CN113063562A - 基于自由上浮方式的大尺度模型水动力噪声测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水下噪声测量技术领域，针对现有技术中存在的受限于水洞的尺度，难以实现大尺度模型水动力噪声的测量技术问题，本发明公开了基于自由上浮方式的大尺度模型水动力噪声测量方法，具体包括如下步骤：(1)针对设计外型开展水动力分析，为模型的配重设计提供参考；(2)计算上浮加速时间和最小深度需求；(3)布置水听器和释放装置，并开展试验。将模型的平台设计成正浮力，重心后移实现静稳定，保证稳定上浮，采集上浮过程平台近场流噪声强度，获取平台上浮过程的远场辐射噪声强度，能够实现大尺度模型的水动力噪声测量。

Description

基于自由上浮方式的大尺度模型水动力噪声测量方法

技术领域

本发明属于水下噪声测量技术领域，具体涉及基于自由上浮方式的大尺度模型水动力噪声测量方法。

背景技术

航行器水下噪声主要由结构振动噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声三部分组成。其中水动力噪声主要是由航行器周围湍流流动及其激励壳体振动引起，低速航行时其往往被结构振动噪声和螺旋桨噪声所掩盖。但水动力噪声的强度与航速的5～6次方成正比，航速增加一倍水动力噪声级增加15～18dB，航速较高时(10节以上)，水动力噪声将成为重要噪声源。并且随着结构振动噪声和螺旋桨噪声的有效控制，航行器水动力噪声的作用会明显增加，因此对于水动力噪声的分析、评估和优化是降低大尺度潜航器噪声的关键问题，也越来越受到业界的关注。

对于水动力噪声的研究，模型试验是一有效的研究手段。现在常用的方式是在拖曳水池、循环水洞和重力式水洞进行水动力噪声测量。拖曳水池测试方法是在传统的水槽测试基础上发展起来的，该方法建立一套低噪声的模型拖带装置，形成模型运动，流体不动，配合有效的信号处理方法，可得到具有时间通过特性的水动力噪声信号，从而将流噪声特别是其低频信号识别出来加以分析，补充了传统水动力噪声模型试验方法在低频信号获取方面的不足。而重力式水洞是利用高处水箱的重力作为驱动，与传统的循环水洞相比，此类水洞不需要驱动水流的动力设备，减少了振动和噪声，干扰较小。但是受限于水洞的尺度，难以实现大尺度模型水动力噪声的测量。因此，如何研发一种基于自由上浮(或下潜)方式的水动力噪声测量方法，能够实现大尺度模型的水动力噪声测量，具有重要的现实意义。

发明内容

针对现有技术中存在的受限于水洞的尺度，难以实现大尺度模型水动力噪声的测量技术问题，本发明的目的在于提供基于自由上浮方式的大尺度模型水动力噪声测量方法，能够实现大尺度模型的水动力噪声测量。

本发明采取的技术方案为：

基于自由上浮方式的大尺度模型水动力噪声测量方法，具体包括如下步骤：

(1)针对设计外型开展水动力分析，为模型的配重设计提供参考；

(2)计算上浮加速时间和最小深度需求；

(3)布置水听器和释放装置，并开展试验。

进一步的，所述步骤(1)中模型的配重设计步骤如下：通过数值模拟得到试验平台在上浮过程中的阻力，

其中：B代表上浮过程中所受浮力；G代表模型所受的重力；ρ代表上浮液体的密度；v代表上浮速度；S代表模型的等效面积；C_x代表阻力系数。

为获得模型总重量，需保证模型在水中匀速上浮。在匀速上浮过程中所受重力和浮力、阻力保持平衡，即阻力＝重力-浮力。从而可以根据上式计算得到给定巡航速度下的模型总重量。考虑到模型不对称，上浮时会出现一个平衡攻角，阻力系数要大一些，重新计算得到模型总重量和配重的需求。

进一步的，所述步骤(2)中根据上浮运动数学模型进行计算得到在上浮过程中速度与运动时间的曲线关系图：

其中：B代表上浮过程中所受浮力；G代表模型所受的重力；ρ代表上浮液体的密度；h代表上浮深度；v代表上浮速度；S代表模型的等效面积；C_x代表阻力系数；m代表模型的质量；λ₁₁代表附加质量(具体数值可以通过数值模拟得到)；

