CN110410176A - 一种基于低速气泡流的水下排气降噪装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于低速气泡流的水下排气降噪装置，属于水下排气降噪技术领域。所述装置包括依次设置的气泡消声层、挡板层和破泡层；气泡消声层包括：主腔室，其顶部开放，相对的内侧壁上分别设置封闭的气体缓冲室，其余空间形成排气消声腔；多个进气管，将上游气体引入所述气体缓冲室进行缓冲；多孔管，两端分别连通相对设置的气体缓冲室，且管壁上开设有若干排气孔，上游高速气体经排气孔排出后形成多个低速气泡流；挡板层设有对从排气消声腔辐射的气泡噪声进行阻挡的挡板，挡板上设有供气泡上浮通过的条形孔；破泡层设有纱网，上浮的气泡经纱网滤过后破碎变小。通过上述组合作用，10‑5000Hz全频段最佳降噪效果在10dB以上。

Description

一种基于低速气泡流的水下排气降噪装置

技术领域

本发明属于水下排气降噪技术领域，涉及一种水下排气降噪装置，具体地说，是涉及一种基于低速气泡流且具有多层结构的箱式水下排气降噪装置。

背景技术

随着环境污染、人口膨胀以及陆地资源短缺等全球性问题的日益严峻，海洋对于人类生存的重要性愈加彰显。海洋不仅能够为人类提供生存必需的食物和能源，还是人类交通运输、休闲娱乐的主要场所之一，海洋资源的高效、合理开发和海洋环境的保护逐渐提上日程。

水下排气噪声水平是当下海洋资源开发和海洋环境保护的痛点和难点。柴油机等水下热动力装置是海洋资源开发利用过程中的主要动力来源，其在工作过程中会产生高强度的水下排气噪声。这些噪声不仅会干扰海洋资源开发过程中的声响探测与通讯工作，还会影响到工作人员的生理、心理健康，大大降低海洋资源的开发效率；甚至会对海洋生物的交流、繁殖和生存带来干扰，从而对海洋生态环境带来严重影响。因此，开发水下排气降噪技术对于海洋资源的开发和海洋环境的保护具有重大意义。

空气排气降噪技术是水下排气降噪技术的基础，常见的空气排气降噪技术主要有被动式、主动式以及半自动式三种。被动式的应用非常广泛，包含阻性消声和抗性消声以及复合消声方式。阻性消声主要是通过增加声音向外传播过程中的阻力以消耗噪声能量，从而达到降低噪声强度的目的，常见的结构为多孔管/板与吸声材料的组合，主要作用频段为中高频段；抗性消声通常设于管路直径突变处，其主要是利用扩张腔让声波产生相位叠加抵消或利用共振腔产生共振来消耗噪声能量，主要作用频段为中低频段。主动式消声技术应用相对较少，主要原理是结合声传感器和声发射器，人为产生与噪声相位相反的声波，利用叠加抵消的原理实现降噪作用，具有较好的降噪效果但结构复杂、成本高。半主动式消声技术主体为被动式消声器的结构，但可以根据排气工况调节气流通路，以实现消声量与流阻的协调优化。

同空气排气过程相比，水下排气过程伴随着复杂的气液两相流场行为，其对外辐射噪声成分复杂，包括气动噪声、边界噪声以及气泡噪声等多种成分，频域覆盖范围极广。现阶段，已有水下排气降噪技术多是基于被动式空气排气降噪方法发展而来，往往考虑在排气管道内设置消声结构，如在排气管路中增设冷却消声器以及喷淋消声器等，这些措施均可以显著降低水下排气过程中的气体脉动噪声，且由于气体冷却、喷淋的作用，边界噪声也会有一定程度的抑制。但由于上述方法对于管道出口处气液两相射流接触状态的改变均较小，其对边界噪声和气泡噪声的抑制是非常有限的，而这些都是水下排气过程辐射噪声的主要成分，因此上述降噪手段在水下排气过程中的使用往往很难达到令人满意的效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于低速气泡流的水下排气降噪装置，以满足柴油机等水下热动力装置在工作过程中排气降噪的需求。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于低速气泡流的水下排气降噪装置，包括从下至上依次设置的气泡消声层、挡板层和破泡层；

