周慶云，萬夏琪，郝夏影，沈斌琦（中國船舶科學(xué)研究中心 船 舶振動噪聲重點實驗室，江蘇無錫 2 14082）

水管路消聲器聲阻抗測試技術(shù)研究

周慶云，萬夏琪，郝夏影，沈斌琦
（中國船舶科學(xué)研究中心 船 舶振動噪聲重點實驗室，江蘇無錫 2 14082）

文章簡要介紹了水管路消聲器聲阻抗的測試方法，對兩端不對稱的管路元件—水消聲器的四個聲阻抗參數(shù)進(jìn)行了測試研究。試驗結(jié)果顯示符合聲阻抗變化規(guī)律，驗證了傳遞聲阻抗的互易性。表明管路元件聲阻抗測試方法與試驗裝置可應(yīng)用于消聲器的聲阻抗測試。

管路消聲器；聲阻抗；測試技術(shù)

0 引 言

消聲器、撓性接管等是管路系統(tǒng)中的無源被動元器件，也是管路中主要的噪聲衰減部件，在管路系統(tǒng)的聲學(xué)防護(hù)措施中發(fā)揮著重要作用。管路元件聲阻抗特性參數(shù)是反映其本身動力特性的重要物理量，也是管路系統(tǒng)聲學(xué)設(shè)計計算和元件聲學(xué)效果評估的輸入?yún)?shù)。由于此類型管路元件結(jié)構(gòu)不均勻，其本構(gòu)關(guān)系復(fù)雜，聲阻抗參數(shù)難以通過解析手段獲得，只能通過試驗的途徑測量得到[1]。目前，管路消聲器已逐漸在艦船水管路中得到應(yīng)用。本文針對現(xiàn)在我國艦船上逐漸開始使用的海水管路消聲器，進(jìn)行了兩端結(jié)構(gòu)不對稱的海水消聲器聲阻抗的測試技術(shù)研究，首次測試得到了全面的聲阻抗參數(shù)。

1 聲阻抗測試基本理論

管路元件聲阻抗測量是建立在管內(nèi)介質(zhì)平面波假設(shè)的基礎(chǔ)上的。測試海水消聲器聲阻抗時，消聲器內(nèi)部需要充滿工作介質(zhì)。消聲器等管路柔性元件輸入端和輸出端工作介質(zhì)的聲壓和體積振動速度的關(guān)系為：

式中：Pin，Pout為輸入端和輸出端的聲壓，單位為N·m-2；Qin，Qout為相應(yīng)的體積振動速度，單位為m3·s-1。

Z11，Z22分別為元器件輸入端和輸出端的輸入聲阻抗，Z12，Z21分別為元器件輸出端傳向輸入端和輸入端傳向輸出端的傳遞聲阻抗，其定義[2]如下：

對于線彈性的被測管路元器件，滿足互易原理，故有：

對于兩端對稱的管路元器件，則有：

2 聲阻抗測試方法簡介

根據(jù)聲阻抗的測試原理，將設(shè)計的消聲器聲阻抗的測試裝置以圖1表示。被測消聲器7通過兩個法蘭連接裝置中的前、后測量腔，前、后測量腔分別用剛性支撐6和剛性支撐8固定在阻抗試驗平臺上。后測量腔可放置在支撐8內(nèi)側(cè)或它的外側(cè)，長度盡可能小，后測量腔通過剛性背襯封閉。水聽器4分別放置在前測量腔5和后測量腔9中。在測量聲阻抗時，由測量振動加速度來得到工作介質(zhì)的體積振動速度。在聲阻抗試驗裝置中，激振機(jī)1與裝置的2組成聲激勵，加速度計安裝在激勵端面上。因此，被測柔性元件入口處液體的體積振動速度，可以由聲激勵端的軸向振動速度與聲激勵端截面積的乘積來確定。

圖1 管路元件聲阻抗試驗裝置簡圖Fig.1 The test equipment of the acoustic impedance of pipe element