当速度达到稳定时所需时间即为最小加速时间；通过计算加速阶段以及匀速阶段的速度曲线与时间轴所围面积大小，即可得到所需最小深度。

进一步的，通过步骤(1)和步骤(2)获得模型的配重要求和稳定航行段的位置，所述步骤(3)中根据上述获得模型的配重要求和稳定航行段的位置，在稳定航行段近处布置水听器测量水动力远场噪声；而近场噪声将水听器直接布置在航行体表面来获得，同时将释放装置和航行体一起布置在水底，静置足够长时间后开始试验。以消除现场干扰带来的背景噪声。

进一步的，所述模型上还设置有稳定尾翼或者柔性缆绳，控制模型下沉过程的稳定性。

进一步的，所述模型设置有解脱机构，解脱机构包括平台、缆绳、电磁铁和压载重块。

平台通过缆绳连接电磁铁，电磁铁电源通过岸上开关控制；

平台初始化时，打开电磁铁电源，控制电磁铁与模型底部平面吸合；

通过卷扬机将压载重块沉入水中，压载重块通过缆绳将平台拖入水底，在测试系统准备完成后，关闭电磁铁电源，平台与压载重块分离，在正浮力作用下加速上浮，达到平衡速度后，匀速上浮。

进一步的，还设置有远场噪声测量系统，包括测量浮标，所述测量浮标由重块和浮球组成，重块和浮球之间通过缆绳连接，在缆绳上安装1组水听器，每隔2米安装1个水听器，水听器通过电缆与船上的采集系统连接，从平台分离时刻开始测量并记录。

所述缆绳下端和缆绳收放装置相连，在收放装置上安装测力传感器；缆绳上端和浮球相连；在缆绳上安装数个噪声测量记录系统，所述噪声测量记录系统由水听器、导线、保护套以及吸附滤网构成，其中保护套由橡胶材料制成，每个保护套和缆绳之间通过钢钉连接，钢钉穿过保护套并从缆绳中间穿过，所述水听器固定放置在保护套卡槽中，水听器和保护套的内壁之间增设吸附滤网。

进一步的，所述浮球由两个半球组成，两个半球直径相同，并通过焊接形成一个完整的球体，浮球的中心设置为空腔结构。

进一步的，所述保护套采用橡胶材质制成，保护套设置为横向筒体和纵向筒体呈垂直交接形成T形筒体结构，横向筒体的内壁与水听器的外型相互适配设置有卡槽，所述水听器固定嵌设在保护套的横向筒体的卡槽中。

进一步的，还设置有内置噪声测量系统，包括水听器、模拟前端采集板和控制记录板。

所述水听器采取打孔嵌入，头部表面由有机玻璃材料覆盖，水听器在模型的前、中、后各选择一处安装位置进行安装，通过水听器分别测量转捩噪声、辐射噪声和尾部附件绕流噪声；

所述模拟前端采集板完成水听器噪声信号的调理，包括放大和滤波；模拟前端采集板设置具有5Hz～50kHz的带通滤波器，通过滤波器滤除低频和高频噪声；还设置具有40～500倍的放大倍数的前级放大器，可以根据需要调整，满足不同距离、水听器灵敏度的需要；模拟前端采集板输入信号利用连接器，并与控制记录板通过板到板排插直接堆叠连接在一起；

所述控制记录板完成电源管理、对外通信、采集数据存储功能。两块电路板堆叠放置，总尺寸约为155mm×55mm×30mm，供电电压12V～48V宽电压范围，可满足常规电池组供电范围要求。

所述内置噪声测量系统引出一个回路，采用软电线延长，固定到电磁铁模块上；当电磁铁断电分离时，模型扯断回路，内置噪声测量系统启动测量与记录。

本发明的有益效果为：

本发明相对于现有技术所对应的上浮试验原理如下：根据平台阻力系数，计算平台以稳定上浮所需的正浮力，将平台设计成正浮力，重心后移实现静稳定，保证稳定上浮。在平台内部安装噪声采集设备，采集上浮过程平台近场流噪声强度。在平台上浮轨迹旁1米左右设置浮标，在浮标缆绳上安装水听器，获取平台上浮过程的远场辐射噪声强度。上浮试验模型不带动力，避免了动力噪声的干扰，如果试验水域背景噪声水平很低，则可以很好的获得平台流噪声强度。