所述气泡消声层将上游高速气流转换为低速气泡流，其包括：

主腔室，其顶部开放，相对的内侧壁上分别设置封闭的气体缓冲室，其余空间形成排气消声腔；

多个进气管，设于主腔室外侧壁上，与所述气体缓冲室相通，并将上游高速气流引入所述气体缓冲室进行缓冲；

多孔管，位于排气消声腔内，两端分别连通相对设置的气体缓冲室，且管壁上开设有若干排气孔，上游高速气流经排气孔排入排气消声腔形成低速气泡流；

所述挡板层的腔体内设有对排气消声腔辐射的气泡噪声进行阻挡的挡板；所述挡板上设有多个呈轴对称分布的供排气消声腔内的气泡上浮排出的条形孔；

所述破泡层设有纱网，经挡板层上浮排出的气泡经纱网滤过后破碎变小。

本发明的装置中，多孔管上所有排气孔的流通面积之和大于上游气体主管路截面积，研究表明在相同气体压力、流量下，水下低速气泡流排气过程的排气噪声强度要远低于单孔高速排气，且其排气噪声的频段位于在水中更容易衰减的中、高频段。因此，在空间允许的条件下，采用多孔低速气泡流的排气方式不仅可以显著降低水下排气过程向外辐射噪声的总声压级，还能够使水下排气过程中高强度的低频噪声向在水中容易衰减的中高频段移动，从而有效缩短排气噪声的传播距离，对于边界噪声和气泡噪声均有显著的抑制效果。本发明正是在多孔低速气泡流排气方式的基础上，利用吸声材料等阻性消声方式降低向外传播的噪声强度，并结合机械破泡装置降低气泡直径从而进一步提高气泡噪声的频率，从多方面出发有效降低了水下排气过程中对外辐射的噪声。

作为优选，所述排气消声腔的内壁上贴有阻挡声音向外辐射的消声材料。

作为优选，所述进气管在主腔室两侧的分布呈轴对称；同一侧的进气管等间距分布，且入口设于同一水平线上。管间距等于所述主腔室宽度与所述进气管的数量之比。

作为优选，所述进气管的设置高度高于所述多孔管的高度，以提高气体缓冲室内气体占比，从而高效利用气体缓冲室的空间。

作为优选，所述多孔管为多根，等间距布置，管间距大于3倍管径，从而避免不同多孔管排出气流之间发生相互干扰使得排气噪声进一步增强。

作为优选，所有排气孔的流通面积总和不小于上游高速气流主管路截面积的1.5倍，可以使得排气孔排气速度不超过上游气体主管路气体流速的66.7％，从而优化气体排出后形成的两相流场，有效降低气体流动噪声和管口处边界噪声。

作为优选，排气孔等间距设于多孔管的正对排气消声腔底面的管壁上，如此设置可借助气液两相间密度的差异使气体充满多孔管内的所有空间；排气孔孔径不超过2mm，因而气体经排气孔排出后会产生小直径、高固有频率(在水中容易衰减)的气泡；孔间距大于3倍孔径，以避免不同小孔排气气流相互干扰对降噪效果的降低。

所述排气孔为圆形孔，圆形孔大小相同；每根多孔管上的圆形孔的圆心共线，且与多孔管轴线位于同一竖直平面内。

作为优选，所述多孔管与排气消声腔底面之间的间距大于从排气孔喷出气流的最大穿透深度，避免从排气孔排出的气泡流与排气消声腔底面发生碰撞形成新的噪声源。

挡板层对噪声声波传播过程的阻碍，大大缩短了排气噪声的传播距离。从多孔管排出的大量气泡，经由挡板层上开设的条形孔上升，到达破泡层后被纱网破碎成更小的气泡，进一步使得噪声频率由低频段移向中高频段。

作为优选，所述气泡消声层为长方体型箱体，所述挡板层和破泡层的外壳形状与长方体型箱体适配，通过卡扣固定连接，每层的交界处设有密封圈。

本发明提供的水下排气降噪装置整体外形为长方体，挡板层和破泡层的外壳为上下贯通的长方体，挡板层的中部固定有一水平挡板，破泡层的顶面固定有一层纱网，纱网的孔径应不超过3mm。

所述破泡层、挡板层和气泡消声层之间可拆卸密封连接，本领域技术人员可根据实际情况更换相应的破泡层、挡板层或气泡消声层。

本发明具备的有益效果：

本发明提供的基于低速气泡流的水下排气消声装置，利用流通面积较大的多孔管，将水下高流速的大孔径排气气流转换为较低流速的多个小孔排气气流，从而大幅降低排气噪声强度，还会使得水下排气过程中富集在低频段的噪声能量向在水中容易衰减的中高频段移动，从而有效缩短了排气噪声的传播距离。其次，通过消声腔室内壁的消声材料以及挡板，增加主要噪声源处声波向外传递的阻力，可以降低噪声的强度。再次，顶部的纱网将由于上升而变大的气泡进一步变小，可以起到提高气泡噪声的频率从而进一步缩短其传播距离的效果。

