CN113091887A - 基于重力式水洞的水下航行体流激噪声的测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及声学测量技术领域，具体涉及一种基于重力式水洞的水下航行体流激噪声的测试装置及方法。该装置中重力式水洞具有作为工作段的密封箱。密封箱位于混响水箱内。内部中空的试验件固定安装在密封箱内。压力传感器和加速度传感器分别通过试验件上的第一安装孔和第二安装孔固定在试验件上。试验件受流体冲击产生流激噪声信号。混响水箱一侧的水听器收集流激噪声信号。压力传感器、加速度传感器和水听器收集的信号分别通过信号处理器处理形成采样信号。信号采集仪收集采样信号，并将采样信号传送至主机。实现了对结构件在不同航速下壁面压力、振动加速度和流激噪声特性及规律的分析，进而验证了仿真模拟方法中得到的数值结果的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及声学测量技术领域，具体涉及一种基于重力式水洞的水下航行体流激噪声的测试装置以及测试方法。
背景技术
水下航行体在水下航行时，运动的船舶经过不稳定的流场将形成产生局部结构与周围流体的耦合振动，振动引起的压力变化产生的流激噪声是能在水中远距离传播的最有效的能量形式，故而流激噪声会严重影响水下航行体的隐蔽性能。因此，探索船舶水下振动和流激噪声产生和传播的机理以及其辐射规律，将对提高水下航行体的隐身能力具有重要的实用意义。
目前，在水下航行体的设计过程中，通常利用数值计算的方法来预估水下航行体的声学性能，用以降低水下航行体的流激噪声，提高其隐蔽性。提前发现水下航行体在结构设计中的声学问题，减少水下航行体结构反复设计验证的工作量。例如，采用CFD软件仿真计算水下航行体的壁面压力、采用声学有限元软件中的LMS Virtual.Lab的Acoustics模板求得流激结构振动加速度、采用FEM-AML方法计算低频流激噪声以及统计能量法计算中高频流激噪声。
其中，CFD(Computational Fluid Dynamics），即计算流体动力学。利用CFD对流激结构的壁面压力进行数值计算时。建立该流激结构几何模型以及适用于CFD计算的流场模型并对其离散划分，判断网格收敛性使其满足计算需求，根据实际试验场地加载符合试验工作段测量实际的边界条件与离散初始条件进行仿真计算。
例如，中国专利文献CN105201729B中公开了一种离心泵作透平水力性能和外场流激噪声多目标优化方法。该方法中通过外特性实验，建立了离心泵作透平CFD数值计算中所需机械效率的计算方法，从而能够准确的计算离心泵作透平的效率。同时，针对离心泵作透平内外介质不同的特点，采用FEM-AML声振耦合法求解外场流激噪声。虽然，采用CFD进行数值计算的方法对流激结构的设计起到了指导作用，但是，该数值计算的方法得到的结果的可靠性还需要进一步的验证。
流激结构振动加速度的数值仿真方法，依托于声振耦合法，采用声学有限元软件中的LMS Virtual.Lab的Acoustics模板。建立声学网格与结构模型，定义流体材料和属性、结构材料，基于流激结构脉动压力载荷计算结果，计算耦合面位移响应，求得流激结构振动加速度结果。
又如，中国专利文献CN108959686A中公开了一种基于灵敏度分析的有限元模型修正方法。该方法在三维软件中对装配体进行实体建模，对装配体模型通过模态试验系统进行模态试验。采用前后处理软件建立装配体有限元仿真模型，并通过有限元分析软件进行模态分析求解。通过LMS Virtual.Lab仿真分析软件，将模态试验结果和模态仿真分析结果进行相关性检验，进行模态灵敏度分析，找出对模态频率比较灵敏的参数变量。通过优化迭代将有限元模型基频与模态试验基频相匹配。该方法相比于物理试验具有成本低、周期短等诸多好处，但是，数值计算结果的可靠性需要进一步的验证。
