CN113051663A - 一种管路系统振动噪声评估装置及评估方法 - Google Patents

一种管路系统振动噪声评估装置及评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种管路系统振动噪声评估装置及评估方法，所述系评估方法包括：S1、构建管路系统模型，包括振动噪声源子模型、振动噪声响应子模型；S2、基于噪声源子模型，测量泵、阀运行时的振动、噪声数据；S3、获取管路系统中各子结构的阻抗特性；S4、基于阻抗特性，分别求解各子结构的振动、噪声响应；S5、基于泵、阀的振动、噪声数据，以及各子结构的振动、噪声响应，获取泵、阀到各待评估子结构的振动、噪声传递函数；S6、改变工况，测得泵、阀的振动、噪声数据，通过振动、噪声传递函数计算待评估子结构的振动加速度和声压。本发明能够对不同工况下管路系统中各子结构振动、噪声进行快速准确评估，实施过程简单。

Description

一种管路系统振动噪声评估装置及评估方法
技术领域
本发明涉及船舶减振降噪技术领域，特别是涉及一种管路系统振动噪声评估装置及评估方法。
背景技术
随着舰船技术的迅猛发展，对舰船的隐蔽性要求越来越高。通海管路系统作为舰船的重要组成部分，在其运行过程中，产生的水噪声随着管路向外辐射，极大降低了舰船的隐蔽性。因此，对舰船管路系统的振动噪声水平进行评估，为管路系统的低噪声设计提供技术支撑显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种管路系统振动噪声评估装置及评估方法，以解决现有技术中存在的技术问题，能够对不同工况下管路系统中各子结构振动、噪声进行快速准确评估，实施过程简单。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种管路系统振动噪声评估装置，包括模型构建模块、噪声源获取模块、阻抗获取模块、振动噪声响应获取模块、振动噪声评估模块；
所述模型构建模块用于构建管路系统模型；所述管路系统模型包括振动噪声源子模型、振动噪声响应子模型；
所述噪声源获取模块基于所述振动噪声源子模型获取泵、阀的振动、噪声数据；
所述阻抗获取模块基于所述振动噪声源子模型、振动噪声响应子模型，分别获取管路系统中各子结构的阻抗特性；
所述振动噪声响应获取模块根据所述阻抗获取模块获取的管路系统中各子结构的阻抗特性，分别求解管路系统中各子结构的振动、噪声响应；
所述振动噪声评估模块根据所述噪声源获取模块所获取的泵、阀的振动、噪声数据、所述振动噪声响应获取模块所获取的管路系统中各子结构的振动、噪声响应，获取泵、阀到各待评估子结构的振动、噪声传递函数，基于不同工况下的泵、阀的振动、噪声数据，以及所述振动、噪声传递函数，完成管路系统中各子结构振动和噪声的评估。
优选地，所述振动噪声源子模型基于管路系统中的泵、阀结构进行构建；所述振动噪声响应子模型基于管路系统中的其他待评估子结构进行构建。
优选地，所述振动噪声响应获取模块采用阻抗-导纳法求解管路系统中各子结构的振动、噪声响应。
本发明还提供一种管路系统振动噪声评估方法，包括如下步骤：
S1、基于管路系统中的各子结构，构建管路系统模型；所述管路系统模型包括振动噪声源子模型、振动噪声响应子模型；
S2、基于噪声源子模型，测量泵、阀运行时的振动、噪声数据；
S3、获取管路系统中各子结构的阻抗特性；
S4、基于管路系统中各子结构的阻抗特性，分别求解管路系统中各子结构的振动、噪声响应；
S5、基于泵、阀的振动、噪声数据，以及管路系统中各子结构的振动、噪声响应，获取泵、阀到各待评估子结构的振动、噪声传递函数；
S6、改变工况，重复步骤S2测得泵、阀的振动、噪声数据，通过步骤S5中得到的振动、噪声传递函数计算待评估子结构的振动加速度和声压，完成管路系统中各子结构的振动、噪声评估。
优选地，所述步骤S1中，所述振动噪声源子模型基于管路系统中的泵、阀结构进行构建；所述振动噪声响应子模型基于管路系统中的其他待评估子结构进行构建。
优选地，所述步骤S2中，所述噪声数据的测量采用两声源法、两负载法中的一种。
优选地，所述步骤S3中，分别采用实验测试方法、理论计算方法、有限元分析方法获取管路系统中各子结构的阻抗特性。
优选地，所述步骤S4中，采用阻抗-导纳法分别求解管路系统中各子结构的振动、噪声响应。
本发明公开了以下技术效果：
(1)本发明将泵、阀作为作为振动、噪声源，通过阻抗/声阻抗描述振动、噪声源与管路系统中其他子结构的振动、噪声传递特性，实现了管路系统的简化，且通过振动、噪声源与管路系统中其他子结构的振动、噪声传递特性，能够通过测试不同工况下泵、阀的振动、噪声数据，实现不同工况下管路系统中各子结构振动、噪声的快速准确评估，无需求解复杂的方程组，实施过程简单；
