CN109682459A - 一种水下管口外辐射噪声的测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水下管口外辐射噪声的测量装置，所述装置包括：第一水听器(1)、第二水听器(2)，加速度计(3)，水声发射换能器(4)，采集设备(5)，驱动功放(6)和数据处理模块(7)；所述第一水听器(1)、第二水听器(2)构成距离为Δ的双水听器；双水听器通过管口伸入管道内部或者安装在管道内壁；所述加速度计(3)固定安装于管道外壳上；双水听器和加速度计(3)连接到采集设备(5)上；所述采集设备(5)的一路输出信号作为驱动功放(6)的输入信号，另一路输出信号进入采集设备(5)的第四个输入通道作为去噪参考信号；在观测点布放水声发射换能器(4)，所述驱动功放(6)用于驱动水声发射换能器(4)发声。

Description

一种水下管口外辐射噪声的测量装置和方法

技术领域

本发明涉及水下噪声处理领域，具体涉及一种水下管口外辐射噪声的测量装置和方法。

背景技术

大型水下结构通常具有通海管口，通海管口是水下噪声主要辐射噪声源，测量分离单纯水管路噪声是制定水管路降噪措施的前提条件，但是水泵等水下管路噪声源开启后，其它动力设备也同时开启，管路系统包括管路振动通过壳壁结构的辐射噪声和管内水脉动力辐射噪声，由于管路结构噪声和管内水脉动力辐射噪声频谱相同，且相干性很强，常规方法无法分离。

发明内容

本发明是为了解决水下管口噪声难于分离测量的问题，提出一种水下管口外辐射噪声的测量装置，基于该装置，采用双水听器法测量管内对内声阻抗，管内对外声阻抗，利用互易法测量管内某点对管外某点的辐射格林函数，利用双水听器法测量管内体积速度，并依据辐射格林函数预测远场观察点的管路辐射声压，适用于管路声截止频率以下的外辐射噪声的测量。

为了实现上述目的，本发明提出了一种水下管口外辐射噪声的测量装置，所述装置包括：第一水听器1、第二水听器2，加速度计3，水声发射换能器4，采集设备5，驱动功放6和数据处理模块7；

所述第一水听器1、第二水听器2构成距离为Δ的双水听器；所述双水听器通过管口伸入管道内部或者安装在管道内壁；所述加速度计3固定安装于管道外壳上；双水听器和加速度计3连接到采集设备5上；所述采集设备5的一路输出信号作为驱动功放6的输入信号，另一路输出信号进入采集设备5的第四个输入通道作为去噪参考信号，所述数据处理模块7与采集设备5连接，用于对采集设备5输出的数据进行处理；在观测点布放水声发射换能器4，所述驱动功放6输出端连接水声发射换能器4，用于驱动水声发射换能器4发声。

一种基于上述的装置实现的水下管口外辐射噪声的测量方法，所述方法包括：

步骤1)将所述水声发射换能器4放置在管外测量点发声，通过双水听器测量并计算管内第二水听器2放置点的声压和体积速度，获得管道内对内声阻抗；

步骤2)开启管内声源发声，通过双水听器法测量并计算管内第二水听器2放置点的声压和体积速度，从而计算管道内对外声阻抗；

步骤3)获得步骤1)中水声发射换能器4的声源体积速度，再根据该声源作用下第二水听器2的放置点处的声压计算管外水声发射换能器4对管内第二水听器2的辐射格林函数，最终根据互易性得到管内第二水听器2对管外水声发射换能器4位置的辐射格林函数；

步骤4)利用步骤1)和步骤2)获得的声阻抗，以及管内第二水听器2处的管道声质点速度，计算得到管内第二水听器2处的等效体积声源；

步骤5)通过管内第二水听器2对管外水声发射换能器4的辐射格林函数，计算得到管内第二水听器2处的等效体积声源向水声发射换能器4位置的辐射声压；

上述步骤的第二水听器2能够替换为第一水听器1。

作为上述方法的一种改进，所述步骤1)具体为：

测得第一水听器1和第二水听器2处的总声压为：

其中，i＝3表示管内第一水听器1观测点，i＝2表示第二水听器2观测点；为推动水声发射换能器4的功放输入信号和水听器信号的互谱，G_qq为输入信号自功率谱，q为输入水声发射换能器4信号频谱；

