模型泵水下低頻輻射噪聲測試裝置的設計與驗證

王宗龍，陳建平，楊晨俊

(1.上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240；2.中國船舶及海洋工程設計研究院 噴水推進技術重點實驗室，上海 200010)

·儀器設備研制與開發·

模型泵水下低頻輻射噪聲測試裝置的設計與驗證

王宗龍1,2，陳建平2，楊晨俊1

(1.上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240；2.中國船舶及海洋工程設計研究院 噴水推進技術重點實驗室，上海 200010)

為了在設計階段實現推進泵水下低頻輻射噪聲的測試與評估，在模型泵水力性能測試裝置的基礎上，提出了基于矢量聲強法的模型泵水下輻射噪聲對比測試方法，研制了基于二維圓弧面掃描方式的推進泵模型水下輻射噪聲測試裝置。測試系統采用兩只一維矢量水聽器組成測試線陣，實現模型泵水下輻射聲功率的測試與計算。系統測試精度通過標準聲源進行驗證。結果表明：系統測量的絕對誤差不大于±2 dB，重復性誤差不大于±1.5 dB。該測試裝置為推進泵的噪聲控制及研究提供了比對測試試驗手段和分析基礎，也可為其他模型泵的噪聲評估提供參考。

噴水推進； 泵； 水下輻射噪聲； 聲強； 矢量水聽器

0 引 言

泵作為一種通用的流體機械，廣泛應用于國民經濟各部門以及艦船、航空航天等軍工尖端領域，不僅要求高效率、高抗氣蝕等性能指標，而且要求降低泵的振動和噪聲。尤其在船舶噴水推進領域，推進泵的水下輻射噪聲是噴水推進器的一項關鍵技術指標[1-2]。

在噴水推進泵模型的水力性能試驗中，目前極少對泵的水下輻射噪聲(尤其是低頻噪聲)進行測試和分析，相應的測試裝置也很少見，從而難以在設計階段對推進泵降噪措施的效果進行評估。因此，本文在噴水推進泵模型水力試驗臺非消聲水池的基礎上，研制模型泵輻射聲強對比測試裝置，實現模型輻射聲功率測量計算和降噪效果的定性評估，對開展推進泵的噪聲控制研究具有重要的意義。

1 測量原理與技術方案

1.1聲強法的測量原理

模型泵聲輻射特性測試主要關注中低頻段，在這一頻率范圍內，已有的長3.5 m×寬2.6 m×深2.7 m的非消聲水池基本沒有吸聲性能，而且低頻聲在傳播過程中損耗很小，因此被測對象產生的輻射聲波會在水池池壁、池底、水面以及模型表面之間多次反射，從而在水池中形成輻射直達聲波與多次反射的反射聲波疊加的干涉場[3]。

獲取聲功率的方法有基于聲壓測量的混響法和聲強測量法。在尺度有限的非消聲空間內難以形成有效的低頻混響場，因此混響法難以滿足低頻測量要求[4]。而聲強測量法是通過測量包圍聲源的一個包絡面上的聲強分布，再通過面積分計算輻射聲功率[5-6]。如圖1所示，在包絡面S內沒有吸聲材料的情況下，水池壁面的反射聲或包絡面外其他干擾聲進入包絡面后仍會從包絡面出去，所以，反射聲或干擾聲的聲強在整個包絡面上的積分為零，理論上不影響聲強測量結果。

圖1 聲強法測量原理示意圖

為了通過聲強測量獲得聲功率，在包絡面(下文稱為“測量面”)上的離散點測量垂直于該面的法向聲強，然后將法向聲強幅值與測點對應的面元面積相乘即可計算出通過該面元的聲功率；將所有面元的聲功率累加，即可得到通過測量面的聲功率。應用該方法可以估算模型泵的輻射聲功率級[7]。

1.2聲強測量方法

水下輻射聲強測量主要有：①基于互譜法的雙水聽器聲強測量法；②應用組合式矢量水聽器的矢量聲強測量法[8]。雙水聽器聲強測量法是將2個常規的聲壓水聽器相對放置，組成一個水聽器組，利用互譜法計算出水聽器組中心位置的聲強。其聲強計算誤差取決于2個水聽器的間距與上限頻率對應的波長之比。當水聽器間距不變時，測量頻率越低，2個水聽器測量信號的相位差越小，從而導致聲壓梯度的信噪比下降、測量誤差增大。因此，雙水聽器聲強測量法并不適用于低頻噪聲的測量，難以滿足本裝置的測試要求。

