深海液壓動力單元振動噪聲跨介質(zhì)傳播建模

李天昊, 崔 巖, 楊奕婷, 劉銀水

(華中科技大學(xué) 機械科學(xué)與工程學(xué)院, 湖北 武漢 430074)

引言

同電氣、機械等傳動方式相比,液壓傳動具有承載能力高、功率重量比大、動力源集中化等優(yōu)勢[1-2],因此液壓動力單元(HPU, Hydraulic Power Unit)常被用于各種深海裝備中。隨著各國對深海領(lǐng)域的競爭進入白熱化,深潛器等深海軍事設(shè)備越來越重視其聲隱身性,而在深潛器推進器不工作時,液壓系統(tǒng)的噪聲是裝備噪聲最主要的來源[3]。研究液壓動力單元振動噪聲跨介質(zhì)的過程對于提升我國深海軍事設(shè)備隱身性具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者對液壓動力單元的元件噪聲做了很多研究。程效銳等[4]通過CFD仿真,研究了葉片出口斜率對離心泵噪聲的影響。強彥等[5]探究了流量、轉(zhuǎn)速對外嚙合齒輪泵噪聲的影響,其進行流場計算和模態(tài)計算,結(jié)合實驗分析,結(jié)果表明其運轉(zhuǎn)的基頻及其倍頻為流致噪聲的主要頻率。BABIKIR H A等[6]采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法預(yù)測了斜盤柱塞泵的噪聲。

除了關(guān)注動力源的噪聲,關(guān)注管路、閥門噪聲的相關(guān)研究也很豐富。ARIYADI H M等[7]研究了燃料電池充氣閥門開度對噪聲的影響,對狹窄流道進行了仿真。HAN H S等[8]對冰箱蒸發(fā)器的入口管道進行了實驗分析,在管路使用了透明的材料,以觀察內(nèi)部流動和相變狀態(tài)。

國內(nèi)外的相關(guān)研究主要著眼于某個具體元件的噪聲,關(guān)于系統(tǒng)級的噪聲研究較少。目前FIEBIG W等[9-10]對系統(tǒng)級噪聲有著較為深入的研究,其通過麥克風(fēng)陣列測量了整個液壓動力單元系統(tǒng)在液壓泵激勵下的噪聲輻射狀態(tài),并總結(jié)了整個系統(tǒng)中振動噪聲傳遞的途徑。該實驗是在地面環(huán)境進行的,而有關(guān)深海環(huán)境下的液壓動力單元噪聲的相關(guān)研究較少。海深對于噪聲傳播有著不可忽略的影響,因為在深海下高壓會導(dǎo)致傳播聲介質(zhì)的性質(zhì)發(fā)生很大的改變[11-12]。

本研究從簡化液壓動力單元幾何模型入手,構(gòu)建其在深海高壓環(huán)境下聲振跨介質(zhì)傳播的物理模型,通過聲傳播分析,包括近場聲壓級的分析和遠場聲壓級指向性分析,探究聲源位置、海深對液壓動力單元振動噪聲傳播的影響。

1 有限元模型

1.1 物理模型

本研究關(guān)注的液壓動力單元幾何模型如圖1a所示,從上至下看,該單元由頂部泵側(cè)殼體蓋、泵側(cè)殼體、殼體內(nèi)部的靜音泵、泵和電機的連接法蘭、電機、電機側(cè)殼體和底部電機側(cè)殼體蓋組成。在仿真中采用的簡化模型如圖1b所示,其殼體還原了真實的液壓動力單元的尺寸,內(nèi)部的電機-泵組合體則簡化為圓柱體。

圖1 液壓動力單元Fig.1 Hydraulic power unit

由于電機-泵組合體形狀近似于圓柱體,且在聲學(xué)仿真中作為激振源存在,其對于噪聲和振動跨介質(zhì)傳播的影響遠小于外側(cè)的殼體,根據(jù)QU Yegao等[3]的研究,當(dāng)關(guān)注點在于外側(cè)殼體對噪聲振動的傳播時,對幾何模型的這種簡化是合理的。

1.2 邊界條件

本研究中,液壓動力單元的固體結(jié)構(gòu)采用316L不銹鋼材料,殼體內(nèi)為液壓油,殼體外部為海水。殼體內(nèi)的電機-泵組合體作為激振源,對其設(shè)置周期性的體積力。水的黏度很低,可以忽略黏性耗散[13],采用常規(guī)的聲學(xué)模型;而液壓油黏度非常高,且隨海深發(fā)生顯著變化,因此對液壓油域設(shè)置熱黏性聲學(xué)模型。在每個固液交界處設(shè)置流固耦合模型,計算域半球形邊緣設(shè)置為無反射條件。液壓動力單元底部所在平面一般為艇身壁面,由于壁面的尺寸遠大于液壓動力單元,且特性阻抗遠高于海水和液壓油,故在仿真中將壁面設(shè)置為無限大的硬聲場邊界,如圖2所示。

