CN113984331A - 低噪声外部驱动的智能流激试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及船舶试验装置减振降噪技术领域，具体涉及一种低噪声外部驱动的智能流激试验装置及试验方法。该试验装置中拖曳水池的侧壁上设置有供拖车运动的导轨。拖车的车轮架设在导轨上。拖车的底部通过连接杆连接有装载有传感器的试验模型。拖车通过牵引结构与动力装置相连。动力装置的输出轴通过动力轮与缆绳相连。利用采集分析系统收集传感器采集的参数信号以及试验环境的背景噪声信号，并与试验可实施环境的条件参数对比，在试验正式开始前判断试验结果的可行性，有利于提高试验数据采集的效率。该试验装置优化了动力结构，使得动力装置远离试验模型所在的区域，避免了动力装置的振动对流激振动试验结果的影响，提高了试验结果的可靠性。

Description

低噪声外部驱动的智能流激试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及船舶试验装置减振降噪技术领域，具体涉及一种低噪声外部驱动的智能流激试验装置及试验方法。

背景技术

拖曳水池是研究船舶水动力性能的重要技术设备之一。试验中通常利用电动拖车牵引试验模型在水池中模拟船舶、潜艇的水下航行。例如，拖曳水池配套传统行车实现对大型船舶水中航行的模拟。在试验过程中，将试验模型固定在行车的下部，行车牵引着试验模型在拖曳水池中运动。行车作为试验的牵引设备，其结构复杂，体型庞大，且具有一定的操作难度，试验过程中需要配有专业技术人员。

流激噪声是指水下航行体在航行时，运动船舶经过失稳的流场形成局部结构与周围流体的耦合振动进而引起的噪声。流激噪声是在水中远距离传播的最有效的能量形式之一，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。然而，在教学试验过程中，利用拖曳水池实施流激振动噪声试验存在以下不足。

一方面，在教学试验过程中，由于传统行车的庞大体型以及大尺寸的拖曳水池，教学场所难以提供合适的试验场地来满足在拖曳水池中进行流激振动噪声试验；另一方面，试验模型的流激噪声的噪声声量级很小，行车等牵引设备工作时产生的振动噪声对试验结果的影响巨大，甚至干扰试验以至于试验难以进行。

经检索，中国专利文献CN109459209A中公开了一种用于试验水池的拖车装置。该拖车装置包括四自由度工作桥、主车轨道、副车轨道和安全保护系统。该拖车装置中的四自由度工作桥由于采用了全桁架结构，避免了结构对风场正面阻力过大而造成上下风速不等并形成旋涡区，进而提高了测量结果的精度，同时减小风阻力也就减小试验能耗，降低了试验成本。虽然，上述拖车装置优化了桁架结构，进而减小了风阻对试验结果的影响，但是，拖车装置工作时产生的振动噪声仍然难以满足流激振动噪声试验对低噪声的要求。

又如，中国专利文献CN106248342A中公开了一种前置式水池拖曳试验装置。该试验装置包括拖车系统、基座、主梁、锁紧调整装置、轨道、小滑车、深沉杆、整流罩、电动推杆、导航装置和模型。模型位于拖车系统的前端下方，基座安装在拖车系统上，主梁为钢架结构，主梁末端通过法兰安装在基座上，主梁前端安装有整流罩。虽然，该试验装置大大减小了拖车及试验装置对模型四周流场的干扰，模型试验区气流速度与拖曳速度误差小于2%，较原试验方法误差减小10%，飞行器水动性能预报更加准确。但是，利用该试验装置在拖曳水池中实施流激振动噪声试验，拖车系统的工作噪声也难以满足流激振动噪声试验对低噪声的要求。

综上所述，在研究船舶试验减振降噪的过程中，如何设计一种试验装置，在拖曳水池中进行流激噪声试验时，用以降低动力驱动设备的运转对流激振动试验结果的影响，提高试验结果的可靠度，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，为研究船舶试验减振降噪的过程中，提供一种试验装置，在拖曳水池中进行流激噪声试验时，用以降低动力驱动设备的运转对流激振动试验结果的影响，提高试验结果的可靠度。