FEM-AML声振耦合法求解外场流激噪声，在声学辐射边界增加几层网格来快速吸收声学量，达到大为减少计算量的效果。它的原理是在计算声学有限元网格外表面设置一定厚度的媒质层，用于吸收特定方向上的声波，进入该媒质层的声波指数式快速衰减，当到达该媒质层边界时几乎衰减为零，由此可达到近似完全吸收向外传播声波的目的，由此可以很好的模拟无限大流场域。
有限元法在流激结构水下声辐射噪声的计算中，为了保证计算精度，要求声学有限元网格单元数满足一个声波波长内6-10个单元。当进行高频段的水下声辐射计算时，随着计算频率的增加，声波波长变短，有限元网格数量急剧增加，从而使得计算效率大大降低。另一方面，有限元法只能对有限数量的低阶模态进行辨识和分析，船舶在高频区结构模态密集，同时存在较多的共振模态，有限元法计算精度随着分析频率的升高而大大降低甚至无法完成计算。
统计能量法在中高频段水下辐射噪声中可以较好的解决这个矛盾。统计能量分析方法的基本出发点是将一个复杂结构分成多个子系统（包括结构和声场），在外界激励作用下产生振动时，子系统间通过接触边界进行能量交换，而每个子系统的振动参数可由能量求得。该方法利用结构高频声振模态密集特性，采用统计量描述结构的高频声振特性，从而实现了结构的高频声振预报。
但是，通过FEM-AML方法计算低频流激噪声以及统计能量法计算中高频流激噪声得到的仿真结果仍然需要验证可靠性。
综上所述，在关于水下航行体的流激噪声研究分析的过程中，如何设计一种实验测试装置，用以实际测量水下航行体的流激噪声情况，实现对数值计算中得到的仿真结果的验证，就成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于，为水下航行体在研究流激噪声的过程中，提供一种实验测试装置，用以测量不同流速作用下流激结构的壁面压力，振动加速度以及流激噪声情况，进而验证仿真模拟方法中得到的数值结果的可靠性。
为实现上述目的，本发明采用如下方案：提出一种基于重力式水洞的水下航行体流激噪声的测试装置，包括重力式水洞、试验件、混响水箱、信号采集仪和主机；
所述重力式水洞具有作为工作段的密封箱，所述密封箱位于混响水箱内；
所述试验件固定安装在密封箱内，所述试验件的内部中空，所述试验件的壳体上设置有安装孔，所述安装孔包括第一安装孔和第二安装孔，所述第一安装孔内设置有测量脉动压力的压力传感器，所述第二安装孔内设置有测量试验件振动的加速度传感器；
所述混响水箱的一侧设置有水听器，所述试验件受流体冲击产生流激噪声信号，所述水听器收集流激噪声信号；
所述压力传感器、加速度传感器和水听器收集的信号分别通过信号处理器处理形成采样信号；
所述信号采集仪收集采样信号，并将采样信号传送至主机；
所述主机记录并分析采样信号。
作为优选，试验件包括首段、中段和尾段，首段、中段和尾端依次连接，中段与尾段之间设置有收缩段，收缩段的收缩方向从中段指向尾段，试验件的首段和尾段均为半球形，中段呈圆柱形结构，收缩段呈圆锥台结构。如此设置，试验件能够更好地模拟水下航行体的结构。水下航行体通常采用锥柱壳的形式，即艏部为半圆球，中部为平行圆柱结构，艉部收缩为类似圆锥壳结构。通过测量锥柱壳结构试验件的流激噪声情况，有利于更好地预估水下航行体的声学性能，为进一步降低水下航行体的流激噪声提供具有参考价值的改进参数，有利于进一步提高水下航行体的隐蔽性。
作为优选，第一安装孔与第二安装孔沿着试验件的中轴线呈对称分布，便于试验件受水流冲击时，第一安装孔的一侧测量压力信号，第二安装孔的一侧测量振动加速度信号。第一安装孔与第二安装孔的轴线均指向试验件的中轴线。如此设置，有利于传感器的检测端面与试验件的壳体外边面相切，使得测得的压力信号和振动加速度信号更加符合实际值，进一步减少了测量误差，有利于验证数值计算结果的可靠性。