附图说明

图1为本发明中设置解脱机构的模型的结构示意图；

图2为本发明中远场噪声测量系统布置图；

图3为本发明中内置噪声采集和记录系统的结构示意图；

图4为本发明中数值模拟过程中得到的速度-时间关系曲线图；

图5为本发明中浮球的结构示意图；

图6为本发明中水听器和缆绳连接局部结构示意图；

其中，1、平台；2、模型；3、电磁铁；4、压载重块；5、缆绳；6、浮球；6-1、上半浮球；6-2、下半浮球；7、水听器；8、差分放大器；9、前级放大器；10、滤波器；11、模拟前端采集板；12、控制记录板；13、储存卡；14、保护套；15、吸附滤网；16、钢钉；17、缆绳收放装置。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明。

实施例1

基于自由上浮方式的大尺度模型水动力噪声测量方法，具体包括如下步骤：

(1)针对设计外型开展水动力分析，为模型的配重设计提供参考；

(2)计算上浮加速时间和最小深度需求；

(3)布置水听器和释放装置，并开展试验。

实施例2

在实施例1的基础上，不同于实施例1，基于自由上浮方式的大尺度模型水动力噪声测量方法，具体包括如下步骤：

(1)针对设计外型开展水动力分析，为模型2的配重设计提供参考，通过数值模拟得到试验平台1在上浮过程中的阻力。

其中：B代表上浮过程中所受浮力；G代表模型所受的重力；ρ代表上浮液体的密度；v代表上浮速度；S代表模型的等效面积；C_x代表阻力系数；

根据上式计算得到给定巡航速度下的模型2总重量。考虑到模型2不对称，上浮时会出现一个平衡攻角，阻力系数要大一些，重新计算得到模型2总重量和配重的需求。

(2)计算上浮加速时间和最小深度需求

根据上浮运动数学模型

其中：B代表上浮过程中所受浮力；G代表模型所受的重力；ρ代表上浮液体的密度；h代表上浮深度；v代表上浮速度；S代表模型的等效面积；C_x代表阻力系数；m代表模型的质量；λ₁₁代表附加质量。

(3)布置传感器和释放装置，并开展试验。通过前两步可以获得模型2的配重要求和稳定航行段的位置。根据这些结果可以在稳定航行段近处布置水听器7测量水动力远场噪声。而近场噪声可将水听器7直接布置在航行体表面来获得。同时将释放装置和航行体一起布置在水底，静置足够长时间后开始试验，以消除现场干扰带来的背景噪声。

计算最小上浮深度：

如图4所示，是某次数值模拟过程中得到的速度-时间关系曲线，可以认为在时间t＝2.0s后进入匀速运动过程，利用曲线和时间坐标轴所围成的面积，再加上两倍模型长度，即可得到所需最小水域深度。

不同于实施例1和实施例2，本发明的又一实施例，平台1初始化和解脱机构设计：

如图1所示，平台1上用一段1米长的缆绳5连接一个电磁铁3，电磁铁3电源由岸上开关控制。平台1初始化时，打开电磁铁3，使之与模型2底部平面吸合。使用卷扬机将压载重块4沉入水中，压载重块4将平台1拖入水底，在测试系统准备完成后，关闭电磁铁3电源，平台1与压载重块4分离，在正浮力作用下加速上浮，达到平衡速度后，匀速上浮。

不同于实施例1和实施例2，本发明的又一实施例，平台1运动稳定性验证和增稳措施：

为了验证平台1运动稳定性，采用3D打印技术，制作小尺度模型2，加配重投入水中，观察并分析模型2下沉过程的稳定性。如果模型2运动过程中出现较大幅度的摇摆，则需要增加稳定尾翼或者柔性缆绳5，以稳定运动过程。

不同于实施例1和实施例2，本发明的又一实施例，远场噪声测量系统，包括测量浮标，如图2所示，在平台1位置一侧1米处布置测量浮标。测量浮标由重块和浮球6组成，浮球6要有较大的浮力来保证缆绳5处于绷直状态。在缆绳5上安装1组水听器7，每隔2米安装1个，共4个水听器7。水听器7通过电缆与船上的采集系统连接，从平台1分离时刻开始测量并记录。

