簧片哨噪聲功率譜密度分析

馮中營(yíng)，吳勝舉

1．太原工業(yè)學(xué)院理學(xué)系，山西 太原 030008；2．陜西師范大學(xué)應(yīng)用聲學(xué)研究所，陜西 西安 710062

簧片哨噪聲功率譜密度分析

馮中營(yíng)1，2，吳勝舉2

1．太原工業(yè)學(xué)院理學(xué)系，山西 太原 030008；2．陜西師范大學(xué)應(yīng)用聲學(xué)研究所，陜西 西安 710062

針對(duì)簧片哨空化噪聲的問題，首先通過ANSYS模擬簧片哨的振動(dòng)，研究簧片哨的振動(dòng)頻率；然后通過水聽器測(cè)量方法采集簧片哨的空化噪聲數(shù)據(jù)，并利用ORIGIN軟件分析噪聲譜，最后分析模擬結(jié)果與噪聲譜的關(guān)系．結(jié)果表明，簧片哨模擬振動(dòng)頻率與實(shí)際測(cè)得的頻率基本相符；在不同水壓條件下，簧片哨的噪聲譜基本一致，測(cè)得的基頻為0．8 kHz，泛頻為1．6 kHz、2．4 kHz、3．2 kHz、4．0 kHz、4．8 kHz等；簧片哨的噪聲譜具有明顯的線狀譜特點(diǎn)，但噪聲譜的頻率為可聽聲頻率范圍而不是超聲頻率范圍．簧片哨的線狀空化噪聲譜特點(diǎn)有利于加強(qiáng)空化效果．

空化；簧片哨；功率譜密度

0 引言

空化是一種在流體內(nèi)產(chǎn)生的復(fù)雜現(xiàn)象．流體內(nèi)的空化核在外部條件的影響下發(fā)生一種特殊的反應(yīng)，空化泡會(huì)發(fā)生增大縮小的變化，當(dāng)達(dá)到崩潰條件時(shí)，空化泡崩潰產(chǎn)生高溫高壓等常規(guī)方法很難產(chǎn)生的極端物理?xiàng)l件．產(chǎn)生空化的方法有壓電超聲換能器、磁致伸縮換能器等小處理量的方法，還有穿孔版、簧片哨及漩渦哨等水力空化產(chǎn)生的大處理量的方法［1－2］．聲學(xué)的整體特點(diǎn)是應(yīng)用領(lǐng)先于理論研究，實(shí)際應(yīng)用很多，但由于學(xué)科特點(diǎn)的原因相關(guān)的理論研究相對(duì)較少，理論研究落后于實(shí)際應(yīng)用．筆者對(duì)產(chǎn)生水力空化的裝置簧片哨空化時(shí)產(chǎn)生的噪聲譜進(jìn)行分析研究，研究ANSYS模擬振動(dòng)頻率與水聽器測(cè)得的噪聲譜之間的關(guān)系．

1 有限元分析軟件模擬計(jì)算

利用有限元分析軟件ANSYS，模擬分析簧片振動(dòng)問題，根據(jù)實(shí)驗(yàn)中所用簧片哨的屬性，在ANSYS軟件中設(shè)置制造簧片所用材料不銹鋼的彈性系數(shù)為200 000 MPa，不銹鋼的密度為7 860 kg/m3，不銹鋼的泊松比為0．3．在建立模型后利用ANSYS中的自由的四面體網(wǎng)格對(duì)所建立的簧片哨模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后利用ANSYS軟件進(jìn)行模態(tài)分析及求解．模擬結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)所用簧片哨的前5階振動(dòng)頻率分別為8 067 Hz、16 337 Hz、24 152 Hz、32 291 Hz、41 084 Hz．

2 簧片哨空化噪聲功率譜密度的測(cè)量與分析

在實(shí)驗(yàn)過程中利用水聽器采集簧片哨產(chǎn)生空化時(shí)的噪聲，利用數(shù)字示波器收集數(shù)據(jù)并利用ORIGIN軟件分析示波器最終采集的數(shù)據(jù)［3－4］，得到不同水壓下簧片哨產(chǎn)生的噪聲功率譜密度分別如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5所示．