在仿真中設(shè)置了海水深度和電機-泵組合體與外殼的偏心量2個變量,以研究噪聲傳播與這2個參數(shù)的關(guān)系。海水深度設(shè)置了0, 1000, 2000, 3000 m 4個數(shù)值,環(huán)境壓強隨之而變,由于補償器的存在,殼體內(nèi)外壓強相等;偏心量設(shè)置為0(即同心),20, 40, 60, 80 mm。圖3為偏心量的示意圖。

圖3 電機-泵組合體與殼體的偏心量Fig.3 Offset between motor-pump assembly and shell

對于本研究,海深的變化最主要會影響壓強,壓強的變化會影響到一些與聲傳播相關(guān)的物理性質(zhì),其中包括介質(zhì)的密度、黏度和聲速。海水和液壓油的密度-壓強-溫度的數(shù)據(jù)分別來自于ROMEO R等[14]和GRZYBOWSKI A等[11]的相關(guān)研究,通過密度和壓強的函數(shù)關(guān)系可以求得聲速[15],海水聲速vs和液壓油聲速vo數(shù)據(jù)如圖4a所示。此外,液壓油的動力黏度μ數(shù)據(jù)見圖4b(溫度固定為25 ℃)。

圖4 海深對聲傳播的影響Fig.4 Influence of sea depth on sound propagation

2 結(jié)果與討論

2.1 海深對噪聲振動傳播的影響

為探究在相同工況下,海深對噪聲振動傳播的影響,以液壓動力單元中的電機-泵組合體相對殼體偏心量為0時為例,進行了近場聲壓級和遠場聲傳播指向性進行了分析。圖5a、圖5b、圖5c、圖5d分別對應(yīng)0, 1000, 2000, 3000 m海深下的近場聲壓級云圖。由于固體既可傳播橫波也可傳播縱波,一般不采用聲壓級描述固體結(jié)構(gòu)的振動,故圖中固體部分為白色。

圖5 液壓動力單元在0～3000 m海深下近場聲壓級Fig.5 Near field sound pressure level contour of hydraulic power unit at depth of 0～3000 m

從結(jié)果可知,隨著海深的增加,液壓動力單元的近場聲壓級最大值和最小值都發(fā)生了降低,可見雖然海深增加會導(dǎo)致密度和聲速的上升,這是有利于聲能量的傳播的,但是又因為液壓油的黏性耗散大大增加,根據(jù)計算結(jié)果,由淺至深的黏性耗散最大值分別為4.5×10-9,5.39×10-9,6.36×10-9,7.51×10-9W/m3,這導(dǎo)致了總體上輻射出的聲能量的降低。黏性耗散的最大值均出現(xiàn)在電機-泵組合體的圓柱體邊緣處,在圓柱體發(fā)生振動時,其表面附近的流體流速最快處正是在這種邊緣處,這與流體力學(xué)理論相符。此外,在所有海深下,最大聲壓都出現(xiàn)于液壓動力單元殼體外部,最小聲壓出現(xiàn)在殼體內(nèi)部。

遠場聲傳播指向性的含義是:在選定的截面上,在距離指定中心固定的距離上,不同方向具有不同的聲壓級,這樣的特性即為遠場指向性。遠場指向性反映了一個噪聲源的聲能量輻射的集中程度,對于有些場合,具有強的指向性意味著可以在能量有限時將聲信號傳播至更遠,但是反之也會更容易被探測到。對于本研究,傳播距離取100 m,以液壓動力單元底面圓心為中心,取2個截面進行研究,這2個截面分別如圖6a、圖6b所示,記為底面和側(cè)面。遠場指向性圖中的極軸(即0°方向)對應(yīng)于圖6中的箭頭,且該軸與電機-泵組合體的偏心方向一致。

其中底面與液壓動力單元的底面重合,側(cè)面會通過殼體和電機-泵組合體兩者的軸線。對于本小節(jié),因為電機-泵組合體是居中的,幾何模型是對稱的,故底面不存在指向性,由淺至深,底面遠場聲壓級分別為40.91, 40.67, 40.44, 40.21 dB,隨著海深的增加而降低,這與近場聲壓級的分析相吻合。側(cè)面指向性圖如圖7所示。

圖7 不同海深下側(cè)面遠場聲壓級指向性Fig.7 Lateral far field directivity of sound pressure level at different sea depth

從指向性圖可以看出,遠場聲壓級的指向性與近場聲壓級云圖的聲壓強弱分布有很高的相似性。在0°～60°(120°～180°)之間在不同海深下聲壓級相差極小。在這一區(qū)間,根據(jù)導(dǎo)出數(shù)據(jù),隨著深度的增加,聲壓級有一定的降低,相比于0海深,該區(qū)間的平均聲壓級分別下降了0.4%,0.9%,1.3%。隨著海深的增加,最大聲壓級也有所降低,由淺至深分別為44.42,44.35,44.28,44.22 dB,這與近場聲壓級的結(jié)果相符。

