充水管路振動(dòng)噪聲特性的統(tǒng)計(jì)能量的研究

【摘要】在充水管路系統(tǒng)發(fā)展的過(guò)程中，其振動(dòng)和噪聲的產(chǎn)生與傳播一直是人們重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題，本文以船舶冷卻水管路為研究對(duì)象，采用統(tǒng)計(jì)能量法對(duì)充水管路振動(dòng)噪聲特性進(jìn)行分析，簡(jiǎn)單介紹了充水管路系統(tǒng)噪聲和統(tǒng)計(jì)能量分析法的相關(guān)概述，對(duì)充水管路系統(tǒng)中振動(dòng)噪聲產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，并了解對(duì)充水管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲進(jìn)行控制手段，明確統(tǒng)計(jì)能量分析法在充水管路振動(dòng)噪聲特性研究中的重要作用。

【關(guān)鍵詞】充水管路噪聲；振動(dòng)噪聲特性；統(tǒng)計(jì)能量

前言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷完善，船舶領(lǐng)域中的聲納設(shè)備受到了高度的關(guān)注，為潛艇在水中的順利航行提供了很大的便利。近幾年來(lái)，對(duì)于潛艇的“減振降噪”工作的研究越來(lái)越廣泛，實(shí)現(xiàn)潛艇的“減振降噪”不僅能夠避免振動(dòng)噪聲給船員身體健康造成的影響，還能夠提高船舶在運(yùn)行中的穩(wěn)定性，給船員提供了一個(gè)良好的工作環(huán)境。目前，充水管理系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲問(wèn)題日益顯著，不利于船舶各方面性能的穩(wěn)定發(fā)展。

一、充水管路系統(tǒng)中振動(dòng)噪聲的相關(guān)概述

（一）充水管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲的介紹

充水管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲主要包括兩個(gè)方面，一方面是結(jié)構(gòu)噪聲，另一方面是流體噪聲。充水管路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)噪聲是指在受到動(dòng)力源的不平衡力矩和管內(nèi)介質(zhì)穿越管路彎頭、變徑管系構(gòu)件時(shí)形成的局部擾動(dòng)力的影響下，充水管路及其附件，像是泵、支架等連續(xù)彈性結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)響應(yīng)。當(dāng)充水管路產(chǎn)生響應(yīng)的時(shí)候，就會(huì)通過(guò)管壁振動(dòng)的形式傳播到其他結(jié)構(gòu)中，并且激勵(lì)其它結(jié)構(gòu)產(chǎn)生聲輻射。充水管路系統(tǒng)的流體噪聲是指離心泵和閥門(mén)所引發(fā)的噪聲，也就是充水管路內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定使產(chǎn)生的噪聲。

充水管路內(nèi)流體的不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)還會(huì)引發(fā)脈沖壓力，而這些脈沖壓力會(huì)直接作用于管道的應(yīng)力脈動(dòng)和機(jī)械振動(dòng)。當(dāng)管道的應(yīng)力脈動(dòng)頻率與充水管路系統(tǒng)的固有頻率接近的時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生諧振的現(xiàn)象。在諧振狀態(tài)下的壓力脈沖是非諧振狀態(tài)下的幾倍甚至幾十倍，這種過(guò)高的壓力脈沖會(huì)給充水管路系統(tǒng)的正常運(yùn)行造成嚴(yán)重的影響，還會(huì)降低充水管路系統(tǒng)元件的工作質(zhì)量，無(wú)法為系統(tǒng)參數(shù)測(cè)試的準(zhǔn)確性提供基本保障，甚至還會(huì)引發(fā)結(jié)構(gòu)振動(dòng)與管口輻射噪聲，給充水管路系統(tǒng)的正常運(yùn)行帶來(lái)很大的危害。