作为优选，第一安装孔内设置有第一螺纹，压力传感器通过第一螺纹固定安装在试验件上，压力传感器的检测面与试验件的壳体的外表面齐平，第一安装孔处设置有第一密封结构，第二安装孔内设置有第二螺纹，加速度传感器通过第二螺纹固定安装在试验件上，加速度传感器的检测面与试验件的壳体的外表面齐平，第二安装孔处设置有第二密封结构。第一螺纹和第二螺纹的设置，便于压力传感器和加速度传感器的安装和拆卸。第一密封结构和第二密封结构的设置，进一步提高了试验件的防水性能，进而使得测试装置能够模拟更加极端的试验状况，例如更高的水压或者更大的流速，有利于扩大测试装置验证数值计算结果的边界范围。
作为优选，重力式水洞包括上水箱和下水箱，上水箱通过上水管道与密封箱相连，下水箱通过下水管道与密封箱相连，上水管道上设置有第一阀门，下水管道上设置有第二阀门，密封箱的端部固定安装在混响水箱上。如此设置，利用上水箱中流体的重力势能，为密封箱中的流体提供动能，有利于形成稳定的来流，保证了经过试验件的流体的均匀性。调节阀门的开度，便于实现对流体的流速控制，满足了不同试验条件的参数设置需求。
作为优选，水听器通过绳缆悬挂在混响水箱的外侧，多个水听器呈单列排布。如此设置，有利于水听器阵更好地收集流体经过试验件产生的流激噪声，且布置方式简单。
作为优选，试验件的上端具有连接部，连接部上安装有压板，压板固定安装在密封箱上。如此设置，降低了在密封箱内安装试验件的难度，有利于保证试验件的结构强度和水密性，进一步提高了测试装置的安装效率。
作为优选，信号处理器包括电荷放大器、加速度计信号调理装置和换能器功率放大器，压力传感器采集到的压力信号经电荷放大器处理并被传送至信号采集仪，加速度传感器采集到的加速度信号经加速度计信号调理装置处理并被传送至信号采集仪，水听器采集到的流激噪声信号经换能器功率放大器处理并被传送至信号采集仪。
本发明还提供了一种使用前述基于重力式水洞的水下航行体流激噪声的测试装置的测试方法，包括：
步骤一、在密封箱和混响水箱内均注满静水；
步骤二、打开重式水洞的阀门，等待流速稳定为第一流速数值后，测量并分别记录压力传感器，加速度传感器和水听器的采样信号；
步骤三、向重力式水洞的上水箱中重新上水；
步骤四、重复步骤二和步骤三2-4次，完成测量试验。
作为优选，步骤二中还包括调节重力式水洞的阀门的开度，等待流速稳定为第二流速数值后，测量并分别记录压力传感器，加速度传感器和水听器的采样信号。
本发明提供的基于重力式水洞的水下航行体流激噪声的测试装置及方法与现有技术相比，具有如下突出的实质性特点和显著进步：该基于重力式水洞的水下航行体流激噪声的测试装置通过重力式水洞提供流速稳定的流体，并利用压力传感器、加速度传感器和水听器分别测量试验件的壁面压力信号、振动加速度信号以及流激噪声信号，实现了对结构件在不同航速下壁面压力、振动加速度和流激噪声特性及规律的分析，进而验证了仿真模拟方法中得到的数值结果的可靠性，有利于检验和修正流激结构线谱噪声分析方法和流激结构频带噪声分析方法得到的结果。
附图说明
图1是本发明实施例中一种基于重力式水洞的水下航行体流激噪声的测试装置的结构示意图；
图2是密封箱与混响水箱的结构示意图；
图3是压板和试验件的立体结构示意图；
图4是图3的主视图；
图5是试验件的立体结构示意图。
附图标记：上水箱1、下水箱2、上水管道3、密封箱4、下水管道5、试验件6、信号采集仪7、主机8、第一阀门9、第二阀门10、混响水箱11、水听器12、压板13、吊装孔14、连接部61、安装孔62。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述。
如图1-5所示的一种基于重力式水洞的水下航行体流激噪声的测试装置，用于测量不同流速作用下流激结构的壁面压力，振动加速度以及流激噪声情况，进而验证仿真模拟方法中得到的数值结果的可靠性。该装置通过重力式水洞提供流速稳定的流体，并利用压力传感器、加速度传感器和水听器分别测量试验件的壁面压力信号、振动加速度信号以及流激噪声信号，实现了对结构件在不同航速下壁面压力、振动加速度和流激噪声特性及规律的分析。进而验证了仿真模拟方法中得到的数值结果的可靠性，有利于检验和修正流激结构线谱噪声分析方法和流激结构频带噪声分析方法得到的结果。
