艦船縱傾均衡移水過(guò)程瞬態(tài)噪聲控制試驗(yàn)研究

王新海，伍來(lái)智，魏興喬，金 榮，黃 政

(1. 海軍駐四三一廠軍事代表室，遼寧 大連 116000；2. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七〇七研究所九江分部，江西 九江 332007)

艦船縱傾均衡移水過(guò)程瞬態(tài)噪聲控制試驗(yàn)研究

王新海1，伍來(lái)智2，魏興喬2，金 榮2，黃 政2

(1. 海軍駐四三一廠軍事代表室，遼寧 大連 116000；2. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七〇七研究所九江分部，江西 九江 332007)

本文模擬建立了艦船縱傾均衡移水試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)不同移水壓力、電液球閥啟閉時(shí)間、管路固定方式等條件下移水過(guò)程中的瞬態(tài)噪聲進(jìn)行研究。結(jié)果表明：縱傾移水過(guò)程的瞬態(tài)噪聲值呈曲線波動(dòng)狀態(tài)，最大振動(dòng)加速度級(jí)和最大空氣噪聲值均發(fā)生在電液球閥關(guān)閉過(guò)程中，隨著移水壓力的增加，最大噪聲值逐漸增大；電液球閥快速關(guān)閉時(shí)，移水管路存在明顯的水錘現(xiàn)象，延長(zhǎng)電液球閥的關(guān)閉時(shí)間，可以有效抑止系統(tǒng)水錘的沖擊，降低移水過(guò)程中最大瞬態(tài)噪聲值；移水管路采用彈性支撐方式，可有效降低移水管路的振動(dòng)噪聲。

艦船縱傾均衡；移水系統(tǒng)；振動(dòng)與噪聲控制；聲隱身

0 引 言

在艦船上，縱傾均衡系統(tǒng)主要用于調(diào)節(jié)船體首尾的縱傾角度，以保持艦船姿態(tài)總體的平衡。縱傾均衡系統(tǒng)是采用水艙之間的移水實(shí)現(xiàn)縱傾調(diào)節(jié)，其移水一般采用氣壓方式，即通過(guò)對(duì)一端水艙加氣產(chǎn)生壓差、并控制系統(tǒng)中電液球閥的通斷，使水艙內(nèi)的水被輸送至系統(tǒng)的另一端水艙。由于移水過(guò)程中管路存在一定的能量流，其在傳輸過(guò)程中會(huì)沿管路產(chǎn)生機(jī)械噪聲；同時(shí)電液球閥在開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程中，容易產(chǎn)生水錘沖擊現(xiàn)象，造成移水管路產(chǎn)生較大振動(dòng)和噪聲，使艦船的隱蔽性遭受極大威脅[1-5]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在縱傾移水管路的減振降噪方面進(jìn)行了大量研究。A.R.Lorasbi[6]通過(guò)特征法分析管路的水錘特性，得出關(guān)閥速度越快，水錘作用越明顯的結(jié)論；蔡標(biāo)華[7]通過(guò)仿真試驗(yàn)的方法研究了艦船首尾移水系統(tǒng)的水錘特性，得出離閥門(mén)越近的地方水錘的幅度越大，延長(zhǎng)關(guān)閉時(shí)間可以有效抑制移水系統(tǒng)水錘的沖擊壓力；彭利坤等[8]通過(guò)數(shù)學(xué)建模的方法研究了縱傾均衡水艙加氣調(diào)水時(shí)管路沖擊特性，得出調(diào)水過(guò)程中以快開(kāi)慢關(guān)的方式啟閉電液球閥，從而減少管路沖擊的結(jié)論；蔡標(biāo)華等[9]開(kāi)展了艦船系統(tǒng)管路彈性減振設(shè)計(jì)與試驗(yàn)工作，得出了采用彈性減振器能有效減少管路振動(dòng)噪聲傳遞的結(jié)論。

