CN111189526A - 一种特定船坞中船舶水下辐射噪声测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种特定船坞中船舶水下辐射噪声测量装置及测量方法。首先船舶以系泊的方式固定于船坞中，船尾朝向坞门出口，水听器阵列布放于船体两侧位置；然后船舶保持测试工况下的稳定运行状态，水听器测量船舶工作情况下的空间平均声压级，并根据船坞水池校准获得的修正量，得到船舶水下辐射噪声的声功率级。本发明方法是首次公开报道实现在船坞中测量船舶水下辐射噪声的方法。本发明方法的益处在于：在船坞中完成船舶水下辐射噪声的测量，实现了船舶辐射噪声的全频段窄带测量。本发明测量方法便于实现，测量方便，非常适合用于船舶在设计过程中的减振降噪技术测试以及用于船舶水下辐射噪声的测量评价。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种水声测量装置，本发明也涉及一种基于水声测量装置的测量方法。具体涉及一种特定船坞中船舶水下辐射噪声测量系统和测量方法。
背景技术
船舶水下辐射噪声测量是船舶的减振降噪中至关重要的环节。目前，船舶水下辐射噪声的测量标准要求在深海中进行，其测试方法是根据声波在自由场中球面波扩展规律而展开的。这种测试方法很难实现，原因是我国周边海域为浅海大陆架，受浅海波导效应影响，而且海洋测试环境海洋环境噪声影响较大，造成测量误差较大。
截止目前，国内外已经颁布的船舶水下辐射噪声测量标准或规范：美国标准学会发布的“ANSI S-12.64”，挪威船级社发布的“RULES FOR CLASSIFICATION OF DET NORSKEVERITAS AS Ships PART 6 CHAPTER 24”，国际标准化组织发布的“ISO/PAS 17208-1”，法国船级社发布的“NR 614 DT R01E”。国内目前船舶辐射噪声测量主要应用的是：标准GJB273A-96，中国船级社发布的“船舶水下辐射噪声测试指南2018”。以上的标准和规范文件提到的方法均为船舶辐射噪声的自由场测量方法，与本发明的混响场测量方法在测量声学环境和声学原理上有本质区别。
船坞是船舶修造的建筑，在具备良好声学测试条件的船坞中进行船舶水下噪声测量是很好的方式。从声学角度，船坞是声的封闭空间，声波在坞墙、坞底和水面之间不断的反射，构成了一个封闭空间声场。从水动力角度，通过船坞的外循环系统能够使船舶具有接近开阔水域的伴流场及接近船舶正常巡航状态下的声辐射。由于目前的水下材料的吸声能力远不能满足自由场环境的设计性能，在船坞中构建自由场条件是难以实现的，因此在船坞中构建符合水动力测试的非消声水池声场是船舶辐射噪声测试的最佳选择。
非消声水池中，基于空间平均技术可解决不满足扩散场条件的水下复杂声源辐射声功率测量问题，该方法可推广至船坞水池，只是对船舶系锚、导流以及空间平均方式需要根据船坞水池的特点进行专门设计。与本发明方法相类似的对比文件1：《一种在置于空气中的矩形混响水槽内测量水下声源低频辐射声功率的方法》(CN104501938A)，本发明与对比文件1同为水下封闭空间的一种测量方法，不同之处是：对比文件1采用的是小水箱，测量的是小型水下声源在截止频率以下的低频段的辐射声功率，采用空间扫描平均方式。对比文件1中未提到对于船舶这类大型结构声源具备机械噪声和水动力噪声条件下的辐射噪声测量。与本发明方法相类似的对比文件2：《一种利用混响水池进行水声换能器互易校准的方法》(CN106501795A)，同样是利用混响水池理论的测试方法，不同之处是对比文件2中采用的空间平均技术为换能器和水听器扫描式的方法来完成小尺度水声换能器的校准工作，而该方法不能对船舶这样大型设备的“空间无序扫描移动”，并且对比文件2中为电学量的测量，本发明则是声学参数测量，本发明还进行了水听器的固定式防流设计，以降低水听器水动力噪声，提高测试精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够实现船舶辐射噪声的全频段窄带测量的特定船坞中船舶水下辐射噪声测量装置。