为实现上述目的，本发明采用如下方案：提出一种低噪声外部驱动的智能流激试验装置，包括拖曳水池、拖车、牵引结构、动力装置和采集分析系统；

所述拖曳水池的侧壁上设置有供拖车运动的导轨，所述拖曳水池的内部具有存储流体介质的腔体，所述导轨沿着腔体的长度方向布设；

所述拖车的车轮架设在导轨上，所述拖车的底部通过连接杆连接有试验模型，所述试验模型上设置有传感器，所述拖车通过牵引结构与动力装置相连；

所述牵引结构包括缆绳，所述缆绳的两端均与拖车相连形成环形回路，所述环形回路上设置有为缆绳提供张紧和转向功能的滑轮组；

所述动力装置位于导轨的上方，且位于环形回路的动力侧，所述动力装置的输出轴通过动力轮与缆绳相连；

所述采集分析系统包括采集模块和分析模块，所述采集模块收集传感器采集的参数信号以及试验环境的背景噪声信号，并将参数信号和背景噪声信号传送至分析模块，所述分析模块内存储有试验可实施环境的条件参数，所述分析模块将参数信号和背景噪声信号与条件参数对比，并将对比结果通过传输单元传输至上位机。

作为优选，拖车上设置有横向调节机构，横向调节机构包括安装座，安装座上设置有传动电机，传动电机的输出轴上设置有减速机，拖车上设置有齿条，减速机的输出轴上设置有与齿条相啮合的齿轮，连接杆通过安装座与拖车相连。如此设置，便于通过设置在拖车上的控制器及时调整试验模型在拖曳水池中宽度方向上的位置，根据试验需求，传动电机经减速机通过齿轮齿条驱动安装座带动试验模型运动，大大降低了调整试验模型位置的操作难度，提高了调整位置精度。

作为优选，连接杆的动力端设置有液压装置，液压装置的伸缩端通过连接杆与试验模型相连。如此设置，便于试验人员通过液压装置调整试验模型在垂向的位置，即试验模型位于拖曳水池中的深度。

作为优选，试验模型的壳体上设置有安装孔，安装孔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模型振动的加速度传感器，压力传感器和加速度传感器均与采集模块相连。如此设置，利用压力传感器和加速度传感器分别测量试验模型的壁面压力信号和振动加速度信号，实现了对结构件在不同航速下壁面压力、振动加速度规律的分析，有利于进一步验证仿真模拟方法中得到的数值结果的可靠性。

作为优选，动力装置包括电动机和卷扬机，电动机的输出轴与卷扬机的输入轴相连，卷扬机的输出轴通过动力轮与缆绳相连，电动机和卷扬机的底座均固定安装在行车上，行车与拖曳水池的导轨相连，滑轮组包括转向滑轮和定滑轮组，转向滑轮固定安装在拖曳水池上，位于环形回路远离动力侧的一端，定滑轮组安装在行车的底座上。如此设置，电动机驱动的卷扬机固定安装在行车上，且远离拖车，形成了外部驱动的动力结构，使得对拖车产生驱动力的动力装置远离试验模型，大大降低了动力装置在工作过程中产生的振动对试验模型的流激噪声试验结果的影响。

作为优选，缆绳通过挂钩与拖车相连，挂钩的两侧均设置有限位器。如此设置，挂钩便于缆绳与拖车拆卸或者安装，限位器有利于防止挂钩在拖车被牵引的过程中发生蹿动，进一步提升了拖车运行的稳定性。

本发明还提供了一种使用前述低噪声外部驱动的智能流激试验装置的试验方法，包括：

步骤一、根据试验要求，确定拖车与动力装置之间缆绳的长度，将底部携带试验模型的拖车安装在拖曳水池上，并通过缆绳连接拖车与动力装置，将缆绳穿过滑轮组形成环形回路；

步骤二、调整试验模型在拖曳水池中的位置；

步骤三、采集分析系统中的采集模块收集传感器采集的参数信号以及试验环境的背景噪声信号，分析模块将参数信号和背景噪声信号与试验可实施环境的条件参数对比，满足试验要求后再进行流激噪声试验。