如图1接和图2所示，一种基于重力式水洞的水下航行体流激噪声的测试装置，包括重力式水洞、试验件6、混响水箱11、信号采集仪7和主机8。重力式水洞具有作为工作段的密封箱4。密封箱4位于混响水箱11内。
试验件6固定安装在密封箱4内。试验件6的内部中空。试验件6的壳体上设置有安装孔62。安装孔62包括第一安装孔和第二安装孔。第一安装孔内设置有测量脉动压力的压力传感器。第二安装孔内设置有测量试验件6振动的加速度传感器。
混响水箱11的一侧设置有水听器12。试验件6受流体冲击产生流激噪声信号。水听器12收集流激噪声信号。
压力传感器、加速度传感器和水听器12收集的信号分别通过信号处理器处理形成采样信号。信号采集仪7收集采样信号，并将采样信号传送至主机8。主机8记录并分析采样信号。
如图1所示，重力式水洞包括上水箱1和下水箱2。上水箱1通过上水管道3与密封箱4相连。下水箱2通过下水管道5与密封箱4相连。上水管道3上设置有第一阀门9。下水管道5上设置有第二阀门10。密封箱4的端部固定安装在混响水箱11上。如此设置，利用上水箱1中流体的重力势能，为密封箱4中的流体提供动能，有利于形成稳定的来流，保证了经过试验件6的流体的均匀性。调节阀门的开度，便于实现对流体的流速控制，满足了不同试验条件的参数设置需求。
如图2所示，水听器12通过绳缆悬挂在混响水箱11的外侧，多个水听器12呈单列排布。如此设置，有利于水听器阵更好地收集流体经过试验件6产生的流激噪声，且布置方式简单。水听器12的个数可根据检测需求选择合适的个数。如图2所示，7个水听器通过绳索悬吊在混响水箱11的一侧，形成水听器阵。其顶端的水听器12与混响水箱11中的水面相齐平，其底端的水听器12与混响水箱11的底部相齐平。
其中，信号处理器包括电荷放大器、加速度计信号调理装置和换能器功率放大器。压力传感器采集到的压力信号经电荷放大器处理并被传送至信号采集仪7。加速度传感器采集到的加速度信号经加速度计信号调理装置处理并被传送至信号采集仪7。水听器12采集到的流激噪声信号经换能器功率放大器处理并被传送至信号采集仪7。
信号采集仪7可选用型号为DH5925的32通道数据采集器。主机8可选用型号为IBMT60的笔记本电脑。压力传感器可选用型号为CY-YD-211的压力传感器。加速度传感器可选用型号为的602D11的加速度传感器。水听器可选用B&K 8101的水听器。电荷放大器处理可选用型号为DH5857-1的电荷调理器。换能器功率放大器可选用型号为ITC T60-C功率放大器。
如图3所示，试验件6包括首段、中段和尾段。首段、中段和尾端依次连接。中段与尾段之间设置有收缩段。收缩段的收缩方向从中段指向尾段。如图4所示，试验件6的首段和尾段均为半球形。中段呈圆柱形结构。收缩段呈圆锥台结构。如此设置，试验件6能够更好地模拟水下航行体的结构。水下航行体通常采用锥柱壳的形式，即艏部为半圆球，中部为平行圆柱结构，艉部收缩为类似圆锥壳结构。通过测量锥柱壳结构试验件6的流激噪声情况，有利于更好地预估水下航行体的声学性能，为进一步降低水下航行体的流激噪声提供具有参考价值的改进参数，有利于进一步提高水下航行体的隐蔽性。
如图5所示，试验件6的上端具有连接部61。连接部61上安装有压板13。压板13固定安装在密封箱4上。如此设置，降低了在密封箱4内安装试验件6的难度，有利于保证试验件6的结构强度和水密性，进一步提高了测试装置的安装效率。
在实际安装使用时，将试验件6的连接部61与压板13中部的槽相连接。连接处用密封水条进行水密处理，保证结构强度与水密性要求。压板13上还设置有密封箱4相连接的螺纹孔。压板13与密封箱4的连接处使用防水垫进行水密处理，保证其水密性。
