CN117077468B - 一种循环水洞背景噪声预测的方法、存储介质及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明属于管道噪声领域相关技术领域，其公开了一种循环水洞背景噪声预测的方法、存储介质及设备，所述背景噪声包括流体直发声、流激结构振动噪声、驱动电机致结构振动辐射噪声，其通过对上述三种背景噪声分别进行数值模拟计算，并将上述三种背景噪声的所述数值模拟计算的结果进行噪声叠加，得到循环水洞在测声舱内监测点处的整体背景噪声。本发明围绕循环水洞背景噪声的三个组成部分，利用声学有限元方法，提出了循环水洞背景噪声完整的数值预报方法，为循环水洞的设计、建造和优化提供了工程指导。
Description
技术领域
本发明属于管道噪声领域，尤其针对循环水洞这种内部有复杂流场的管道空腔噪声。
背景技术
水动力性能是水下航行器最重要的性能之一，水动力噪声水平是其中的一个重要指标，水洞实验是进行水动力噪声测试最成熟、最常用的方法之一。但是，在循环水洞中开展水动力噪声测试时，由于受到水洞管壁和内部结构的影响，设计不合理的循环水洞流场的紊流程度很高，产生的水动力背景噪声很大，同时由于推进叶轮电机振动引起结构振动产生噪声，导致实验过程中背景噪声水平较高，研究目标的信噪比较低。因此，在循环水洞的设计建造过程中，对其进行背景噪声性能的预报很有必要。
循环水洞的背景噪声组成主要包括：壁面压力脉动形成的偶极子声源引起的流体直发声；流体与弹性结构的流固耦合效应引起的结构振动产生的流激结构振动噪声；驱动循环水洞中推进叶轮旋转的电机振动，通过轴系传递到管壁上引起结构振动产生的噪声。
关于循环水洞的振动与噪声研究方面，目前主要采用实验测试的方法来得到循环水洞的背景噪声，实验测试的方法其精确度较高，但存在成本高、花费时间长的不足；同时，目前鲜有研究直接针对循环水洞的整体背景噪声预报。
基于此，本发明围绕循环水洞背景噪声的三个组成部分，利用声学有限元方法(FEM)，提出了循环水洞背景噪声完整的数值预报方法，为循环水洞的设计、建造和优化提供了工程指导。
发明内容
本发明的目的是提出一种循环水洞背景噪声预测的方法、存储介质及设备，以解决传统实验测试方法成本高、时间长的问题，为循环水洞的设计、建造和优化提供了工程指导。
一种针对循环水洞背景噪声预测的方法，所述背景噪声包括流体直发声、流激结构振动噪声、驱动电机致结构振动辐射噪声，通过对上述三种背景噪声分别进行数值模拟计算，将上述三种背景噪声的所述数值模拟计算的结果进行噪声叠加，从而得到循环水洞在测声舱内监测点处的整体背景噪声。
流体直发声计算主要包括：基于建立的循环水洞流体域声学有限元模型，导入对循环水洞内部非定常流场进行数值模拟得到的壁面压力脉动，计算得到循环水洞在测声舱内监测点处的流体直发声声压响应。
流激结构振动噪声计算主要包括：基于建立的循环水洞的整体结构与内部流体域的流固耦合数值计算模型，导入对循环水洞内部非定常流场进行数值模拟得到的壁面压力脉动，计算出循环水洞结构的振动位移响应；同时，将结构壁面的振动位移导入建立的循环水洞的整体结构与内部流体域的声振耦合数值计算模型，计算出测声舱内监测点处的流激结构振动噪声声压响应。
驱动电机致结构振动辐射噪声计算主要包括：基于建立的循环水洞的整体结构与内部流体域的流固耦合数值计算模型，在相应的位置加载驱动电机的振动加速度，计算出循环水洞结构的振动位移响应；将结构壁面的振动位移导入建立的循环水洞的整体结构与内部流体域的声振耦合数值计算模型，计算出测声舱内监测点处的驱动电机致结构振动辐射噪声。
流体直发声计算方法具体包括：
根据循环水洞内部的设计尺寸，利用三维软件构建出流体域的几何模型；
基于所构建的流体域几何模型，进行流体域网格划分，完成声学网格模型的建立；
基于所建立的声学网格模型，在声学软件进行网格前处理，得到声学网格包络面，同时给声学网格赋予水的流体属性；
利用数据转移将循环水洞内部非定常流场数值模拟得到的壁面压力脉动插值到声学网格包络面上，并进行傅里叶变换，得到声学网格包络面上的压力脉动在频域下的分布；将壁面压力脉动设置为面偶极子声源，最终输出频域下测声舱内监测点处的流体直发声声压响应曲线。