（二）造成充水管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲的原因

1.泵噪聲

充水管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲中的泵噪聲可以分為兩種，一種是水力噪聲，另一種是機(jī)械噪聲。根據(jù)實(shí)踐分析可知，水力噪聲一般都比機(jī)械噪聲要大。水力噪聲可以分為壓力脈沖噪聲和汽蝕噪聲。泵在工作的過(guò)程中具有周期性的基本特征，可以看成是在泵的平均流量上疊加有高頻的脈動(dòng)流量，而這種高頻的脈沖流量會(huì)在充水管路中引起一定程度的壓力脈動(dòng)，從而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)振動(dòng)和噪聲輻射。一般情況下，泵在超過(guò)允許吸入真空度的狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，就會(huì)發(fā)生汽蝕現(xiàn)象。處于汽蝕狀態(tài)下的泵葉輪葉片的入口處壓力最低，當(dāng)泵內(nèi)的壓力比該溫度下的汽化壓力還要低的時(shí)候，就會(huì)發(fā)生流體汽化的情況，并且在汽化狀態(tài)的影響下向高壓區(qū)流動(dòng)，在高壓區(qū)凝結(jié)，從而產(chǎn)生汽蝕噪聲。充水管路系統(tǒng)泵噪聲中的機(jī)械噪聲主要是由于泵內(nèi)壓力的不平衡運(yùn)動(dòng)造成的。當(dāng)泵內(nèi)的壓力處于不平衡狀態(tài)的時(shí)候，部件間的沖撞力和摩擦力就會(huì)增大，從而引發(fā)結(jié)構(gòu)振動(dòng)和聲輻射。

2.閥噪聲

在充水管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲中，閥噪聲與泵噪聲占據(jù)著同樣的地位，主要以高頻寬帶噪聲的形式表現(xiàn)出來(lái)。當(dāng)充水管路系統(tǒng)的閥體內(nèi)壓力發(fā)生變化和流體對(duì)某些部件產(chǎn)生沖擊的時(shí)候，就會(huì)發(fā)生管道振動(dòng)的情況，從而引發(fā)噪音。當(dāng)閥門(mén)處于節(jié)流狀態(tài)的時(shí)候，流體在斷面處的流速逐漸增加，閥門(mén)下游產(chǎn)生的噪聲就越大，主要以高頻寬帶噪聲的形式表現(xiàn)出來(lái)。這時(shí)候如果充水管路內(nèi)的壓力忽然下降，指導(dǎo)閥門(mén)壓力比流體飽和壓力更低的時(shí)候，該位置就會(huì)產(chǎn)生氣泡，并且氣泡還會(huì)隨著流體的運(yùn)動(dòng)方向繼續(xù)前進(jìn)。當(dāng)氣泡流動(dòng)到一定位置的時(shí)候，就會(huì)受到壓力的影響而破裂，從而產(chǎn)生壓力脈沖引發(fā)的噪聲。

（三）充水管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲的控制

為了能夠確保充水管路系統(tǒng)的正常運(yùn)行，充分發(fā)揮出系統(tǒng)在船舶領(lǐng)域中的重要作用，就必須對(duì)充水管路系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲進(jìn)行合理的控制。一般情況下，我們會(huì)從兩個(gè)方面對(duì)充水管路系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲進(jìn)行控制。一是進(jìn)行低噪聲水泵的設(shè)計(jì)以及選擇合適的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、閥門(mén)；二是選擇行之有效的措施對(duì)噪聲的傳播途徑進(jìn)行控制。首先，我們可以通過(guò)在充水管路與基礎(chǔ)之間安裝阻尼器來(lái)對(duì)充水管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲進(jìn)行控制，對(duì)管道振動(dòng)的現(xiàn)象進(jìn)行有效的抑制，降低流體脈沖壓力的幅值，限制其增長(zhǎng)速度。其次，我們可以通過(guò)在充水管道中安裝消聲彎頭和水消聲器來(lái)對(duì)充水管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲進(jìn)行控制，能夠有效避免充水管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲以高頻寬帶的形式表現(xiàn)出來(lái)，最大限度的對(duì)充水管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲進(jìn)行吸收。

