循環水管路系統的流噪聲實驗研究?

李 寧，王獻忠，林鴻洲，喻 敏

（武漢理工大學船海與能源動力工程學院 武漢，430063）

引言

管路附件噪聲［1］是水管路系統噪聲的重要部分，為了能夠準確地測量管路附件噪聲，為后續降噪提供可靠的實驗依據，對管路附件的噪聲實驗研究非常重要。Pittard 等［2］對完全發展的湍流引起的管路振動進行實驗，利用離心泵提供動力，通過調整閥門的開度使所需的流量經過測試段，采用附著于圓管壁上的加速度傳感器來測量管路的振動，研究結果表明，管壁壓力波動與流速呈二次關系，且管道振動的加速度與流量之間存在一定的關系。Etim［3］研究了內部流體流動引起的管道振動，建立了內部流體流動對振動管道固有頻率和位移幅值的影響方程，并將理論結果與實驗結果進行比較，發現兩者一致性吻合較好。吳石等［4］采用小室測量方法測量海水管路系統中的流噪聲，并分析了測量小室的聲場特性及產生混響的下限頻率。許瑋健［5］搭建了船舶水管路管口聲輻射實驗系統，對船舶閥門附件結構的流噪聲及管口射流噪聲進行了實驗研究。柯兵［6］對彎頭管路附件流致振動的影響因素進行了實驗分析，發現湍流漩渦區主要集中在彎頭去流段，且其范圍約為1D～3D（D為管路直徑）。宋佳朋［7］對通海管路管口的輻射噪聲評價進行實驗研究，通過自主搭建的海水管路噪聲實驗平臺，分別以高位水箱及水泵作為動力源，分析各類噪聲源的占比。

目前，國內船舶水管路系統附件的噪聲測試仍存在著較大的局限性。筆者基于自主搭建的循環水管路系統實驗平臺，對管路內流噪聲進行測試研究。為進一步減少背景噪聲和測量方法的影響，改善測量環境，對水聽器安裝方案進行了改進，并將管路附件噪聲測量結果與數值計算結果進行對比，驗證了實驗方法的可靠性。基于改進后的實驗方法，又對增設導流葉片的管路附件進行噪聲測試研究，驗證了導流葉片對管路流噪聲抑制效果的有效性。

1 循環水管路系統簡介

1.1 循環水管路系統設計

自主搭建的循環水管路系統的設備主要有離心泵［8］、儲水罐、電磁流量計、壓力表、球閥、避震喉、法蘭及支撐架等。循環水管路系統實驗平臺如圖1 所示，其中水管路系統的流量是通過球閥開度來控制的，并基于圖2 所示的LD 型智能插入式電磁流量計獲取實時數據。為了測量循環水管路系統內部的壓力，將圖3 所示的壓力表安裝于開孔管路上，通過其讀數得到管路系統的壓力值。立式離心泵為循環水管路系統提供動力源，其參數如表1 所示。

表1 立式離心泵參數Tab.1 Vertical centrifugal pump parameters

圖1 循環水管路系統實驗平臺示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental platform for circulating water pipeline system

圖2 電磁流量計Fig.2 Electromagnetic flowmeter

圖3 壓力表Fig.3 Pressure gauge

為了給整個循環水管路系統提供水介質，在該系統對角線上安裝2 個尺寸和容量一致的儲水罐。這2 個儲水罐既可用于系統儲水，又可將其近似作為抗式消聲器，在一定程度上可消弱部分噪聲的影響。整個水管路系統在正常工作時，離心泵、球閥等位置會產生強烈的結構振動噪聲，其振動會沿著水管路傳播而影響實驗測量的準確性。為了減小球閥、離心泵等位置的結構振動噪聲，在該類位置處布置減震喉，以減少無關噪聲的干擾。另外，以支撐架作為管路噪聲實驗平臺的減振支撐，并在支撐架底部墊上橡膠材料，以達到抑制管路振動傳遞的作用。

1.2 測試系統

本研究循環水管路系統實驗平臺可以對管路附件噪聲實驗中的各項參數進行準確測量，主要儀器有水聽器、數據采集器、功率放大器、電磁流量計及壓力表等，主要儀器參數如表2 所示。設備連接示意圖和實物圖如圖4 所示。

表2 主要儀器參數說明Tab.2 Description of main instrument parameters

圖4 設備連接示意圖和實物圖Fig.4 Schematic diagram and physical diagram of device connection

管路附件的聲學測量結果易受測量方法影響，由于水聽器測量數據為壓力，而聲壓、脈動壓力均為壓力量，從而使測量結果存在較大的“偽聲”。為了降低脈動壓力對實驗測量結果的干擾，采用齊平式插入法進行測量，在水聽器固定基座內表面敷設吸聲材料，水聽器測點應布置在遠離管路附件肘部至少10D的距離，水聽器安裝方式及實物安裝如圖5所示。