圖1 水壓為0．15 MPa時(shí)的噪聲功率譜密度Fig．1Power as MSA at 0．15 MPa water pressure

由圖1可以看出，0．15 MPa的水壓太小，基本不能激起簧片哨的振動(dòng)，噪聲功率譜密度無明顯的線狀譜特點(diǎn)，功率譜密度數(shù)值也特別小，基本都在10－2W／Hz以下，大多數(shù)的功率譜密度甚至小于10－3W／Hz．在簧片哨空化降解應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)中也沒有人將水壓調(diào)到如此低，因?yàn)榭栈到獾葘?shí)驗(yàn)結(jié)果表明此時(shí)基本沒有明顯的空化降解效果，通過圖1顯示的空化噪聲功率譜也可以得出相同的結(jié)論．

圖2 水壓為0．25 MPa時(shí)的噪聲功率譜密度Fig．2Power as MSA at 0．25 MPa water pressure

由圖2可以看出，在0．25 MPa的水壓下，簧片哨開始明顯振動(dòng)，具有明顯的線狀譜特點(diǎn)，功率譜密度峰值對(duì)應(yīng)的頻率分別為790 Hz、1 630 Hz、2 440 Hz、3 260 Hz、4 070 Hz、4 890 Hz、5 700 Hz、6 600 Hz、7 330 Hz，峰值頻率數(shù)值呈現(xiàn)明顯的倍數(shù)關(guān)系，這就是振動(dòng)問題中的基頻與泛頻的關(guān)系．此系列頻率與ANSYS模擬得到的前五階振動(dòng)頻率8 067 Hz、1 6337 Hz、24 152 Hz、32 291 Hz、41 084 Hz具有較好的符合性．噪聲功率譜密度與圖1比較有了很大的提高，最大值出現(xiàn)在1 630 Hz時(shí)為0．811 9 W／Hz，此時(shí)產(chǎn)生了一定的空化效果．

圖3 水壓為0．35 MPa時(shí)的噪聲功率譜密度Fig．3Power as MSA at 0．35 MPa water pressure

圖3表明在水壓為0．35 MPa時(shí)同樣明顯振動(dòng)，同樣具有明顯的線狀譜特點(diǎn)，功率譜密度峰值對(duì)應(yīng)的頻率分別為810 Hz、1 630 Hz、2 450 Hz、3 260 Hz、4 070 Hz、4 890 Hz、5 700 Hz、6 520 Hz、 7 330 Hz等，峰值頻率數(shù)值呈現(xiàn)明顯的倍數(shù)關(guān)系，且大部分峰值頻率與水壓為0．25 MPa時(shí)相同，功率譜密度數(shù)值整體比0．25 MPa水壓時(shí)提高，最高值在1 630 Hz時(shí)為0．895 3 W／Hz．

圖4 水壓為0．45 MPa時(shí)的噪聲功率譜密度Fig．4 Power as MSA at 0．45 MPa water pressure

圖4表明在水壓為0．45 MPa時(shí)功率譜密度峰值對(duì)應(yīng)的頻率分別為800 Hz、1 600 Hz、2 400 Hz、3 210 Hz、4 010 Hz、4 810 Hz、5 400 Hz、6 420 Hz、7 230 Hz等，其中高頻的峰值頻率在圖中看并不明顯，功率譜密度數(shù)值整體比0．35 MPa水壓時(shí)提高，最高值在1 600 Hz時(shí)為1．028 1 W／Hz．

圖5表明在水壓為0．55 MPa時(shí)功率譜密度峰值對(duì)應(yīng)的頻率分別為800 Hz、1 600 Hz、2 410 Hz、3 210 Hz、4 010 Hz、4 810 Hz、5 610 Hz、6 440 Hz、7 240 Hz等，其中高頻的峰值頻率在圖中看也并不明顯，功率譜密度數(shù)值整體比0．45 MPa水壓時(shí)反而下降，最高值在2 410 Hz時(shí)為0．760 2 W／Hz，但從整體來看功率譜密度比0．45 MPa水壓時(shí)的功率譜密度有明顯提高.