根據(jù)聲阻抗定義，通過前測量腔布置一個加速度計A1和水聽器P1以及后測量腔布置一個水聽器P2測量處理得到被測試件的聲阻抗。當(dāng)測量裝置滿足聲阻抗測試的邊界條件時，其聲阻抗的數(shù)學(xué)模型如下[3]：

式中：

ρc—水介質(zhì)的特征阻抗率，其中ρ為水密度，c為水中實際聲速；

la—加速度計到被測元件前表面的距離；

li—前測量腔水聽器到被測元件前表面的距離；

la-li—前測量腔加速度計和水聽器之間的距離；

le-lt—后測量腔的長度；

le-lo—后測量腔水聽器到末端堵塞面的距離；

Qout=0—聲阻抗測試時輸出端邊界振動約束條件。

如果消聲器兩端不對稱，則將消聲器一端（1#）作為輸入端安裝時測量得到輸入聲阻抗Z11和傳遞聲阻抗Z21，然后將消聲器另一端（2#）作為輸入端安裝時測量得到輸入聲阻抗Z22和傳遞聲阻抗Z12。

3 水管路消聲器聲阻抗測試

3.1 聲阻抗測試裝置

水管路消聲器聲阻抗測試裝置包含：阻抗平臺、聲激勵系統(tǒng)、前后剛性支撐、前后測量腔、測試系統(tǒng)、傳感器和輔助裝置等。聲阻抗試驗裝置通過前后支撐剛性固定在阻抗平臺上，測量腔上安裝有剛性支撐，以減小振動對測試結(jié)果的影響。測量腔用來形成平面聲波和放置測量傳感器。根據(jù)管路元件聲阻抗測試原理，經(jīng)過多次測試比較后，采用了圖1所示的安裝方式，使輸出端近似理想邊界狀態(tài)。

本次測試研究的海水消聲器尺寸Φ316×1 000 mm，公稱通徑DN100 mm，最大工作壓力3.3 MPa。消聲器為抗性結(jié)構(gòu)，形狀為穿孔擴(kuò)張式，消聲器兩端結(jié)構(gòu)不對稱。鑒于該消聲器兩端結(jié)構(gòu)不對稱，因此，需要對該水消聲器的聲阻抗測試分正向安裝（1#端為輸入端）和反向安裝（2#端為輸入端）兩種安裝狀態(tài)進(jìn)行，水管路消聲器聲阻抗測試裝置見圖2。

圖2 水管路消聲器正向安裝時的聲阻抗測試裝置圖Fig.2 The test equipment of the acoustic impedance at Silencer in Water Pipe in flow direction installation

3.2 測點布置

為測量得到海水消聲器的聲阻抗，本試驗需要在聲激勵裝置內(nèi)沿聲阻抗裝置的軸向布置加速度計A1、前測量腔內(nèi)的水聽器P1與后測量腔內(nèi)的水聽器P2等的測量信號。各傳感器測量位置見圖1所示。同時還在前測量腔沿軸向的不同位置布置兩個水聽器（見圖2），作為監(jiān)測水聲信號，用于管中平面波信號的監(jiān)測。在測量聲阻抗測試裝置的前支撐、前測量腔、后支撐等處的各截面沿軸向安裝了加速度計，用來監(jiān)測各截面與激勵端之間的振級落差，以保證末端堵塞法測消聲器聲阻抗的有效性。

3.3 聲阻抗測試系統(tǒng)

在聲阻抗測試系統(tǒng)中，聲激勵端的加速度測量采用PCB公司的M352C68 ICP型壓電加速度計。水聽器采用GRAS公司的10CT，水聲信號由B&K 2692AOS4電荷放大器調(diào)理。數(shù)據(jù)采集儀采用B&K 的PULSE 3660。