作为优选，步骤三中还包括采集分析系统自行检测传感器与采集模块的连接情况，以及分析模块的传输单元与上位机之间的通讯情况。

作为优选，在步骤二中，计算定航速下试验模型连接杆的漩涡发放频率，调整连接杆的直径大小，使得连接杆的漩涡发放频率避开试验模型的固有频率。

作为优选，使用低噪声外部驱动的智能流激试验装置的试验方法还包括步骤四，在流激噪声试验实施的过程中，控制运动装置中电动机的转向来调整拖车的运行方向，以及控制电动机的转速来调整拖车的速度。

本发明提供的一种低噪声外部驱动的智能流激试验装置与现有技术相比，具有如下突出的实质性特点和显著进步：

1、该低噪声外部驱动的智能流激试验装置中动力装置通过牵引机构与载有试验模型的拖车相连，优化了试验装置的动力结构，使得动力装置远离试验模型所在的区域，降低了动力装置在驱动拖车运动时，其自身的振动引起试验模型的振动，同时减少了动力装置的工作振动向外辐射的噪声，避免了动力装置的振动对流激振动试验结果的影响，提高了试验结果的可靠性；

2、该低噪声外部驱动的智能流激试验装置中利用采集分析系统收集传感器采集的参数信号以及试验环境的背景噪声信号，并将参数信号和背景噪声信号与试验可实施环境的条件参数对比，在试验正式开始前判断试验结果的可行性，有利于提高试验数据采集的效率；

3、该低噪声外部驱动的智能流激试验装置通过改变拖车与试验模型之间的连接杆的直径，有效避免了连接杆的漩涡发放频率与试验模型的固有频率相近，从而避免了共振的发生，减小了连接杆的漩涡发放频率对试验结果的影响，进一步提升了试验结果的可靠度。

附图说明

图1是本发明实施例中一种低噪声外部驱动的智能流激试验装置的立体结构示意图；

图2是拖车的立体结构示意图；

图3是外部动力装置的立体结构示意图。

附图标记：转向滑轮1、拖车2、拖曳水池3、行车4、缆绳5、减速机6、液压装置7、基座8、数据采集传输设备9、环境感知系统10、框架11、传动电机12、连接杆13、试验模型14、安装座15、车轴16、车轮17、控制器18、限位器19、挂钩20、齿条21、齿轮22、卷扬机23、定滑轮组24、电动机25。

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1-3所示的一种低噪声外部驱动的智能流激试验装置，在拖曳水池中进行流激噪声试验时，用以降低动力驱动设备的运转对流激振动试验结果的影响，提高试验结果的可靠度。该试验装置中动力装置通过牵引机构与载有试验模型的拖车相连，优化了试验装置的动力结构，使得动力装置远离试验模型所在的区域。降低了动力装置在驱动拖车运动时，其自身的振动引起试验模型的振动。同时，减少了动力装置的工作振动向外辐射的噪声，避免了动力装置的振动对流激振动试验结果的影响，提高了试验结果的可靠性。

如图1所示，一种低噪声外部驱动的智能流激试验装置包括拖曳水池3、拖车2、牵引结构、动力装置和采集分析系统。拖曳水池3的侧壁上设置有供拖车2运动的导轨。拖曳水池3的内部具有存储流体介质的腔体。导轨沿着腔体的长度方向布设。如图2所示，拖车2的车轮17架设在导轨上。拖车2的底部通过连接杆13连接有试验模型14。试验模型14上设置有传感器。拖车2通过牵引结构与动力装置相连。

牵引结构包括缆绳5。缆绳5的两端均与拖车2相连形成环形回路。环形回路上设置有为缆绳5提供张紧和转向功能的滑轮组。动力装置位于导轨的上方，且位于环形回路的动力侧。动力装置的输出轴通过动力轮与缆绳5相连。

采集分析系统包括采集模块和分析模块，采集模块收集传感器采集的参数信号以及试验环境的背景噪声信号，并将参数信号和背景噪声信号传送至分析模块，分析模块内存储有试验可实施环境的条件参数，分析模块将参数信号和背景噪声信号与条件参数对比，并将对比结果通过传输单元传输至上位机。