不同于实施例1和实施例2，本发明的又一实施例，缆绳5设置为凯夫拉绳，具有高强度、低延伸率、强耐磨性。缆绳5(凯夫拉绳)下端和缆绳5收放装置相连，在收放装置上安装测力传感器，使得凯夫拉绳上的拉力达到100N，并保持恒定；缆绳5(凯夫拉绳)上端和浮球相连；在凯夫拉绳上一共安装四个噪声测量记录系统，所述噪声测量记录系统由水听器、导线、保护套14以及吸附滤网15构成，其中保护套14由橡胶材料制成，每个保护套14和缆绳5之间通过钢钉16连接，钢钉16穿过保护套14并从缆绳5中间穿过，所述水听器固定放置在保护套14卡槽中，从而达到固定保护套14的目的，防止在实验过程中保护套14发生移动。

如图5所示，浮球由两个半球组成，即上半浮球6-1和下半浮球6-2，上半浮球6-1和下半浮球6-2两个半球直径相同，并通过焊接形成一个完整的球体，浮球的中心设置为空腔结构。每个半球都通过密度为7.85g/cm³的钢材由模具压制而成。

为保证浮球可以很好地漂浮在水面上，在凯夫拉绳的拉力为100N情况下，计算浮球半径，假设压制后的钢材厚度为1cm，为了避免在压制、焊接等过程中出现的误差，计算过程中认为浮球只有一半浸没于水中，根据：

F_浮＝mg+F_T

通过计算获得半径R＝0.4831m。

如图6所示，保护套14采用橡胶材质制成，保护套14设置为横向筒体和纵向筒体呈垂直交接形成T形筒体结构，横向筒体的内壁与水听器的外型相互适配设置有卡槽，所述水听器固定嵌设在保护套14的横向筒体的卡槽中。将水听器放置在保护套14卡槽中加以固定，为了减小对噪声测量系统的干扰，在保护套14内部增加吸附滤网15，从而达到降噪的目的；特别是在水听器周围包裹吸附滤网15，降噪效果更加明显。

不同于实施例1和实施例2，本发明的又一实施例，如图3所示，内置噪声测量系统设计：

内置测量系统包括水听器7、模拟前端采集板11和控制记录板12。所述水听器7采取打孔嵌入，头部表面由有机玻璃材料覆盖。水听器7在模型2的前、中、后各选择一处安装位置进行安装，通过水听器7分别测量转捩噪声、辐射噪声和尾部附件绕流噪声，通过储存卡13储存。

所述模拟前端采集板11完成水听器7噪声信号的调理，差分放大器8模拟前端采集板输入信号10μV～10mVrms、0Hz～50KHz，包括放大和滤波；模拟前端采集板11设置具有5Hz～50kHz的带通滤波器10，通过滤波器10滤除低频和高频噪声；还设置具有40～500倍的放大倍数的前级放大器9，可以根据需要调整，满足不同距离、水听器7灵敏度的需要。

所述控制记录板12完成电源管理、对外通信、采集数据存储功能，通过储存卡13储存。两块电路板堆叠放置，总尺寸约为155mm×55mm×30mm，供电电压12V～48V宽电压范围，可满足常规电池组供电范围要求。

内置测量系统引出一个回路，采用软电线延长，固定到电磁铁3模块上，当电磁铁3断电分离时，模型2扯断回路，内测系统启动测量与记录。

以上所述并非是对本发明的限制，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明实质范围的前提下，还可以做出若干变化、改型、添加或替换，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.基于自由上浮方式的大尺度模型水动力噪声测量方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

(1)针对设计外型开展水动力分析，为模型的配重设计提供参考；

(2)计算上浮加速时间和最小深度需求；

(3)布置水听器和释放装置，并开展试验。

2.根据权利要求1所述基于自由上浮方式的大尺度模型水动力噪声测量方法，其特征在于，所述步骤(1)中的所述水动力分析如下：通过数值模拟得到试验平台在上浮过程中的阻力，

其中：B代表上浮过程中所受浮力；G代表模型所受的重力；ρ代表上浮液体的密度；v代表上浮速度；S代表模型的等效面积；C_x代表阻力系数；

根据上式计算得到给定巡航速度下的模型总重量。

3.根据权利要求1所述基于自由上浮方式的大尺度模型水动力噪声测量方法，其特征在于，所述步骤(2)中根据上浮运动数学模型进行计算得到在上浮过程中速度与运动时间的曲线关系图：