(2)本发明在获取管路系统各子结构的阻抗特性时，综合采用了实验测量、理论计算和有限元分析，相比与只采用实验测量的方法，本发明实施简单，同时保证了评估结果的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明管路系统振动噪声评估装置结构示意图；
图2为本发明管路系统振动噪声评估方法流程图；
图3为本发明实施例中两声源法测量噪声数据的有源双端口理论模型结构示意图；
图4为本发明实施例中通过两声源法测泵的噪声数据的结构示意图；
图5为本发明实施例中管路系统振动与声预报的阻抗-导纳综合法示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图1所示，本实施例提供一种管路系统振动噪声评估装置，包括：模型构建模块、噪声源获取模块、阻抗获取模块、振动噪声响应获取模块、振动噪声评估模块；
所述模型构建模块用于构建管路系统模型；所述管路系统模型包括振动噪声源子模型、振动噪声响应子模型；所述振动噪声源子模型基于管路系统中的泵、阀结构进行构建；所述振动噪声响应子模型基于管路系统中的其他待评估子结构进行构建，例如，管段、挠性软管、消声器、支脚；
所述噪声源获取模块基于所述振动噪声源子模型获取泵、阀的振动、噪声数据；
所述阻抗获取模块基于所述振动噪声源子模型、振动噪声响应子模型，分别获取管路系统中各子结构的阻抗特性；
所述振动噪声响应获取模块根据所述阻抗获取模块获取的管路系统中各子结构的阻抗特性，采用阻抗-导纳法分别求解管路系统中各子结构的振动、噪声响应；
所述振动噪声评估模块根据所述噪声源获取模块所获取的泵、阀的振动、噪声数据、所述振动噪声响应获取模块所获取的管路系统中各子结构的振动、噪声响应，获取泵、阀到各待评估子结构的振动、噪声传递函数，基于不同工况下的泵、阀的振动、噪声数据，以及所述振动、噪声传递函数，完成管路系统中各子结构振动和噪声的评估。
参照图2所示，本实施例提供一种管路系统振动噪声评估方法，具体包括如下步骤：
S1、基于管路系统中的各子结构，构建管路系统模型；
所述管路系统模型包括振动噪声源子模型、振动噪声响应子模型；所述振动噪声源子模型基于管路系统中的泵、阀结构进行构建；所述振动噪声响应子模型基于管路系统中的其他待评估子结构进行构建，例如，管段、挠性软管、消声器、支脚；通过将泵、阀作为振动源和噪声源，用阻抗/声阻抗描述管路系统中其他子结构的振动、噪声传递特性，以达到简化管路系统、获取理论模型的目的。
S2、基于噪声源子模型，测量泵、阀运行时的振动、噪声数据；
本实施例中，振动数据的测量参考ISO9611；噪声数据的测量采用两声源法、两负载法中的一种；
两声源法测量噪声数据的具体方法包括：
在声学元件尺寸远小于声波波长的情况下，将噪声源看作为位于泵的进出口两端口之间的一个点，以进、出端口声压P和体积速度Q为状态变量，建立有源双端口理论模型，如图3所示；
图3中，Pi和Qi为声源入口端声压和体积振速，Po和Qo为声源出口端声压和体积振速，Psi和Pso为声源在入口和出口的声压，用阻抗矩阵表示为：
Figure BDA0002976937830000071
其中，
Figure BDA0002976937830000072
为被动源参数，
Figure BDA0002976937830000073
为主动源参数，由于线性互易性，有Z12＝Z21。对于某些对称的无噪声源管路元件，Psi＝Pso＝0，同时，Z11＝Z22。
本实施例中，通过两声源法测泵的噪声数据的方法具体包括：
首先，在待测泵的两端均布置两个水听器和一个外加声源，如图4所示；
其次，开启泵入口端的第一外加声源；此时泵不运转，记录四个水听器的声压信号
Figure BDA0002976937830000074
再次，开启泵出口端的第二外加声源，记录四个水听器的声压信号
Figure BDA0002976937830000075
最后，根据测得的8个声压信号，通过阻抗矩阵计算泵的被动源参数，即声阻抗；
Figure BDA0002976937830000076
其中，Pi (1)、Po (1)、Pi (2)、
Figure BDA0002976937830000077
分别表示两次测量的水泵入口端和出口端的声压，
Figure BDA0002976937830000078
分别表示两次测量的水泵入口端和出口端的体积振速,可由测得的8个声压信号表示：
Figure BDA0002976937830000081
Figure BDA0002976937830000082
Figure BDA0002976937830000083
Figure BDA0002976937830000084
