艦船縱傾均衡移水過程瞬態噪聲控制試驗研究

王新海，伍來智，魏興喬，金 榮，黃 政

(1. 海軍駐四三一廠軍事代表室，遼寧 大連 116000；2. 中國船舶重工集團公司第七〇七研究所九江分部，江西 九江 332007)

艦船縱傾均衡移水過程瞬態噪聲控制試驗研究

王新海1，伍來智2，魏興喬2，金 榮2，黃 政2

(1. 海軍駐四三一廠軍事代表室，遼寧 大連 116000；2. 中國船舶重工集團公司第七〇七研究所九江分部，江西 九江 332007)

本文模擬建立了艦船縱傾均衡移水試驗系統，對不同移水壓力、電液球閥啟閉時間、管路固定方式等條件下移水過程中的瞬態噪聲進行研究。結果表明：縱傾移水過程的瞬態噪聲值呈曲線波動狀態，最大振動加速度級和最大空氣噪聲值均發生在電液球閥關閉過程中，隨著移水壓力的增加，最大噪聲值逐漸增大；電液球閥快速關閉時，移水管路存在明顯的水錘現象，延長電液球閥的關閉時間，可以有效抑止系統水錘的沖擊，降低移水過程中最大瞬態噪聲值；移水管路采用彈性支撐方式，可有效降低移水管路的振動噪聲。

艦船縱傾均衡；移水系統；振動與噪聲控制；聲隱身

0 引 言

在艦船上，縱傾均衡系統主要用于調節船體首尾的縱傾角度，以保持艦船姿態總體的平衡。縱傾均衡系統是采用水艙之間的移水實現縱傾調節，其移水一般采用氣壓方式，即通過對一端水艙加氣產生壓差、并控制系統中電液球閥的通斷，使水艙內的水被輸送至系統的另一端水艙。由于移水過程中管路存在一定的能量流，其在傳輸過程中會沿管路產生機械噪聲；同時電液球閥在開啟和關閉過程中，容易產生水錘沖擊現象，造成移水管路產生較大振動和噪聲，使艦船的隱蔽性遭受極大威脅[1-5]。

近年來，國內外學者在縱傾移水管路的減振降噪方面進行了大量研究。A.R.Lorasbi[6]通過特征法分析管路的水錘特性，得出關閥速度越快，水錘作用越明顯的結論；蔡標華[7]通過仿真試驗的方法研究了艦船首尾移水系統的水錘特性，得出離閥門越近的地方水錘的幅度越大，延長關閉時間可以有效抑制移水系統水錘的沖擊壓力；彭利坤等[8]通過數學建模的方法研究了縱傾均衡水艙加氣調水時管路沖擊特性，得出調水過程中以快開慢關的方式啟閉電液球閥，從而減少管路沖擊的結論；蔡標華等[9]開展了艦船系統管路彈性減振設計與試驗工作，得出了采用彈性減振器能有效減少管路振動噪聲傳遞的結論。

本文在試驗室中建立模擬艦船縱傾均衡移水管路系統，開展各影響因素（不同移水壓力、電液球閥啟閉時間、管路固定方式）下，縱傾移水瞬態噪聲分布規律的試驗研究工作，并提出縱傾移水減振降噪的有效措施，對艦船聲隱身設計具有重要的指導意義。

1 試驗方法

模擬艦船縱傾平衡移水系統試驗原理如圖 1 所示，主要由空壓機、水艙、手動球閥、管路、電液球閥等組成，水艙容積為 5 m3，系統管路通徑為 65 mm，移水管路總長約 50 m，管路支撐分別采用剛性及彈性支撐 2 種固定方式（見圖 2），通過空壓機向水艙 1加入氣壓后，控制電液球閥啟閉可使水移至水艙 2，實現模擬縱傾移水過程。系統管路節點A、B處各布置 1 個 0～2.5 MPa 量程的壓力傳感器采集電液球閥前、后兩端壓力值，采用頻率 2 kHz 輸出信號 4～20 mA；系統管路支撐基座C處布置了 3 個振動加速度傳感器，分別采集移水過程中X方向（管路水流方向）、Y向（管路橫向方向）、Z方向（管路縱向方向）的振動加速度級值，振動加速度基準值為 10-6m/s2；在距離電液球閥出口中心線水平面下游 1 m 并距管壁 1 m處布置了傳聲器測量移水過程中的空氣噪聲值，空氣噪聲基準值為 2 × 10-5Pa，并對其進行A計權計算。

模擬艦船縱傾移水的試驗過程主要包括：水艙 1充壓→遠程控制開啟電液球閥→穩定運行移水→遠程控制關閉電液球閥 4 個過程。縱傾移水過程的瞬態噪聲研究工況如表 1所示。

表1 縱傾移水過程瞬態噪聲試驗研究工況表Tab. 1 Transient noise test condition for trim balance moving water