矢量聲強測量法屬當今噪聲測試領域的最新技術[9-11]。矢量水聽器工作頻帶的上、下限頻率分別取決于水聽器的尺寸與系統的諧振頻率，具有良好的低頻性能；能抑制各向均勻同性噪聲，可測量信噪比-6 dB以下的信號，具有很強的低信噪比測量能力；當矢量水聽器的尺寸與測量波長相比很小時，其指向性與頻率無關，并呈“8”字形或余弦形，低頻的接收性能特別突出，便于實現測量陣列的小型化[12-13]。

綜上可見，在進行低頻測量時，雙水聽器聲強測量法具有很大的局限性，而矢量聲強測量法可以有效減少低頻噪聲的干擾，具有不可替代的優勢。

1.3聲強測量技術

根據噴水推進泵模型水力試驗臺測試段的布局，測量面設計為半圓柱面，如圖2所示。推進泵試驗模型的標稱直徑為300 mm，測量面半徑不小于700 mm。為了減少聲泄漏，半圓柱形測量面的長度不小于1 m。

圖2 半圓柱形測量面示意圖

對于半圓柱形測量面，可采用的測量技術有離散聲強測量技術和陣列掃描聲強測量技術。

采用離散聲強測量技術時，水聽器陣列根據測量面的面元劃分固定布置。水聽器間距與波長之比愈小則測量誤差愈小；但間距過小時，水聽器之間的聲散射效應又會導致測量結果偏離自由聲場結果。因此，水聽器的布置密度不僅會影響裝置成本，而且會影響測試精度，但目前尚無法準確計算測點密度減小所帶來的誤差。根據Shirahatti 等[14]的研究結果，可大致推斷測點密度每減少50%，測量誤差相應提高約3 dB。

陣列掃描聲強測量技術可采用的掃描方式有一維陣列掃描和二維陣列掃描，如圖3(a)所示，一維陣列掃描方式是在半圓弧上均勻布放矢量水昕器，通過水平方向的機械掃描覆蓋測量面。系統沿軸向的測點密度由電動機步距決定，掃描間隔通過控制器進行設置。因此，一維陣列掃描方式的測量精度由圓弧上固定水聽器的間隔決定。

(a) 一維

如圖3(b)所示，二維陣列掃描方式在圓弧托架端部和中部各安裝一個水聽器，通過沿圓弧和沿軸向掃描覆蓋測量面，測點密度完全由圓弧托架及水聽器托架驅動電動機的步距決定，并且不存在水聽器間的聲散射問題，因此可以達到較高的國標要求，從而實現精密級測量。

由上述測試技術的比較可以看出：采用多水聽器測量時，水聽器布置密度是影響測量精度的主要因素。對于離散測量法，雖然測點越多，測量誤差級越低，但是隨著測點的增加水聽器之間的干擾將不能忽視，并且加大了安裝難度，增加了裝置成本。對于掃描測量法，在一維和二維采用相同的掃描間隔時，兩者誤差級相近。采用二維掃描時，若掃描間距足夠小，那么測量的誤差級也將足夠小；但是需要增加圓弧掃描機構，所需測量時間與另兩種方式相比也是最長的。根據國標要求及國外研究成果，受限于安裝條件和水聽器散射要求，離散測點法難以達到精密級測量所要求的精度，而掃描法則具有良好的可實現性。因此，本裝置采用二維掃描方式以實現精密級測量要求。

1.4輻射聲功率的計算

矢量聲強測量技術是在空間一點上同時測量聲壓和質點振速，從而得到特定方向上的能量輸出，即聲強矢量。聲強計算公式如下：

I=PU

(1)

式中：I=(IX,IY,IZ)為聲強矢量；P為聲壓；U=(UX,UY,UZ)為質點振速矢量。

測試采用一維矢量傳感器，因此在測量過程中需要保證矢量通道的最大指向性指數對應的方向與測量面的法向一致，此時計算得到的聲強為法向聲強。

為了根據聲強測量結果計算聲功率，將測量面劃分為N個面元，N為測點數，面元中心設為測點。通過一個測量面元上的聲功率稱為局部聲功率[15]，其表達式為：

Wi=Ini·ΔSi

(2)

式中：Ini表示第i個測點測得的法向聲強的實部；ΔSi是第i個測點所在面元的面積。

將所有面元的局部聲功率累加，即可得到通過測量面的總聲功率：

(3)

相應的總聲功率級為：

Lw=10 lg(Wa/W0)

