充水管路振動噪聲特性的統計能量的研究

【摘要】在充水管路系統發展的過程中，其振動和噪聲的產生與傳播一直是人們重點關注的問題，本文以船舶冷卻水管路為研究對象，采用統計能量法對充水管路振動噪聲特性進行分析，簡單介紹了充水管路系統噪聲和統計能量分析法的相關概述，對充水管路系統中振動噪聲產生的原因進行分析，并了解對充水管路系統振動噪聲進行控制手段，明確統計能量分析法在充水管路振動噪聲特性研究中的重要作用。

【關鍵詞】充水管路噪聲；振動噪聲特性；統計能量

前言

隨著科學技術的不斷完善，船舶領域中的聲納設備受到了高度的關注，為潛艇在水中的順利航行提供了很大的便利。近幾年來，對于潛艇的“減振降噪”工作的研究越來越廣泛，實現潛艇的“減振降噪”不僅能夠避免振動噪聲給船員身體健康造成的影響，還能夠提高船舶在運行中的穩定性，給船員提供了一個良好的工作環境。目前，充水管理系統的振動噪聲問題日益顯著，不利于船舶各方面性能的穩定發展。

一、充水管路系統中振動噪聲的相關概述

（一）充水管路系統振動噪聲的介紹

充水管路系統振動噪聲主要包括兩個方面，一方面是結構噪聲，另一方面是流體噪聲。充水管路系統的結構噪聲是指在受到動力源的不平衡力矩和管內介質穿越管路彎頭、變徑管系構件時形成的局部擾動力的影響下，充水管路及其附件，像是泵、支架等連續彈性結構產生振動響應。當充水管路產生響應的時候，就會通過管壁振動的形式傳播到其他結構中，并且激勵其它結構產生聲輻射。充水管路系統的流體噪聲是指離心泵和閥門所引發的噪聲，也就是充水管路內流體運動不穩定使產生的噪聲。

充水管路內流體的不穩定運動還會引發脈沖壓力，而這些脈沖壓力會直接作用于管道的應力脈動和機械振動。當管道的應力脈動頻率與充水管路系統的固有頻率接近的時候，就會產生諧振的現象。在諧振狀態下的壓力脈沖是非諧振狀態下的幾倍甚至幾十倍，這種過高的壓力脈沖會給充水管路系統的正常運行造成嚴重的影響，還會降低充水管路系統元件的工作質量，無法為系統參數測試的準確性提供基本保障，甚至還會引發結構振動與管口輻射噪聲，給充水管路系統的正常運行帶來很大的危害。

（二）造成充水管路系統振動噪聲的原因

1.泵噪聲

充水管路系統振動噪聲中的泵噪聲可以分為兩種，一種是水力噪聲，另一種是機械噪聲。根據實踐分析可知，水力噪聲一般都比機械噪聲要大。水力噪聲可以分為壓力脈沖噪聲和汽蝕噪聲。泵在工作的過程中具有周期性的基本特征，可以看成是在泵的平均流量上疊加有高頻的脈動流量，而這種高頻的脈沖流量會在充水管路中引起一定程度的壓力脈動，從而產生結構振動和噪聲輻射。一般情況下，泵在超過允許吸入真空度的狀態下運行時，就會發生汽蝕現象。處于汽蝕狀態下的泵葉輪葉片的入口處壓力最低，當泵內的壓力比該溫度下的汽化壓力還要低的時候，就會發生流體汽化的情況，并且在汽化狀態的影響下向高壓區流動，在高壓區凝結，從而產生汽蝕噪聲。充水管路系統泵噪聲中的機械噪聲主要是由于泵內壓力的不平衡運動造成的。當泵內的壓力處于不平衡狀態的時候，部件間的沖撞力和摩擦力就會增大，從而引發結構振動和聲輻射。

2.閥噪聲

在充水管路系統振動噪聲中，閥噪聲與泵噪聲占據著同樣的地位，主要以高頻寬帶噪聲的形式表現出來。當充水管路系統的閥體內壓力發生變化和流體對某些部件產生沖擊的時候，就會發生管道振動的情況，從而引發噪音。當閥門處于節流狀態的時候，流體在斷面處的流速逐漸增加，閥門下游產生的噪聲就越大，主要以高頻寬帶噪聲的形式表現出來。這時候如果充水管路內的壓力忽然下降，指導閥門壓力比流體飽和壓力更低的時候，該位置就會產生氣泡，并且氣泡還會隨著流體的運動方向繼續前進。當氣泡流動到一定位置的時候，就會受到壓力的影響而破裂，從而產生壓力脈沖引發的噪聲。

