水下排氣降噪試驗研究

2023-06-13 09:12:12張德滿趙俊濤張祿京

艦船科學(xué)技術(shù) 2023年9期

張德滿，王博，趙俊濤，張祿京，鄧鵬，李斌，唐州

(武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北武漢 430064)

0 引言

水下工作設(shè)備向水中排氣時，會產(chǎn)生較大的水下輻射噪聲，影響設(shè)備的工作性能[1?2]。郝宗睿等的研究表明[3?4]，通過減小排入水中氣泡的尺寸可以降低排氣噪聲。因此在排氣管路末端安裝排氣裝置，通過眾多小孔，將排放氣體以小直徑氣泡的形式排入水中，同時對排氣裝置進行降噪處理，是降低水下工作設(shè)備排氣噪聲的一條有效途徑。

水下排氣過程中，排氣裝置的噪聲，可能會從排氣通道以及排氣裝置殼體等途徑向水中輻射。本文通過繪制排氣裝置等距離噪聲強度曲線的方法，判斷排氣裝置噪聲源及其傳播途徑，采用微穿孔板結(jié)構(gòu)消音技術(shù)、氣泡型隔聲板技術(shù)，對水下排氣裝置進行降噪處理，并通過試驗方法，研究降噪技術(shù)的降噪效果。

1 排氣裝置及其排氣噪聲

水下排氣裝置由殼體和小氣泡生成器組合而成，如圖1所示。水下工作設(shè)備運行過程中產(chǎn)生的氣體由排氣裝置下方進入殼體下腔，進入安裝于排氣裝置內(nèi)的小氣泡生成器，并從小氣泡生成器表面的小孔排入水中，形成直徑約為0.5 mm左右的氣泡，在浮力作用下排出排氣裝置。

圖1 水下排氣裝置Fig.1 Underwater exhaust device

為測量氣體經(jīng)排氣裝置排入水中的輻射噪聲，搭建水下排氣噪聲測試臺架（見圖2），試驗臺架主要由氣瓶、截止閥、調(diào)節(jié)閥、流量計、排氣裝置、水聽器、浮球、信號采集設(shè)備等組成。氣瓶中的氣體經(jīng)過管路上的調(diào)節(jié)閥，調(diào)成排氣裝置額定工作流量（60 m3/h）。水聽器布置于排氣裝置斜上方1 m處。

圖2 水下排氣噪聲測試臺架示意圖Fig.2 Schematic diagram of underwater exhaust noise test bench

設(shè)某輻射噪聲值為基準(zhǔn)值（記為0 dB），本文所述輻射噪聲值，都為減去基準(zhǔn)值得到的數(shù)值。排氣穩(wěn)定時開始測量，測得排氣噪聲如圖3所示，排氣噪聲總級為48.2 dB，在800 Hz頻帶處幅值最大，為45.8 dB。幅值超過40 dB的帶寬約為700 Hz。

圖3 水下排氣裝置排氣噪聲Fig.3 Exhaust noise of underwater exhaust device

2 水下排氣消音器設(shè)計及試驗

2.1 消音器設(shè)計

針對水下排氣噪聲，采用微穿孔板結(jié)構(gòu)消音器進行降噪，具有較好的效果[5]。由圖3可知，排氣噪聲峰值頻率為800 Hz，因此設(shè)計微穿孔板結(jié)構(gòu)的共振頻率f0為800 Hz。設(shè)共振頻率處的吸聲系數(shù)為α0，其值越高則共振頻率處的吸聲效果越好，本文α0取99%。根據(jù)式(1)，可以算出相對聲阻r為0.819。

微穿孔板結(jié)構(gòu)吸聲系數(shù)在共振頻率處吸聲系數(shù)最大，共振頻率兩側(cè)吸聲系數(shù)逐漸減小，設(shè)吸聲系數(shù)為50%時的頻率分別為f1和f2。水下排氣噪聲幅值大于40 dB的頻帶寬度約為700 Hz，取f1和f2的差值為700 Hz，水中聲速c為1 500 m/s，由式(2)可以算出穿孔板后共振腔的厚度L為0.144 m。

如公式(3)所示，微穿孔直徑d、板厚度t、穿孔率P及共振腔的厚度L共同確定共振頻率f0。微穿孔直徑d和穿孔板厚度t取常用參數(shù)都為1 mm。由式(3)可以計算出穿孔率P為2.9%。

