模型泵水下低频辐射噪声测试装置的设计与验证

王宗龙，陈建平，杨晨俊

(1.上海交通大学 海洋工程国家重点实验室，上海 200240；2.中国船舶及海洋工程设计研究院 喷水推进技术重点实验室，上海 200010)

·仪器设备研制与开发·

模型泵水下低频辐射噪声测试装置的设计与验证

王宗龙1,2，陈建平2，杨晨俊1

(1.上海交通大学 海洋工程国家重点实验室，上海 200240；2.中国船舶及海洋工程设计研究院 喷水推进技术重点实验室，上海 200010)

为了在设计阶段实现推进泵水下低频辐射噪声的测试与评估，在模型泵水力性能测试装置的基础上，提出了基于矢量声强法的模型泵水下辐射噪声对比测试方法，研制了基于二维圆弧面扫描方式的推进泵模型水下辐射噪声测试装置。测试系统采用两只一维矢量水听器组成测试线阵，实现模型泵水下辐射声功率的测试与计算。系统测试精度通过标准声源进行验证。结果表明：系统测量的绝对误差不大于±2 dB，重复性误差不大于±1.5 dB。该测试装置为推进泵的噪声控制及研究提供了比对测试试验手段和分析基础，也可为其他模型泵的噪声评估提供参考。

喷水推进； 泵； 水下辐射噪声； 声强； 矢量水听器

0 引 言

泵作为一种通用的流体机械，广泛应用于国民经济各部门以及舰船、航空航天等军工尖端领域，不仅要求高效率、高抗气蚀等性能指标，而且要求降低泵的振动和噪声。尤其在船舶喷水推进领域，推进泵的水下辐射噪声是喷水推进器的一项关键技术指标[1-2]。

在喷水推进泵模型的水力性能试验中，目前极少对泵的水下辐射噪声(尤其是低频噪声)进行测试和分析，相应的测试装置也很少见，从而难以在设计阶段对推进泵降噪措施的效果进行评估。因此，本文在喷水推进泵模型水力试验台非消声水池的基础上，研制模型泵辐射声强对比测试装置，实现模型辐射声功率测量计算和降噪效果的定性评估，对开展推进泵的噪声控制研究具有重要的意义。

1 测量原理与技术方案

1.1声强法的测量原理

模型泵声辐射特性测试主要关注中低频段，在这一频率范围内，已有的长3.5 m×宽2.6 m×深2.7 m的非消声水池基本没有吸声性能，而且低频声在传播过程中损耗很小，因此被测对象产生的辐射声波会在水池池壁、池底、水面以及模型表面之间多次反射，从而在水池中形成辐射直达声波与多次反射的反射声波叠加的干涉场[3]。

获取声功率的方法有基于声压测量的混响法和声强测量法。在尺度有限的非消声空间内难以形成有效的低频混响场，因此混响法难以满足低频测量要求[4]。而声强测量法是通过测量包围声源的一个包络面上的声强分布，再通过面积分计算辐射声功率[5-6]。如图1所示，在包络面S内没有吸声材料的情况下，水池壁面的反射声或包络面外其他干扰声进入包络面后仍会从包络面出去，所以，反射声或干扰声的声强在整个包络面上的积分为零，理论上不影响声强测量结果。

图1 声强法测量原理示意图

为了通过声强测量获得声功率，在包络面(下文称为“测量面”)上的离散点测量垂直于该面的法向声强，然后将法向声强幅值与测点对应的面元面积相乘即可计算出通过该面元的声功率；将所有面元的声功率累加，即可得到通过测量面的声功率。应用该方法可以估算模型泵的辐射声功率级[7]。

1.2声强测量方法

水下辐射声强测量主要有：①基于互谱法的双水听器声强测量法；②应用组合式矢量水听器的矢量声强测量法[8]。双水听器声强测量法是将2个常规的声压水听器相对放置，组成一个水听器组，利用互谱法计算出水听器组中心位置的声强。其声强计算误差取决于2个水听器的间距与上限频率对应的波长之比。当水听器间距不变时，测量频率越低，2个水听器测量信号的相位差越小，从而导致声压梯度的信噪比下降、测量误差增大。因此，双水听器声强测量法并不适用于低频噪声的测量，难以满足本装置的测试要求。

矢量声强测量法属当今噪声测试领域的最新技术[9-11]。矢量水听器工作频带的上、下限频率分别取决于水听器的尺寸与系统的谐振频率，具有良好的低频性能；能抑制各向均匀同性噪声，可测量信噪比-6 dB以下的信号，具有很强的低信噪比测量能力；当矢量水听器的尺寸与测量波长相比很小时，其指向性与频率无关，并呈“8”字形或余弦形，低频的接收性能特别突出，便于实现测量阵列的小型化[12-13]。