（三）充水管路系統振動噪聲的控制

為了能夠確保充水管路系統的正常運行，充分發揮出系統在船舶領域中的重要作用，就必須對充水管路系統的振動噪聲進行合理的控制。一般情況下，我們會從兩個方面對充水管路系統的振動噪聲進行控制。一是進行低噪聲水泵的設計以及選擇合適的驅動電機、閥門；二是選擇行之有效的措施對噪聲的傳播途徑進行控制。首先，我們可以通過在充水管路與基礎之間安裝阻尼器來對充水管路系統振動噪聲進行控制，對管道振動的現象進行有效的抑制，降低流體脈沖壓力的幅值，限制其增長速度。其次，我們可以通過在充水管道中安裝消聲彎頭和水消聲器來對充水管路系統振動噪聲進行控制，能夠有效避免充水管路系統振動噪聲以高頻寬帶的形式表現出來，最大限度的對充水管路系統振動噪聲進行吸收。

二、統計能量分析法在充水管路系統中的應用

（一）統計能量分析法的基本介紹

統計能量分析法起源于上個世紀60年代，在航空航天領域中的應用非常廣泛，能夠對復雜結構系統中高頻動力學環境進行分析的有效手段。隨著時代的不斷進步，統計能量分析法也被應用在各個領域當中，像是在汽車領域、航空領域、潛艇領域中都能夠看到統計能量分析法發揮著重要的作用，對聲學和振動進行完善的預測與分析，尤其是能夠對充水管路系統振動噪聲進行合理的控制與優化。統計能量分析法是應用統計學中的重要組成部分，一般可以從兩個方面進行分析。從“能量”的角度來看，“能量”是對各種動力學子系統狀態的描述，能夠利用功率流平衡方程對耦合子系統之間的相互作用進行描述。在統計能量分析法中，“能量”作為獨立的動力學變量能夠對固體結構和流體聲場之間的耦合問題進行統一處理，加強了傳統機械振動與聲學之間的密切聯系。從“分析”的角度來看，“分析”對能量分析模型參數進行統計，常見的能量分析模型參數有：模態密度、耦合損耗因子、內耗散因子及輸入功率等。

（二）統計能量分析法對充水管路系統振動噪聲的預測

噪聲與振動始終是兩個密切聯系的物理量，在實際分析過程中，噪聲始終伴隨著振動。同時，對于噪聲的研究也是建立在振動研究的基礎之上。在充水管路系統振動噪聲的研究當中，影響噪聲的因素要遠遠高于影響振動的因素，給充水管路系統振動噪聲的預測增加了很大的難度。目前，我們針對充水管路系統振動噪聲預測的方式有三種，分別是相似結構外推法、傳統的模態分析法和統計能量分析法。其中相似結構外推法又包括頻率響應法和比例法等；傳統的模態分析法又包括有限單元法和邊界元法等。

相似結構外推法在進行充水管路系統振動噪聲預測的時候，能夠快速的為預測過程提供相應的數據，但是對于相似參數和質量載荷影響的處理卻比較隨意，無法為預測結果的轉確性提供基本保障，一般都存在比較大的誤差。傳統的模態方法在進行充水管路系統振動噪聲預測的時候，會受到有限數量的低階模態的局限，其分析誤差也會隨著頻率的增加而逐漸擴大，給充水管路系統振動噪聲的預測增加了很大的難度。統計能量分析法在進行充水管路系統振動噪聲預測的時候，要比相似結構外推法和傳統的模態方法的準確性和可靠性都要高出很多，并不需要對結構進行詳細的描述就能夠實現預測的效果，而且在高頻、高模態密度的復雜系統的耦合動力學問題的分析方面也比前兩種方式要占據一定的優勢。但是，統計能量法在使用過程中也會存在一定的局限性，比如說需要滿足保守和弱耦合兩個假定的條件等。

結論

綜上分析可知，隨著科學技術的不斷完善，對充水管路系統振動噪聲的研究方法也更加的完善，本文主要針對統計能量分析的方法進行分析，簡單介紹了統計能量分析法是如何對充水管路系統中的振動噪聲進行控制與優化的，最大限度的實現了我國船舶領域“減振降噪”的基本目標，為船員的身體健康提供了安全保障。同時，使用統計能量法對充水管路系統振動噪聲進行控制還能夠提高船舶在運行中的穩定性，給船員提供了一個良好的工作環境。

參考文獻：

[1]鐘如軍.充水管路振動噪聲特性的統計能量分析[D].哈爾濱工程大學，2007.

[2]張秀芳.齒輪箱系統振動噪聲特性的統計能量分析[D].山東大學，2011.

[3]趙志芳.基于統計能量法的動力總成高頻振聲分析技術研究[D].中北大學，2010.

[4]馮真真.轎車車內噪聲的統計能量分析與研究[D].哈爾濱工業大學，2010.

[5]代翠.離心泵作透平流體誘發噪聲特性理論數值與試驗研究[D].江蘇大學，2014.

[6]劉甄真.全回轉拖輪結構振動與艙室噪聲控制技術研究[D].江蘇科技大學，2014.