其中,n＝1，2，c表示介质声速，ρ表示介质密度，
Figure BDA0002976937830000085
f表示频率，j表示虚数单位，l1、l2、l3和l4分别表示四个水听器距泵的入口/出口的距离，Si、So表示进出口横截面积。由此可以计算出泵的被动源特性参数
Figure BDA0002976937830000086
进一步关闭外加声源，开启待测泵，测得4个水听器声压信号
Figure BDA0002976937830000087
并结合计算得到的泵的声阻抗矩阵，可计算得到泵的主动源特性参数Psi和Pso：
Figure BDA0002976937830000088
至此，泵的主动源特性参数和被动源特性参数均通过测量计算获得。
S3、获取管路系统中各子结构的阻抗特性；
本实施例中，对于泵、阀结构，采用实验测试方法获取阻抗特性；对于直管结构，采用理论计算方法获取阻抗特性；对于弯管结构，采用三维有限元软件计算得到阻抗特性。采用理论计算方法获取直管结构的阻抗特性如下式所示：
Figure BDA0002976937830000091
Z21＝-Z12,Z22＝-Z11
式中，
Figure BDA0002976937830000092
为被动源参数，j表示虚数单位，ρc为直管结构的介质特性阻抗，S为直管结构的截面积，k为波数，l为管长。
S4、基于管路系统中各子结构的阻抗特性，采用阻抗-导纳法分别求解管路系统中各子结构的振动、噪声响应。
如图5所示，管路系统包括10个节点，分别为1～10号节点。
首先仅考虑管路中的振动传递，将管路系统划分为一系列的管路单元；其中与1、6、9～10号节点连接的弯管、直管和挠性接管都是用阻抗矩阵来表示其振动传递特性，在这些节点可以直接通过阻抗矩阵的相互叠加获得总阻抗矩阵。这一过程同有限元法中的总刚度矩阵的组装过程类似。由于水泵的传递特性是用导纳矩阵表示，与其相连的单元一般是用阻抗矩阵表示，水泵所在的2～5号节点不能通过阻抗矩阵的相互叠加来获得总阻抗矩阵。在2～5号节点，水泵与管道、隔振器之间的相互作用力是平衡的：
Figure BDA0002976937830000093
其中：p为节点标号，p＝2,3,4,5；
Figure BDA0002976937830000094
是水泵节点p上受到的作用力，该力即Fp；
Figure BDA0002976937830000095
是节点p上管道或隔振器受到的作用力，在2号与5号节点，
Figure BDA0002976937830000096
用节点的速度分别表示为：
Figure BDA0002976937830000097
其中：Z22、Z21、Z55、Z56分别是2号节点、5号节点处，管路单元的输入与传递阻抗矩阵；v1、v2、v5、v6分别为1、2、5、6号节点的速度。
在3、4号节点，
Figure BDA0002976937830000101
分别表示为：
Figure BDA0002976937830000102
其中，z3，z4分别为3号节点、4号节点(即水泵机脚隔振器)的输入阻抗，v3、v4分别为3、4号节点的速度。
根据上式得到：
Figure BDA0002976937830000103
其中，I为6阶单位矩阵，上标L、R分别表示节点两端单元；vsp(p＝2,3,4,5)表示节点p的自由速度；ypq(p,q＝2,3,4,5)表示节点p与节点q之间导纳矩阵的元素；z66、z65分别表示6号节点处管路单元的输入与传递阻抗矩阵。矩阵中略去的部分如果遇到泵、阀单元对应节点，重复应用这种方法进行阻抗、导纳矩阵的组装，否则可以直接应用阻抗矩阵相加进行组装。这种方法将泵的导纳矩阵与相邻单元的阻抗矩阵融合起来，形成了以各节点速度为未知量，以泵的自由速度为激励源的线性代数方程组。求解该方程组就可以求得各个节点的振动响应。
从声传播的角度，由于泵、阀及所有的管路单元的声传递特性都用声阻抗矩阵表示，管路系统的声阻抗矩阵可以很方便地由各节点的声压连续条件得到，如下式所示：
Figure BDA0002976937830000111
式中，m为节点标号，m＝1,2，…，10；
Figure BDA0002976937830000112
分别为节点m两端单元的声压。
以水泵的噪声源特性为基础得到管路声传播计算式：
Figure BDA0002976937830000113
式中，Ps2、Ps5分别为节点2、节点5处的内部噪声源；apq(p,q＝1,2,3,4,5,6)表示节点p与节点q间阻抗矩阵元素；vf1、vf2、vf5、vf6分别为节点1、节点2、节点5、节点6处的流体扰动速度；L、R分别表示节点两端单元。