综上可见，在进行低频测量时，双水听器声强测量法具有很大的局限性，而矢量声强测量法可以有效减少低频噪声的干扰，具有不可替代的优势。

1.3声强测量技术

根据喷水推进泵模型水力试验台测试段的布局，测量面设计为半圆柱面，如图2所示。推进泵试验模型的标称直径为300 mm，测量面半径不小于700 mm。为了减少声泄漏，半圆柱形测量面的长度不小于1 m。

图2 半圆柱形测量面示意图

对于半圆柱形测量面，可采用的测量技术有离散声强测量技术和阵列扫描声强测量技术。

采用离散声强测量技术时，水听器阵列根据测量面的面元划分固定布置。水听器间距与波长之比愈小则测量误差愈小；但间距过小时，水听器之间的声散射效应又会导致测量结果偏离自由声场结果。因此，水听器的布置密度不仅会影响装置成本，而且会影响测试精度，但目前尚无法准确计算测点密度减小所带来的误差。根据Shirahatti 等[14]的研究结果，可大致推断测点密度每减少50%，测量误差相应提高约3 dB。

阵列扫描声强测量技术可采用的扫描方式有一维阵列扫描和二维阵列扫描，如图3(a)所示，一维阵列扫描方式是在半圆弧上均匀布放矢量水昕器，通过水平方向的机械扫描覆盖测量面。系统沿轴向的测点密度由电动机步距决定，扫描间隔通过控制器进行设置。因此，一维阵列扫描方式的测量精度由圆弧上固定水听器的间隔决定。

(a) 一维

如图3(b)所示，二维阵列扫描方式在圆弧托架端部和中部各安装一个水听器，通过沿圆弧和沿轴向扫描覆盖测量面，测点密度完全由圆弧托架及水听器托架驱动电动机的步距决定，并且不存在水听器间的声散射问题，因此可以达到较高的国标要求，从而实现精密级测量。

由上述测试技术的比较可以看出：采用多水听器测量时，水听器布置密度是影响测量精度的主要因素。对于离散测量法，虽然测点越多，测量误差级越低，但是随着测点的增加水听器之间的干扰将不能忽视，并且加大了安装难度，增加了装置成本。对于扫描测量法，在一维和二维采用相同的扫描间隔时，两者误差级相近。采用二维扫描时，若扫描间距足够小，那么测量的误差级也将足够小；但是需要增加圆弧扫描机构，所需测量时间与另两种方式相比也是最长的。根据国标要求及国外研究成果，受限于安装条件和水听器散射要求，离散测点法难以达到精密级测量所要求的精度，而扫描法则具有良好的可实现性。因此，本装置采用二维扫描方式以实现精密级测量要求。

1.4辐射声功率的计算

矢量声强测量技术是在空间一点上同时测量声压和质点振速，从而得到特定方向上的能量输出，即声强矢量。声强计算公式如下：

I=PU

(1)

式中：I=(IX,IY,IZ)为声强矢量；P为声压；U=(UX,UY,UZ)为质点振速矢量。

测试采用一维矢量传感器，因此在测量过程中需要保证矢量通道的最大指向性指数对应的方向与测量面的法向一致，此时计算得到的声强为法向声强。

为了根据声强测量结果计算声功率，将测量面划分为N个面元，N为测点数，面元中心设为测点。通过一个测量面元上的声功率称为局部声功率[15]，其表达式为：

Wi=Ini·ΔSi

(2)

式中：Ini表示第i个测点测得的法向声强的实部；ΔSi是第i个测点所在面元的面积。

将所有面元的局部声功率累加，即可得到通过测量面的总声功率：

(3)

相应的总声功率级为：

Lw=10 lg(Wa/W0)

(4)

式中，参考声功率W0=0.67×10-18W。

2 测试系统组成与测试流程

2.1测试系统组成

如图4所示，推进泵模型噪声对比测试分析系统由水听器线阵及二维扫描运动机构、多通道数据调理器与数据采集器、测试分析系统等组成。

图4 水下声强测试分析系统组成

测试系统采用2只组合式矢量水听器组成水听器线阵，线阵固定在扫描机构上，通过二维扫描实现对模型辐射声场的声强测量。组合式矢量水听器由哈尔滨工程大学水声工程学院非标定制，型号为VH-C2000，工作频率范围0.02～2 kHz，主要技术参数见表1。

