水下湍射流噪声试验研究

王春旭，邹 建，张 涛，侯国祥

（1华中科技大学船舶与海洋工程学院，武汉430074；2海军指挥学院浦口分院信息战研究系，江苏 南京211800）

1 引 言

由于飞机、火箭应用的需要，空气射流噪声已有大量的实验测量结果，实验研究和理论研究相辅相成，极大地推进了气动射流噪声机理和预报方法的研究进展。但在水下射流噪声方面却鲜有研究，与其它水动力噪声源相比，射流噪声（自由湍流噪声）声辐射效率低下，受关注较少。近年来，自由湍流噪声也引起了相当的关注，一方面是由于某些自由湍流噪声问题引起了关注，如潜艇通海口流噪声问题；另一方面，研究自由湍流噪声机理，是其它水动力噪声如边界层噪声和转子噪声问题研究的基础。

本文将采用混响室方法对水下射流辐射噪声功率进行试验测量研究：其一考察水下射流辐射噪声频谱结构；其二研究多种形状喷口对辐射噪声的影响等。

2 试验原理

水声试验一般在消声水池测量，由于条件限制，本实验采用混响水池进行测量。混响水池测量噪声原理如下[1]。

混响室内任意一点声能密度可以分为直达声和混响声两部分，直达声声能密度可表示为：

其中W表示声源平均辐射声功率；混响室内达到平衡后的平均声能密度：

其中R是房间常数，

α是壁面吸声常数。空间中该点总的能量平均密度为：

Pe为声场中等效声压，因此，

参考声压为p0=1×10-6Pa，参考声功率为W0=1×10-12W，房间系数、吸声系数可以通过混响时间T60确定。T60指的是声压级降低60dB所需要的时间，根据赛宾公式的推导[2]，T60可按如下定义计算：

于是：

用声压级、声功率级表示：

其中，V、S分别是混响室的体积和面积，等式右端括号中的第一项表示直达声的贡献，可忽略。由此，通过测量各个频率下的混响时间及声压级，即可得到射流的辐射声功率。

3 试验方案及装置

本文射流噪声测量原理及装置如图1所示。

图1 混响室法射流噪声测量原理和装置图Fig.1 Sketch of experimental principle and instrallation diagram

（1）混响水池：用混响室方法测量噪声，混响室自身特性具有决定性影响。本实验中采用压力水桶作为混响水池，压力水桶主体部分是一段圆柱，两端是半椭球，其壁厚为27mm，内壁光滑，满足混响水池的要求。压力水桶形状尺寸如图2所示。易计算得其混响体积为V=2.424m3，混响室内表面积为S=12.787m2。将V、S代入到（8）式，射流辐射噪声功率级可如下表示：

混响水池的结构尺寸直接决定了其有效测量频率的下限，根据混响池测量声源噪声辐射声功率相关规范[3-4]可知，直径1 000mm的压力水桶作为混响水池，其频率下限约为1 250Hz，因此本文的数据处理频率下限截至为1 000Hz。

（2）射流压头：在耐压气瓶中同时冲入高压气体和一定量的水，利用气体的可压缩性提供射流“稳定”的压头。

（3）混响时间：根据第1节实验原理式（8）可知，射流噪声声功率的测量需要测量各频率下混响水池的混响时间。测量方法是：用信号源和喇叭在混响水池中产生特定频率的信号，稳定后断开信号源，测量混响水池内的声压衰减过程，定义声压级衰减60dB的时间即为混响水池在该频率下的混响时间。测量原理和装置如图3所示。

图2 混响水池的结构尺寸(mm)Fig.2 Structure dimention of reverberation chamber

图3 混响时间测量方法及装置图Fig.3 Reverberation time measurement method schematic diagram

（4）喷口形状：潜艇通海系统一般采用渐扩管，认为可以降低噪声。为了测量比较不同喷口形状的辐射噪声特点，制作三种圆形喷口，图4是截面图。分别是平直喷口、渐扩喷口、收缩喷口。平直喷口内径10mm，渐扩喷口和收缩喷口的来流段内径也是10mm，扩张角和收缩角都是15°，扩张和收缩段长短均为10mm。

图4 试验中的三种喷口形状Fig.4 The three nozzle shapes used in experiment

（5）压力损失：射流辐射噪声直接与喷口处的流动特征如喷口处的速度等相联系，但是喷口至压力容器用耐压软管及管接头连接，水从压力气瓶流至喷口会有压力损失，各个压力条件下喷口流量、速度需要测量。瞬时流量的测量比较困难，可用平均流量代替，例如压力p=0.8MPa时的流量，可认为是压力从p1=0.9MPa到p2=0.7MPa的平均流量。射流喷出时，可认为压力容器中气体是等温变化过程，设气瓶体积为V，初始用空压机冲入气体压强为p0，随后向其中充水，测量某个压力下的流量时，打开出水阀，压力为p1时开始计时，计时结束时压力为p2，时间为t。则该段时间内平均流量为：