其中，试验模型14的壳体上设置有安装孔。安装孔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模型14振动的加速度传感器。压力传感器和加速度传感器均与采集模块相连。如此设置，利用压力传感器和加速度传感器分别测量试验模型14的壁面压力信号和振动加速度信号，实现了对结构件在不同航速下壁面压力、振动加速度规律的分析，有利于进一步验证仿真模拟方法中得到的数值结果的可靠性。

如图2所示，缆绳5通过挂钩20与拖车2相连。挂钩20的两侧均设置有限位器19。如此设置，挂钩20便于缆绳5与拖车2拆卸或者安装，限位器19有利于防止挂钩20在拖车2被牵引的过程中发生蹿动，进一步提升了拖车2运行的稳定性。

拖车2包括基座8和框架11。基座8上设置有一对车轴16。车轴16的两端均设置有车轮17。车轮17架设在导轨上，为基座8提供运动支撑。其中，挂钩20连接在车轴16，便于动力装置通过缆绳5对拖车2实施牵引。框架11可焊接在基座8上，用于进一步提高拖车2整体的结构强度。基座8上还设置有数据采集传输设备9和环境感知系统10。数据采集传输设备9包括数据采集模块、功率放大模块以及WiFi数据传输模块构成，相对应的分别实现测试数据及环境感知数据的采集，测试弱小信号的放大以及测试数据的传输功能。

环境感知系统10包括温度传感器、湿度传感器和传声器设备。温度传感器和湿度传感器分别检测环境中的温度和湿度。传声器设备用于检测试验环境中的背景噪声。其中，传声器设备的检测灵敏度为2mV/pa、量程为200dB。

拖车2上还设置有速度传感器和振动加速度传感器。速度传感器用于检测拖车的航速。速度传感器的灵敏度可选为0.061 mg/LSB。振动加速度传感器用于检测拖车整体的振动响应，振动加速度传感器的灵敏度为1Pc/M·s^-2，量程为50g。

拖车2上设置有横向调节机构。横向调节机构包括安装座15。安装座15上设置有传动电机12。传动电机12的输出轴上设置有减速机6。拖车2上设置有齿条21。减速机6的输出轴上设置有与齿条21相啮合的齿轮22。连接杆13通过安装座15与拖车2相连。如此设置，便于通过设置在拖车2上的控制器18及时调整试验模型14在拖曳水池3中宽度方向上的位置。根据试验需求，传动电机12经减速机6通过齿轮22齿条21驱动安装座15带动试验模型14运动，大大降低了调整试验模型14位置的操作难度，提高了调整位置精度。

如图2所示，连接杆13的动力端设置有液压装置7。液压装置7的伸缩端通过连接杆13与试验模型14相连。如此设置，便于试验人员通过液压装置7调整试验模型14在垂向的位置，即试验模型14位于拖曳水池3中的深度。

如图3所示，动力装置包括电动机25和卷扬机23。电动机25的输出轴与卷扬机23的输入轴相连。卷扬机23的输出轴通过动力轮与缆绳5相连。电动机25和卷扬机23的底座均固定安装在行车4上。行车4与拖曳水池3的导轨相连。滑轮组包括转向滑轮1和定滑轮组24。转向滑轮1固定安装在拖曳水池3上，位于环形回路远离动力侧的一端。定滑轮组24安装在行车4的底座上。如此设置，电动机25驱动的卷扬机23固定安装在行车4上，且远离拖车2，形成了外部驱动的动力结构，使得对拖车2产生驱动力的动力装置远离试验模型14，大大降低了动力装置在工作过程中产生的振动对试验模型14的流激噪声试验结果的影响。

例如，拖车2中的框架11的主要材料为方钢。方钢的截面边长尺寸可选为0.08m。拖车轮17包括内侧轮和外侧限位轮。内侧轮的直径可选为0.35m，外侧限位轮的直径可选为0.5m。车轴16可选直径为0.07m的圆钢。基座8为厚度均匀的钢板制成，其钢板的厚度可选为0.1m。安装座15的长度为1m，宽度为0.4m，高度为0.42m。