本发明的目的还在于提供一种测量方便，适合用于船舶在设计过程中的减振降噪技术测试以及用于船舶水下辐射噪声测量评价的基于特定船坞中船舶水下辐射噪声测量装置的测量方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明的特定船坞中船舶水下辐射噪声测量装置包括船坞，在船坞中布置有水听器阵列，所述的水听器阵列为垂直阵、以固定阵的形式布放于船坞中，水听器阵列分布于被测船体两侧、与船体的最短距离不少于测试对低频率波长的一半。
本发明的特定船坞中船舶水下辐射噪声测量装置还可以包括：
1.所述的水听器阵列每个阵元间距为测试频段对应最大波长的1/4或1m中的最小值；阵列水平间距不小于测试频段对应最大波长的1/4，水听器总数目不少于250个。
2.水听器阵采用防流透声材料包裹。
基于本发明的特定船坞中船舶水下辐射噪声测量装置的测量方法为：
步骤一：船舶由坞门驶入船坞中，以系泊的方式固定，船舶的尾部螺旋桨朝向船坞的坞门，船舶水线以下长度不超过船坞长度的2/3，船舶水线以下宽度不超过船坞宽度的2/3，船舶吃水深度不超过船坞水深的1/2；
步骤二：水听器阵列为垂直阵以固定阵的形式布放于船坞中，水听器阵列分布于船体两侧，与船体的最短距离不少于测试对低频率波长的一半，调试水听器阵列姿态保持垂直稳定；
步骤三：船坞声场校准；
步骤四：根据测试工况，船舶设备正常开启或运行；
步骤五：船舶设备正常开启或运行，数据采集设备开始记录水听器测量的声波信号；
步骤六：对每个水听器测量声波信号做功率谱的平均，再对所有平均后的水听器功率谱取平均，将平均后的声功率转化为声压表示，即为声场空间平均声压级。
本发明的测量方法还可以包括：
1.水听器阵列每个阵元间距为测试频段对应最大波长的1/4或1m中的最小值；阵列水平间距不小于测试频段对应最大波长的1/4，水听器总数目不少于250个。
2.所述的船坞声场校准是校准船舶进坞后的声场特性变化情况，通过船坞混响时间测量来对声场参数进行校准，所述的混响时间测量中声源在船舶的周围至少8个位置，由水听器阵测量声场平均声压的衰减曲线计算，根据混响时间计算声场的修正量。
3.声场的修正量是指声场空间平均声压级<SPL>与自由场平均声功率级SWL之间的差值10lg(4/R)，表示为：
式中，R为房间常数，其值只与船坞的物理特性有关，其表达式表示为船坞内水的容积V，船舶水线以下的船壳与船坞壁面的总面积S，和水中声速c0的函数为：
4.步骤五中，测试信号满足不小于5dB的信噪比；对于稳态工作的情况，在设备稳定工作后数据采集设备记录声信号不小于1分钟。
本发明作为首次提出的在船坞中实现船舶水下辐射噪声测量的方法，有益效果是：本发明是一种用于大型特定船坞的船舶水下辐射噪声测量方法；本发明方法特指的大型特定船坞是指对大型船舶辐射噪声的船坞内测试，船坞内具备测量水听器阵列，具备船舶螺旋桨运行中尾流的外循环系统；本发明方法中水听器的固定式防流处理能够降低流噪声影响，提高测量精度；本发明中提到的250个水听器测试精度可达±1dB范围，当水听器数目不足时，本发明方法依然适用仅测试精度会略有降低。
附图说明
图1是本发明的特定船坞中船舶水下辐射噪声测量方法的流程图。
图2是船舶辐射声功率计算方法流程图。
图3是船舶系泊与水听器布放示意图。
图4是特定船坞中船舶水下辐射噪声测量装置示意图。
图5是图4的俯视图。
具体实施方式
本发明的特定船坞中船舶水下辐射噪声测量的装置及基于该装置的测量方法，包含以下步骤：
步骤一：船舶由坞门驶入船坞1中，以系泊的方式固定。船舶的尾部螺旋桨朝向船坞的坞门2，船舶水线以下长度不超过水池长度的2/3，船舶水线以下宽度不超过水池宽度的2/3，船舶吃水深度不超过水池水深的1/2。
步骤二：用于空间平均测量的水听器阵列为垂直阵以固定阵的形式布放于船坞中。水听器阵列分布于船体两侧，与船体的最短距离不少于测试对低频率波长的一半，调试水听器阵列姿态保持垂直稳定。