2 試驗結果與分析

2.1 移水壓力

圖3 所示為移水管路采用剛性固定，電液球閥啟閉時間為 5 s，移水壓力分別為 0.25 MPa、0.5 MPa 時縱傾移水過程的振動噪聲和空氣噪聲采集曲線。由圖可知：當電液球閥開啟時，C測點處 3 個方向的振動加速度級值和D測點處空氣噪聲值均迅速增加的一定波峰值；當電液球閥完全開啟保持穩定移水時，各測點處的噪聲峰值又逐漸下降并保持在一穩定狀態；當電液球閥關閉時，各測點處的噪聲值又迅速增加并達到其過程中最大峰值；當電液球閥完全關閉后，又在逐漸下降到初始的最低值。縱傾移水過程中瞬態噪聲的最大值均是電液球閥關閉時產生。相對于 0.25 MPa移水壓力下而言，0.5 MPa 移水壓力下C測點 3 個方向的最大振動加速度級值增加了 8～10 dB，D測點處最大空氣噪聲值增加了 9 dB（A）。試驗結果表明：隨著移水壓力值的增加，移水過程中的最大振動加速度級值和最大空氣噪聲值均隨著增加。

2.2 電液球閥啟閉時間

圖4 所示為移水管路采用剛性固定，移水壓力為0.4 MPa，電液球閥啟閉時間分別為 1 s，5 s 時縱傾移水過程的振動噪聲和空氣噪聲采集曲線。由圖可知：電液球閥由 2 個時間下開啟至穩定移水過程中的噪聲整體變化趨勢保持一致，過程中最大振動加速度級幅值和最大空氣噪聲幅值基本相同；而當電液球閥由 2個時間下關閉時，其噪聲采集曲線具有明顯差異，5 s時間關閉時，測點處的噪聲值迅速增加到最大峰值而后逐漸下降到初始的最低值，而 1 s 時間關閉時，測點處的噪聲值迅速增加到最大峰值后并非迅速下降到低值，而是均出現了 3 次振蕩后再逐漸下降到低值，1 s時長關閉球閥下的C測點 3 個方向的最大振動加速度相對于 5 s 時長關閉球閥，增加了 8～10 dB，D測點最大空氣噪聲值增加了 7 dB（A）。其原因為：快速關閉電液球閥時，移水管路中水流速急速變化引起管路的壓力產生劇烈變化，從而產生水錘現象，導致移水瞬態噪聲增加。

圖5 所示為移水管路采用剛性固定，移水壓力為0.4 MPa，電液球閥啟閉時間分別為 1 s、5 s 時縱傾移水過程電液球閥前后A、B測點壓力變化曲線。由圖可知：采用 1 s 時長關閉球閥時，閥前A測點壓力脈動可達 0.53 MPa，而采用 5 s 時長關閉球閥時，閥前A測點壓力脈動最大僅為 0.47 MPa，兩時長下振蕩次數均為 1 次。采用 1 s 時長關閉球閥時，閥后B測點壓力脈動最大可達 0.18 MPa，且振蕩次數達 10 次以上，而采用 5 s 時長關閉球閥時，閥后B測點壓力脈動趨勢要平緩許多，最大僅有 0.07 MPa。試驗結果表明：電液球閥開啟時間的長短對縱傾移水瞬態噪聲影響不大；延長電液球閥關閉時間，縱傾均衡移水過程中的壓力脈動值逐漸減弱，能比較有效地抑止水錘效應，移水瞬態噪聲值也隨之減小。

2.3 管路固定方式

圖6 所示為移水壓力為 0.4 MPa，電液球閥啟閉時間為 4 s，管路分別采用剛性固定和彈性固定時，縱傾移水過程的振動噪聲和空氣噪聲采集曲線。由圖可見：2 種固定方式下，移水系統噪聲測點處瞬態噪聲的整體變化趨勢保持一致，移水過程中最大振動加速度級值和最大空氣噪聲均在電液球閥關閉過程中產生；采用彈性支撐后，系統振動加速度測點在 3 個方向的振動相對于剛性固定而言，最大振動加速度級值減少了 20～25 dB；而 2 種支撐方式下，移水過程中產生的最大空氣噪聲值保持一致。試驗結果表明：采用彈性固定支撐對縱傾均衡移水管路具有較好的振動減振效果，對移水過程的空氣噪聲無降噪效應。

3 結 語

1）艦船縱傾均衡移水過程中瞬態噪聲變化呈曲線波動狀態，噪聲峰值均發生在電液球閥關閉過程中，隨著移水壓力的增加，最大振動加速度級值和最大空氣噪聲幅值均隨之增大。根據實際條件，建議在滿足移水流量的前提下，盡量降低移水壓力。

2）在艦船縱傾移水過程中，電液球閥應該用較短時間打開，以盡快達到穩定的最大流量，從而能盡快實現艦船艏艉姿態調整；而關閉時在保證調水量準確度的前提下，應盡可能延緩電液球閥關閉時間，時間越長，電液球閥后端壓力沖擊越平緩，水錘效應也就越弱，移水過程中產生的噪聲就越小。根據實際條件，建議縱傾均衡移水過程中以快開慢關的方式啟閉電液球閥。

