水下湍射流噪聲試驗(yàn)研究

王春旭，鄒 建，張 濤，侯國祥

（1華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，武漢430074；2海軍指揮學(xué)院浦口分院信息戰(zhàn)研究系，江蘇 南京211800）

1 引 言

由于飛機(jī)、火箭應(yīng)用的需要，空氣射流噪聲已有大量的實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果，實(shí)驗(yàn)研究和理論研究相輔相成，極大地推進(jìn)了氣動(dòng)射流噪聲機(jī)理和預(yù)報(bào)方法的研究進(jìn)展。但在水下射流噪聲方面卻鮮有研究，與其它水動(dòng)力噪聲源相比，射流噪聲（自由湍流噪聲）聲輻射效率低下，受關(guān)注較少。近年來，自由湍流噪聲也引起了相當(dāng)?shù)年P(guān)注，一方面是由于某些自由湍流噪聲問題引起了關(guān)注，如潛艇通?？诹髟肼晢栴}；另一方面，研究自由湍流噪聲機(jī)理，是其它水動(dòng)力噪聲如邊界層噪聲和轉(zhuǎn)子噪聲問題研究的基礎(chǔ)。

本文將采用混響室方法對(duì)水下射流輻射噪聲功率進(jìn)行試驗(yàn)測量研究：其一考察水下射流輻射噪聲頻譜結(jié)構(gòu)；其二研究多種形狀噴口對(duì)輻射噪聲的影響等。

2 試驗(yàn)原理

水聲試驗(yàn)一般在消聲水池測量，由于條件限制，本實(shí)驗(yàn)采用混響水池進(jìn)行測量?；祉懰販y量噪聲原理如下[1]。

混響室內(nèi)任意一點(diǎn)聲能密度可以分為直達(dá)聲和混響聲兩部分，直達(dá)聲聲能密度可表示為：

其中W表示聲源平均輻射聲功率；混響室內(nèi)達(dá)到平衡后的平均聲能密度：

其中R是房間常數(shù)，

α是壁面吸聲常數(shù)?？臻g中該點(diǎn)總的能量平均密度為：

Pe為聲場中等效聲壓，因此，

參考聲壓為p0=1×10-6Pa，參考聲功率為W0=1×10-12W，房間系數(shù)、吸聲系數(shù)可以通過混響時(shí)間T60確定。T60指的是聲壓級(jí)降低60dB所需要的時(shí)間，根據(jù)賽賓公式的推導(dǎo)[2]，T60可按如下定義計(jì)算：

于是：

用聲壓級(jí)、聲功率級(jí)表示：

其中，V、S分別是混響室的體積和面積，等式右端括號(hào)中的第一項(xiàng)表示直達(dá)聲的貢獻(xiàn)，可忽略。由此，通過測量各個(gè)頻率下的混響時(shí)間及聲壓級(jí)，即可得到射流的輻射聲功率。

3 試驗(yàn)方案及裝置

本文射流噪聲測量原理及裝置如圖1所示。

圖1 混響室法射流噪聲測量原理和裝置圖Fig.1 Sketch of experimental principle and instrallation diagram

（1）混響水池：用混響室方法測量噪聲，混響室自身特性具有決定性影響。本實(shí)驗(yàn)中采用壓力水桶作為混響水池，壓力水桶主體部分是一段圓柱，兩端是半橢球，其壁厚為27mm，內(nèi)壁光滑，滿足混響水池的要求。壓力水桶形狀尺寸如圖2所示。易計(jì)算得其混響體積為V=2.424m3，混響室內(nèi)表面積為S=12.787m2。將V、S代入到（8）式，射流輻射噪聲功率級(jí)可如下表示：

混響水池的結(jié)構(gòu)尺寸直接決定了其有效測量頻率的下限，根據(jù)混響池測量聲源噪聲輻射聲功率相關(guān)規(guī)范[3-4]可知，直徑1 000mm的壓力水桶作為混響水池，其頻率下限約為1 250Hz，因此本文的數(shù)據(jù)處理頻率下限截至為1 000Hz。

