的单频声信号；
图8为水听器接收的单频声信号；
图9为不同流速下指挥台围壳流激噪声的测量结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作出详细说明：
具体实施例一：
如图所示，其中，1为重力式低噪声水洞、10为上水箱、11为直立管、12为收缩段、13为工作段、14为扩散段、15为泄水管、16为混响箱、2为支架、17为上通孔、18为下通孔、19为上固定端、20为下固定端、3为减振垫、4为圆饼形气囊、5为脉动压力传感器、6为水听器、7为信号源、8为功率放大器、9为球形声源。
一种测量水洞工作段内模型流激噪声的装置，其特征在于，包括支架2、减振垫3、圆饼形气囊4、脉动压力传感器5、水听器6；支架为薄翼型构造，支架的两端安装在水洞扩散段的管壁上，在支架上开有通孔，减振垫3为中空双层圆柱，在双层圆柱内充气，圆饼形气囊4为高压气囊，覆盖在脉动压力传感器5的表面，脉动压力传感器5的外侧放置减振垫3，安装在支架2的通孔处，水听器6的外侧放置减振垫3，安装在支架2的通孔处；
一种测量水洞工作段内模型流激噪声的装置，还包括方法，步骤如下：
第一步，将水洞的管道内充水，在其轴线上放置一个球形声源9；
第二步，调整支架2距离球形声源9为测试频率所对应的水中声波波长的十倍及以上；
第三步，将脉动压力传感器5和水听器6以支架2的中心进行对称放置；
第四步，由信号源7发射单频的正弦信号，经功率放大器8后接至球形声源9，由脉动压力传感器5和水听器6分别接收球形声源9所发射的声信号；
第五步，根据脉动压力传感器5和水听器6所接收到的声信号，修正两者接收信号的量级差别，进行灵敏度修正；
第六步，将圆饼形气囊贴敷在脉动压力传感器5的表面，在水洞的工作段内放置模型，开展不同流速下的流激噪声测量试验；
第七步，将水听器6接收到的声信号减去由第五步中得到的修正量进行修正的脉动压力数据，即去除湍流脉动压力所导致的“伪声”干扰，从而得到模型的流激噪声。
具体实施例二：
一种测量水洞工作段内模型流激噪声的装置，包括重力式低噪声水洞1、支架2、减振垫3、圆饼形气囊4、脉动压力传感器5、水听器6；
重力式低噪声水洞1是由上水箱10、直立管11、收缩段12、工作段13、扩散段14、泄水管15和混响箱16组成，试验模型为根据SUBOFF模型按照1：48缩比率进行加工的指挥台围壳，放置在工作段13中；首先由水泵往上水箱1中注水，达到一定的水位高度后，打开直立管11的阀门，此时水就充满收缩段12、工作段13、扩散段14，通过排列和组合不同孔径的泄水管15，打开控制泄水管15的阀门，水就按照既定的流速从工作段13中流过，并对指挥台围壳进行激励，产生辐射噪声；
支架2是一个薄翼型结构，其横截面为按照NACA653-218进行设计，在支架2上按照中心对称的方式开设上通孔17和下通孔18，在支架2的两端分别是上固定端19和下固定端20，在上固定端19和下固定端20开设通孔，为方便图示，这里只示意出了其中的一个通孔，利用上固定端19和下固定端20的通孔，结合螺栓和螺母，可将支架2紧固在重力式低噪声水洞1的扩散段14的管壁上；
减振垫3为由聚乙烯薄膜制成的双层圆柱结构，在圆柱结构内充气，填充在支架2的上通孔17和下通孔18处，以放置脉动压力传感器5和水听器6，但需要注意的是，减振垫3不与脉动压力传感器5和水听器6的信号接收部位接触；
圆饼形气囊4为硅胶薄膜制成，在圆饼的两个底面采用PET硅胶膜，在侧部采用聚乙烯薄膜，内部充以加压气体，达到一定的压力，通过表面涂覆氰基丙烯酸酯，将其贴敷在脉动压力传感器5的表面；
脉动压力传感器5为流体力学脉动压力传感器，型号CYY59，传感器直径30mm，用于测量水洞中的湍流脉动压力；
水听器6为压电陶瓷制成，型号B&K8103，传感器直径9.5mm，用于测量水洞中的湍流脉动压力和声学压力信号；
一种测量水洞工作段内模型流激噪声的装置，还包括方法，步骤如下：
第一步，将重力式水洞1的管道内充水，在其轴线上放置一个球形声源9；
第二步，调整支架2距离球形声源9为测试频率所对应的水中声波波长的十倍及以上；
第三步，将脉动压力传感器5和水听器6以支架2的中心进行对称放置；
第四步，由信号源7发射的单频正弦信号，经功率放大器8后接至球形声源9，由脉动压力传感器5和水听器6分别接收球形声源9所发射的声信号；
第五步，根据脉动压力传感器5和水听器6所接收到的声信号，根据两者接收信号的量级差别，进行灵敏度修正；
第六步，将圆饼形气囊4贴敷在脉动压力传感器5的表面，在水洞的工作段内放置模型，开展不同流速下的流激噪声测量试验；
第七步，将水听器6接收到的声信号减去由第五步中得到的修正量进行修正的脉动压力传感器5的信号，进而去除湍流脉动压力所导致的“伪声”干扰，从而得到模型的流激噪声；