试验件6的尺寸大小可根据试验模拟要求来选择。试验件6的壁厚可根据不同的结构强度需求选择。例如试验件的壁厚可选择1mm-10 mm。
第一安装孔与第二安装孔沿着试验件6的中轴线呈对称分布，便于试验件6受水流冲击时，第一安装孔的一侧测量压力信号，第二安装孔的一侧测量振动加速度信号。第一安装孔与第二安装孔的轴线均指向试验件6的中轴线。如此设置，有利于传感器的检测端面与试验件6的壳体外边面相切，使得测得的压力信号和振动加速度信号更加符合实际值，进一步减少了测量误差，有利于验证数值计算结果的可靠性。
第一安装孔内设置有第一螺纹。压力传感器通过第一螺纹固定安装在试验件6上。压力传感器的检测面与试验件6的壳体的外表面齐平。第一安装孔处设置有第一密封结构。第二安装孔内设置有第二螺纹。加速度传感器通过第二螺纹固定安装在试验件6上。加速度传感器的检测面与试验件6的壳体的外表面齐平。第二安装孔处设置有第二密封结构。第一螺纹和第二螺纹的设置，便于压力传感器和加速度传感器的安装和拆卸。第一密封结构和第二密封结构的设置，进一步提高了试验件6的防水性能，进而使得测试装置能够模拟更加极端的试验状况，例如更高的水压或者更大的流速，有利于扩大测试装置验证数值计算结果的边界范围。
安装孔62在加工过程中，可选用原先钻圆孔在攻螺纹的方式；也可选用在钻圆孔后，通过焊接螺纹柱的方式形成螺纹结构。
如图4所示，第一安装孔从1-11进行标号。其中，标号顺序为最左侧的一列为第一列，最上端的一行为第一行。第一安装孔从第一列开始从上至下从1-11依次标号。以试验件6的中轴线为对称轴，与第一安装孔向对应的第二安装孔的标号和第一安装孔的标号相同。如图4所示，例如，第一列第二行的安装孔62的标号为2，第二列第二行的安装孔62的标号为4，第三列第二行的安装孔62的标号为6，第四列第二行的安装孔62的标号为8，第五列第二行的安装孔62的标号为10。
压力传感器采用螺纹旋紧的方式,。将压力传感器旋进试验件6，并使其传感器头与试验件6的外表面齐平。在安装时，应注意螺纹孔应与压力传感器螺纹匹配，防止传感器损坏。在螺纹处应进行涂抹防水胶处理，形成第一密封结构，以防止空隙漏水，破坏试验。第一密封结构还可以选用在压力传感器的螺纹上缠绕生料带。
加速度传感器采用螺纹旋紧的方式，直接固定于试验件6上。为保证加速度传感器能较好的采集数据，在旋紧之前，应清洁试验件6的表面，保证光滑度。加速度传感器的电缆应捆扎成束。在螺纹处也可涂抹防水胶处理，形成第二密封结构，以防止空隙漏水。第二密封结构还可以选用在加速度传感器的螺纹上缠绕生料带。
本发明实施例中还提供了一种使用前述基于重力式水洞的水下航行体流激噪声的测试装置的测试方法，包括：
步骤一、在密封箱4和混响水箱11内均注满静水；
步骤二、打开重式水洞的阀门，等待流速稳定为第一流速数值后，测量并分别记录压力传感器，加速度传感器和水听器12的采样信号；
步骤三、向重力式水洞的上水箱1中重新上水；
步骤四、重复步骤二和步骤三2-4次，完成测量试验。
其中，步骤二中还包括调节重力式水洞的阀门的开度，等待流速稳定为第二流速数值后，测量并分别记录压力传感器，加速度传感器和水听器12的采样信号。
试验时，将试验件与压板通过水密处理连接在一起。将加速度传感器与压力传感器分别安装在指定位置，并在压力传感器四周涂抹玻璃胶进行进一步水密处理以保证水密性。通过试验区吊车吊起试验件安装在重力式水洞的密封箱上。将水听器阵布于混响水箱一侧，用于测量流激噪声情况。试验开始时，将水洞内外充满静水，而不致淹没模型。通过水泵和阀门来控制下流速度，并在每次试验完成后进行上水操作，然后再进行释放，以此循环进行试验。
当流体以稳定流速流过模型，是试验件的表面会产生壁面压力，通过压力传感器将测点位置的压力脉动值记录保存。由流体冲击引起的结构振动将通过振动加速度传感器进行记录保存。而试验件产生的流激噪声辐射情况将由水听器阵接收。不同流速水流通过工作段时，持水听器阵在远离模型一侧做缓慢平移，以采集空间点噪声信息获得流激噪声测量结果。通过改变不同的流速来测量试验件在不同流速下的壁面压力，结构振动以及流激噪声情况。