本文在試驗(yàn)室中建立模擬艦船縱傾均衡移水管路系統(tǒng)，開(kāi)展各影響因素（不同移水壓力、電液球閥啟閉時(shí)間、管路固定方式）下，縱傾移水瞬態(tài)噪聲分布規(guī)律的試驗(yàn)研究工作，并提出縱傾移水減振降噪的有效措施，對(duì)艦船聲隱身設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)方法

模擬艦船縱傾平衡移水系統(tǒng)試驗(yàn)原理如圖 1 所示，主要由空壓機(jī)、水艙、手動(dòng)球閥、管路、電液球閥等組成，水艙容積為 5 m3，系統(tǒng)管路通徑為 65 mm，移水管路總長(zhǎng)約 50 m，管路支撐分別采用剛性及彈性支撐 2 種固定方式（見(jiàn)圖 2），通過(guò)空壓機(jī)向水艙 1加入氣壓后，控制電液球閥啟閉可使水移至水艙 2，實(shí)現(xiàn)模擬縱傾移水過(guò)程。系統(tǒng)管路節(jié)點(diǎn)A、B處各布置 1 個(gè) 0～2.5 MPa 量程的壓力傳感器采集電液球閥前、后兩端壓力值，采用頻率 2 kHz 輸出信號(hào) 4～20 mA；系統(tǒng)管路支撐基座C處布置了 3 個(gè)振動(dòng)加速度傳感器，分別采集移水過(guò)程中X方向（管路水流方向）、Y向（管路橫向方向）、Z方向（管路縱向方向）的振動(dòng)加速度級(jí)值，振動(dòng)加速度基準(zhǔn)值為 10-6m/s2；在距離電液球閥出口中心線水平面下游 1 m 并距管壁 1 m處布置了傳聲器測(cè)量移水過(guò)程中的空氣噪聲值，空氣噪聲基準(zhǔn)值為 2 × 10-5Pa，并對(duì)其進(jìn)行A計(jì)權(quán)計(jì)算。

模擬艦船縱傾移水的試驗(yàn)過(guò)程主要包括：水艙 1充壓→遠(yuǎn)程控制開(kāi)啟電液球閥→穩(wěn)定運(yùn)行移水→遠(yuǎn)程控制關(guān)閉電液球閥 4 個(gè)過(guò)程?？v傾移水過(guò)程的瞬態(tài)噪聲研究工況如表 1所示。

表1 縱傾移水過(guò)程瞬態(tài)噪聲試驗(yàn)研究工況表Tab. 1 Transient noise test condition for trim balance moving water

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 移水壓力

圖3 所示為移水管路采用剛性固定，電液球閥啟閉時(shí)間為 5 s，移水壓力分別為 0.25 MPa、0.5 MPa 時(shí)縱傾移水過(guò)程的振動(dòng)噪聲和空氣噪聲采集曲線。由圖可知：當(dāng)電液球閥開(kāi)啟時(shí)，C測(cè)點(diǎn)處 3 個(gè)方向的振動(dòng)加速度級(jí)值和D測(cè)點(diǎn)處空氣噪聲值均迅速增加的一定波峰值；當(dāng)電液球閥完全開(kāi)啟保持穩(wěn)定移水時(shí)，各測(cè)點(diǎn)處的噪聲峰值又逐漸下降并保持在一穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)電液球閥關(guān)閉時(shí)，各測(cè)點(diǎn)處的噪聲值又迅速增加并達(dá)到其過(guò)程中最大峰值；當(dāng)電液球閥完全關(guān)閉后，又在逐漸下降到初始的最低值?？v傾移水過(guò)程中瞬態(tài)噪聲的最大值均是電液球閥關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生。相對(duì)于 0.25 MPa移水壓力下而言，0.5 MPa 移水壓力下C測(cè)點(diǎn) 3 個(gè)方向的最大振動(dòng)加速度級(jí)值增加了 8～10 dB，D測(cè)點(diǎn)處最大空氣噪聲值增加了 9 dB（A）。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著移水壓力值的增加，移水過(guò)程中的最大振動(dòng)加速度級(jí)值和最大空氣噪聲值均隨著增加。