脉动压力传感器5和水听器6灵敏度修正过程如下：假设需要修正的频率为10kHz，则此频率对应的水中声波波长为15cm，因此，球形声源9和支架2的距离至少保证1.5m以上，由信号源7发射单频正弦波，经功率放大器8后，加至球形声源9，脉动压力传感器5和水听器6接收到的声波压力信号分别如图7、8所示，由此幅度之差，就可以修正脉动压力传感器5和水听器6的灵敏度之差；
需要特别说明的是，重力式低噪声水洞的流动速度低，相对马赫数很小，不超过1％，可以忽略多普勒效应。由于水洞的管道是穿混响箱而过的，也就是水洞管道与上水箱和储水池组成了一个封闭系统，也可视作为异形的混响箱。为叙述方便，将水洞管道穿过的混响箱，称为第一混响箱；将异形的混响箱称为第二混响箱。因此，模型在工作段内辐射的噪声会传播至第一混响箱内，模型在工作段内辐射的噪声也会传播至第二混响箱内。由于声波频率必须超过混响箱的第一阶简正波频率后，才存在于混响箱内，这也是为什么在第一混响箱和第二混响箱内测量数据的起始频率不同的根本原因所在。
众所周知，水介质对声波的吸收是以频率的平方成正比，而第一混响箱的箱壁和水洞工作段的壁面对声波的吸收可由混响时间测量得到，此时均忽略水介质的声吸收系数，由于混响时间是随着频率的升高而逐渐减少的，这就说明了第一混响箱的箱壁和水洞工作段的壁面对声波的吸收能力是随着频率升高而逐渐减少的，因此，在流动激励下模型产生的辐射噪声传播至第一混响箱内后，就被混响箱的箱壁和水洞工作段的壁面进行了吸收，这也是为什么在第一混响箱内所测量的模型辐射声功率在高频处均存在下降趋势的一个原因，如图9所示；当然，另一个原因就是流激结构噪声的频谱自身也是随着频率升高而逐渐下降的，例如潜艇或鱼雷等水下航行器的水动力噪声频谱。
Claims (2)
1.一种测量水洞工作段内模型流激噪声的装置，包括：重力式低噪声水洞(1)和测量装置，其特征在于，所述的重力式低噪声水洞(1)是由上水箱(10)、直立管(11)、收缩段(12)、工作段(13)、扩散段(14)、泄水管(15)和混响箱(16)组成；所述的上水箱(10)的底部连接直立管(11)，直立管(11)的尾端顺次连接收缩段(12)、工作段(13)、扩散段(14)和泄水管(15)，所述的收缩段(12)、工作段(13)、扩散段(14)呈管状，混响箱(16)附加在工作段(13)上；
所述的测量装置包括：支架(2)、减振垫(3)、圆饼形气囊(4)、脉动压力传感器(5)、水听器(6)、信号源(7)、功率放大器(8)和球形声源(9)；所述的支架(2)上按照中心对称的方式开设上通孔(17)和下通孔(18)，在支架(2)的两端分别设有上固定端(19)和下固定端(20)；所述的上固定端(19)和下固定端(20)均设有通孔，利用上固定端(19)和下固定端(20)的通孔，结合螺栓和螺母，将支架(2)紧固在重力式低噪声水洞(1)的扩散段(14)的管壁上；所述的减振垫(3)为聚乙烯薄膜制成的双层圆柱结构，在圆柱结构内充气，填充在支架(2)的上通孔(17)和下通孔(18)处，以放置脉动压力传感器(5)和水听器(6)；所述的圆饼形气囊(4)贴敷在脉动压力传感器(5)的表面；所述的信号源(7)发射单频正弦信号，经功率放大器(8)后传至球形声源(9)，由脉动压力传感器(5)和水听器(6)接收球形声源(9)所发射的声信号。
2.一种测量水洞工作段内模型流激噪声的方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤一：将重力式水洞(1)的管道内充水，在其轴线上放置一个球形声源(9)；
步骤二：调整支架(2)距离球形声源(9)为测试频率所对应的水中声波波长的十倍及以上；
步骤三：将脉动压力传感器(5)和水听器(6)以支架(2)的中心进行对称放置；
步骤四：由信号源(7)发射的单频正弦信号，经功率放大器(8)后接至球形声源(9)，由脉动压力传感器(5)和水听器(6)分别接收球形声源(9)所发射的声信号；
步骤五：根据脉动压力传感器(5)和水听器(6)所接收到的声信号，根据两者接收信号的量级差别，进行灵敏度修正；脉动压力传感器(5)和水听器(6)灵敏度修正过程如下：
需要修正的频率为10kHz，则此频率对应的水中声波波长为15cm，球形声源(9)和支架(2)的距离至少保证1.5m以上，由信号源(7)发射单频正弦波，经功率放大器(8)后，加至球形声源(9)，由脉动压力传感器(5)和水听器(6)接收，根据脉动压力传感器(5)和水听器(6)接收到的声波压力信号幅度之差，修正脉动压力传感器(5)和水听器(6)的灵敏度之差；
步骤六：将圆饼形气囊(4)贴敷在脉动压力传感器(5)的表面，在水洞的工作段内放置模型，开展不同流速下的流激噪声测量试验；
步骤七：将水听器(6)接收到的声信号减去由步骤六中得到的修正量进行修正的脉动压力传感器(5)的信号，进而去除湍流脉动压力所导致的“伪声”干扰，从而得到模型的流激噪声。
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