通过以上各种结构的组合作用，本发明提供的消声装置对10～5000Hz频率范围内的噪声均具有较好的降噪作用，其总的最佳降噪效果可达10dB以上，即总声强降低为原声强的31.6％以下，其中10-300Hz低频段噪声能量占总噪声能量的平均比例由87.6％降至75.3％，相应300-5000Hz中高频段噪声能量平均占比则由12.4％升至24.7％，即中高频能量占比增加了接近一倍，噪声能量从低频段有效地移向更易在水中衰减的中高频段。

最后，整个装置结构简单、对密封性的要求不高，因此具有容易加工以及通用性强等特点。

附图说明

图1是本发明提供的基于低速气泡流的水下排气消声装置的正三轴测图。

图2是图1所示实施例的装配爆炸图。

图3是图1所示实施例中气泡消声层的正等测图。

图4是图1所示实施例中气泡消声层的剖视图。

图5是图1所示实施例中挡板层的俯视图。

图6是图1所示实施例的装配俯视图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步描述。

如图1和图2所示，本实施例提供了一种基于低速气泡流的箱式多层结构水下排气降噪装置，包括从下至上依次设置的气泡消声层1、挡板层2和破泡层3；

如图3和图4所示，气泡消声层1为长方体型箱体，主体结构呈左右对称，包括顶部开放的主腔室11，其相对的左右内侧壁上分别设置有封闭的气体缓冲室12，其余空间形成排气消声腔13，排气消声腔13的顶面为开口，排气消声腔13的侧壁及底面均贴有消声材料。

主腔室11的左右两外侧壁上分别设有多个进气管14，分别与同侧的气体缓冲室12相连通，进气管14的另一端与水下热动力装置的排气系统连通，可将上游高速气体引入气体缓冲室12进行缓冲。同一侧的进气管14等间距分布，且入口设于同一水平线上。管间距等于主腔室11宽度与进气管14的数量之比。

排气消声腔13的腔体内设有多个等间距布置的多孔管15，多孔管15的两端分别连通两个气体缓冲室12，管间距大于三倍管径。多孔管15的正对排气消声腔13底面的管壁上开设有若干等间距布置的排气孔151，排气孔151为大小相同的圆形孔，孔径不超过2mm，孔间距大于三倍孔径，每根多孔管上的圆形孔的圆心共线，且与多孔管轴线位于同一竖直平面内。所有排气孔151的流通面积总和不小于上游高速气体主管路截面积的1.5倍。

多孔管15与排气消声腔13的底面之间的间距大于从排气孔151喷出气流的最大穿透深度。进气管14的设置高度高于多孔管15的高度。

挡板层2与气泡消声层1的顶部配合，挡板层2具有与长方形箱体适配的上下贯通的长方体外壳21，外壳21的中部固定有一层挡板22，且档板22上设有多个大小不完全一致的条形孔221，条形孔221呈轴对称分布，如图5所示。

破泡层3与挡板层2的顶部配合，破泡层3的外壳的主体形状与挡板层2相似，其顶面固定有一层纱网31，如图6所示，纱网31的孔径应不超过3mm，否则不能起到有效的破泡效果。

安装时，将已经加工好的气泡消声层1、挡板层2以及破泡层3按照由下至上的顺序通过固定在各层外侧的卡扣4进行可拆卸的连接，层与层之间垫有橡胶垫片5以避免气体从层间缝隙逸出，并将位于气泡消声层1左右两侧的进气管14与上游高速气体主管路连接。