其中，压力传感器在不同流速工况下测量各点瞬时压力值，记录下数据。对瞬时压力值做快速傅里叶变换，即可得到脉动压力的频域曲线。加速度传感器在不同流速工况下，经过信号处理而得到各点的加速度值并记录。对时域加速度值做快速傅里叶变换，即可得到振动加速度的频域曲线。
【试验件壁面脉动压力试验与数值仿真结果对比及分析】
将试验件壁面各测点流激脉动压力测试结果经过处理，得到10Hz-10000Hz脉动压力1/3倍频程结果，为更为清晰地比较各流速下脉动压力的分布特点，选取如图4所示的标号为2、4、6、8、10的第一安装孔的位置为典型测点位置。
在试验获得壁面压力值的同时，建立该流激结构几何模型以及适用于CFD计算的流场模型并对其离散划分，判断网格收敛性使其满足计算需求，根据实际试验场地加载符合试验工作段测量实际的边界条件与离散初始条件进行仿真计算。
试验件厚度为6mm，各个工况下的壁面脉动压力的试验值和仿真值如表1所示。
表1试验件典型测点位置壁面脉动压力总级的对比表
根据表1可知，6mm壁厚的试验件在各个工况下，除各别测点外，其余测点试验值与仿真值差值均小于3dB，且随着来流流速增加，试验值与仿真值误差总体上呈现上升趋势，可能是由于流速较高时出现空化现象，影响部分测点实测脉动压力值。高流速下由于试验场地影响，试验值大于仿真值，符合工程实际，因此使用CFD方法计算试验件壁面脉动压力值是可行且可靠的。
【试验件振动试验与数值结果对比及分析】
将试验件各测点流激振动结构加速度测试结果经过处理，得到10Hz-10000Hz结构振动加速度1/3倍频程结果。为分析各流速下流激结构振动加速度特性及分布情况，为更为清晰地比较各流速下振动加速度的分布特点，选取如图4所示的标号为2、4、6、8、10的第一安装孔的位置对应的第二安装孔为典型测点位置。
根据试验件的主尺度、结构图纸以及结构材料等，建立流激结构模型与流域的几何模型，划分计算网格，形成有限元模型。试验件振动加速度的数值仿真依托于声振耦合法，采用声学有限元软件中的LMS Virtual.Lab的Acoustics模板，建立声学网格与结构模型，定义流体材料和属性、结构材料，基于流激结构脉动压力载荷计算结果，计算耦合面位移响应，求得试验件振动加速度结果。
试验件在各个工况下的振动加速度的试验值和仿真值如表2所示。
表2试验件典型测点位置振动加速度总级的对比表
根据表2可知，除各别测点外，其余测点试验值与仿真值总级误差小于3dB，其中误差较大的集中在高流速工况，试验件的壳体平均振动加速度差值最大值为2.4dB，满足指标要求，因此，依托于声振耦合法的试验件振动加速度的数值仿真，采用声学有限元软件中的LMS Virtual.Lab的Acoustics模板，求得试验件振动加速度结果是可行且可靠的。
【试验件流激噪声试验与仿真结果对比】
为验证基于AML法计算流激线谱噪声结果的可靠性，进行基于AML技术的低频线谱流激噪声计算，建立该试验件的几何模型与有限元仿真模型，根据实际试验状况进行加载及相关参数设置。在Virtualab中分别计算不同流速下的低频段结构流激噪声，由于AML技术在中高频段存在较大误差，因此计算结果频段分布于10Hz-2kHz，并结合重力式水洞对试验件模型测得的流激噪声测试结果，对使用声学FEM-AML技术求得的流激噪声进行了对比验证。
试验件在各个工况下流激噪声的仿真值如表3所示。
表3试验件流激噪声声源级1/3Oct的仿真值记录表
试验件在各个工况下流激噪声的试验值如表4所示。
表4试验件流激噪声声源级1/3Oct的试验值记录表
