消声水池中水射流噪声特性试验研究

程广利， 罗夏云， 孟路稳， 杨琼方

(1.海军工程大学 电子工程学院， 湖北 武汉 430033； 2.海军工程大学 动力工程学院， 湖北 武汉 430033)

0 引言

水射流是指水体以股状从不同形状的管、槽、喷嘴等喷出，进入静止或流动的空气或水域，由此在空气或水域中产生的噪声就是水射流噪声。在飞机、车辆、火箭、枪支等实际应用的迫切需求牵引下，很多学者针对空气射流噪声开展了大量理论和试验研究，二者相互促进，极大地推动了气动射流噪声机理和预报方法的研究进展[1-6]。水射流噪声研究主要用于喷水推进、鱼雷出管等，随着水射流速度的不断提高，水下射流噪声所引起的安全性日益受到重视。但在水射流噪声方面的研究与试验却相对较少，其理论研究主要借鉴于气动声学的湍流噪声理论开展。文献[7]通过理论推导给出了水射流噪声的理论公式，得出射流噪声辐射声功率总声级与射流速度8次方呈正比的结论。2009年以前，关于水下湍射流噪声及其预报方法的研究文献极少[8]，且从气动声学中引入的各种水射流噪声预报方法是否正确仍有待试验验证。文献[8]分别采用声比拟理论、Kirchhoff理论、涡声理论等方法研究了水射流噪声预报方法，并开展了相应的试验验证，其主要目的是考察水下流噪声频谱结构及其与喷口流动特征的关系，以及喷嘴结构对辐射噪声声功率的影响[9]，但由于该试验在混响水池中进行，无法摒除混响对水射流噪声测量的影响。文献[10]针对不同喷嘴形状、不同压力脉动幅度情况下的水射流噪声开展了试验研究，但其对水射流噪声仅做了定性分析，并未直观地给出水射流噪声的总功率以及声功率与射流速度之间的关系等特性。文献[11]采用混响法在混响水池中测量水下射流噪声，结果表明射流噪声辐射声功率总声级与射流速度8次方呈正比，但其射流速度不超过12 m/s，超过该数值时是否仍能满足此规律以及混响法能否适用则均无定论。综上所述，目前有关水射流噪声方面的试验研究还较少，且已做的试验都在混响场中开展，尚没有开展更高射流速度下水射流噪声特性试验的文献报道，而高速水射流辐射噪声特性是否与低速时一致尚待研究。

本文拟开展消声水池中水射流噪声试验研究，首先对消声水池的自由场进行测试，评估其自由场性能，确保试验条件；然后开展不同水射流速度下的辐射噪声测试试验并开展相应的数据分析，研究不同水射流速度下的辐射噪声特性。

1 消声水池自由场测试

试验用消声水池长10 m、宽6 m、深5 m，其六面均安装了吸声尖劈。考虑消声水池吸声尖劈的最佳消声频率范围在3.0 kHz以上，在3.0 kHz以下水池的自由场性能条件可能会有所降低，由此引发的混响场会对测量结果造成一定影响。因此，有必要对水池试验的测量空间、试验低频段内的自由场进行校准测量，获取低频段混响场与自由场的声级偏差，为辐射噪声测量值提供精度误差参考。

消声水池自由场校准测点平面布置图和系统连接图分别如图1和图2所示。试验中，将低频水平全向发射换能器布放在水面下2.4 m处，用两个水听器接收信号，与发射换能器位于相同深度，其中：一个布放在射流轴线方向距发射换能器1.4 m处，用于获得试验参考值，同时监测发射声场的稳定性；另一个水听器用于测量声场，位于与射流轴向呈45°夹角的水听器- 发射换能器连线上，分别选取距发射换能器0.5 m、1.0 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m等位置作为声场测量点。

试验中，将测量水听器布放至相应的测点位置后，信号源产生白噪声信号，经0.50～5.00 kHz带通滤波、功率放大，加到发射换能器，调节功率放大器输出增益，以确保接收信号有足够的信噪比；从示波器上同步读取两个接收水听器信号的均方根值VRMS，用参考水听器信号的均方根值对场点测量值做归一化，作为该测量点的声场值。不同距离测量点处的声压级变化与自由声场声压级变化如图3所示。

由图3可知，在距声源1.0～2.5 m(即射流喷口与测量声场水听器的距离d)范围内，消声水池内声场具有较好的自由场条件，与球面波条件的偏差小于1.0 dB，特别是在1.0 m测点处，偏差不足0.5 dB.

