消聲水池中水射流噪聲特性試驗研究

程廣利， 羅夏云， 孟路穩(wěn)， 楊瓊方

(1.海軍工程大學 電子工程學院， 湖北 武漢 430033； 2.海軍工程大學 動力工程學院， 湖北 武漢 430033)

0 引言

水射流是指水體以股狀從不同形狀的管、槽、噴嘴等噴出，進入靜止或流動的空氣或水域，由此在空氣或水域中產生的噪聲就是水射流噪聲。在飛機、車輛、火箭、槍支等實際應用的迫切需求牽引下，很多學者針對空氣射流噪聲開展了大量理論和試驗研究，二者相互促進，極大地推動了氣動射流噪聲機理和預報方法的研究進展[1-6]。水射流噪聲研究主要用于噴水推進、魚雷出管等，隨著水射流速度的不斷提高，水下射流噪聲所引起的安全性日益受到重視。但在水射流噪聲方面的研究與試驗卻相對較少，其理論研究主要借鑒于氣動聲學的湍流噪聲理論開展。文獻[7]通過理論推導給出了水射流噪聲的理論公式，得出射流噪聲輻射聲功率總聲級與射流速度8次方呈正比的結論。2009年以前，關于水下湍射流噪聲及其預報方法的研究文獻極少[8]，且從氣動聲學中引入的各種水射流噪聲預報方法是否正確仍有待試驗驗證。文獻[8]分別采用聲比擬理論、Kirchhoff理論、渦聲理論等方法研究了水射流噪聲預報方法，并開展了相應的試驗驗證，其主要目的是考察水下流噪聲頻譜結構及其與噴口流動特征的關系，以及噴嘴結構對輻射噪聲聲功率的影響[9]，但由于該試驗在混響水池中進行，無法摒除混響對水射流噪聲測量的影響。文獻[10]針對不同噴嘴形狀、不同壓力脈動幅度情況下的水射流噪聲開展了試驗研究，但其對水射流噪聲僅做了定性分析，并未直觀地給出水射流噪聲的總功率以及聲功率與射流速度之間的關系等特性。文獻[11]采用混響法在混響水池中測量水下射流噪聲，結果表明射流噪聲輻射聲功率總聲級與射流速度8次方呈正比，但其射流速度不超過12 m/s，超過該數值時是否仍能滿足此規(guī)律以及混響法能否適用則均無定論。綜上所述，目前有關水射流噪聲方面的試驗研究還較少，且已做的試驗都在混響場中開展，尚沒有開展更高射流速度下水射流噪聲特性試驗的文獻報道，而高速水射流輻射噪聲特性是否與低速時一致尚待研究。

本文擬開展消聲水池中水射流噪聲試驗研究，首先對消聲水池的自由場進行測試，評估其自由場性能，確保試驗條件；然后開展不同水射流速度下的輻射噪聲測試試驗并開展相應的數據分析，研究不同水射流速度下的輻射噪聲特性。

1 消聲水池自由場測試

試驗用消聲水池長10 m、寬6 m、深5 m，其六面均安裝了吸聲尖劈。考慮消聲水池吸聲尖劈的最佳消聲頻率范圍在3.0 kHz以上，在3.0 kHz以下水池的自由場性能條件可能會有所降低，由此引發(fā)的混響場會對測量結果造成一定影響。因此，有必要對水池試驗的測量空間、試驗低頻段內的自由場進行校準測量，獲取低頻段混響場與自由場的聲級偏差，為輻射噪聲測量值提供精度誤差參考。

消聲水池自由場校準測點平面布置圖和系統(tǒng)連接圖分別如圖1和圖2所示。試驗中，將低頻水平全向發(fā)射換能器布放在水面下2.4 m處，用兩個水聽器接收信號，與發(fā)射換能器位于相同深度，其中：一個布放在射流軸線方向距發(fā)射換能器1.4 m處，用于獲得試驗參考值，同時監(jiān)測發(fā)射聲場的穩(wěn)定性；另一個水聽器用于測量聲場，位于與射流軸向呈45°夾角的水聽器- 發(fā)射換能器連線上，分別選取距發(fā)射換能器0.5 m、1.0 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m等位置作為聲場測量點。