二、統(tǒng)計(jì)能量分析法在充水管路系統(tǒng)中的應(yīng)用

（一）統(tǒng)計(jì)能量分析法的基本介紹

統(tǒng)計(jì)能量分析法起源于上個(gè)世紀(jì)60年代，在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用非常廣泛，能夠?qū)?fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中高頻動(dòng)力學(xué)環(huán)境進(jìn)行分析的有效手段。隨著時(shí)代的不斷進(jìn)步，統(tǒng)計(jì)能量分析法也被應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中，像是在汽車(chē)領(lǐng)域、航空領(lǐng)域、潛艇領(lǐng)域中都能夠看到統(tǒng)計(jì)能量分析法發(fā)揮著重要的作用，對(duì)聲學(xué)和振動(dòng)進(jìn)行完善的預(yù)測(cè)與分析，尤其是能夠?qū)Τ渌苈废到y(tǒng)振動(dòng)噪聲進(jìn)行合理的控制與優(yōu)化。統(tǒng)計(jì)能量分析法是應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)中的重要組成部分，一般可以從兩個(gè)方面進(jìn)行分析。從“能量”的角度來(lái)看，“能量”是對(duì)各種動(dòng)力學(xué)子系統(tǒng)狀態(tài)的描述，能夠利用功率流平衡方程對(duì)耦合子系統(tǒng)之間的相互作用進(jìn)行描述。在統(tǒng)計(jì)能量分析法中，“能量”作為獨(dú)立的動(dòng)力學(xué)變量能夠?qū)腆w結(jié)構(gòu)和流體聲場(chǎng)之間的耦合問(wèn)題進(jìn)行統(tǒng)一處理，加強(qiáng)了傳統(tǒng)機(jī)械振動(dòng)與聲學(xué)之間的密切聯(lián)系。從“分析”的角度來(lái)看，“分析”對(duì)能量分析模型參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，常見(jiàn)的能量分析模型參數(shù)有：模態(tài)密度、耦合損耗因子、內(nèi)耗散因子及輸入功率等。

（二）統(tǒng)計(jì)能量分析法對(duì)充水管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲的預(yù)測(cè)

噪聲與振動(dòng)始終是兩個(gè)密切聯(lián)系的物理量，在實(shí)際分析過(guò)程中，噪聲始終伴隨著振動(dòng)。同時(shí)，對(duì)于噪聲的研究也是建立在振動(dòng)研究的基礎(chǔ)之上。在充水管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲的研究當(dāng)中，影響噪聲的因素要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于影響振動(dòng)的因素，給充水管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲的預(yù)測(cè)增加了很大的難度。目前，我們針對(duì)充水管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲預(yù)測(cè)的方式有三種，分別是相似結(jié)構(gòu)外推法、傳統(tǒng)的模態(tài)分析法和統(tǒng)計(jì)能量分析法。其中相似結(jié)構(gòu)外推法又包括頻率響應(yīng)法和比例法等；傳統(tǒng)的模態(tài)分析法又包括有限單元法和邊界元法等。

相似結(jié)構(gòu)外推法在進(jìn)行充水管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲預(yù)測(cè)的時(shí)候，能夠快速的為預(yù)測(cè)過(guò)程提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)，但是對(duì)于相似參數(shù)和質(zhì)量載荷影響的處理卻比較隨意，無(wú)法為預(yù)測(cè)結(jié)果的轉(zhuǎn)確性提供基本保障，一般都存在比較大的誤差。傳統(tǒng)的模態(tài)方法在進(jìn)行充水管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲預(yù)測(cè)的時(shí)候，會(huì)受到有限數(shù)量的低階模態(tài)的局限，其分析誤差也會(huì)隨著頻率的增加而逐漸擴(kuò)大，給充水管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲的預(yù)測(cè)增加了很大的難度。統(tǒng)計(jì)能量分析法在進(jìn)行充水管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲預(yù)測(cè)的時(shí)候，要比相似結(jié)構(gòu)外推法和傳統(tǒng)的模態(tài)方法的準(zhǔn)確性和可靠性都要高出很多，并不需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的描述就能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)測(cè)的效果，而且在高頻、高模態(tài)密度的復(fù)雜系統(tǒng)的耦合動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的分析方面也比前兩種方式要占據(jù)一定的優(yōu)勢(shì)。但是，統(tǒng)計(jì)能量法在使用過(guò)程中也會(huì)存在一定的局限性，比如說(shuō)需要滿足保守和弱耦合兩個(gè)假定的條件等。

結(jié)論

綜上分析可知，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷完善，對(duì)充水管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲的研究方法也更加的完善，本文主要針對(duì)統(tǒng)計(jì)能量分析的方法進(jìn)行分析，簡(jiǎn)單介紹了統(tǒng)計(jì)能量分析法是如何對(duì)充水管路系統(tǒng)中的振動(dòng)噪聲進(jìn)行控制與優(yōu)化的，最大限度的實(shí)現(xiàn)了我國(guó)船舶領(lǐng)域“減振降噪”的基本目標(biāo)，為船員的身體健康提供了安全保障。同時(shí)，使用統(tǒng)計(jì)能量法對(duì)充水管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲進(jìn)行控制還能夠提高船舶在運(yùn)行中的穩(wěn)定性，給船員提供了一個(gè)良好的工作環(huán)境。

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