劉繼明，潘 治，章君強(qiáng)，李新汶

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430205)

0 引 言

水動(dòng)力噪聲是水下航行體的主要噪聲源，而其表面開(kāi)孔及孔腔是產(chǎn)生水動(dòng)力噪聲重要對(duì)象之一，流體在流經(jīng)開(kāi)孔時(shí)會(huì)與孔內(nèi)的流體相互干擾產(chǎn)生流體振蕩，從而誘發(fā)噪聲，并且腔內(nèi)及開(kāi)孔附近的流動(dòng)干擾會(huì)增強(qiáng)孔后的湍流脈動(dòng)壓力，使其激勵(lì)開(kāi)孔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的振動(dòng)輻射噪聲增強(qiáng)。當(dāng)剪切振蕩與空腔聲模態(tài)耦合共振時(shí)，將產(chǎn)生很強(qiáng)的線(xiàn)譜噪聲。

國(guó)外從20世紀(jì)50年代起就開(kāi)始對(duì)空腔流動(dòng)進(jìn)行研究，Rossiter[1]提出空腔振蕩的流聲共振反饋模型，并給出了預(yù)估振蕩頻率的半經(jīng)驗(yàn)公式。國(guó)內(nèi)對(duì)空腔流動(dòng)研究起步相對(duì)較晚，在20世紀(jì)90年代，何祚鏞等[2-6]對(duì)開(kāi)孔流動(dòng)激勵(lì)及空腔流激振蕩發(fā)聲等進(jìn)行了系列實(shí)驗(yàn)及數(shù)值研究，羅柏華等[7]也開(kāi)展了相關(guān)理論及實(shí)驗(yàn)研究。近幾年來(lái)，水下航行體孔腔噪聲日漸突出，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者繼續(xù)投入了大量精力開(kāi)展相關(guān)研究。袁國(guó)清[8]以水下航行器流水孔和腔體結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，采用理論、數(shù)值及實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，對(duì)水下開(kāi)孔腔繞流自持振蕩、直接聲、二次聲、水動(dòng)力共振和水彈性共振發(fā)聲等機(jī)理進(jìn)行了較為詳盡的研究。俞孟薩等[9]歸納梳理了國(guó)內(nèi)外對(duì)腔口剪切振蕩及其與空腔聲場(chǎng)耦合共振和聲輻射機(jī)理及基本特征的研究現(xiàn)狀，概述了空腔及腔口流動(dòng)和聲輻射控制的主要途徑和方法，并提出了流激空腔噪聲研究的主要問(wèn)題。李環(huán)等[10]對(duì)空腔振蕩噪聲計(jì)算方法等進(jìn)行了歸納總結(jié)。高巖等[11]研究了彈性腔對(duì)空腔模態(tài)頻率的影響，并在循環(huán)水槽中開(kāi)展了開(kāi)口振蕩頻率測(cè)試研究。張翰欽等[12]對(duì)水下開(kāi)孔結(jié)構(gòu)流激振蕩特性進(jìn)行了自浮模型試驗(yàn)及數(shù)值分析，并對(duì)Rossiter經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了修正。但這些研究大多集中在單個(gè)開(kāi)孔及空腔的流動(dòng)激勵(lì)及噪聲特性，對(duì)目前水下航行體較為青睞的孔群，其流動(dòng)激勵(lì)及流激噪聲鮮有研究，在工程設(shè)計(jì)中缺乏指導(dǎo)依據(jù)。

本文借助自航模試驗(yàn)平臺(tái)，開(kāi)展了孔群主要參數(shù)如開(kāi)孔形式、尺寸等對(duì)流激噪聲影響的試驗(yàn)研究，獲得了孔群流動(dòng)激勵(lì)特性，對(duì)比分析了孔群開(kāi)孔形式、尺寸等對(duì)流激噪聲的影響程度，可為孔群流動(dòng)激勵(lì)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)說(shuō)明

1.1 試驗(yàn)平臺(tái)

為了研究不同孔群形式對(duì)流激噪聲的影響，借助無(wú)人自航模型，如圖1所示。在其突出腔體側(cè)面通過(guò)換裝不同孔群方案模型，開(kāi)展流激噪聲試驗(yàn)。在自主研發(fā)的控制系統(tǒng)下，該自航模型的速度、姿態(tài)、深度等控制效果良好，可較好滿(mǎn)足開(kāi)孔流激噪聲試驗(yàn)的定速、直航、定深等相關(guān)要求。