所述的步骤二中，水听器阵3以垂直阵的方式布局，每个阵元间距可取测试频段对应最大波长的1/4或1m中的最小值；阵列水平间距不小于测试频段对应最大波长的1/4，水听器总数目不少于250个。
所述的步骤二中，水听器阵采用防流透声材料包裹，材料具备较弱水流冲击，并具备透声能力，防流处理。
步骤三：船坞声场校准。船坞的声场校准主要是校准船舶进坞后的声场特性变化情况，通过船坞混响时间测量来对声场参数进行校准。混响时间的测量中要求声源在船舶的周围至少8个位置，由水听器阵测量声场平均声压的衰减曲线计算。根据混响时间计算声场的修正量。
所述的步骤三中，声场的修正量是指声场空间平均声压级<SPL>与自由场平均声功率级SWL之间的差值10lg(4/R)，表示为：
式中，R为房间常数，其值只与船坞的物理特性有关，其表达式表示为船坞内水的容积V，船舶水线以下的船壳与船坞壁面的总面积S，和水中声速c0的函数为：
步骤四：根据测试工况，船舶设备正常开启或运行。
所述的步骤四中，本发明方法的测试工况的类型可包含：船舶机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声。
所述的步骤四中，本发明方法的测试工况的设备运行方式可包含：船舶内部单机运行、多台设备的组合运行和整机运行。例如：主机单独运行、主机与辅机同时运行和包括推进系统、电力系统等在内的所有船舶系统整机运行。
所述的步骤四中，船舶设备正常运行是指对于能够稳定运行的设备，例如：辅机正常稳定工作，要求这类设备能够稳定地运行在一分钟以上
步骤五：船舶设备正常开启或运行，数据采集设备开始记录水听器测量的声波信号。
所述的步骤五中，测试信号应满足不小于5dB的信噪比要求。
所述的步骤五中，对于稳态工作的情况，在设备稳定工作后数据采集设备记录声信号不小于1分钟。
步骤六：对每个水听器测量声波信号做功率谱的长时间平均，再对所有平均后的水听器功率谱取平均，将平均后的声功率转化为声压表示，即为声场空间平均声压级。
进一步，所述的步骤六中，根据声场空间平均声压级和声场修正量即可得到船舶水下辐射噪声的自由场平均声功率级。
下面举例对本发明做更详细的描述：
实施例1：特定船坞中船舶水下辐射机械噪声测量
实施例的测试方法步骤结合图1和图2，使用的船坞类型如图3。
船坞注水，船舶进坞。船首预留1/3船长的空间，船舶停泊于船坞横向的中心位置，船尾朝向船坞的外循环管路入口，船舶系泊。关闭坞门，坞内注水使水位达到船舶吃水深度的两倍。
水听器阵采用32元垂直阵列，阵列的最上端水听器距离水面的距离为测试最低频率波长的1/4，阵列的最底端水听器距离坞底的距离为测试最低频率波长的1/4。水听器阵布放与船首位置，距离船首的距离为测试最低频率波长的1/2。阵列的中部的水听器位置等分。共使用8条水听器阵，合计256个水听器。每4条阵列以测试最低频率波长的1/4的间距构成一条面阵，两条面阵分别沿船坞内壁布放，距离船坞内壁为测试最低频率波长的1/4。
水听器阵采用纤维尼龙布包裹，亦可采用其它防流透声材料。
采用标准声源分别在船坞周围以45度等分间隔位置，根据中断声源法测量的测量原理，利用水听器阵，测量声场的空间平均声压衰减曲线得到声场的混响时间。利用混响时间得到声场的修正量。
根据测试工况，船舶设备正常开启或运行。本实施例中辅机开启，主机等其它设备处于关闭状态。
辅机稳定工作一段时间后，由数据采集设备开始记录水听器阵测量的声场声压时域信号，时长1分钟。
之后数据采集设备停止记录，辅机停止工作。
将256个水听器测量的声信号，分别做功率谱计算，并对测试时长内的功率谱做平均。针对256个水听器时间平均后的功率谱信号取平均，得到所有阵元测量空间平均声功率级。之后，根据声功率与声压幅值之间的平方关系，转化为声场空间平均声压级。
根据结合公式(1)，由声场空间平均声压级和船坞水池的声场修正量计算船舶的水下辐射噪声自由场平均声功率级。
进一步，开启船舶主机，辅机等处于关闭状态，重复船舶辐射噪声时域信号测量及其以下的测量步骤，即可得到主机开启工况下的船舶水下辐射噪声自由场平均声压级。