利用第一水听器1和第二水听器2获取管内第二水听器2处声质点速度：

其中：P_i ⁽¹⁾、P_r ⁽¹⁾表示管道内向外传播波和反射波声压值，ρ表示流体密度，c为流体声速，表示波数，ω为角频率，Δ表示双水听器安装距离，V₂ ⁽¹⁾表示管道内第二水听器2处的声质点速度；

管道内第二水听器2处的对内声阻抗Z_i为：

其中：

距离Δ与测量下限频率f_l、上限频率f_u通常应满足以下关系：

作为上述方法的一种改进，所述步骤2)具体为：

将管壁测量振动加速度信号作为参考信号，剔除流噪声，获取管内声压：

其中，i＝3表示管内第一水听器1观测点，i＝2表示第二水听器2观测点；a为管壁振动信号，为管壁加速度信号与声压互谱，G_aa为加速度信号自谱；

计算管道内第二水听器2处观测点的声质点速度：

得到管道内第二水听器2处观测点对外的声阻抗Z_r为：

其中：

作为上述方法的一种改进，所述步骤3)具体为：

管外水声发射换能器4处对第二水听器2处的声辐射格林函数的计算公式为：

根据互易性，管内第二水听器2处声源对管外水声发射换能器4处的辐射格林函数为：

作为上述方法的一种改进，所述步骤4)具体为：

管内第二水听器2处的等效体积声源为：

作为上述方法的一种改进，所述步骤5)具体为：所述水声发射换能器4处观测点的声辐射声压的公式为：

发明的优势在于：

本发明提出了一种包含结构噪声、管口水脉动力噪声等多噪声源情况下单纯分离测量通海管口水脉动力噪声的装置和方法，互易法实测的辐射格林函数可考虑各种复杂管外结构形式的声辐射，适用于管路声截止频率以下的噪声的测量。

附图说明

图1为本发明的水下管口外辐射噪声的测量装置的构造图；

图2为本发明的水下管口外辐射噪声的测量装置的布置图；

图3为本发明的测点变量标号图；

图4为本发明的等效体积速度计算示意图；

图5为仿真验证本发明的管外接收点声源辐射噪声；

图6为仿真验证本发明的管内声源发声示意图；

图7为仿真验证互易计算和直接仿真管口外点1声压对比图；

图8为实验验证直接测量和互易法测量对比图。

附图标识：

1、第一水听器 2、第二水听器 3、加速度计

4、水声发射换能器 5、采集设备 6、驱动功放

7、数据处理模块

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细的说明。

如图1和图2所示，一种水下管口外辐射噪声的测量装置，所述装置包括：第一水听器1、第二水听器2，加速度计3，水声发射换能器4，采集设备5，驱动功放6和数据处理模块7。所述第一水听器1、第二水听器2构成距离为Δ的双水听器；双水听器通过管口伸入管道内部或者安装在管道内壁；所述加速度计3固定安装于管道外壳上；双水听器和加速度计3连接到采集设备5上；所述采集设备5的一路输出信号作为驱动功放6的输入信号，另一路输出信号进入采集设备5的第四个输入通道做为去噪参考信号，所述数据处理模块与采集设备5连接，用于对采集设备5输出的数据进行处理；在观测点布放水声发射换能器4，驱动功放6输出端连接水声发射换能器4，用于驱动水声发射换能器4发声。

管路声截止频率是指声频率低于某一频率以下时，即管道截止频率以下，管路的波传播形式主要是平面波，可以用双水听器法分离入射波和反射波，基于此提出基于互易原理的外辐射声测量方法。

测量可以分步运装进行，也可以同时开启管路和换能器进行，后者更加符合管口运行状态特性，可采用参考信号去噪法获得消除干扰的信号，按以下分步法计算和测量：

步骤1)将水声发射换能器4放置在管外测量点发声，将固定距离的双水听器安装在管壁或者伸入管内，通过双水听器测量并计算管内点声压和体积速度，获得管道内对内声阻抗；该测量可以在线完成，即在开启管内声源的情况下利用换能器发射信号作为参考信号消除其它噪声影响；