减速机6可选为二级齿轮减速器，传动比为10。齿轮22的基圆直径为0.4m。齿条21及液压装置7均固定安装在拖车2上。其中，齿条21的长度为4m，厚度为0.05m。与试验模型14相连的连接杆13可选用自上至下设置的第一级杆、第二级杆和第三级杆。每级杆的长度为0.5m，可实现三级升降。例如，第一级杆的直径为0.35m，第二级杆的直径为0.3m，第三级杆的直径为0.25m。如此一来，便于试验过程中调整连接杆13的直径，有效避免了连接杆的漩涡发放频率与试验模型的固有频率相近，从而避免了共振的发生，减小了连接杆的漩涡发放频率对试验结果的影响，进一步提升了试验结果的可靠度。

挂钩3钩口直径为0.08m。缆绳5为直径0.002m的钢丝缆绳。试验模型14为流激振动噪声专用船模或水下航行器，重量最高可达50kg。电动机25的额定功率可选为15kw。卷扬机最大提升速度为4m/s。固定在行车4平台上的定滑轮组24的滑轮槽底径尺寸为0.028m。固定在拖曳水池上的转向滑轮1的滑轮槽底径尺寸为0.035m。

本发明实施例中一种低噪声外部驱动的智能流激试验装置使用时，包括以下步骤：

步骤一、根据试验要求，确定拖车与动力装置之间缆绳的长度，将底部携带试验模型的拖车安装在拖曳水池上，并通过缆绳连接拖车与动力装置，将缆绳穿过滑轮组形成环形回路；

步骤二、调整试验模型在拖曳水池中的位置；

步骤三、采集分析系统中的采集模块收集传感器采集的参数信号以及试验环境的背景噪声信号，分析模块将参数信号和背景噪声信号与试验可实施环境的条件参数对比，满足试验要求后再进行流激噪声试验。

其中，步骤三中还包括采集分析系统自行检测传感器与采集模块的连接情况，以及分析模块的传输单元与上位机之间的通讯情况。

在步骤二中，计算定航速下试验模型连接杆的漩涡发放频率，调整连接杆的直径大小，使得连接杆的漩涡发放频率避开试验模型的固有频率。

使用低噪声外部驱动的智能流激试验装置的试验方法还包括步骤四，在流激噪声试验实施的过程中，控制运动装置中电动机的转向来调整拖车的运行方向，以及控制电动机的转速来调整拖车的速度。

例如，在试验开始前，数据采集传输智能分析系统可自行检测模型上所布置的传感器连接是否良好，数据传输系统与服务器终端通讯是否通畅，并在终端提供反馈信息。通过环境感知系统中的温度湿度传感器和传声器设备测试试验所处环境的温湿度及背景噪声信息，经数据采集模块采集测量数据，并由数据采集传输智能分析系统中的处理器模块将测试数据与试验前人为设定的试验可实施环境条件参数进行比对，判断环境是否满足试验要求。并主动计算定航速下模型连接杆的漩涡发放频率，给出该航速下合适的连接杆直径大小，从而避免连接杆与模型发生共振。

在满足试验要求后，开始流激试验。在试验过程中，布置在试验模型上的传感器进行试验数据的测量，并由数据采集模块采集，由功率放大模块进行放大处理，将所测数据通过wifi数传模块实时传输至终端。环境感知系统中所搭载的速度传感器、加速度传感器以及传声器均处于工作状态，实时测量环境信息，经数据采集模块采集和处理器分析，检测拖车航速是否符合试验设定航速，检测拖车整体振动响应及试验所处环境背景噪声是否满足试验开展的需求。若在整个试验过程中均满足要求则完成当前工况的试验，并将试验过程中的环境数据通过wifi数传模块传输至终端，否则在终端反馈试验过程中不满足要求的参数，并提醒重新试验。

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)