試驗中，將測量水聽器布放至相應的測點位置后，信號源產生白噪聲信號，經0.50～5.00 kHz帶通濾波、功率放大，加到發(fā)射換能器，調節(jié)功率放大器輸出增益，以確保接收信號有足夠的信噪比；從示波器上同步讀取兩個接收水聽器信號的均方根值VRMS，用參考水聽器信號的均方根值對場點測量值做歸一化，作為該測量點的聲場值。不同距離測量點處的聲壓級變化與自由聲場聲壓級變化如圖3所示。

由圖3可知，在距聲源1.0～2.5 m(即射流噴口與測量聲場水聽器的距離d)范圍內，消聲水池內聲場具有較好的自由場條件，與球面波條件的偏差小于1.0 dB，特別是在1.0 m測點處，偏差不足0.5 dB.

2 水射流噪聲試驗與數據分析

2.1 試驗方案

射流噪聲試驗平臺由空壓機、高壓氣瓶、控制氣閥、水缸、配套管道、流量計、截止閥、可變截面噴口、升降行車、法蘭和剛性支架等構件組成，圖4所示為水射流輻射噪聲試驗框圖。

試驗中，直徑為50.0 mm的射流噴口通過升降行車、法蘭、剛性支架固定于消聲水池寬度池壁一端的水下中心位置，射流方向與水池中心長軸方向重合，噴口末端的水平長度為0.6 m，其后端剛性支架及剛性平面緊貼水池池壁，與升降行車共同支撐射流噴口，以確保試驗過程中水下管路穩(wěn)定、不發(fā)生振動。

為產生一定速度的水流，用空氣壓縮機使高壓氣瓶產生高壓氣體，在控制氣閥的調節(jié)作用下，恒定氣壓的高壓氣體進入水缸，擠壓水缸內的水以一定流速沿管道從噴口射出。調節(jié)控制氣閥可調節(jié)射流速度，其速度由流量計數據轉換獲得。

測量射流輻射噪聲的水聽器1布放在與射流噴口中心同深度、與射流主軸方向呈45°夾角、距噴口1.0 m的位置，由該點的測量結果可直接得到射流噪聲的輻射聲源級。同時，為防止因射流沖擊可能引發(fā)該水聽器位置移動，在同角度方向2.0 m位置處布放水聽器2，以作為補充測量點；在1.0 m位置還同時布放一個全浸沒式脈動壓力傳感器，用于監(jiān)測脈動壓力變化。傳感器布置如圖5所示。

2.2 數據處理與分析

測得的水聽器信號經0.50～5.00 kHz帶通濾波、放大后，與壓力信號一起由美國National Instruments公司生產的數據采集分析系統(tǒng)完成同步采集和數據分析處理。消聲水池中的環(huán)境背景噪聲聲壓時域波形及其平均頻譜級如圖6所示，數據處理表明其平均譜級約35.0 dB，其中在0.50～5.00 kHz頻帶內噪聲的總聲壓級為70.9 dB，在0.65～5.00 kHz頻帶內的總聲壓級為70.4 dB，在0.80～5.00 kHz頻帶內的總聲壓級為70.1 dB.

水射流輻射噪聲試驗中，水射流速度由控制氣瓶控制，試驗中獲得6.76 m/s、8.48 m/s、10.18 m/s、12.32 m/s、14.72 m/s、16.21 m/s、16.81 m/s、18.58 m/s、19.80 m/s、23.09 m/s、25.58 m/s等不同的射流速度，對于每一種射流速度自射流速度穩(wěn)定后采集記錄約10 s測量數據，再選取其中2 s的平穩(wěn)數據段進行平均聲壓譜級和頻帶輻射聲級分析。下面分析試驗中水聽器1位置處的測量結果。