因此，重复测量时间t多次，作算术平均即可根据（10）式得到该压力下的流量。

（6）压头稳定性保障：气瓶中高压气体和水的体积比例会影响气瓶内压力变化的快慢，气体体积所占比例越大，压力变化越缓慢，所提供的射流压头越“稳定”；另一方面，各压头下的噪声测量和流量测量应保持相同的条件，以排除压头变化快慢不同带来的误差。

（7）射流声压级测量：测量各压头下混响室中射流噪声声压级，代入（9）式计算射流辐射声功率。图5是测量现场照片。

图5 测量现场照片Fig.5 Photos of testing fields

4 测量结果及分析

4.1 喷口流量测量

根据（10）式提供的方法，只需要测量其中的时间t即可计算出流量。其中的V取作气瓶的初始容积V=0.445 320 4m3，从0.8MPa开始，间隔0.2MPa测量到2.2MPa，各种压力下流量试验和计算条件如下：

（1）p=0.8MPa时，令p0=0.4MPa，p1=0.9MPa，p2=0.7MPa

（2）p=1.0MPa至p=2.2MPa时，令p0=0.715MPa，p1=p+0.1MPa，p2=p-0.1MPa

表1至表3列出了流量和喷口速度测量结果，其中的时间t是3次测量平均结果。压力单位是兆帕（MPa），时间单位是秒（s），流量单位是立方米每秒（m3/s）。速度单位是米每秒（m/s），表中给出的速度是喷口处的等效平均速度。

比较表1和表2可知，两者流量基本没变，扩口流量稍大，可以推断，表2中的速度项基本没有意义，喷口截面上速度极不均匀。比较表1和表3可知，收缩喷口流量只有平直喷口的四分之一左右，但喷口处的速度提高较多。

表1 平直喷口流量Tab.1 Flow rate of straight nozzle

表2 渐扩喷口流量Tab.2 Flow rate of expansion nozzle

表3 收缩喷口流量Tab.3 Flow rate of shrinkage nozzle

4.2 混响时间测量

采用第2节图3所示方法测量混响时间，信号源的信号经过功率放大器放大激励喇叭发声，在混响室中产生特定频率的正弦信号，用水听器接受水中声信号，信号稳定后，断开信号源，记录声信号衰减过程。本实验中，信号频率取作三分之一倍频程的中心频率。测量结果如表4所示。

表4 混响时间列表Tab.4 Reverberation time at each frequency

4.3 射流噪声辐射功率测量

测量时将喷头自顶向下固定在混响水池的正中央，喷口距顶端面900mm。4个水听器固定在等半径（256mm）的四周（如图6所示），但深度各不相同，深度布置见表5所示。

表5 水听器布置位置Tab.5 Depth of hydrophone locations

图6 水听器布置示意图（mm）Fig.6 Schematic of locations of hydrophones

对在特定压头下各喷口射流噪声信号测量完毕后，将时域内的声压采集信号进行Fourier变换，得到声压谱级。然后进行三分之一倍频程声级分析。在此以压头为p=1.0MPa平直喷口的射流噪声信号为例，说明信号处理过程，图7是各通道信号的声压谱级，图8是各通道三分之一倍频程声级分析图。

为了考察混响室的混响效果及数据有效性，需要对各通道三分之一倍频程声级作如下标准偏差估计：

其中：sM是四个水听器位置声压级标准偏差（dB）；Lpi是第i个水听器位置平均声压级（dB）；Lpm是所有水听器位置声压级算术平均（dB）；N是水听器数目或者测量位置数目。

从图9可以看出，各测量水听器在各频段上标准偏差在1.2dB到1.8dB之间。可认为混响室混响效果较好。

根据测量规范，混响室内各频带平均声压级可按如下求得：

图7 各通道声压级图Fig.7 The SPL diagram for each chanel

图8 各通道三分之一倍频程声压级Fig.8 One-third-octave band SPL diagram for each chanel

结果如图10a所示，由此进行拟合，得到全频域段声压级曲线，如图10b所示。

将图10曲线拟合得到的各频率下声压级和合表4给出的各频率下的混响时间代入到（9）式即可计算出射流辐射噪声功率级。

图11、图12、图13根据上述数据处理过程分别给出了平直喷口、收缩喷口、扩张喷口各个压头下的射流辐射噪声声功率级；a图表示气瓶内压头为2.2MPa、2.0MPa、1.8MPa、1.6MPa时射流辐射噪声升功率级，b图表示气瓶内压力为1.4MPa、1.2MPa、1.0MPa、0.8MPa时射流辐射噪声升功率级。