圖1 自航模型示意圖Fig. 1 Diagram of the self-navigation model

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了3種孔群試驗(yàn)方案，如圖2所示。方案1為長(zhǎng)圓孔孔群，單個(gè)長(zhǎng)圓孔尺寸為100 mm（寬）×200 mm（長(zhǎng)），總共8個(gè)，按照4列分布；方案2為圓孔孔群，單個(gè)圓孔直徑為120 mm，總共14個(gè)，按照4列分布；方案3相對(duì)方案2，單個(gè)圓孔直徑減小為60 mm，總共51個(gè)，按照10列分布。方案1～方案3的開(kāi)孔總面積、開(kāi)孔板厚、模型材料等均一致，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，研究孔群的單個(gè)開(kāi)孔形式、尺寸等對(duì)流激噪聲影響，并與無(wú)孔狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，分析孔群對(duì)流激噪聲的影響程度。

圖2 不同孔群試驗(yàn)方案及模型Fig. 2 Different experiment schemes and models of the hole groups

在湖試條件下，借助自航模型進(jìn)行表1中各個(gè)工況脈動(dòng)壓力及自噪聲測(cè)量，分別開(kāi)展無(wú)孔方案、方案1～方案3在來(lái)流速度為5.14 m/s工況下的流激噪聲試驗(yàn)。

表1 試驗(yàn)工況Tab. 1 Experiment Conditions

脈動(dòng)壓力傳感器及自噪聲水聽(tīng)器安裝位置如圖3所示。脈動(dòng)壓力測(cè)試共4個(gè)測(cè)點(diǎn)，采用WM106B50微型脈動(dòng)壓力傳感器測(cè)量脈動(dòng)壓力，脈動(dòng)壓力傳感器安裝時(shí)，測(cè)壓表面與開(kāi)孔板表面齊平。在自航模型突出腔體內(nèi)部布置1個(gè)自噪聲測(cè)點(diǎn)，采用BK8103水聽(tīng)器測(cè)量自噪聲。

圖3 傳感器布置圖Fig. 3 Layout of sensors

2 試驗(yàn)分析

2.1 孔群與無(wú)孔狀態(tài)流激噪聲對(duì)比

圖4 給出了孔群方案1各個(gè)脈動(dòng)壓力測(cè)點(diǎn)的頻譜對(duì)比?？梢钥闯?，測(cè)點(diǎn)3#、測(cè)點(diǎn)4#脈動(dòng)壓力頻譜基本相似，而測(cè)點(diǎn)1#、測(cè)點(diǎn)2#脈動(dòng)壓力基本相似，表明孔群在垂直于來(lái)流方向的各個(gè)單孔之間流動(dòng)干擾較小。測(cè)點(diǎn)3#、測(cè)點(diǎn)4#脈動(dòng)壓力明顯大于測(cè)點(diǎn)1#、測(cè)點(diǎn)2#脈動(dòng)壓力，孔群方案1脈動(dòng)壓力分布數(shù)值結(jié)果也體現(xiàn)了同樣的規(guī)律（見(jiàn)圖5），即明孔群前部開(kāi)孔區(qū)域脈動(dòng)壓力比后部開(kāi)孔區(qū)域明顯大得多。

圖4 方案1各個(gè)測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)壓力頻譜對(duì)比Fig. 4 Comparison of fluctuating pressure spectrum at each measuring point of Scheme 1

圖5 方案1脈動(dòng)壓力分布云圖數(shù)值結(jié)果Fig. 5 Numerical results of fluctuating pressure distribution nephogram of Scheme 1

圖6 給出了2個(gè)方案的自噪聲線(xiàn)譜對(duì)比?？梢钥闯觯嚎兹悍桨?主要導(dǎo)致10～50 Hz頻率范圍內(nèi)噪聲增大，且存在17.5 Hz，48.5 Hz特征線(xiàn)譜。

圖6 方案1與無(wú)孔狀態(tài)自噪聲線(xiàn)譜對(duì)比Fig. 6 Comparison of self-noise line spectrum between Scheme 1 and non-hole state

分析孔群方案1各個(gè)測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)壓力，發(fā)現(xiàn)3#和4#測(cè)點(diǎn)（單列長(zhǎng)圓孔后方）的脈動(dòng)壓力存在17.5 Hz特征線(xiàn)譜（見(jiàn)圖7），結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式估算方法，估算100 mm×200 mm長(zhǎng)圓孔在來(lái)流速度5.14 m/s下孔口自持振蕩頻率約為18.5 Hz，試驗(yàn)結(jié)果與之較為吻合。自噪聲中17.5 Hz特征譜應(yīng)為孔口自持振蕩流動(dòng)激勵(lì)所致。