圖5 水聽器安裝方式及實物安裝圖Fig.5 Hydrophone installation method and physical installation diagram

2 實驗測試

2.1 背景噪聲測量

管路噪聲測量結果易受環境背景噪聲的影響，采用圖6 所示的AWA6228 型多功能聲級計對實驗背景噪聲進行測量。由于離心泵為主要的背景噪聲源，因此削弱其對測試結果的影響尤為重要。采用自制的內附有隔聲材料的隔聲罩進行降噪處理，離心泵及其隔聲罩如圖7 所示。對離心泵進行隔聲處理前后的背景噪聲進行多次測量，并取其平均值，背景噪聲測量結果如表3 所示。其中：未啟用離心泵時背景噪聲為背景噪聲1；啟動時未用隔聲罩處理為背景噪聲2；啟動時用隔聲罩處理為背景噪聲3。由表可知，背景噪聲2 的值大于背景噪聲1，背景噪聲3 的值小于背景噪聲2，說明隔聲罩起到一定的隔聲效果。根據相應數值計算結果可知，管路附件總聲壓級均為90 dB 以上，信噪比大于10 dB，因此背景噪聲滿足測量需要。

表3 背景噪聲測量結果Tab.3 Background noise measurement results dB

圖6 AWA6228 型多功能聲級計Fig.6 AWA6228 multifunctional sound level meter

圖7 離心泵及其隔聲罩Fig.7 Centrifugal pump and its sound insulation cover

2.2 水聽器插入方法的改進

用水聽器進行管內聲壓測量，其結果容易和流體脈動壓力相疊加，使得聲壓測量值偏大，測量不準確。筆者對齊平式插入法進行了改進，在水聽器頭部與管路接觸位置上敷設熱塑性聚氨酯（thermoplastic polyurethanes，簡稱TPU）透聲材料［9］，水聽器改進前后安裝示意圖如圖8 所示，其中：Pf為脈動壓力；Pa為聲壓。TPU 透聲材料既可以使聲信號透過該材料而被水聽器接收到，也可以阻擋脈動壓力直接沖擊水聽器形成“偽聲”，從而達到脈動壓力與聲壓的分離效果。

圖8 水聽器改進前后安裝示意圖Fig.8 Installation diagram of hydrophone before and after improvement

2.3 方法改進結果

在水聽器安裝方法改進前后，分別進行公稱直徑（diameter nominal，簡稱DN）80 彎管的噪聲實驗測試，得到在3 m/s 流速下，改進前后實驗結果對比如圖9 所示，其中Lp為聲壓級。由圖可知，未改進前實驗聲壓值大于改進后實驗聲壓值，這主要是因為采用未改進方法測量管路噪聲時，未進行噪聲與脈動壓力的分離，導致水聽器接受到巨大的水壓力信號，從而掩蓋了管路附件真實的噪聲。采用改進后的測試方法，由于引入了透聲材料，隔離了管內脈動壓力對水聽器的沖擊，且不阻礙聲壓的傳播，將脈動壓力與管路聲壓實現了分離，使結果更接近實際值。

圖9 改進前后實驗結果對比Fig.9 Comparison of experimental results before and after improvement

2.4 實驗結果

管路噪聲包括流噪聲和流激振動噪聲，其中流激振動噪聲是水流激勵管路而引起管路振動并輻射的噪聲。由于實驗中采取了一系列減振措施及齊平式插入水聽器，所以水聽器測量的主要是流噪聲。筆者對實驗管進行了基于大渦模擬湍流模型［10］的流場仿真及基于Lighthill 聲類比理論［11］的噪聲計算，DN80 的管路尺寸外徑為89 mm，壁厚為2 mm，計算模型如圖10 所示，其中D=85 mm。

圖10 計算模型（單位：mm）Fig.10 Calculation models (unit:mm)

使用水聽器改進后的測量方法，對DN80 彎管進行流速為3 m/s 的實驗，并將彎管實驗結果與數值仿真結果進行對比，如圖11 所示。由圖可知：在10～30 Hz 頻段內，彎管流噪聲的實驗值與仿真值基本一致，流噪聲是主要噪聲源；在30～600 Hz 頻段內，實驗值大于仿真值，該頻段內除了少數頻率區間外，流噪聲基本上成為主導噪聲源；從頻譜曲線波動趨勢來看，實驗曲線與流噪聲曲線吻合度較好；在600～1 000 Hz 頻段內，實驗值與流噪聲仿真值基本一致。此外，由于該實驗是基于完整的循環管路系統，不似仿真只單一地考慮該附件特性，所以實驗曲線未能在聲學模態固有頻率處出現峰值。DN80 彎管在1 000 Hz 頻段內聲學模態結果如表4 所示，在一定程度上顯示實驗與流噪聲仿真曲線趨勢吻合較好。