2.2 電液球閥啟閉時(shí)間

圖4 所示為移水管路采用剛性固定，移水壓力為0.4 MPa，電液球閥啟閉時(shí)間分別為 1 s，5 s 時(shí)縱傾移水過(guò)程的振動(dòng)噪聲和空氣噪聲采集曲線。由圖可知：電液球閥由 2 個(gè)時(shí)間下開(kāi)啟至穩(wěn)定移水過(guò)程中的噪聲整體變化趨勢(shì)保持一致，過(guò)程中最大振動(dòng)加速度級(jí)幅值和最大空氣噪聲幅值基本相同；而當(dāng)電液球閥由 2個(gè)時(shí)間下關(guān)閉時(shí)，其噪聲采集曲線具有明顯差異，5 s時(shí)間關(guān)閉時(shí)，測(cè)點(diǎn)處的噪聲值迅速增加到最大峰值而后逐漸下降到初始的最低值，而 1 s 時(shí)間關(guān)閉時(shí)，測(cè)點(diǎn)處的噪聲值迅速增加到最大峰值后并非迅速下降到低值，而是均出現(xiàn)了 3 次振蕩后再逐漸下降到低值，1 s時(shí)長(zhǎng)關(guān)閉球閥下的C測(cè)點(diǎn) 3 個(gè)方向的最大振動(dòng)加速度相對(duì)于 5 s 時(shí)長(zhǎng)關(guān)閉球閥，增加了 8～10 dB，D測(cè)點(diǎn)最大空氣噪聲值增加了 7 dB（A）。其原因?yàn)椋嚎焖訇P(guān)閉電液球閥時(shí)，移水管路中水流速急速變化引起管路的壓力產(chǎn)生劇烈變化，從而產(chǎn)生水錘現(xiàn)象，導(dǎo)致移水瞬態(tài)噪聲增加。

圖5 所示為移水管路采用剛性固定，移水壓力為0.4 MPa，電液球閥啟閉時(shí)間分別為 1 s、5 s 時(shí)縱傾移水過(guò)程電液球閥前后A、B測(cè)點(diǎn)壓力變化曲線。由圖可知：采用 1 s 時(shí)長(zhǎng)關(guān)閉球閥時(shí)，閥前A測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)可達(dá) 0.53 MPa，而采用 5 s 時(shí)長(zhǎng)關(guān)閉球閥時(shí)，閥前A測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)最大僅為 0.47 MPa，兩時(shí)長(zhǎng)下振蕩次數(shù)均為 1 次。采用 1 s 時(shí)長(zhǎng)關(guān)閉球閥時(shí)，閥后B測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)最大可達(dá) 0.18 MPa，且振蕩次數(shù)達(dá) 10 次以上，而采用 5 s 時(shí)長(zhǎng)關(guān)閉球閥時(shí)，閥后B測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)趨勢(shì)要平緩許多，最大僅有 0.07 MPa。試驗(yàn)結(jié)果表明：電液球閥開(kāi)啟時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)縱傾移水瞬態(tài)噪聲影響不大；延長(zhǎng)電液球閥關(guān)閉時(shí)間，縱傾均衡移水過(guò)程中的壓力脈動(dòng)值逐漸減弱，能比較有效地抑止水錘效應(yīng)，移水瞬態(tài)噪聲值也隨之減小。