流激结构振动噪声计算方法具体包括：
根据循环水洞结构的设计尺寸，利用三维软件构建出结构的三维几何模型；
基于构建的结构三维几何模型，在有限元软件中抽取中面建立结构的壳几何模型，导流片采用实体模型；
将壳几何模型划分为面网格，导流片划分为体网格，完成结构网格模型的建立；
将所建立的结构网格模型和声学网格模型分别导入CAE软件Abaqus中，将结构网格与声学网格形成装配体；在所有结构与流体的交界面处，利用相互作用中的绑定约束建立结构与流体的耦合关系，形成流固耦合面；在结构底部的支座上设置边界约束条件，完成流固耦合数值计算模型的建立；
在Matlab中将循环水洞内部非定常流场数值模拟得到的时域壁面压力脉动进行傅里叶变换转换为频域，利用插值程序将压力脉动从流体域壁面网格插值到结构壁面网格，将网格和压力脉动导出形成.dat格式文件；
在Abaqus中建立稳态动力学的频域分析步，指定分析的频率范围，并将网格和压力脉动文件加载到结构壁面上，进行压力脉动激励下的流固耦合计算，输出包含频域下结构壁面振动位移响应的.odb格式文件；
将声学网格导入声学软件中，进行声学网格前处理得到声学网格包络面，将声学网格包络面与结构网格形成声固耦合面以建立声振耦合数值计算模型。利用数据转移将结构壁面的振动位移插值到声学网格包络面上，将其设置为位移边界条件，计算出测声舱内监测点处的流激结构振动噪声声压响应。
驱动电机致结构振动辐射噪声计算方法具体包括：
在Matlab中将通过实验测得的驱动电机的时域下三向振动加速度进行傅里叶变换转换到频域，并输出为.dat格式文件；
基于建立的循环水洞流固耦合数值计算模型，在驱动电机轴系与结构壁面相接处建立一三向虚拟弹簧，弹簧一端连接循环水洞结构壁面，另一端连接模拟驱动电机的质量点，用以模拟驱动电机通过联轴器和轴系向结构壁面传递振动加速度；
在Abaqus中建立稳态动力学的频域分析步，指定分析的频率范围；将驱动电机三向振动加速度的.dat文件加载到模拟驱动电机的质量点上进行驱动电机振动加速度激励下的流固耦合计算，输出包含频域下结构壁面振动位移响应的.odb格式文件；
在声学软件中，基于建立的循环水洞声振耦合数值计算模型，利用数据转移将由驱动电机激励的结构壁面振动位移插值到声学网格包络面上，将其设置为位移边界条件，计算出测声舱内监测点处的驱动电机致结构振动辐射噪声。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，当所述计算机程序在计算机上运行时，使得所述计算机执行权利要求所述的一种针对循环水洞背景噪声预测的方法。
本发明还提供一种电子设备，所述电子设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器通过调用所述存储器中存储的所述计算机程序，用于执行所述的一种针对循环水洞背景噪声预测的方法。
与现有技术相比，本发明的主要优点是：
1.提出了一种完整的循环水洞背景噪声的数值预报方法，填补了当前循环水洞背景噪声预报领域的空白。
2.综合考虑了引起循环水洞背景噪声的三种不同的噪声源，进行了循环水洞整体结构与流体的精细化建模，更为全面和准确的考虑了循环水洞背景噪声的各种影响因素。
3.将循环水洞背景噪声的三个组成部分分别求解，从各自的噪声源出发，分别采用不同的建模方式，更清晰的体现了背景噪声的三种组成部分在不同频段的相对大小，有利于指导工程中对背景噪声水平进行优化。
附图说明
图1为本发明循环水洞整体背景噪声计算过程示意图；
图2为流体直发声计算过程示意图；
图3为流激结构振动噪声计算过程示意图；
图4为驱动电机致结构振动噪声计算过程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1，本发明提出一种针对循环水洞背景噪声预测的方法，所述背景噪声包括流体直发声、流激结构振动噪声、电机通过轴系传递到管壁上引起的管壁结构振动产生的噪声，通过对上述三种背景噪声分别进行数值模拟计算，并将上述三种背景噪声的所述数值模拟计算的结果进行噪声叠加，从而得到循环水洞在测声舱内监测点处的整体背景噪声