2 水射流噪声试验与数据分析

2.1 试验方案

射流噪声试验平台由空压机、高压气瓶、控制气阀、水缸、配套管道、流量计、截止阀、可变截面喷口、升降行车、法兰和刚性支架等构件组成，图4所示为水射流辐射噪声试验框图。

试验中，直径为50.0 mm的射流喷口通过升降行车、法兰、刚性支架固定于消声水池宽度池壁一端的水下中心位置，射流方向与水池中心长轴方向重合，喷口末端的水平长度为0.6 m，其后端刚性支架及刚性平面紧贴水池池壁，与升降行车共同支撑射流喷口，以确保试验过程中水下管路稳定、不发生振动。

为产生一定速度的水流，用空气压缩机使高压气瓶产生高压气体，在控制气阀的调节作用下，恒定气压的高压气体进入水缸，挤压水缸内的水以一定流速沿管道从喷口射出。调节控制气阀可调节射流速度，其速度由流量计数据转换获得。

测量射流辐射噪声的水听器1布放在与射流喷口中心同深度、与射流主轴方向呈45°夹角、距喷口1.0 m的位置，由该点的测量结果可直接得到射流噪声的辐射声源级。同时，为防止因射流冲击可能引发该水听器位置移动，在同角度方向2.0 m位置处布放水听器2，以作为补充测量点；在1.0 m位置还同时布放一个全浸没式脉动压力传感器，用于监测脉动压力变化。传感器布置如图5所示。

2.2 数据处理与分析

测得的水听器信号经0.50～5.00 kHz带通滤波、放大后，与压力信号一起由美国National Instruments公司生产的数据采集分析系统完成同步采集和数据分析处理。消声水池中的环境背景噪声声压时域波形及其平均频谱级如图6所示，数据处理表明其平均谱级约35.0 dB，其中在0.50～5.00 kHz频带内噪声的总声压级为70.9 dB，在0.65～5.00 kHz频带内的总声压级为70.4 dB，在0.80～5.00 kHz频带内的总声压级为70.1 dB.

水射流辐射噪声试验中，水射流速度由控制气瓶控制，试验中获得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，对于每一种射流速度自射流速度稳定后采集记录约10 s测量数据，再选取其中2 s的平稳数据段进行平均声压谱级和频带辐射声级分析。下面分析试验中水听器1位置处的测量结果。

2.2.1 压力变化

图7给出了压力传感器在8.48 m/s、16.81 m/s、25.58 m/s 3种射流速度下记录的位于水听器1位置对应于测量分析时段的压力信号变化曲线。由图7可知，即使在试验最高射流速度下，水听器1位置因射流产生的压力起伏频率低、幅度很小，表明射流对该水听器的冲击作用十分有限，对声场测量结果的影响可忽略。因此，由水听器1位置测量获得的平均声压谱级和频带辐射声级可直接作为射流声源的平均声压谱级和频带辐射声源级。

2.2.2 不同射流速度下的声压和平均声压谱级

不同射流速度下，水听器1接收的声压时域波形和平均声压谱级如图8所示。由图8可知：射流噪声声压值随着射流速度的增加而增大，当射流速度较低时流噪声的声功率主要集中在1.00 kHz以下，随着射流速度的增加，高频成分的噪声功率迅速增大；在射流速度未达到18.00 m/s之前，1.00 kHz以上的噪声谱级增长速度明显大于1.00 kHz以下噪声谱级的增长速度；在射流速度超过18.00 m/s以后，1.00 kHz以下噪声谱级的增长速度又迅速超过1.00 kHz以上噪声谱级的增长速度。限于篇幅，本文只给出了部分射流速度下的情形，在其他速度下同样满足这些分析规律。

2.2.3 射流噪声声功率随射流速度变化之间的关系

表1给出了3种不同频带宽度内射流噪声辐射声源级的试验测量结果。对比相同射流速度、不同滤波下限频率的测量值可见，除个别低射流速度的某个频段，3种滤波下限频率的结果有1.0～2.0 dB的差别外，其他情况下相差均不到1.0 dB，与在该测量点自由场校准误差量级相当，表明试验所用消声水池的低频消声性能对本次试验结果的影响十分有限，试验测量结果是有效的。

表1 不同射流速度和噪声带宽下的水射流噪声声源级

图9给出了相应于表1的射流速度- 声功率(声源级)变化曲线，图9中还同时绘出了流噪声功率与射流速度8次方关系变化的理论曲线。从图9可知，3个频段内辐射声功率的测量值在射流速度低于20 m/s范围内，基本符合与射流速度8次方呈正比的变化关系，即射流速度每增加1倍，辐射声功率增加24.0 dB. 变化规律与射流噪声理论中运动湍流的辐射声功率随着射流速度变化的关系一致，这表明本次试验在射流速度小于20 m/s范围内测量的辐射声主要是由射流中的湍流运动产生的。当射流速度大于20 m/s以后，辐射声功率陡增了约10.0 dB，偏离了8次方规律，从图8(e)、图8(f)两组谱级图中也可看到，此时在低于1.00 kHz频段内的噪声功率级较此前突然增大，可能是由于试验管路及构建在内部高速射流作用下发生剧烈振动，导致正常射流在喷口段被额外的振动所扰动，引起强烈的附加扰动噪声,但原因还需进一步测试和分析。因此，本次试验中最高两组射流速度的测量结果不能正确反映射流噪声的辐射声。

3 结论

为研究水射流噪声特性，本文设计并构建了水射流与辐射噪声测试试验系统。基于该试验系统评估了消声水池的自由场性能，在消声水池中测量了水射流噪声特性。得到了以下主要结论：

1)基于设计的水射流与测试试验系统，在消声水池中开展的50 mm口径水射流试验，能较准确地获得射流速度小于20 m/s时的水射流辐射噪声声源级及其谱分布。

2)获取的水射流噪声辐射声功率整体符合与射流速度8次方呈正比的变化规律，射流速度小于20 m/s范围内测量的辐射噪声主要由射流中的湍流运动产生。

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