上面对结构振动与声分别应用了阻抗—导纳综合法。事实上二者在传播过程中是互相耦合的，上述推导忽略了与泵连接的弯管和挠性接管的振动与声的耦合阻抗。考虑耦合阻抗，弯管和挠性接管节点的力、声压及速度有如下关系：
Figure BDA0002976937830000114
其中：Fi、Fj分别节点i、节点j的力，Pi、Pj分别为节点i、节点j的声压；cij、dij分别是结构与声的耦合阻抗；aij是声阻抗。水泵的两个法兰所在的2、5号节点振动与声压分别应力平衡和声压连续，得到考虑耦合作用的振动与声传播计算表达式：
Figure BDA0002976937830000121
同理，求解方程组就可以求得各个节点的噪声响应。
S5、基于泵、阀的振动、噪声数据，以及管路系统中各子结构的振动、噪声响应，获取泵、阀到各待评估子结构的振动、噪声传递函数H振动、H噪声；其中，
Figure BDA0002976937830000122
Figure BDA0002976937830000123
式中，H表示传递函数，a表示振动加速度；p表示声压。
S6、改变工况，重复步骤S2测得泵、阀的振动、噪声数据，即振动加速度a′泵/阀和声压p′泵/阀，通过步骤S5中得到的振动、噪声传递函数H振动、H噪声，计算待评估子结构的振动加速度a′评估点和声压p′评估点，完成管路系统中各子结构的振动、噪声评估：
a′评估点＝H振动*a′泵/阀
p′评估点＝H噪声*p′泵/阀。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种管路系统振动噪声评估装置，其特征在于，包括模型构建模块、噪声源获取模块、阻抗获取模块、振动噪声响应获取模块、振动噪声评估模块；
所述模型构建模块用于构建管路系统模型；所述管路系统模型包括振动噪声源子模型、振动噪声响应子模型；
所述噪声源获取模块基于所述振动噪声源子模型获取泵、阀的振动、噪声数据；
所述阻抗获取模块基于所述振动噪声源子模型、振动噪声响应子模型，分别获取管路系统中各子结构的阻抗特性；
所述振动噪声响应获取模块根据所述阻抗获取模块获取的管路系统中各子结构的阻抗特性，分别求解管路系统中各子结构的振动、噪声响应；
所述振动噪声评估模块根据所述噪声源获取模块所获取的泵、阀的振动、噪声数据、所述振动噪声响应获取模块所获取的管路系统中各子结构的振动、噪声响应，获取泵、阀到各待评估子结构的振动、噪声传递函数，基于不同工况下的泵、阀的振动、噪声数据，以及所述振动、噪声传递函数，完成管路系统中各子结构振动和噪声的评估。
2.根据权利要求1所述的管路系统振动噪声评估装置，其特征在于，所述振动噪声源子模型基于管路系统中的泵、阀结构进行构建；所述振动噪声响应子模型基于管路系统中的其他待评估子结构进行构建。
3.根据权利要求1所述的管路系统振动噪声评估装置，其特征在于，所述振动噪声响应获取模块采用阻抗-导纳法求解管路系统中各子结构的振动、噪声响应。
4.根据权利要求1-3任一项所述的管路系统振动噪声评估方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、基于管路系统中的各子结构，构建管路系统模型；所述管路系统模型包括振动噪声源子模型、振动噪声响应子模型；
S2、基于噪声源子模型，测量泵、阀运行时的振动、噪声数据；
S3、获取管路系统中各子结构的阻抗特性；
S4、基于管路系统中各子结构的阻抗特性，分别求解管路系统中各子结构的振动、噪声响应；
S5、基于泵、阀的振动、噪声数据，以及管路系统中各子结构的振动、噪声响应，获取泵、阀到各待评估子结构的振动、噪声传递函数；
S6、改变工况，重复步骤S2测得泵、阀的振动、噪声数据，通过步骤S5中得到的振动、噪声传递函数计算待评估子结构的振动加速度和声压，完成管路系统中各子结构的振动、噪声评估。
5.根据权利要求4所述的管路系统振动噪声评估方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述振动噪声源子模型基于管路系统中的泵、阀结构进行构建；所述振动噪声响应子模型基于管路系统中的其他待评估子结构进行构建。
6.根据权利要求4所述的管路系统振动噪声评估方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述噪声数据的测量采用两声源法、两负载法中的一种。
7.根据权利要求4所述的管路系统振动噪声评估方法，其特征在于，所述步骤S3中，分别采用实验测试方法、理论计算方法、有限元分析方法获取管路系统中各子结构的阻抗特性。
8.根据权利要求4所述的管路系统振动噪声评估方法，其特征在于，所述步骤S4中，采用阻抗-导纳法分别求解管路系统中各子结构的振动、噪声响应。
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