具体地，流体直发声的计算方法如步骤1所述。
步骤1：基于建立的循环水洞流体域声学有限元模型，导入对循环水洞内部非定常流场进行数值模拟得到的壁面压力脉动，计算得到循环水洞在测声舱内监测点处的流体直发声声压响应以及流体域的直发声分布规律。
具体地，步骤1包括以下步骤：
步骤1.1：根据循环水洞内部的设计尺寸，利用三维软件构建出流体域的几何模型；
步骤1.2：基于所构建的流体域几何模型，进行流体域网格划分，完成声学网格模型的建立；
优选地，流体域网格划分时，网格尺寸小于水中1/6最小声波波长的尺寸。
步骤1.3：基于所建立的声学网格模型，在声学软件进行网格前处理，得到声学网格包络面，同时给声学网格赋予水的流体属性；考虑到水洞内部有些部分贴敷了吸声材料，因此，在计算时需要考虑到这些吸声材料的吸声效果，基于此将声学网格包络面划分为不同的组，分别赋予对应的吸声阻抗属性(如测声舱壁面1000Hz以下的吸声系数为0.4)；在测声舱内放置水听器的位置设置场点作为声压监测点；
所述声学软件可以为Virtual Lab等。
步骤1.4：利用数据转移将循环水洞内部非定常流场数值模拟得到的壁面压力脉动插值到声学网格包络面上，并进行傅里叶变换，得到声学网格包络面上的压力脉动在频域下的分布。将壁面压力脉动设置为面偶极子声源，最终输出频域下测声舱内监测点处的流体直发声声压响应曲线，同时获得流体域内的声压分布情况，分析影响曲线主要峰值和趋势的原因。
整个流体直发声分析过程如图2。
具体地，流激结构振动噪声的计算方法如步骤2所述。
步骤2：基于建立的循环水洞的整体结构与内部流体域的流固耦合数值计算模型，导入对循环水洞内部非定常流场进行数值模拟得到的壁面压力脉动，利用直接法计算出循环水洞结构的振动位移响应。将结构壁面的振动位移导入建立的循环水洞的整体结构与内部流体域的流固耦合数值计算模型，计算出循环水洞在测声舱内监测点处的流激结构振动噪声声压响应以及流体域的流激噪声分布规律。
具体地，步骤2包括以下步骤：
步骤2.1：根据循环水洞结构的设计尺寸，利用三维软件构建出结构的三维几何模型；
步骤2.2：基于构建的结构三维几何模型，在有限元软件中抽取中面建立结构的壳几何模型，导流片采用实体模型。根据结构不同部分的设计厚度和材料，将几何模型分为不同的组分别赋予对应的厚度与材料属性；
优选地，拐角段壁面厚度为12mm、材料为钢，测声舱壁面厚度为30mm、材料为有机玻璃；
根据结构网格尺寸小于1/6最小结构弯曲波波长的要求，将壳几何模型划分为面网格，导流片划分为体网格，完成结构网格模型的建立；
优选地，步骤2.2中所述有限元软件可以为HyperMesh等。
步骤2.3：将所建立的结构网格模型和声学网格模型分别导入CAE软件Abaqus中。给声学网格赋予水的声学属性，水的声学属性包括但不限于密度、体积模量等，将结构网格与声学网格形成装配体，指定网格类型，所述指定网格类型可以为声学网格Acoustic。在所有结构与流体的交界面处，利用相互作用中的绑定约束建立结构与流体的耦合关系，形成流固耦合面。在结构底部的支座上设置边界约束条件，完成流固耦合数值计算模型的建立；
优选地，步骤2.3中所述结构底部的支座上设置边界约束条件为固支。
步骤2.4：在Matlab中将循环水洞内部非定常流场数值模拟得到的时域壁面压力脉动进行傅里叶变换转换为频域，利用插值程序将压力脉动从流体域壁面网格插值到结构壁面网格，将网格和压力脉动导出形成文件，所述文件形式可以为.dat文件。
步骤2.5：在Abaqus中建立稳态动力学的频域分析步，指定分析的频率范围，并将网格和压力脉动文件加载到结构壁面上。选择所需的场输出，优选地，所述场输出可以为displacement等，进行压力脉动激励下的流固耦合计算，输出包含频域下结构壁面振动位移响应文件，所述文件形式可以为.odb格式文件。