在液壓動力單元頂部區(qū)域即60°～120°的區(qū)間,海深對遠場聲壓級產(chǎn)生了顯著影響,且深度越深,外部聲壓級反而越大,這可能是由于聲速改變導(dǎo)致的聲波干涉的變化,也與液壓動力單元殼體的模態(tài)有關(guān)。從能量守恒的角度分析,雖然在更大的海深下聲能量在液壓油當(dāng)中發(fā)生了更多的衰減,但是總體上聲能量更加集中地從殼體頂部的圓周輻射至外部,導(dǎo)致了在更深的海深下頂部遠場聲壓級更高。

2.2 電機-泵組合體位置對噪聲振動傳播的影響

固定海深為3000 m,在激振源即電機-泵組合體放置在不同的位置時,聲傳播的近場聲壓級云圖如圖8a～圖8e所示,其分別代表了偏心量為0, 20, 40, 60, 80 mm時的云圖。

圖8 電機-泵組合體與殼體在不同偏心量下的聲壓級云圖Fig.8 Sound pressure level contour of hydraulic power unit with different offset between motor-pump assembly and shell

隨著偏心量的改變,可以預(yù)見聲壓級云圖將不再對稱。在偏心量為0時,振動噪聲主要從上方的泵側(cè)殼體蓋和殼體傳出,而當(dāng)偏心量增大后,振動從更多的方向輻射出去。不過偏心量為60 mm時是一個特例,從聲壓級云圖的分布上來看,其噪聲輻射的特點與偏心量為0的時候很相似,都在殼體外部左右兩側(cè)有較為明顯的聲影區(qū),在上側(cè)殼體內(nèi)部也有一道非常明顯的聲影區(qū),而且相比較其他偏心量的聲壓級云圖,60 mm 偏心量的云圖較為對稱。正是因為60 mm的偏心量設(shè)置與0偏心量有著相似的聲振傳播形式,60 mm 時的最大聲壓級也與0偏心量接近,甚至最小聲壓級遠低于0偏心量的設(shè)置。

與上一小節(jié)偏心量為0時研究海深對聲振傳播的影響相比,本小節(jié)改變了偏心量,幾何結(jié)構(gòu)失去了原本的對稱性,故除了側(cè)面會存在指向性,底面也會存在指向性。圖9為不同偏心量設(shè)置下的遠場聲壓級指向性圖,其中圖9a代表截面為底面,圖9b代表截面為側(cè)面。

從圖9a可看出,當(dāng)激振源偏置后,指向性呈現(xiàn)出“四葉草”的形狀,只有偏心量為60 mm時是一個例外,呈現(xiàn)出腰部輕微內(nèi)收的“操場形”,和無偏心量時的遠場特性比較接近,這也與圖8近場聲壓級云圖的結(jié)果相吻合。有偏心量時,在90°和270°方向聲壓級均大于無偏心量時,且對于40, 60, 80 mm這3種偏心量設(shè)置,該位置為遠場聲壓的極大值,對于20 mm偏心量則為次極大值;而在0°方向,除了60 mm偏心量設(shè)置,其他幾種設(shè)置的聲壓級均大于無偏心量?？梢姵似牧繛?0 mm,雖然有偏心量時在某些特定角度存在聲影區(qū),聲壓級明顯低于無偏心量,但是在其極大值和次級大值區(qū)間卻遠大于無偏心量的聲壓級,總體上會更容易被探測到。而偏心量為60 mm時,在絕大部分方向聲壓級低于無偏心量的設(shè)置,其最高聲壓級也沒有明顯高于無偏心量的設(shè)置,所以通過其他設(shè)計合理避免聲壓級極大值暴露在外,60 mm偏心量是一個有利于減振降噪和聲隱身的設(shè)計。

從圖9b側(cè)面指向性可看出,20 mm和80 mm偏心量遠場聲壓級極大值出現(xiàn)在了0°方向,其他設(shè)置下則出現(xiàn)在液壓動力單元殼體頂部的邊緣附近的方向(45°左右)。激振源偏置后殼體頂部邊緣方向遠場聲壓級均高于無偏心量,且除了60 mm的設(shè)定,在0°方向也高于無偏心量的聲壓級。60 mm的遠場指向性圖形狀與無偏心量很相似, 相比于無偏心量, 其在0°至15°的聲能量更多地從殼體上部輻射出去了。

3 結(jié)論

通過有限元計算,分析了深海液壓動力單元在不同海深下和電機-泵組合體在不同位置下對振動噪聲傳播的影響。仿真結(jié)果表明,隨著海深增加,介質(zhì)密度變大聲速變快等有利于聲傳播因素的影響小于黏度變大造成黏性耗散的影響,在更大的海深下,液壓動力單元的近遠場噪聲聲壓級均有降低。電機-泵組合體的位置對聲傳播影響是非常明顯的,偏置其位置總體上不利于減振降噪,僅有偏心量為60 mm時,聲壓級在大部分方向顯著降低,在少部分方向少量升高。對激振源采用合適的偏心量,在合理配合其他結(jié)構(gòu)設(shè)計時,使得噪聲傳播的聲影區(qū)暴露在外,可以達到減振降噪的目的。