图9 各通道测量信号标准偏差估计Fig.9 Standard deviation estimation of signals collected for each chanel

可以看出，对于三种喷口，随着气瓶压头的降低，喷嘴出口速度随之降低，射流辐射噪声功率也随之降低；另外，随着压头的降低，辐射噪声功率级频谱结构有向高频方向移动的趋势，这是因为，速度越高，越能激起流场的大尺度运动，在高雷诺数、低Ma数情况下，大尺度涡结构对噪声辐射有支配性的作用[5]。

图10 由三分之一倍频程声压级拟合全频域段声压级曲线Fig.10 The utimate One-third-octave band SPL diagram

图11（a，b） 平直喷口各压头下的射流辐射噪声功率级比较Fig.11 The comparison of SPL of submerged jet induced by straight nozzle

图12（a，b） 收缩喷口各压头下的射流辐射噪声功率级比较Fig.12 The comparison of SPL of submerged jet induced by shrinkage nozzle

图14表示在压头p=2.2MPa时，三种不同的喷嘴的射流辐射噪声功率级比较，图15至图21依次列出了压头从p=2.0MPa到p=0.8MPa的情况，可以看出，尽管同样压头下收缩喷口的流量大为减小，不到平直喷口的四分之一，但其辐射噪声级在各种压头条件下却是最高的，从表1、表3可以看出：同样压头下，收缩性喷口射流速度最高，可以推断，喷口处的出流速度对射流噪声级有决定性的影响。另一方面，同一压头下，扩张喷口射流噪声功率级曲线与平直喷口射流噪声功率级曲线相交，在交点频率以下，扩张喷口射流噪声功率级大，在交点频率以上，平直喷口射流噪声功率级大。

图13（a，b） 扩张喷口各压头下的射流辐射噪声功率级比较Fig.13 The comparison of SPL of submerged jet induced by expansion nozzle

图14 压头p=2.2MPa三种喷嘴的辐射噪声功率级比较Fig.14 The comparison of SPL of the three submerged nozzle at pressure head p=2.2MPa

图15 压头p=2.0MPa三种喷嘴的辐射噪声功率级比较Fig.15 The comparison of SPL of the three submerged nozzle at pressure head p=2.0MPa

图16 压头p=1.8MPa三种喷嘴的辐射噪声功率级比较Fig.16 The comparison of SPL of the three submerge nozzlse at pressure head p=1.8MPa

图17 压头p=1.6MPa三种喷嘴的辐射噪声功率级比较dFig.17 The comparison of SPL of the three submerged nozzles at pressure head p=1.6MPa

图18 压头p=1.4MPa三种喷嘴的辐射噪声功率级比较Fig.18 The comparison of SPL of the three submerged nozzles at pressure head p=1.4MPa

图19 压头p=1.2MPa三种喷嘴的辐射噪声功率级比较Fig.19 The comparison of SPL of the three submerged nozzles at pressure head p=1.2MPa

图20 压头p=1.0MPa三种喷嘴的辐射噪声功率级比较Fig.20 The comparison of SPL of the three submerged nozzle at pressure head p=1.0MPa

图21 压头p=0.8MPa三种喷嘴的辐射噪声功率级比较Fig.21 The comparison of SPL of the three submerged nozzle at pressure head p=0.8MPa

5 结 论

采用混响室方法，对水下湍射流辐射噪声功率进行实验测量，结果表明：

（1）同一喷口产生的射流，随着压头的降低，其辐射噪声功率随之降低，且其频谱结构有向高频移动的趋势；

（2）通过比较相同压头下不同喷口形状射流辐射噪声功率级可知，收缩喷口尽管流量相对很小，但其喷口速度较大，射流辐射噪声功率较平直喷口和扩张喷口要高，说明喷口初始速度是射流噪声的关键因素；平直喷口和扩张喷口射流辐射噪声功率级曲线相交，在交点频率以下，扩张喷口射流辐射噪声功率级大，在交点频率以上，扩张喷口射流辐射噪声功率级较小；

（3）采用混响室方法测量噪声最大的缺点是不能对噪声辐射指向性进行研究；其次，本实验中作为混响室的压力水桶直径为1 000mm，决定了其有效截至频率下限为1 250Hz左右，无法对低频噪声做出测量，是本文工作的不足之处。

[1]陈克安.声学测量[M].北京:科学出版社,2005.

[2]杜功焕,朱哲明,龚秀芬.声学基础[M].南京:南京大学出版社,2001.

[3]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局发布.声学声压法测定噪声源声功率级混响室精密法[S].GB/T 6881.1-2002.

[4]国家标准局发布.源声功率级的测定—混响室精密法和工程法[S].GB 6881-86.

[5]Tam C K W,Golebiowski M,Seiner J M.Two components of turbulent mixing noise from supersonic jets[J].AIAA Journal,96-1716,1996.