3）艦船縱傾移水管路采用彈性支撐能有效降低移水過程中的振動噪聲，其振動幅值可降低 20～25 dB，建議縱傾均衡移水管路采用彈性支撐固定。

[1]尹志勇, 鐘榮, 劉忠族. 管路系統振動噪聲控制技術研究現狀與展望[J]. 艦船科學技術, 2006, 28(2): 23-29. YIN Zhi-yong, ZHONG Rong, LIU Zhong-zu. Current situation and trends on the study of noise and vibration controltechnology in pipeline systems[J]. Ship Science and Technology, 2006, 28(2): 23-29.

[2]何琳. 潛艇聲隱身技術進展[J]. 艦船科學技術, 2006, 28(S2): 9-17. HE Lin, Development of submarine acoustic stealth technology[J]. Ship Science and Technology, 2006, 28(S2): 9-17.

[3]姚耀中, 林立. 潛艇機械噪聲控制技術的現狀與發展[J]. 艦船科學技術, 2006, 28(S2): 3-8. YAO Yao-zhong, LIN Li. A review of control of mechanical noise for submarines[J]. Ship Science and Technology, 2006, 28(S2): 3-8.

[4]王艷林, 王自東, 宋卓斐, 等. 潛艇管路系統振動噪聲控制技術的現狀與發展[J]. 艦船科學技術, 2008, 30(6): 35-38. WANG Yan-lin, WANG Zi-dong, SONG Zhou-fei, et al. Review of vibration and noise control technology in piping system for submarines[J]. Ship Science and Technology, 2008, 30(6): 35-38.

[5]董仁義, 吳宗健. 流體瞬變對艦船管系激勵分析[J]. 艦船科學技術, 2014, 36(7): 15-19. DONG Ren-yi, WU Chong-jian. Research on impact of ship pipeline induced by transient flow[J]. Ship Science and Technology, 2014, 36(7): 15-19.

[6]LORASBI A R, ATTARNEJAD R. Water hammer analysis by characteristic method[J]. American Journal Engineering and Applied Science, 2008, 1(4): 287-289.

[7]蔡標華. 艦船首尾移水系統水錘特性仿真與試驗[J]. 艦船科學技術, 2011, 33(9): 52-56. CAI Biao-hua. The water hammer characteristic simulation and test study in warship system pipeline[J]. Ship Science and Technology, 2011, 33(9): 52-56.

[8]彭利坤, 張陽陽, 邢繼峰. 艦船縱傾均衡水艙加氣調水時管路沖擊特性研究[J]. 液壓與氣動, 2013(8): 9-12. PENG Li-kun, ZHANG Yang-yang, XING Ji-feng. Pipeline Impact Characteristics of the ship balanced water warehouse in regulating water by aerating air[J]. Chinese Hydraulics and Pneumatics, 2013(8): 9-12.

[9]蔡標華, 俞健, 白亞鶴. 艦船系統管路彈性減振設計與試驗[J].艦船科學技術, 2011, 33(11): 61-64. CAI Biao-hua, YU Jian, BAI Ya-he. Design of elastic damping vibration on warship piping and its testing research[J]. Ship Science and Technology, 2011, 33(11): 61-64.

Test study on noise control of the warship trim balance system in the process of moving water

WANG Xin-hai1, WU Lai-zhi2, WEI Xing-qiao2, JIN Rong2, HUANG Zheng2
(1. Military Representative office of the Navy, 431 Factory, Dalian 116000, China; 2. Jiujiang Branch of 707 Institute of CSIC, Jiujiang 332007, China)

The simulation experiment system of warship trim balance moving water was established in this paper. The transient noise in the process of moving water is studied under different of pressure of moving water, the opening and closing time of the electro-hydraulic ball valve and the fixed mode of the pipeline. The results show that the transient noise value in the process of moving water is in a curve wave state. The maximum vibration acceleration and the maximum value of air noise are all occurred in the course of electro-hydraulic ball valve closing. With the increase of pressure of moving water, the maximum noise is gradually increased. When the electro-hydraulic ball valve is closed quickly, there is a clear water hammer in the water transfer pipeline. Prolonging the closing time of the electro-hydraulic ball valve can effectively restrain the impact of water hammer and reduce the maximum noise. The elastic support method can effectively reduce the vibration noise in the process of moving water.

the warship trim balance；moving water system；vibration and noise control；acoustic stealth

U664.84

A

1672 - 7619(2017)04 - 0064 - 05

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2017.04.013

2016 - 10 - 11；

2016 - 11 - 08

江西省科技計劃資助項目(20144BDH8004)

王新海(1980 - )，男，工程師，主要從事船舶系統技術研究工作。