(4)

式中，參考聲功率W0=0.67×10-18W。

2 測試系統組成與測試流程

2.1測試系統組成

如圖4所示，推進泵模型噪聲對比測試分析系統由水聽器線陣及二維掃描運動機構、多通道數據調理器與數據采集器、測試分析系統等組成。

圖4 水下聲強測試分析系統組成

測試系統采用2只組合式矢量水聽器組成水聽器線陣，線陣固定在掃描機構上，通過二維掃描實現對模型輻射聲場的聲強測量。組合式矢量水聽器由哈爾濱工程大學水聲工程學院非標定制，型號為VH-C2000，工作頻率范圍0.02～2 kHz，主要技術參數見表1。

表1 組合式矢量水聽器主要技術參數

二維掃描運動機構如圖5所示。通過在推進泵模型測試管路上方安裝一組機械掃描機構，實現對噪聲源包絡面的掃描。掃描運動包括沿測試泵管道軸線的水平直線運動和繞被測管道的圓周運動。

圖5 二維掃描機構

二維機械掃描機構由直線運動導軌、旋轉運動導軌、旋轉傳動機構和步進驅動電機等構件組成。通過機械掃描控制系統可實現圓弧周向和水平方向的逐點移動，從而達到陣列測量目的。直線導軌間距為1.8 m，圓弧導軌結構的中心線半徑為900 mm。

如圖6所示，當水聽器軸線處于測試模型正上方時，傳感器下端切面距離測試模型(直徑300 mm)下端切面的距離為712 mm，大于700 mm。運動機構橫向寬度距離中心軸為990 mm，圓弧導軌底部比測試模型下端切面低20 mm。2只水聽器的夾角為85°，以保證水聽器能夠運行至測試模型正上方位置。

圖6 掃描機構橫截面結構尺寸(mm)

2.2測試流程

推進泵模型水下輻射噪聲測試在設定的模型泵流量點進行，在測試期間，應保持環境參數穩定。測試流程如圖7所示。具體實施步驟如下：

(1) 完成模型泵的安裝及試運轉；在空氣中通過現場操作臺調試機械掃描系統，包括零點位置檢查、往復運行檢查等。

(2) 水箱注水至2.5 m水深，待水面穩定后通過現場操作臺對機械系統進行水下調試，排出附著在導軌和齒輪間的空氣，以防止引入測量誤差。

(3) 連接并檢查電子測量設備，包括矢量水聽器、信號調理器、數據采集器和工控機等；隨后對整套系統進行聯合調試，確保設備工作正常。

(4) 開啟模型泵，調整至待測流量點，并運行至流量穩定；通過測試系統設定掃描運動參數，開始該工況的噪聲掃描測量。

(5) 完成一次掃描測量后，可進行相同測試工況的多次重復測試；若不需要，則進入步驟(6)。

(6) 根據測試需要，改變被測工況的流量或掃描運動參數，則重復步驟(4)和(5)；若不需要，則進入步驟(7)。

(7) 保存測試數據，分析生成并輸出測試報告。

圖7 聲強測試與分析流程圖

3 測試系統精度驗證

為了驗證測試分析系統原理的正確性和測試精度，采用標準聲源開展了輻射聲強測試，并與標準聲源的標準數據進行了對比。標準聲源型號為Agilent 33220A，測試所用單頻信號的頻率和聲源級如表2所示。

表2 標準聲源發射頻率與聲源級

掃描系統運行參數為：水平方向測試范圍1.5 m，測點間隔150 mm，掃描速度20 mm/s；周向測試范圍170°，測點間隔17°，掃描速度1.5°/s。水聽器到達指定位置后延遲3 s開始信號采集，以避免掃描運動對流體造成的擾動影響測量結果。

對表2所列各個頻率均進行了5次重復測量，分析計算得到輻射聲功率級，以及5次測量結果相對于標準聲源級的最大誤差絕對值；對5次測量結果求統計平均得到每個測量頻率輻射聲功率級的統計值，并計算相對于標準聲源級的誤差絕對值；5次測量結果分別與統計值進行對比，得到重復性誤差范圍。具體結果見表3。輻射聲功率測量誤差隨頻率的變化曲線如圖8所示。

表3 基于標準聲源的測量誤差分析結果

圖8 輻射聲功率測量誤差隨頻率的變化曲線

從分析結果看，在測量頻率范圍內，對標準聲源輻射聲功率級的測量結果與標定的聲源級數據相比絕對誤差小于±2 dB，重復性誤差小于±1.5 dB，表明測試系統具有良好的精度。