3.4 聲阻抗測試結(jié)果

測量數(shù)據(jù)經(jīng)過聲阻抗處理公式計算后就能得到聲阻抗。消聲器正向安裝時，得到輸入聲阻抗Z11和輸入端（1#端）向輸出端（2#端）的傳遞聲阻抗Z21。消聲器反向安裝時，得到輸出端的聲阻抗Z22和輸出端（2#端）向輸入端（1#端）的傳遞聲阻抗Z12。

圖3 水消聲器聲阻抗測試結(jié)果（2MPa）Fig.3 The measurement results of the acoustic impedance for Silencer in Water Pipe(2MPa)

圖4 水消聲器聲阻抗測試結(jié)果（3MPa）Fig.4 The measurement results of the acoustic impedance for Silencer in Water Pipe(3MPa)

圖3～4分別顯示了2 MPa和3 MPa壓力下海水消聲器的四個聲阻抗的結(jié)果。從聲阻抗結(jié)果圖中可以看出，由于該消聲器兩端結(jié)構(gòu)不對稱，因此，測試得到的聲阻抗Z11與Z22的頻率特性曲線不相同。說明兩端的聲學(xué)特性不完全相同，因此，在安裝消聲器時應(yīng)注意消聲器在管路系統(tǒng)中的方向。按本文中裝置測試的傳遞聲阻抗Z21與Z12的頻率特性曲線的特征基本一致，驗證了傳遞聲阻抗的互易性。圖中可以看出，傳遞聲阻抗Z21與Z12出現(xiàn)的兩個峰值（反共振點）頻率與兩個端部聲阻抗Z11與Z22的峰值頻率相對應(yīng)。

3 結(jié) 論

本文對兩端不對稱的管路元件聲阻抗進(jìn)行測試研究。根據(jù)改進(jìn)后的聲阻抗試驗裝置試驗結(jié)果，顯示結(jié)果符合聲阻抗變化規(guī)律，驗證了傳遞聲阻抗的互易性，表明管路元件聲阻抗測試方法與本試驗裝置可應(yīng)用于消聲器的聲阻抗測試。

[1]Verhei J J W.Multi-path sound transfer form resiliently mounted shipboard machinery[D].PhD Thesis,TNO Institute of Applied Physics,Delft,1982.

[2]周慶云,劉忠族,王鎖泉,朱 忠.管路元件聲阻抗試驗研究[C].第十一屆船舶水下噪聲學(xué)術(shù)研討會論文集,2007: 166-173,200704. Zhou Qingyun,Liu Zhongzu,Wang Suoquan,Zhu Zhong.The experimental research for acoustic impedance of pipe element[C].The 11th Conference Thesis on Ship Underwater Noise,2007:166-173,200704.

[3]劉忠族,孫玉東,周慶云.管路柔性元件聲阻抗測試方法研究[J].艦船科學(xué)技術(shù),2006,28:125-127. Liu Zhongzu,Sun Yuedong,Zhou Qingyun.The test method research for acoustic impedance of pipe flexible element[J]. Ship Science and Technology,2006,28:125-127.

Research for measurement technique on acoustic impedance of silencer in water pipe

ZHOU Qing-yun,WAN Xia-qi,HAO Xia-ying,SHEN Bin-qi
(China Ship Scientific Research Center,National Key Laboratory on Ship Vibration&Noise,WuXi 214082,China)

The measurement method on acoustic impedance of silencer in water pipe is introduced.Four acoustic impedance parameters of double end asymmetry silencer in water pipe were tested.The measurement results are in conformity with the characterization of the acoustic impedance.And the reciprocity of transfer acoustic impedance is verified.This acoustic impedance test methods and equipments can be applied to measuring silencers.

silencer chamber of pipe;acoustic impedance;measurement technique

TB52+7

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2015.07.015

1007-7294（2015）07-0884-05

2015-04-17

周慶云（1962-），女，高級工程師，E-mail：qingyun_zh@163.com；

萬夏琪（1988-），男，助理工程師。