表4 彎管聲學模態結果Tab.4 Acoustic modal results of curved tube

圖11 彎管實驗與數值仿真結果對比Fig.11 Comparison of results of curved tube experiment and numerical simulation

為了進一步驗證實驗方法的可靠性，將實驗段用DN80 的T 型三通管替換上，調整流速穩定至3 m/s，待管路系統穩定后，進行噪聲測試。T 型三通管實驗與數值仿真結果對比如圖12 所示，由圖可知：在10～200 Hz 頻段內，實驗與流噪聲仿真吻合較好；在200～700 Hz 頻段內，仿真值大于實驗值并出現明顯峰值，這是由于仿真時在聲學固有頻率處出現峰值所導致；在700～1 000 Hz 頻段內，實驗與仿真變化趨勢基本一致。DN80 的T 型管在1 000 Hz 頻段內聲學模態結果如表5 所示。可以看出，在T 型三通管實驗結果中，流噪聲為主要噪聲源，且實驗噪聲曲線與流噪聲仿真曲線更為貼合，進一步證明了實驗方法的可靠性。

表5 T 型管聲學模態結果Tab.5 Acoustic modal results of T-tube

圖12 T 型三通管實驗與數值仿真結果對比Fig.12 Comparison of results of T-tube experiment and numerical simulation

3 流噪聲控制

3.1 模型設計

為了實現管路噪聲的有效抑制，對管路增設導流葉片［12］并進行實驗研究。在彎管、T 型三通管肘部正中位置分別布置導流葉片，并采用氬弧焊進行焊接，導流葉片安裝位置如圖13 所示。為了便于成型加工，選擇導流葉片制作厚度為0.5 mm，材料為304 不銹鋼。由于焊接工藝限制，只對導流葉片與管路附件連接處采取局部焊接。

圖13 導流葉片安裝位置Fig.13 Installation position of the guide vane

3.2 結果分析

將實驗管段分別替換為帶有導流葉片的DN80彎管和T 型三通管，在保證流速（3 m/s）、壓力等因素穩定及一致的情況下，進行實驗測試。將測得的聲壓級進行對比分析。彎管導流葉片噪聲控制效果對比如圖14 所示，可以看出，增設導流葉片彎管聲壓級比無導流葉片彎管聲壓級小，且兩者波動趨勢相似，說明在10～1 000 Hz 內導流葉片存在較為明顯的降噪效果。T 型三通管導流葉片噪聲控制效果對比如圖15 所示，可以看出：在10～400 Hz 頻段內，導流葉片對T 型三通管無明顯降噪效果，甚至在50～400 Hz 內出現噪聲增大現象；在400～1 000 Hz頻段內，增設導流葉片的T 型三通管聲壓級比無導流葉片的聲壓級小，具有降噪效果。整體上來看，導流葉片對T 型三通管的降噪效果有限，其主要原因是由于將導流葉片設置在T 型三通管中部，雖然能起到一定的導流作用，但是會導致過流面積減小，產生更大的流速，所以影響最終的降噪效果。此外，由于加工和焊接工藝問題，存在焊點和縫隙影響流場的情況，也導致部分頻段降噪效果不佳。因此，增設導流葉片的管路有著一定的降噪效果，彎管增設導流葉片后效果最佳，而T 型管由于增設導流葉片后結構突變，過流面積減少，使得降噪效果極為有限。

圖14 彎管導流葉片噪聲控制效果對比Fig.14 Comparison of noise control effects of the guide vane in the curved tube

圖15 T 型三通管導流葉片噪聲控制效果對比Fig.15 Comparison of noise control effects of guide vanes in the T-tube

4 結論

1）在循環水管路系統運行過程中，離心泵的振動噪聲不可忽視，可以使用隔音罩將其罩住，盡量減小離心泵對測量結果的影響。

2）水聽器使用齊平式插入法進行安裝測量時，無法區分脈動壓力和聲壓，導致測量結果偏大。通過添加TPU 透聲材料的方式，隔離脈動壓力與聲壓，得到了更為精確的結果，并且與數值仿真結果更貼近。

3）基于自主搭建的水管路實驗平臺，對管路噪聲進行測量，其結果與仿真結果吻合較好。雖然存在一定差異，仍能夠證明實驗方法的可靠性。

4）將安裝了導流葉片的彎管和T 型三通管進行噪聲測試，并將前后結果進行對比后可知，彎管安裝導流葉片后降噪效果明顯，而T 型三通管只在10～50 Hz 頻段、400～1 000 Hz 頻段內具有降噪效果。