4 結 語

本文基于矢量聲強測量法，采用二維掃描測量技術，設計開發了一套噴水推進模型泵水下低頻輻射噪聲對比測試裝置。基于標準聲源試驗，驗證了測試系統原理與技術方案的正確性；對標準聲源的測量分析結果表明，該裝置的絕對測量誤差和重復性誤差均滿足噴水推進泵模型水下輻射噪聲測試和對比評估的要求，對噴水推進泵水下噪聲控制研究具有重要價值。該裝置還適用于常規模型泵的噪聲測試與分析，具有廣泛的應用前景。

[1] 牟介剛, 李世煌, 王樂勤.噴水推進系統噪聲產生機理及降噪分析[J].中國機械工程, 2003, 18(14): 1558-1561.

[2] Aartoj?rvi R.Noise from waterjet propulsion[C]//FAST’95.Sweden, 1995: 1157-1166.

[3] 劉伯勝, 雷家煜.水聲學基礎[M].2版.哈爾濱: 哈爾濱工程大學出版社, 2010.

[4] 尚大晶.水下復雜聲源輻射聲功率的混響法測量技術研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學, 2012.

[5] 方爾正, 王 燕.水下目標輻射噪聲測量方法[J].南京航空航天大學學報, 2009, 41(2): 238-242.

[6] 杜功煥, 朱哲民, 龔秀芬.聲學基礎[M].南京: 南京大學出版社, 2001.

[7] GB/T 16404-1996.聲強法測定噪聲源的聲功率級[S].全國聲學標準化技術委員會, 1996.

[8] 肖勇兵, 韓引海, 劉熙沐.基于矢量水聽器的噪聲聲強測試技術[J].科技資訊, 2009(3): 45-46.

[9] 賈志富.全面感知水生信息的新傳感器技術—矢量水聽器及其應用[J].物理, 2009,38(3): 157-168.

[10] 張貴青, 楊德森, 張 林，等.矢量水聽器在水下目標低頻輻射噪聲測量中的應用[J].哈爾濱工程大學學報, 2001, 22(5): 5-9.

[11] 韓榮榮.基于矢量水聽器的寬頻輻射噪聲測量方法研究[D].哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2009.

[12] 陳麗潔.微型適量水聽器研究[D].哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2006.

[13] 陳洪娟, 張 虎, 趙 勰.20～2 000 Hz矢量水聽器指向性圖的實驗水池測量[J].聲學技術, 2009，28(2): 131-132.

[14] Shirahatti U S, Crocker M J, Raju P K.Finite difference approximation errors in sound intensity estimates of interfering sources[J].Journal of the Acoustical Society of America, 1988, 84(2): 629-638.

[15] 李啟虎, 李 敏, 楊秀庭.水下目標輻射噪聲中單頻信號分量的檢測: 理論分析[J].聲學學報, 2008, 33(3): 193-196.

DesignandVerificationofaMeasurementDeviceforLow-FrequencyUnderwaterRadiatedNoiseofModelPumps

WANGZonglong1, 2,CHENJianping2,YANGChenjun1

(1.State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China; 2.Laboratory of Science and Technology on Water Jet Propulsion, Marine Design and Research Institute of China, Shanghai 200010, China)

The pump is the key component in the water-jet propulsion system.Its underwater radiated noise dominates the noise characteristics of the entire propulsion system.To measure and evaluate the low-frequency noise of propulsion pumps at design stage, based on the hydrodynamic testing facility for water-jet pump models, a measurement device is developed for measuring the intensity of underwater noise by means of a two-dimensional linear array which consists of two one-dimensional vector hydrophones and works in circular arc scanning mode.The results are utilized to calculate the underwater radiated sound power of the model pump.The accuracy of the device is verified with standard sound sources.The verification test results indicate that the absolute measurement error is less than ±2 dB, and the repeatability error is less than ±1.5 dB.As a means of conducting comparative measurements of water-jet pump radiated noise, this testing device is essential for the research and control of other model pump noise.

water-jet propulsion; pump; underwater radiated noise; sound intensity; vector hydrophone

TB 52+.2

A

1006-7167(2017)10-0070-05

2017-03-23

國家自然科學基金項目(51579145)；國防科工局基礎科研項目

王宗龍(1976-)，男，江蘇宿遷人，博士，高級工程師，研究方向為噴水推進技術和應用。Tel.:021-63161688-8309；E-mail: wzonglong@163.com