其中：B代表上浮过程中所受浮力；G代表模型所受的重力；ρ代表上浮液体的密度；h代表上浮深度；v代表上浮速度；S代表模型的等效面积；C_x代表阻力系数；m代表模型的质量；λ₁₁代表附加质量；

当速度达到稳定时所需时间即为最小加速时间；通过计算加速阶段以及匀速阶段的速度曲线与时间轴所围面积大小，即可得到所需最小深度。

4.根据权利要求1所述基于自由上浮方式的大尺度模型水动力噪声测量方法，其特征在于，通过步骤(1)和步骤(2)获得模型的配重要求和稳定航行段的位置，所述步骤(3)中根据步骤(1)和步骤(2)得到的结果在稳定航行段近处布置水听器测量水动力远场噪声；而近场噪声将水听器直接布置在航行体表面来获得，同时将释放装置和航行体一起布置在水底，静置两个小时后开始试验。

5.根据权利要求1-4任意一项所述基于自由上浮方式的大尺度模型水动力噪声测量方法，其特征在于，所述模型上设置有稳定尾翼或者柔性缆绳，控制模型下沉过程的稳定性；所述模型上还设置有解脱机构，解脱机构包括平台、缆绳、电磁铁和压载重块，

所述平台通过缆绳连接电磁铁，电磁铁电源通过岸上开关控制；

平台初始化时，打开电磁铁电源，控制电磁铁与模型底部平面吸合；

通过卷扬机将压载重块沉入水中，压载重块通过缆绳将平台拖入水底，在测试系统准备完成后，关闭电磁铁电源，平台与压载重块分离，在正浮力作用下加速上浮，达到平衡速度后，匀速上浮。

6.根据权利要求1-4任意一项所述基于自由上浮方式的大尺度模型水动力噪声测量方法，其特征在于，还设置有远场噪声测量系统，包括测量浮标，所述测量浮标由重块和浮球组成，重块和浮球之间通过缆绳连接，在缆绳上安装1组水听器，水听器通过电缆与船上的采集系统连接，从平台分离时刻开始测量并记录。

7.根据权利要求6所述基于自由上浮方式的大尺度模型水动力噪声测量方法，其特征在于，所述缆绳下端和缆绳收放装置17相连，在收放装置上安装测力传感器；缆绳上端和浮球相连；在缆绳上安装数个噪声测量记录系统，所述噪声测量记录系统由水听器、导线、保护套以及吸附滤网构成，其中保护套由橡胶材料制成，每个保护套和缆绳之间通过钢钉连接，钢钉穿过保护套并从缆绳中间穿过，所述水听器固定放置在保护套卡槽中，水听器和保护套的内壁之间增设吸附滤网。

8.根据权利要求7所述基于自由上浮方式的大尺度模型水动力噪声测量方法，其特征在于，所述浮球由两个半球组成，两个半球直径相同，并通过焊接形成一个完整的球体，浮球的中心设置为空腔结构。

9.根据权利要求7所述基于自由上浮方式的大尺度模型水动力噪声测量方法，其特征在于，所述保护套采用橡胶材质制成，保护套设置为横向筒体和纵向筒体呈垂直交接形成T形筒体结构，横向筒体的内壁与水听器的外型相互适配设置有卡槽，所述水听器固定嵌设在保护套的横向筒体的卡槽中。

10.根据权利要求1-4任意一项所述基于自由上浮方式的大尺度模型水动力噪声测量方法，其特征在于，还设置有内置噪声测量系统，包括水听器、模拟前端采集板和控制记录板，

所述水听器通过打孔嵌入，头部表面由有机玻璃材料覆盖，水听器在模型的前、中、后各选择一处安装位置进行安装，通过水听器分别测量转捩噪声、辐射噪声和尾部附件绕流噪声；

所述模拟前端采集板设置带通滤波器，通过滤波器滤除低频和高频噪声；还设置前级放大器，模拟前端采集板输入信号利用连接器，并与控制记录板通过板到板排插直接堆叠连接在一起；

所述内置噪声测量系统引出一个回路，采用软电线延长，固定到电磁铁模块上；当电磁铁断电分离时，模型扯断回路，内置噪声测量系统启动测量与记录。

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