结合表3和表4的试验值和仿真值的数据可知，AML技术对试验件流激噪声的数值计算结果和试验测试结果保持了较好的一致性，均为低频较高、随着频率升高逐渐下降的趋势。在流速较低时可以看到试验件整体偏高于仿真值，随着流速增加仿真值与实验值的偏差逐渐缩小，当流速达到6.69m/s后两者可以吻合较好。此外，各工况下500Hz以内试验值均偏大于仿真值，这是由于测试环境下背景噪声多集中于低频段，使得试验值偏大导致的。
在2000Hz以上高频段，有限元计算精度严重依赖网格划分尺度，但当网格划分过小时，将会对计算效率带来极大的挑战，因此，中高频水下辐射噪声预报主要采用统计能量法。统计能量分析方法的基本出发点是将一个复杂结构分成多个子系统（包括结构和声场），在外界激励作用下产生振动时，子系统间通过接触边界进行能量交换，而每个子系统的振动参数可由能量求得。该方法利用结构高频声振模态密集特性，采用统计量描述结构的高频声振特性，从而实现了结构的高频声振预报。为了验证统计能量法计算高频噪声结果的准确性，开展基于统计能量法的流激频带噪声计算分析，并将计算结果与试验测试结果对比。
试验件在中高频率各个工况下流激噪声的试验值如表5所示。
表5试验件中高频流激噪声声源级1/3Oct的试验值记录表
试验件在中高频率各个工况下流激噪声的仿真值如表6所示。
表6试验件中高频流激噪声声源级1/3Oct的仿真值记录表
结合表5和表6所示，统计能量对流激结构流激噪声的数值计算结果和试验测试结果保持了较好的一致性，均为低频较高、随着频率升高逐渐下降的趋势。各流速下，试验测试结果与数值仿真结果幅频曲线吻合度较好，当流速达到7.69m/s后测试值与仿真值幅频曲线数值差异相对较小，其余流速下试验值与仿真值数值差异相对较大，考虑到实际测量中背景噪声与流噪声的影响，其试验值较仿真值偏大，应符合工程仿真计算要求，因此使用统计能量法计算中高频段噪声是可行且可靠的。
本发明实施例中利用基于重力式水洞的水下航行体流激噪声的测试装置测量了不同流速下试验件的壁面脉动压力、局部结构振动加速度以及流激噪声值。分析了试验件在不同流速下的壁面脉动压力、振动和流激噪声特性及规律。验证了流激结构噪声评估方法的可行性与可靠性，得到如下结论：
1、随着流速的不断升高，流激结构壁面脉动压力是不断上升的，且在肩部及艉部湍流分离和湍流较为复杂区域脉动值较高，流激结构壁面脉动压力幅频曲线峰值主要集中在10Hz-100Hz范围内，对比基于流固耦合法的数值仿真结果与试验测试结果，除部分测点外，其余测点脉动压力总级误差基本不超过3dB；
2、流激结构振动加速度随着流速的不断升高是不断上升的。在3.66m/s与2.46m/s两种速度工况之间应存在临界工况，使得水流冲击可以激起整个结构的整体振动。在流速高于3.66m/s时，随着流速的升高，其振动响应随流速的影响逐渐增大，体现为其各频段振动加速度总级随流速升高上升的更加迅速，对比基于流固耦合法的数值仿真结果和试验测试结果，除个别测点，其余测点振动加速度总级试验测试与仿真误差不超过3dB，壳体平均振动加速度值总级误差不超过2.7dB；
3、随着流速的不断升高，其整体流激噪声声源级呈增大趋势。流激结构流激噪声声源级在16 Hz、20 Hz、25Hz中心频率频段处达到峰值，试验件流激噪声在400 Hz、500 Hz、630 Hz中心频率频段处达到第二个峰值，其后逐渐减小；
4、对比AML方法及统计能量方法（SEA）数值模拟结果与试验测试结果可以发现，在低流速下测试值与仿真值幅频曲线趋势相似，但数值差异相对较大，可能是由低流速下背景噪声相对于流激噪声较大而产生了一定程度上的掩盖所致。随着流速的升高，试验测试结果与数值仿真结果幅频曲线吻合度较好，因此使用FEM-AML法与统计能量方法计算结构的流激噪声是可行且可靠的。
本发明不局限于上述实施例所述的具体技术方案，除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等形成的技术方案，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于重力式水洞的水下航行体流激噪声的测试装置，其特征在于，包括重力式水洞、试验件、混响水箱、信号采集仪和主机；