步骤2.6：将声学网格导入声学软件中，进行声学网格前处理得到声学网格包络面。将声学网格包络面与结构网格形成声固耦合面，建立声振耦合数值计算模型。利用数据转移将结构壁面的振动位移插值到声学网格包络面上，将其设置为位移边界条件，计算得到测声舱内监测点处的流激结构振动噪声响应以及流体域声压分布，分析测声舱内的噪声衰减变化规律，探究影响曲线中主要峰值和趋势的原因。
整个流激结构振动噪声分析过程如图3。
具体地，电机通过轴系传递到管壁上引起的管壁结构振动产生的噪声的计算方法如步骤3所述。
步骤3：基于建立的循环水洞的整体结构与内部流体域的流固耦合数值计算模型，在相应的位置加载通过实验测试得到的驱动电机的振动加速度，利用直接法计算出循环水洞结构的振动位移响应。将结构壁面的振动位移导入建立的循环水洞的整体结构与内部流体域的声振耦合数值计算模型，计算出循环水洞在测声舱内监测点处的驱动电机致结构振动辐射噪声以及噪声分布规律。
具体地，步骤3包括以下步骤：
步骤3.1：在Matlab中将通过实验测得的驱动电机的时域下三向振动加速度进行傅里叶变换转换到频域，并输出为.dat格式文件。
步骤3.2：基于建立的循环水洞流固耦合数值计算模型，在驱动电机轴系与结构壁面相接处建立一三向虚拟弹簧，弹簧一端连接循环水洞结构壁面，另一端连接模拟驱动电机的质量点，用以模拟驱动电机通过联轴器和轴系向结构壁面传递振动加速度。
步骤3.3：在Abaqus中建立稳态动力学的频域分析步，指定分析的频率范围。将驱动电机三向振动加速度的.dat文件加载到模拟驱动电机的质量点上。选择所需的场输出(如displacement)，进行驱动电机振动加速度激励下的流固耦合计算，输出包含频域下结构壁面振动位移响应的.odb格式文件。
步骤3.4：在声学软件中，基于建立的循环水洞声振耦合数值计算模型，利用数据转移将由驱动电机激励的结构壁面振动位移插值到声学网格包络面上，将其设置为位移边界条件，计算得到测声舱内监测点处的驱动电机致结构振动噪声响应以及流体域声压分布，分析测声舱内的噪声衰减变化规律，探究影响曲线中主要峰值和趋势的原因。
整个驱动电机致结构振动噪声分析过程如图4。
步骤4：将步骤1、2、3中得到的三种不同声源产生的噪声叠加，得到循环水洞在测声舱内监测点处的整体背景噪声。
进一步地，本发明通过分析测声舱内的噪声衰减变化规律，探究三种不同声源产生的噪声影响曲线中主要峰值和趋势的原因，并进行相应的优化，从而减少循环水洞的背景噪声。
进一步地，本发明提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，当所述计算机程序在计算机上运行时，使得所述计算机执行上述循环水洞背景噪声预测的方法。
进一步地，本发明提供一种电子设备，所述电子设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器通过调用所述存储器中存储的所述计算机程序，可以执行上述循环水洞背景噪声预测的方法。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种针对循环水洞背景噪声预测的方法，所述背景噪声包括流体直发声、流激结构振动噪声、驱动电机致结构振动辐射噪声，其特征在于：所述方法包括以下步骤：对上述三种背景噪声分别进行数值模拟计算，将上述三种背景噪声的所述数值模拟计算的结果进行噪声叠加，得到循环水洞在测声舱内监测点处的整体背景噪声；
基于建立的循环水洞的整体结构与内部流体域的流固耦合数值计算模型，在相应的位置加载驱动电机的振动加速度，计算出循环水洞结构的振动位移响应；将结构壁面的振动位移导入建立的循环水洞的整体结构与内部流体域的声振耦合数值计算模型，计算出测声舱内监测点处的驱动电机致结构振动辐射噪声；
驱动电机致结构振动辐射噪声计算方法具体包括：
在Matlab中将通过实验测得的驱动电机的时域下三向振动加速度进行傅里叶变换转换到频域，并输出为.dat格式文件；
基于建立的循环水洞流固耦合数值计算模型，在驱动电机轴系与结构壁面相接处建立一三向虚拟弹簧，弹簧一端连接循环水洞结构壁面，另一端连接模拟驱动电机的质量点，用以模拟驱动电机通过联轴器和轴系向结构壁面传递振动加速度；