1.一种低噪声外部驱动的智能流激试验装置，其特征在于，包括拖曳水池、拖车、牵引结构、动力装置和采集分析系统；

所述拖曳水池的侧壁上设置有供拖车运动的导轨，所述拖曳水池的内部具有存储流体介质的腔体，所述导轨沿着腔体的长度方向布设；

所述拖车的车轮架设在导轨上，所述拖车的底部通过连接杆连接有试验模型，所述试验模型上设置有传感器，所述拖车通过牵引结构与动力装置相连；

所述牵引结构包括缆绳，所述缆绳的两端均与拖车相连形成环形回路，所述环形回路上设置有为缆绳提供张紧和转向功能的滑轮组；

所述动力装置位于导轨的上方，且位于环形回路的动力侧，所述动力装置的输出轴通过动力轮与缆绳相连；

所述采集分析系统包括采集模块和分析模块，所述采集模块收集传感器采集的参数信号以及试验环境的背景噪声信号，并将参数信号和背景噪声信号传送至分析模块，所述分析模块内存储有试验可实施环境的条件参数，所述分析模块将参数信号和背景噪声信号与条件参数对比，并将对比结果通过传输单元传输至上位机。

2.根据权利要求1所述的低噪声外部驱动的智能流激试验装置，其特征在于，所述拖车上设置有横向调节机构，所述横向调节机构包括安装座，所述安装座上设置有传动电机，所述传动电机的输出轴上设置有减速机，所述拖车上设置有齿条，所述减速机的输出轴上设置有与齿条相啮合的齿轮，所述连接杆通过安装座与拖车相连。

3.根据权利要求2所述的低噪声外部驱动的智能流激试验装置，其特征在于，所述连接杆的动力端设置有液压装置，所述液压装置的伸缩端通过连接杆与试验模型相连。

4.根据权利要求1所述的低噪声外部驱动的智能流激试验装置，其特征在于，所述试验模型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模型振动的加速度传感器，所述压力传感器和加速度传感器均与采集模块相连。

5.根据权利要求1所述的低噪声外部驱动的智能流激试验装置，其特征在于，所述动力装置包括电动机和卷扬机，所述电动机的输出轴与卷扬机的输入轴相连，所述卷扬机的输出轴通过动力轮与缆绳相连，所述电动机和卷扬机的底座均固定安装在行车上，所述行车与拖曳水池的导轨相连，所述滑轮组包括转向滑轮和定滑轮组，所述转向滑轮固定安装在拖曳水池上，位于环形回路远离动力侧的一端，所述定滑轮组安装在行车的底座上。

6.根据权利要求1所述的低噪声外部驱动的智能流激试验装置，其特征在于，所述缆绳通过挂钩与拖车相连，所述挂钩的两侧均设置有限位器。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的低噪声外部驱动的智能流激试验装置的试验方法，其特征在于，包括：

步骤一、根据试验要求，确定拖车与动力装置之间缆绳的长度，将底部携带试验模型的拖车安装在拖曳水池上，并通过缆绳连接拖车与动力装置，将缆绳穿过滑轮组形成环形回路；

步骤二、调整试验模型在拖曳水池中的位置；

步骤三、采集分析系统中的采集模块收集传感器采集的参数信号以及试验环境的背景噪声信号，分析模块将参数信号和背景噪声信号与试验可实施环境的条件参数对比，满足试验要求后再进行流激噪声试验。

8.根据权利要求7所述的低噪声外部驱动的智能流激试验装置的试验方法，其特征在于，步骤三中还包括采集分析系统自行检测传感器与采集模块的连接情况，以及分析模块的传输单元与上位机之间的通讯情况。

9.根据权利要求7所述的低噪声外部驱动的智能流激试验装置的试验方法，其特征在于，

在步骤二中，计算定航速下试验模型连接杆的漩涡发放频率，调整连接杆的直径大小，使得连接杆的漩涡发放频率避开试验模型的固有频率。

10.根据权利要求7所述的低噪声外部驱动的智能流激试验装置的试验方法，其特征在于，还包括步骤四，在流激噪声试验实施的过程中，控制运动装置中电动机的转向来调整拖车的运行方向，以及控制电动机的转速来调整拖车的速度。

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