如图3所示，应用参考信号剔除管内干扰噪声的公式为：

其中，i表示如图3所示的位置，i＝3表示管内第一水听器1观测点，i＝2表示第二水听器2观测点；为推动水声发射换能器4的功放输入信号和水听器信号的互谱，G_qq为输入信号自功率谱，q为输入水声发射换能器4的信号频谱。

利用双水听器获取管内点2(第一水听器1观测点)处声质点速度：

其中：表示步骤1)测得点2(第二水听器2观测点)处的总声压，表示步骤1)测得点3(第一水听器1观测点)处总声压，P_i ⁽¹⁾、表示步骤1)管道内向外传播波和反射波声压值，ρ表示流体密度，c为流体声速，表示波数，Δ表示双水听器安装距离，表示步骤1)管道点2的声质点速度，(除特殊说明，本发明各量均取国际单位制)。距离Δ与测量下限频率f_l、上限频率f_u通常应满足以下关系：

管道内点2对内声阻抗Z_i为：

其中：

步骤2)开启管内声源发声，通过双水听器法计算管道内点2的声压和体积速度，从而计算管道内点2对外声阻抗；

为了剔除管内流体对水听器流噪声的干扰，可在管壁测量振动加速度信号作为参考信号，利用下式剔除流噪声，获取管内声压：

其中a为管壁振动信号，为管壁加速度信号与声压互谱，G_aa为加速度信号自谱。

获取管内水听器去噪后声信号P₃ ⁽²⁾，计算管道内点2声质点速度的公式如下：

得到管道点2对外的声阻抗Z_r为：

其中： 表示步骤2)测得点2总声压，P₃ ⁽²⁾表示步骤2)测得点3总声压，表示步骤2)管道点2的声质点速度。

步骤3)获得步骤1)中换能器体积声源体积速度为该声源作用下管内点2声压大小计算公式为：

其中：为管外点1(水声发射换能器(4)处)对管内部点2的声辐射格林函数，推出管外点1对管道内部点2的声辐射格林函数：

根据互易性，管道内部点2声源对外场点1的辐射格林函数为：

步骤4)利用步骤1)和步骤2)获得的声阻抗，以及管道内点2处的管道声速度，计算得管道内点2处的等效体积声源；

等效体积声源计算原理和方法如下：

假设声源在管道内部点3上游，如果在点2放置一个体积声源能产生向外同样的管道声质点速度则该声源对外部产生同样噪声，称为等效体积声源。如图4所示，根据该原理可推导等效体积声源的大小：

压力平衡：P_2-＝P₂₊和体积速度不变：

如图4所示，P_2-为点2截面左侧声压，P_2-为点2截面右侧声压，V_2-为点2截面左侧声质点速度，V₂₊为点2截面右侧声质点速度，R为点2管口半径，Z_i、Z_r分别为管道内部点2对内声阻抗和对外声阻抗。

而

所以，有

步骤5)通过格林函数，计算等效体积声源向管外点1辐射声压为：

综合公式(2～7)，可最终得声辐射声压的公式为：

对多观测点重复步骤1)至步骤5)，可按照半消声室、或者混响室包络球面法计算管口总辐射声功率。

若将水听器换成传声器，换能器换成体积声源，本方法同样适用于截止频率以下空气管口外辐射噪声的分离测试。

仿真和试验验证：

(1)仿真验证

建立一个如图5，图6的声仿真模型，首先如图5管外接收点1用点声源发声，利用边界元计算点2和点3的辐射声压。然后如图6管内用某声源发声，利用边界元计算点1、点2和点3的辐射声压，图7分别是直接仿真计算点1噪声和采用互易法计算噪声对比图。由图7看出符合程度很高，说明方法的正确性。

布置试验台架，采用体积声源在管外辐射噪声，同时测量管内点2，点3的声压；在管内点发声，测量点1，点2，点3的声压，对比互易法测量计算值和直接测量值如图8；从图8可以看出计算噪声与实测噪声吻合比较好，说明该方法可用。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种水下管口外辐射噪声的测量装置，其特征在于，所述装置包括：第一水听器(1)、第二水听器(2)，加速度计(3)，水声发射换能器(4)，采集设备(5)，驱动功放(6)和数据处理模块(7)；