2.2.1 壓力變化

圖7給出了壓力傳感器在8.48 m/s、16.81 m/s、25.58 m/s 3種射流速度下記錄的位于水聽器1位置對應于測量分析時段的壓力信號變化曲線。由圖7可知，即使在試驗最高射流速度下，水聽器1位置因射流產生的壓力起伏頻率低、幅度很小，表明射流對該水聽器的沖擊作用十分有限，對聲場測量結果的影響可忽略。因此，由水聽器1位置測量獲得的平均聲壓譜級和頻帶輻射聲級可直接作為射流聲源的平均聲壓譜級和頻帶輻射聲源級。

2.2.2 不同射流速度下的聲壓和平均聲壓譜級

不同射流速度下，水聽器1接收的聲壓時域波形和平均聲壓譜級如圖8所示。由圖8可知：射流噪聲聲壓值隨著射流速度的增加而增大，當射流速度較低時流噪聲的聲功率主要集中在1.00 kHz以下，隨著射流速度的增加，高頻成分的噪聲功率迅速增大；在射流速度未達到18.00 m/s之前，1.00 kHz以上的噪聲譜級增長速度明顯大于1.00 kHz以下噪聲譜級的增長速度；在射流速度超過18.00 m/s以后，1.00 kHz以下噪聲譜級的增長速度又迅速超過1.00 kHz以上噪聲譜級的增長速度。限于篇幅，本文只給出了部分射流速度下的情形，在其他速度下同樣滿足這些分析規(guī)律。

2.2.3 射流噪聲聲功率隨射流速度變化之間的關系

表1給出了3種不同頻帶寬度內射流噪聲輻射聲源級的試驗測量結果。對比相同射流速度、不同濾波下限頻率的測量值可見，除個別低射流速度的某個頻段，3種濾波下限頻率的結果有1.0～2.0 dB的差別外，其他情況下相差均不到1.0 dB，與在該測量點自由場校準誤差量級相當，表明試驗所用消聲水池的低頻消聲性能對本次試驗結果的影響十分有限，試驗測量結果是有效的。

表1 不同射流速度和噪聲帶寬下的水射流噪聲聲源級

圖9給出了相應于表1的射流速度- 聲功率(聲源級)變化曲線，圖9中還同時繪出了流噪聲功率與射流速度8次方關系變化的理論曲線。從圖9可知，3個頻段內輻射聲功率的測量值在射流速度低于20 m/s范圍內，基本符合與射流速度8次方呈正比的變化關系，即射流速度每增加1倍，輻射聲功率增加24.0 dB. 變化規(guī)律與射流噪聲理論中運動湍流的輻射聲功率隨著射流速度變化的關系一致，這表明本次試驗在射流速度小于20 m/s范圍內測量的輻射聲主要是由射流中的湍流運動產生的。當射流速度大于20 m/s以后，輻射聲功率陡增了約10.0 dB，偏離了8次方規(guī)律，從圖8(e)、圖8(f)兩組譜級圖中也可看到，此時在低于1.00 kHz頻段內的噪聲功率級較此前突然增大，可能是由于試驗管路及構建在內部高速射流作用下發(fā)生劇烈振動，導致正常射流在噴口段被額外的振動所擾動，引起強烈的附加擾動噪聲,但原因還需進一步測試和分析。因此，本次試驗中最高兩組射流速度的測量結果不能正確反映射流噪聲的輻射聲。

3 結論

為研究水射流噪聲特性，本文設計并構建了水射流與輻射噪聲測試試驗系統(tǒng)。基于該試驗系統(tǒng)評估了消聲水池的自由場性能，在消聲水池中測量了水射流噪聲特性。得到了以下主要結論：

1)基于設計的水射流與測試試驗系統(tǒng)，在消聲水池中開展的50 mm口徑水射流試驗，能較準確地獲得射流速度小于20 m/s時的水射流輻射噪聲聲源級及其譜分布。

2)獲取的水射流噪聲輻射聲功率整體符合與射流速度8次方呈正比的變化規(guī)律，射流速度小于20 m/s范圍內測量的輻射噪聲主要由射流中的湍流運動產生。

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