本实施例提供的水下排气降噪装置的工作方式如下：

正常工作工况下，上游高速气体经过两侧的进气管14分别进入两个气体缓冲室12，在短时间的缓冲过程之后进入多孔管15，并从管壁上具有较大流通面积的多个排气孔151排出，从而由大孔径气体主管路中高流速排气气流转换为较低流速的多个小孔排气气泡流，由于多孔管15和排气孔151的间距均大于其自身尺寸的3倍，因此不同的气泡流之间不会相互干扰，从而使得排气噪声强度有较大程度的降低，且其频率由低频段移向在水中容易衰减的中高频段；又由于排气孔151与排气消声腔13底面之间的距离大于排气控151排出气泡流的最大穿透深度，因此不会由于气泡流与壁面相互作用而产生新的声源，再加上排气消声腔13内壁的消声材料以及挡板层2对噪声声波传播过程的阻碍，大大缩短了排气噪声在水中的传播距离；从多孔管15排出的大量气泡，经由挡板层2上开设的条形孔221上升，到达破泡层3后被纱网31破碎成更小的气泡，这同样可以使得噪声频率由低频段移向中高频段。总的来说，整个装置通过提高噪声频率以及阻碍噪声传播的方法，在缩短噪声传播距离的同时又降低了向外传播的噪声的强度，可以有效降低水下排气过程中对外辐射的噪声强度。

具体地，气泡消声层1左右两侧各设置3个内径为12mm的进气管，排气消声腔13的腔体内设有5个等间距水平布置的多孔管15，管壁上开设有30个等间距布置的排气孔151，孔径为2mm，可将大孔径的气体主管路中高流速的排气气流转换为较低流速的多个小孔排气气流。从多孔管15排出的大量气泡，经由挡板层2上开设的条形孔221上升，到达破泡层3后被孔径为3mm的纱网31破碎成更小的气泡。相比于同样流量下与主管路内径相同的单个管道水下直接排气过程，经过上述一系列降噪结构组合排出的气流，其排气噪声的总强度最佳降低幅度可达10dB以上，即噪声总能量降低为原来的31.6％以下；且10-300Hz低频段噪声能量占总噪声能量的平均比例由87.6％降至75.3％，相应300-5000Hz中高频段噪声能量平均占比则由12.4％升至24.7％，即中高频能量占比增加了接近一倍，这说明本发明可以大幅降低水下排气噪声，并将噪声能量从低频段有效地移向更易在水中衰减的中高频段。

尽管上面结合附图和实施例对本发明技术进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于低速气泡流的水下排气降噪装置，其特征在于，包括从下至上依次设置的气泡消声层、挡板层和破泡层；

所述气泡消声层将上游高速气流转换为低速气泡流，其包括：

主腔室，其顶部开放，相对的内侧壁上分别设置封闭的气体缓冲室，其余空间形成排气消声腔；

多个进气管，设于主腔室外侧壁上，与所述气体缓冲室相通，并将上游高速气流引入所述气体缓冲室进行缓冲；

多孔管，位于排气消声腔内，两端分别连通相对设置的气体缓冲室，且管壁上开设有若干排气孔，上游高速气流经排气孔排入排气消声腔形成低速气泡流；

所述挡板层的腔体内设有对排气消声腔辐射的气泡噪声进行阻挡的挡板；所述挡板上设有多个呈轴对称分布的供排气消声腔内的气泡上浮排出的条形孔；

所述破泡层设有纱网，经挡板层上浮排出的气泡经纱网滤过后破碎变小。

2.如权利要求1所述的基于低速气泡流的水下排气降噪装置，其特征在于，所述排气消声腔的内壁上贴有阻挡声音向外辐射的消声材料。

3.如权利要求1所述的基于低速气泡流的水下排气降噪装置，其特征在于，所述进气管在主腔室两侧的分布呈轴对称；同一侧的进气管等间距分布，且入口设于同一水平线上。

4.如权利要求1所述的基于低速气泡流的水下排气降噪装置，其特征在于，所述进气管的设置高度高于所述多孔管的高度。

5.如权利要求1所述的基于低速气泡流的水下排气降噪装置，其特征在于，所述多孔管为多根，等间距布置，管间距大于三倍管径。

6.如权利要求1所述的基于低速气泡流的水下排气降噪装置，其特征在于，所有排气孔流通面积总和不小于上游高速气流主管路截面积的1.5倍。

7.如权利要求1所述的基于低速气泡流的水下排气降噪装置，其特征在于，所述排气孔等间距设于多孔管的正对排气消声腔底面的管壁上，孔径不超过2mm，孔间距大于三倍孔径。

8.如权利要求7所述的基于低速气泡流的水下排气降噪装置，其特征在于，所述多孔管与排气消声腔底面之间的间距大于从排气孔喷出气流的最大穿透深度。

9.如权利要求1所述的基于低速气泡流的水下排气降噪装置，其特征在于，所述气泡消声层为长方体型箱体，所述挡板层和破泡层的外壳形状与长方体型箱体适配，通过卡扣固定连接，每层的交界处设有密封圈。