再进一步的，通过开启不同船舶设备的单独工作，或者开启不同船舶设备的组合工作，测量船舶的水下辐射噪声。
本实施例中是测量船舶机械噪声的一个案例。
本实施例不仅是对船舶在不同工况下的辐射噪声的测量和评价，识别辐射噪声的特性，也是对通过不同工况的对比，实现噪声源的识别和诊断。
实施例2：特定船坞中船舶螺旋桨噪声测量
结合发明内容，步骤一、二、三、四步在实施上与实施例1相同。
船舶螺旋桨运行，形成的尾流由外循环管路的入口，进入外循环管路系统，待达到螺旋桨运行达到设定转速或航速，保持稳定运行一段时间，水循环达到稳定状态，水听器开始测量。
继续进行步骤的五、六步。
本实施例上测量船舶螺旋桨噪声的一个案例，同样适用于船舶水动力噪声的测量
本发明的一种特定船坞中船舶水下辐射噪声测量方法，基于混响水池法对大型船坞中船舶机械噪声、螺旋桨噪声的水动力噪声进行测量，实现船舶辐射噪声的测量和评价、减振降噪技术中的噪声源识别与诊断。
本发明方法实现了大型船舶的水下辐射噪声在船坞中的测量，是一种测试效率高，测量精度高的方法。
Claims (8)
1.一种特定船坞中船舶水下辐射噪声测量装置，包括船坞，其特征是：在船坞中布置有水听器阵列，所述的水听器阵列为垂直阵、以固定阵的形式布放于船坞中，水听器阵列分布于被测船体两侧、与船体的最短距离不少于测试对低频率波长的一半。
2.根据权利要求1所述的特定船坞中船舶水下辐射噪声测量装置，其特征是：所述的水听器阵列每个阵元间距为测试频段对应最大波长的1/4或1m中的最小值；阵列水平间距不小于测试频段对应最大波长的1/4，水听器总数目不少于250个。
3.根据权利要求1会2所述的特定船坞中船舶水下辐射噪声测量装置，其特征是：水听器阵采用防流透声材料包裹。
4.一种基于特定船坞中船舶水下辐射噪声测量装置的测量方法，其特征是：
步骤一：船舶由坞门驶入船坞中，以系泊的方式固定，船舶的尾部螺旋桨朝向船坞的坞门，船舶水线以下长度不超过船坞长度的2/3，船舶水线以下宽度不超过船坞宽度的2/3，船舶吃水深度不超过船坞水深的1/2；
步骤二：水听器阵列为垂直阵以固定阵的形式布放于船坞中，水听器阵列分布于船体两侧，与船体的最短距离不少于测试对低频率波长的一半，调试水听器阵列姿态保持垂直稳定；
步骤三：船坞声场校准；
步骤四：根据测试工况，船舶设备正常开启或运行；
步骤五：船舶设备正常开启或运行，数据采集设备开始记录水听器测量的声波信号；
步骤六：对每个水听器测量声波信号做功率谱的平均，再对所有平均后的水听器功率谱取平均，将平均后的声功率转化为声压表示，即为声场空间平均声压级。
5.根据权利要求4所述的基于特定船坞中船舶水下辐射噪声测量装置的测量方法，其特征是：水听器阵列每个阵元间距为测试频段对应最大波长的1/4或1m中的最小值；阵列水平间距不小于测试频段对应最大波长的1/4，水听器总数目不少于250个。
6.根据权利要求5所述的基于特定船坞中船舶水下辐射噪声测量装置的测量方法，其特征是：所述的船坞声场校准是校准船舶进坞后的声场特性变化情况，通过船坞混响时间测量来对声场参数进行校准，所述的混响时间测量中声源在船舶的周围至少8个位置，由水听器阵测量声场平均声压的衰减曲线计算，根据混响时间计算声场的修正量。
7.根据权利要求6所述的基于特定船坞中船舶水下辐射噪声测量装置的测量方法，其特征是：声场的修正量是指声场空间平均声压级<SPL>与自由场平均声功率级SWL之间的差值10lg(4/R)，表示为：
式中，R为房间常数，其值只与船坞的物理特性有关，其表达式表示为船坞内水的容积V，船舶水线以下的船壳与船坞壁面的总面积S，和水中声速c0的函数为：
8.根据权利要求4所述的基于特定船坞中船舶水下辐射噪声测量装置的测量方法，其特征是：步骤五中，测试信号满足不小于5dB的信噪比；对于稳态工作的情况，在设备稳定工作后数据采集设备记录声信号不小于1分钟。
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