設(shè)計出微穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)的參數(shù)如下：微穿孔板板厚t為1 mm，穿孔直徑d為1 mm，穿孔率P為2.9%，穿孔板后共振腔的厚度L為0.144 m。

微穿孔板吸聲腔長度H越長，吸聲效果越好，但受設(shè)備總體尺寸限制，H取為1 600 mm。消音器內(nèi)排氣通道直徑D越小，吸聲效果越好，本文設(shè)計與排氣裝置出口直徑相同，D取為350 mm。為增加消音器吸聲頻帶寬度，在共振腔中填充多孔型陶瓷棉，厚度為吸聲腔厚度的一半72 mm。排氣消音器示意圖如圖4所示。

圖4 微穿孔板結(jié)構(gòu)消音器示意圖Fig.4 Schematic diagram of micro perforated plate structure silencer

水下排氣過程中，整個裝置內(nèi)部分布著致密的氣泡，如圖5所示。排氣裝置產(chǎn)生的排氣噪聲在向外輻射的過程中，被消音器吸收的同時，還會受到排氣裝置內(nèi)水中氣泡的反射阻擋。為使氣泡在上浮過程中自由擴散并在通道內(nèi)均勻分布，改善氣泡對噪聲的反射效果，在排氣裝置上安裝一段擴散筒。

圖5 氣泡排出示意圖Fig.5 Schematic diagram of bubble discharge

2.2 消音效果測試

采用圖2所示的測試系統(tǒng)，測量安裝擴散筒和消音器之后，排氣裝置出口斜上方1 m處的排氣噪聲，結(jié)果如圖6所示。輻射噪聲總級為44.1dB，相比增加消音器之前總聲級降低了4.1dB，主要體現(xiàn)在800 Hz左右頻帶的噪聲降幅較大，其他頻率噪聲降低幅度較小。

圖6 增加消音器前后排氣噪聲對比圖Fig.6 Comparison diagram of exhaust noise before and after adding the silencer

3 噪聲源定位及排氣裝置隔聲

3.1 噪聲源定位

為進一步降低排氣裝置的輻射噪聲，需對噪聲源進行定位分析。在相同排氣工況下，沿安裝擴散筒和消音器之后的排氣裝置外側(cè)0.5 m和1.0 m等距離線，測量等距離線上輻射噪聲的分布情況，測量結(jié)果如圖7所示。

圖7 裝置四周噪聲強度分布圖Fig.7 Noise distribution around the device

結(jié)果顯示，在等距離線上，排氣裝置本體外側(cè)噪聲級最高，其0.5 m和1.0 m等距離線上的值分別約為50.3 dB和47.3 dB。沿等距離線向上，輻射噪聲逐漸減小，排氣消音器外側(cè)0.5 m和1.0 m等距離線上的輻射噪聲值分別約為46.5 dB和45.8 dB，正對消音器出口處輻射噪聲值分別約為44.8 dB和44.3 dB，消音器出口噪聲不突出。

由此可以判斷，噪聲源在排氣裝置內(nèi)，輻射噪聲主要由整個排氣裝置的外壁向外輻射。因此需在整個排氣裝置的外壁上采取措施，隔斷輻射噪聲向外輻射。

3.2 裝置隔聲設(shè)計

與空氣中傳播相比，相同頻率的噪聲在水中傳播時，波長較長、阻尼系數(shù)較小，相對于空氣中隔聲措施，在水中隔聲時較難建立“阻抗適配”，難以阻斷噪聲傳播。因此，一般的隔聲措施在水中隔聲效果較差。唐廣鑫等[6]對水下隔聲材料的隔聲性能進行了詳細的理論和試驗研究，表明在水中采用氣墊隔聲結(jié)構(gòu)進行隔聲，能取得較好的隔聲效果。

為增加氣墊隔聲結(jié)構(gòu)在水中的承壓能力，采用氣泡型泡沫板代替氣墊隔聲結(jié)構(gòu)中的空氣腔，形成氣泡型隔聲板。氣泡型隔聲板內(nèi)層和外層都為厚3 mm的橡膠板，中間層為厚30 mm的氣泡型泡沫板，示意圖如圖8所示。