3 結(jié)語

ANSYS模擬結(jié)果及實(shí)際測(cè)得的空化噪聲功率譜密度表明，模擬得到的簧片哨振動(dòng)頻率與實(shí)驗(yàn)得出的空化噪聲功率譜密度峰值頻率具有很好的符合性，均為0．8 kHz、1．6 kHz、2．4 kHz、3．2 kHz、4．0 kHz、4．8 kHz，最高峰值頻率7 kHz也仍然在可聽聲頻率范圍，并不是超聲頻率范圍，由于簧片哨的結(jié)構(gòu)及其工作時(shí)需要水流沖擊的條件致使簧片哨并不能像壓電超聲換能器那樣發(fā)生超聲頻率的超聲波，圖1～圖5也能看出在高頻段的峰值頻率均不十分明顯．

在0．15 MPa的較低水壓下，簧片哨基本沒有明顯的振動(dòng)，此時(shí)也沒有明顯的空化效應(yīng)．隨著簧片哨水壓的提高，簧片哨逐漸開始振動(dòng)，而且通過圖1～圖5所示的不同水壓下的的空化噪聲功率譜密度對(duì)應(yīng)的峰值頻率來看，不同水壓下的振動(dòng)頻率基本一致，由此可以得出，簧片哨產(chǎn)生空化的原因在于簧片哨的簧片的振動(dòng)，通過實(shí)驗(yàn)所用的不同水壓下的空化噪聲功率密度整體大小來看，隨著水壓的增加空化噪聲功率密度增加，但由于實(shí)驗(yàn)條件限制沒有進(jìn)行更高水壓的實(shí)驗(yàn)．

本文對(duì)水力空化的裝置簧片哨在其振動(dòng)頻率與空化噪聲功率譜密度方面進(jìn)行了研究，得出了一定的結(jié)論，簧片哨也可以加工成各種規(guī)格形狀的，簧片哨中簧片的規(guī)格形狀也是可以加工成多種多樣的，因此不同的簧片哨也會(huì)產(chǎn)生不同的空化效果，需要對(duì)簧片哨進(jìn)行更多的模擬分析研究及實(shí)驗(yàn)分析研究以便找出其規(guī)律性，為增強(qiáng)簧片哨的空化效果提高其空化利用提供一個(gè)理論基礎(chǔ)．

致謝

國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)提供了資金資助，符衛(wèi)春同學(xué)在實(shí)驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)分析過程中提供了幫助，在此一并致謝！

［1］TESTUD P，MOUSSOU P，HIRSCHBERG A，et al．Noise generated by cavitating single-hole and multihole orifices in a water pipe［J］．Journal of Fluids and Structures，2007，23（2）：163-189．

［2］MOHOLKAR V S，SABLE S P，PANDIT A B．Mappingthecavitationintensityinanultrasonic bath using the acoustic emission［J］．AIChE Journal，2000，46（4）：684-693．

［3］秦平力，李端勇，張昱．利用Origin7．0軟件處理超聲波聲速實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)［J］．武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，29（9）：69-71．

QIN Ping-li，LI Duan-yong，ZHANG Yu．Application Origin 7．0 software to experimental data of the sound velocityofultrasonic［J］．JournalofWuhanInstituteof Technology，2009，29（9）：69-71．（in Chinese）

［4］馮中營(yíng)．穿孔板噪聲譜分析研究［J］．武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30（3）：110-111．

FENGZhong-ying．The analysis research on the noise spectrum of perforation plate［J］．Journal of Wuhan Institute of Technology，2010，30（3）：110-111．（in Chinese）

Spectral noise power density of reed whistle

FENG Zhong－ying1，2，WU Sheng－ju2
1．Department of Science，Taiyuan Institute of Technology，Taiyuan 030008，China；
2．Institute of Applied Acoustics，Shanxi Normal University，Xi’an 710062，China

Aimed at the cavitation noise spectrum of reed whistle，firstly，the vibration of reed whistles was simulated by ANSYS，and the vibration frequency of reed whistles was analyzed．Then the cavitation noise spectrum of reed whistle acquired by hydrophone measurements was explored using ORIGIN software．Finally the relationship between simulation values and noise spectrum was studied．The results show that the simulated vibration frequency of reed whistle coincides with the actual measured frequency；the reed whistle noise spectra are basically the same in different water pressure conditions；the radical frequency measured is 0．8 kHz and overtone is 1．6 kHz，2．4 kHz，3．2 kHz，4．0 kHz，4．8 kHz，and so on；the noise spectrum of reed whistle shows linear characteristics，but the noise is found in audible frequency range rather than in ultrasonic frequency range．The linear characteristics of cavitation noise spectrum of reed whistle are beneficial to enhance cavitation effect．

cavitation；reed whistle；spectral power density

O426

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2014.012.014

1674－2869（2014）012－0072－03

本文編輯：苗變

2014－09－29

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（10474061，10074042）

馮中營(yíng)（1981－），男，山東臨沂人，碩士.研究方向：聲學(xué).