圖7 方案1與無(wú)孔狀態(tài)脈動(dòng)壓力線(xiàn)譜對(duì)比Fig. 7 Comparison of fluctuating pressure line spectrum between Scheme 1 and non-hole state

2.2 孔群?jiǎn)慰仔问綄?duì)流激噪聲影響分析

圖8 給出了孔群方案1（長(zhǎng)圓孔100 mm×200 mm）和孔群方案2（圓孔?120 mm）在來(lái)流速度5.14 m/s下自噪聲線(xiàn)譜對(duì)比?？梢钥闯觯合鄬?duì)孔群方案1，孔群方案2自噪聲有一定程度降低；孔群方案2存在15 Hz低頻線(xiàn)譜，相對(duì)孔群方案1幅值降低約2 dB，在其他頻率段無(wú)明顯特征線(xiàn)譜。

圖8 方案1與方案2自噪聲線(xiàn)譜對(duì)比Fig. 8 Comparison of self-noise line spectrum between Scheme 1 and Scheme 2

分析孔群方案2在來(lái)流速度5.14 m/s下各個(gè)測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)壓力，發(fā)現(xiàn)3#和4#測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)壓力存在特征線(xiàn)譜，頻率為15 Hz（見(jiàn)圖9），結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式估算方法，估算圓孔?120 mm在航速10 kn下孔口自持振蕩頻率約為16 Hz，試驗(yàn)結(jié)果與之較為吻合?？兹悍桨?出現(xiàn)的自噪聲低頻特征線(xiàn)譜也是由孔口自持振蕩流動(dòng)激勵(lì)所致。

圖9 方案1與方案2脈動(dòng)壓力線(xiàn)譜對(duì)比Fig. 9 Comparison of fluctuating pressure line spectrum between Scheme 1 and Scheme 2

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析，表明在相同開(kāi)孔面積下，相比于長(zhǎng)圓孔100 mm×200 mm，圓孔?120 mm在一定程度上可以改善孔群自持振蕩流動(dòng)激勵(lì)，進(jìn)而抑制流激噪聲。

2.3 孔群?jiǎn)慰壮叽鐚?duì)流激噪聲影響分析

圖10 給出了孔群方案2（圓孔?120 mm）和孔群方案3（圓孔?60 mm）在來(lái)流速度5.14 m/s下自噪聲線(xiàn)譜對(duì)比。相比孔群方案2，孔群方案3自噪聲在10～30 Hz頻帶內(nèi)降低了2～12 dB，低頻線(xiàn)譜已不明顯。分析孔群方案3在來(lái)流速度5.14 m/s下各個(gè)測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)壓力，發(fā)現(xiàn)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)壓力均不存在明顯特征線(xiàn)譜（見(jiàn)圖11）。

圖10 方案2與方案3自噪聲線(xiàn)譜對(duì)比Fig. 10 Comparison of self-noise line spectrum between Scheme 2 and Scheme 3

圖11 方案2與方案3脈動(dòng)壓力線(xiàn)譜對(duì)比Fig. 11 Comparison of fluctuating pressure line spectrum between Scheme 2 and Scheme 3

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析，表明在相同開(kāi)孔面積下，相比于圓孔?120 mm的孔群，圓孔?60 mm的孔群可較大的改善孔口流動(dòng)激勵(lì)。通過(guò)2個(gè)方案的3#和4#測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)壓力對(duì)比，表明單孔較小尺寸的孔群流動(dòng)激勵(lì)明顯優(yōu)于單孔較大尺寸的孔群，其可較好地抑制孔口的振蕩激勵(lì)線(xiàn)譜。

3 結(jié) 語(yǔ)

在湖試條件下，借助自航模型平臺(tái)，開(kāi)展了孔群不同開(kāi)孔形式、開(kāi)孔尺寸等對(duì)流動(dòng)激勵(lì)和流激噪聲的影響研究。根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果分析，歸納得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）孔群主要導(dǎo)致低頻段流動(dòng)激勵(lì)惡化，從而導(dǎo)致流激噪聲比無(wú)孔方案大得多；孔群方案在孔口區(qū)域流動(dòng)激勵(lì)存在低頻特征線(xiàn)譜。

2）在相同開(kāi)孔面積下，相對(duì)于長(zhǎng)圓孔群，圓孔群可抑制孔口低頻線(xiàn)譜流動(dòng)激勵(lì)，且孔群?jiǎn)慰壮叽缭叫?，流?dòng)激勵(lì)抑制效果越好，其線(xiàn)譜特征越不明顯。

3）自航模湖上試驗(yàn)獲得的孔口流動(dòng)激勵(lì)特性與經(jīng)驗(yàn)估算結(jié)果較為吻合。