在Abaqus中建立稳态动力学的频域分析步，指定分析的频率范围；将驱动电机三向振动加速度的.dat文件加载到模拟驱动电机的质量点上进行驱动电机振动加速度激励下的流固耦合计算，输出包含频域下结构壁面振动位移响应的.odb格式文件；
在声学软件中，基于建立的循环水洞声振耦合数值计算模型，利用数据转移将由驱动电机激励的结构壁面振动位移插值到声学网格包络面上，将其设置为位移边界条件，计算出测声舱内监测点处的驱动电机致结构振动辐射噪声。
2.如权利要求1所述的一种针对循环水洞背景噪声预测的方法，其特征在于：基于建立的循环水洞流体域声学有限元模型，导入对循环水洞内部非定常流场进行数值模拟得到的壁面压力脉动，计算得到循环水洞在测声舱内监测点处的流体直发声声压响应。
3.如权利要求1所述的一种针对循环水洞背景噪声预测的方法，其特征在于：基于建立的循环水洞的整体结构与内部流体域的流固耦合数值计算模型，导入对循环水洞内部非定常流场进行数值模拟得到的壁面压力脉动，计算出循环水洞结构的振动位移响应；同时，将结构壁面的振动位移导入建立的循环水洞的整体结构与内部流体域的声振耦合数值计算模型，计算出测声舱内监测点处的流激结构振动噪声声压响应。
4.如权利要求3所述的一种针对循环水洞背景噪声预测的方法，其特征在于：该方法具体包括：
根据循环水洞内部的设计尺寸，利用三维软件构建出流体域的几何模型；
基于所构建的流体域几何模型，进行流体域网格划分，完成声学网格模型的建立；
基于所建立的声学网格模型，在声学软件进行网格前处理，得到声学网格包络面，同时给声学网格赋予水的流体属性；
利用数据转移将循环水洞内部非定常流场数值模拟得到的壁面压力脉动插值到声学网格包络面上，并进行傅里叶变换，得到声学网格包络面上的压力脉动在频域下的分布；将壁面压力脉动设置为面偶极子声源，最终输出频域下测声舱内监测点处的流体直发声声压响应曲线。
5.如权利要求3所述的一种针对循环水洞背景噪声预测的方法，其特征在于：该方法具体包括：
根据循环水洞结构的设计尺寸，利用三维软件构建出结构的三维几何模型；
基于构建的结构三维几何模型，在有限元软件中抽取中面建立结构的壳几何模型，导流片采用实体模型；
将壳几何模型划分为面网格，导流片划分为体网格，完成结构网格模型的建立；
将所建立的结构网格模型和声学网格模型分别导入CAE软件Abaqus中，将结构网格与声学网格形成装配体；在所有结构与流体的交界面处，利用相互作用中的绑定约束建立结构与流体的耦合关系，形成流固耦合面；在结构底部的支座上设置边界约束条件，完成流固耦合数值计算模型的建立；
在Matlab中将循环水洞内部非定常流场数值模拟得到的时域壁面压力脉动进行傅里叶变换转换为频域，利用插值程序将压力脉动从流体域壁面网格插值到结构壁面网格，将网格和压力脉动导出形成.dat文件；
在Abaqus中建立稳态动力学的频域分析步，指定分析的频率范围，并将网格和压力脉动文件加载到结构壁面上，进行压力脉动激励下的流固耦合计算，输出包含频域下结构壁面振动位移响应的.odb文件；
将声学网格导入声学软件中，进行声学网格前处理得到声学网格包络面， 将声学网格包络面与结构网格形成声固耦合面以建立声振耦合数值计算模型；利用数据转移将结构壁面的振动位移插值到声学网格包络面上，将其设置为位移边界条件，计算出测声舱内监测点处的流激结构振动噪声声压响应。
6.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，当所述计算机程序在计算机上运行时，使得所述计算机执行权利要求1至5任一项所述的一种针对循环水洞背景噪声预测的方法。
7.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器通过调用所述存储器中存储的所述计算机程序，用于执行权利要求1至5任一项所述的一种针对循环水洞背景噪声预测的方法。
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