所述重力式水洞具有作为工作段的密封箱，所述密封箱位于混响水箱内；
所述试验件固定安装在密封箱内，所述试验件的内部中空，所述试验件的壳体上设置有安装孔，所述安装孔包括第一安装孔和第二安装孔，所述第一安装孔内设置有测量脉动压力的压力传感器，所述第二安装孔内设置有测量试验件振动的加速度传感器；
所述混响水箱的一侧设置有水听器，所述试验件受流体冲击产生流激噪声信号，所述水听器收集流激噪声信号；
所述压力传感器、加速度传感器和水听器收集的信号分别通过信号处理器处理形成采样信号；
所述信号采集仪收集采样信号，并将采样信号传送至主机；
所述主机记录并分析采样信号。
2.根据权利要求1所述的基于重力式水洞的水下航行体流激噪声的测试装置，其特征在于，所述试验件包括首段、中段和尾段，所述首段、中段和尾端依次连接，所述中段与尾段之间设置有收缩段，所述收缩段的收缩方向从中段指向尾段，所述试验件的首段和尾段均为半球形，所述中段呈圆柱形结构，所述收缩段呈圆锥台结构。
3.根据权利要求1所述的基于重力式水洞的水下航行体流激噪声的测试装置，其特征在于，所述第一安装孔与第二安装孔沿着试验件的中轴线呈对称分布，所述第一安装孔与第二安装孔的轴线均指向试验件的中轴线。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的基于重力式水洞的水下航行体流激噪声的测试装置，其特征在于，所述第一安装孔内设置有第一螺纹，所述压力传感器通过第一螺纹固定安装在试验件上，所述压力传感器的检测面与试验件的壳体的外表面齐平，所述第一安装孔处设置有第一密封结构，所述第二安装孔内设置有第二螺纹，所述加速度传感器通过第二螺纹固定安装在试验件上，所述加速度传感器的检测面与试验件的壳体的外表面齐平，所述第二安装孔处设置有第二密封结构。
5.根据权利要求1所述的基于重力式水洞的水下航行体流激噪声的测试装置，其特征在于，所述重力式水洞包括上水箱和下水箱，所述上水箱通过上水管道与密封箱相连，所述下水箱通过下水管道与密封箱相连，所述上水管道上设置有第一阀门，所述下水管道上设置有第二阀门，所述密封箱的端部固定安装在混响水箱上。
6.根据权利要求1所述的基于重力式水洞的水下航行体流激噪声的测试装置，其特征在于，所述水听器通过绳缆悬挂在混响水箱的外侧，多个水听器呈单列排布。
7.根据权利要求1所述的基于重力式水洞的水下航行体流激噪声的测试装置，其特征在于，所述试验件的上端具有连接部，所述连接部上安装有压板，所述压板固定安装在密封箱上。
8.根据权利要求1所述的基于重力式水洞的水下航行体流激噪声的测试装置，其特征在于，所述信号处理器包括电荷放大器、加速度计信号调理装置和换能器功率放大器，所述压力传感器采集到的压力信号经电荷放大器处理并被传送至信号采集仪，所述加速度传感器采集到的加速度信号经加速度计信号调理装置处理并被传送至信号采集仪，所述水听器采集到的流激噪声信号经换能器功率放大器处理并被传送至信号采集仪。
9.根据权利要求1-8中任意一项所述的基于重力式水洞的水下航行体流激噪声的测试装置的测试方法，其特征在于，包括：
步骤一、在密封箱和混响水箱内均注满静水；
步骤二、打开重式水洞的阀门，等待流速稳定为第一流速数值后，测量并分别记录压力传感器，加速度传感器和水听器的采样信号；
步骤三、向重力式水洞的上水箱中重新上水；
步骤四、重复步骤二和步骤三2-4次，完成测量试验。
10.根据权利要求9中所述的基于重力式水洞的水下航行体流激噪声的测试装置的测试方法，其特征在于，所述步骤二中还包括调节重力式水洞的阀门的开度，等待流速稳定为第二流速数值后，测量并分别记录压力传感器，加速度传感器和水听器的采样信号。
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