表1 组合式矢量水听器主要技术参数

二维扫描运动机构如图5所示。通过在推进泵模型测试管路上方安装一组机械扫描机构，实现对噪声源包络面的扫描。扫描运动包括沿测试泵管道轴线的水平直线运动和绕被测管道的圆周运动。

图5 二维扫描机构

二维机械扫描机构由直线运动导轨、旋转运动导轨、旋转传动机构和步进驱动电机等构件组成。通过机械扫描控制系统可实现圆弧周向和水平方向的逐点移动，从而达到阵列测量目的。直线导轨间距为1.8 m，圆弧导轨结构的中心线半径为900 mm。

如图6所示，当水听器轴线处于测试模型正上方时，传感器下端切面距离测试模型(直径300 mm)下端切面的距离为712 mm，大于700 mm。运动机构横向宽度距离中心轴为990 mm，圆弧导轨底部比测试模型下端切面低20 mm。2只水听器的夹角为85°，以保证水听器能够运行至测试模型正上方位置。

图6 扫描机构横截面结构尺寸(mm)

2.2测试流程

推进泵模型水下辐射噪声测试在设定的模型泵流量点进行，在测试期间，应保持环境参数稳定。测试流程如图7所示。具体实施步骤如下：

(1) 完成模型泵的安装及试运转；在空气中通过现场操作台调试机械扫描系统，包括零点位置检查、往复运行检查等。

(2) 水箱注水至2.5 m水深，待水面稳定后通过现场操作台对机械系统进行水下调试，排出附着在导轨和齿轮间的空气，以防止引入测量误差。

(3) 连接并检查电子测量设备，包括矢量水听器、信号调理器、数据采集器和工控机等；随后对整套系统进行联合调试，确保设备工作正常。

(4) 开启模型泵，调整至待测流量点，并运行至流量稳定；通过测试系统设定扫描运动参数，开始该工况的噪声扫描测量。

(5) 完成一次扫描测量后，可进行相同测试工况的多次重复测试；若不需要，则进入步骤(6)。

(6) 根据测试需要，改变被测工况的流量或扫描运动参数，则重复步骤(4)和(5)；若不需要，则进入步骤(7)。

(7) 保存测试数据，分析生成并输出测试报告。

图7 声强测试与分析流程图

3 测试系统精度验证

为了验证测试分析系统原理的正确性和测试精度，采用标准声源开展了辐射声强测试，并与标准声源的标准数据进行了对比。标准声源型号为Agilent 33220A，测试所用单频信号的频率和声源级如表2所示。

表2 标准声源发射频率与声源级

扫描系统运行参数为：水平方向测试范围1.5 m，测点间隔150 mm，扫描速度20 mm/s；周向测试范围170°，测点间隔17°，扫描速度1.5°/s。水听器到达指定位置后延迟3 s开始信号采集，以避免扫描运动对流体造成的扰动影响测量结果。

对表2所列各个频率均进行了5次重复测量，分析计算得到辐射声功率级，以及5次测量结果相对于标准声源级的最大误差绝对值；对5次测量结果求统计平均得到每个测量频率辐射声功率级的统计值，并计算相对于标准声源级的误差绝对值；5次测量结果分别与统计值进行对比，得到重复性误差范围。具体结果见表3。辐射声功率测量误差随频率的变化曲线如图8所示。

表3 基于标准声源的测量误差分析结果

图8 辐射声功率测量误差随频率的变化曲线

从分析结果看，在测量频率范围内，对标准声源辐射声功率级的测量结果与标定的声源级数据相比绝对误差小于±2 dB，重复性误差小于±1.5 dB，表明测试系统具有良好的精度。

4 结 语

本文基于矢量声强测量法，采用二维扫描测量技术，设计开发了一套喷水推进模型泵水下低频辐射噪声对比测试装置。基于标准声源试验，验证了测试系统原理与技术方案的正确性；对标准声源的测量分析结果表明，该装置的绝对测量误差和重复性误差均满足喷水推进泵模型水下辐射噪声测试和对比评估的要求，对喷水推进泵水下噪声控制研究具有重要价值。该装置还适用于常规模型泵的噪声测试与分析，具有广泛的应用前景。

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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

国家自然科学基金项目(51579145)；国防科工局基础科研项目

王宗龙(1976-)，男，江苏宿迁人，博士，高级工程师，研究方向为喷水推进技术和应用。Tel.:021-63161688-8309；E-mail: wzonglong@163.com