2.3 管路固定方式

圖6 所示為移水壓力為 0.4 MPa，電液球閥啟閉時(shí)間為 4 s，管路分別采用剛性固定和彈性固定時(shí)，縱傾移水過(guò)程的振動(dòng)噪聲和空氣噪聲采集曲線。由圖可見(jiàn)：2 種固定方式下，移水系統(tǒng)噪聲測(cè)點(diǎn)處瞬態(tài)噪聲的整體變化趨勢(shì)保持一致，移水過(guò)程中最大振動(dòng)加速度級(jí)值和最大空氣噪聲均在電液球閥關(guān)閉過(guò)程中產(chǎn)生；采用彈性支撐后，系統(tǒng)振動(dòng)加速度測(cè)點(diǎn)在 3 個(gè)方向的振動(dòng)相對(duì)于剛性固定而言，最大振動(dòng)加速度級(jí)值減少了 20～25 dB；而 2 種支撐方式下，移水過(guò)程中產(chǎn)生的最大空氣噪聲值保持一致。試驗(yàn)結(jié)果表明：采用彈性固定支撐對(duì)縱傾均衡移水管路具有較好的振動(dòng)減振效果，對(duì)移水過(guò)程的空氣噪聲無(wú)降噪效應(yīng)。

3 結(jié) 語(yǔ)

1）艦船縱傾均衡移水過(guò)程中瞬態(tài)噪聲變化呈曲線波動(dòng)狀態(tài)，噪聲峰值均發(fā)生在電液球閥關(guān)閉過(guò)程中，隨著移水壓力的增加，最大振動(dòng)加速度級(jí)值和最大空氣噪聲幅值均隨之增大。根據(jù)實(shí)際條件，建議在滿足移水流量的前提下，盡量降低移水壓力。

2）在艦船縱傾移水過(guò)程中，電液球閥應(yīng)該用較短時(shí)間打開(kāi)，以盡快達(dá)到穩(wěn)定的最大流量，從而能盡快實(shí)現(xiàn)艦船艏艉姿態(tài)調(diào)整；而關(guān)閉時(shí)在保證調(diào)水量準(zhǔn)確度的前提下，應(yīng)盡可能延緩電液球閥關(guān)閉時(shí)間，時(shí)間越長(zhǎng)，電液球閥后端壓力沖擊越平緩，水錘效應(yīng)也就越弱，移水過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲就越小。根據(jù)實(shí)際條件，建議縱傾均衡移水過(guò)程中以快開(kāi)慢關(guān)的方式啟閉電液球閥。

3）艦船縱傾移水管路采用彈性支撐能有效降低移水過(guò)程中的振動(dòng)噪聲，其振動(dòng)幅值可降低 20～25 dB，建議縱傾均衡移水管路采用彈性支撐固定。

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Test study on noise control of the warship trim balance system in the process of moving water

WANG Xin-hai1, WU Lai-zhi2, WEI Xing-qiao2, JIN Rong2, HUANG Zheng2
(1. Military Representative office of the Navy, 431 Factory, Dalian 116000, China; 2. Jiujiang Branch of 707 Institute of CSIC, Jiujiang 332007, China)

The simulation experiment system of warship trim balance moving water was established in this paper. The transient noise in the process of moving water is studied under different of pressure of moving water, the opening and closing time of the electro-hydraulic ball valve and the fixed mode of the pipeline. The results show that the transient noise value in the process of moving water is in a curve wave state. The maximum vibration acceleration and the maximum value of air noise are all occurred in the course of electro-hydraulic ball valve closing. With the increase of pressure of moving water, the maximum noise is gradually increased. When the electro-hydraulic ball valve is closed quickly, there is a clear water hammer in the water transfer pipeline. Prolonging the closing time of the electro-hydraulic ball valve can effectively restrain the impact of water hammer and reduce the maximum noise. The elastic support method can effectively reduce the vibration noise in the process of moving water.

the warship trim balance；moving water system；vibration and noise control；acoustic stealth

U664.84

A

1672 - 7619(2017)04 - 0064 - 05

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2017.04.013

2016 - 10 - 11；

2016 - 11 - 08

江西省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(20144BDH8004)

王新海(1980 - )，男，工程師，主要從事船舶系統(tǒng)技術(shù)研究工作。