所述第一水听器(1)、第二水听器(2)构成距离为Δ的双水听器；所述双水听器通过管口伸入管道内部或者安装在管道内壁；所述加速度计(3)固定安装于管道外壳上；双水听器和加速度计(3)连接到采集设备(5)上；所述采集设备(5)的一路输出信号作为驱动功放(6)的输入信号，另一路输出信号进入采集设备(5)的第四个输入通道作为去噪参考信号，所述数据处理模块(7)与采集设备(5)连接，用于对采集设备(5)输出的数据进行处理；在观测点布放水声发射换能器(4)，所述驱动功放(6)输出端连接水声发射换能器(4)，用于驱动水声发射换能器(4)发声。

2.一种基于权利要求1的所述的装置实现的水下管口外辐射噪声的测量方法，所述方法包括：

步骤1)将所述水声发射换能器(4)放置在管外测量点发声，通过双水听器测量并计算管内第二水听器(2)放置点的声压和体积速度，获得管道内对内声阻抗；

步骤2)开启管内声源发声，通过双水听器法测量并计算管内第二水听器(2)放置点的声压和体积速度，从而计算管道内对外声阻抗；

步骤3)获得步骤1)中水声发射换能器(4)的声源体积速度，再根据该声源作用下第二水听器(2)的放置点处的声压计算管外水声发射换能器(4)对管内第二水听器(2)的辐射格林函数，最终根据互易性得到管内第二水听器(2)对管外水声发射换能器(4)位置的辐射格林函数；

步骤4)利用步骤1)和步骤2)获得的声阻抗，以及管内第二水听器(2)处的管道声质点速度，计算得到管内第二水听器(2)处的等效体积声源；

步骤5)通过管内第二水听器(2)对管外水声发射换能器(4)的辐射格林函数，计算得到管内第二水听器(2)处的等效体积声源向水声发射换能器(4)位置的辐射声压；

上述步骤的第二水听器(2)能够替换为第一水听器(1)。

3.根据权利要求1所述的水下管口外辐射噪声的测量方法，其特征在于，所述步骤1)具体为：

测得第一水听器(1)和第二水听器(2)处的总声压为：

其中，i＝3表示管内第一水听器(1)观测点，i＝2表示第二水听器(2)观测点；为推动水声发射换能器(4)的功放输入信号和水听器信号的互谱，G_qq为输入信号自功率谱，q为输入水声发射换能器(4)信号频谱；

利用第一水听器(1)和第二水听器(2)获取管内第二水听器(2)处声质点速度：

其中：P_i ⁽¹⁾、表示管道内向外传播波和反射波声压值，ρ表示流体密度，c为流体声速，表示波数，ω为角频率，Δ表示双水听器安装距离，表示管道内第二水听器(2)处的声质点速度；

管道内第二水听器(2)处的对内声阻抗Z_i为：

其中：

距离Δ与测量下限频率f_l、上限频率f_u满足以下关系：

4.根据权利要求3所述的水下管口外辐射噪声的测量方法，其特征在于，所述步骤2)具体为：

将管壁测量振动加速度信号作为参考信号，剔除流噪声，获取管内声压：

其中，i＝3表示管内第一水听器(1)观测点，i＝2表示第二水听器(2)观测点；a为管壁振动信号，为管壁加速度信号与声压互谱，G_aa为加速度信号自谱；

计算管道内第二水听器(2)处观测点的声质点速度：

得到管道内第二水听器(2)处观测点对外的声阻抗Z_r为：

其中：

5.根据权利要求4所述的水下管口外辐射噪声的测量方法，其特征在于，所述步骤3)具体为：

管外水声发射换能器(4)处对第二水听器(2)观测点的声辐射格林函数的计算公式为：

根据互易性，管内第二水听器(2)观测点声源对管外水声发射换能器(4)处的辐射格林函数为：

6.根据权利要求5所述的水下管口外辐射噪声的测量方法，其特征在于，所述步骤4)具体为：

管道内第二水听器(2)处的等效体积声源为：

7.根据权利要求6所述的水下管口外辐射噪声的测量方法，其特征在于，所述步骤5)具体为：所述水声发射换能器(4)处观测点的声辐射声压的公式为：