（2）射流壓頭：在耐壓氣瓶中同時(shí)沖入高壓氣體和一定量的水，利用氣體的可壓縮性提供射流“穩(wěn)定”的壓頭。

（3）混響時(shí)間：根據(jù)第1節(jié)實(shí)驗(yàn)原理式（8）可知，射流噪聲聲功率的測量需要測量各頻率下混響水池的混響時(shí)間。測量方法是：用信號(hào)源和喇叭在混響水池中產(chǎn)生特定頻率的信號(hào)，穩(wěn)定后斷開信號(hào)源，測量混響水池內(nèi)的聲壓衰減過程，定義聲壓級(jí)衰減60dB的時(shí)間即為混響水池在該頻率下的混響時(shí)間。測量原理和裝置如圖3所示。

圖2 混響水池的結(jié)構(gòu)尺寸(mm)Fig.2 Structure dimention of reverberation chamber

圖3 混響時(shí)間測量方法及裝置圖Fig.3 Reverberation time measurement method schematic diagram

（4）噴口形狀：潛艇通海系統(tǒng)一般采用漸擴(kuò)管，認(rèn)為可以降低噪聲。為了測量比較不同噴口形狀的輻射噪聲特點(diǎn)，制作三種圓形噴口，圖4是截面圖。分別是平直噴口、漸擴(kuò)噴口、收縮噴口。平直噴口內(nèi)徑10mm，漸擴(kuò)噴口和收縮噴口的來流段內(nèi)徑也是10mm，擴(kuò)張角和收縮角都是15°，擴(kuò)張和收縮段長短均為10mm。

圖4 試驗(yàn)中的三種噴口形狀Fig.4 The three nozzle shapes used in experiment

（5）壓力損失：射流輻射噪聲直接與噴口處的流動(dòng)特征如噴口處的速度等相聯(lián)系，但是噴口至壓力容器用耐壓軟管及管接頭連接，水從壓力氣瓶流至噴口會(huì)有壓力損失，各個(gè)壓力條件下噴口流量、速度需要測量。瞬時(shí)流量的測量比較困難，可用平均流量代替，例如壓力p=0.8MPa時(shí)的流量，可認(rèn)為是壓力從p1=0.9MPa到p2=0.7MPa的平均流量。射流噴出時(shí)，可認(rèn)為壓力容器中氣體是等溫變化過程，設(shè)氣瓶體積為V，初始用空壓機(jī)沖入氣體壓強(qiáng)為p0，隨后向其中充水，測量某個(gè)壓力下的流量時(shí)，打開出水閥，壓力為p1時(shí)開始計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)壓力為p2，時(shí)間為t。則該段時(shí)間內(nèi)平均流量為：

因此，重復(fù)測量時(shí)間t多次，作算術(shù)平均即可根據(jù)（10）式得到該壓力下的流量。

（6）壓頭穩(wěn)定性保障：氣瓶中高壓氣體和水的體積比例會(huì)影響氣瓶內(nèi)壓力變化的快慢，氣體體積所占比例越大，壓力變化越緩慢，所提供的射流壓頭越“穩(wěn)定”；另一方面，各壓頭下的噪聲測量和流量測量應(yīng)保持相同的條件，以排除壓頭變化快慢不同帶來的誤差。

（7）射流聲壓級(jí)測量：測量各壓頭下混響室中射流噪聲聲壓級(jí)，代入（9）式計(jì)算射流輻射聲功率。圖5是測量現(xiàn)場照片。

圖5 測量現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.5 Photos of testing fields

4 測量結(jié)果及分析

4.1 噴口流量測量

根據(jù)（10）式提供的方法，只需要測量其中的時(shí)間t即可計(jì)算出流量。其中的V取作氣瓶的初始容積V=0.445 320 4m3，從0.8MPa開始，間隔0.2MPa測量到2.2MPa，各種壓力下流量試驗(yàn)和計(jì)算條件如下：

（1）p=0.8MPa時(shí)，令p0=0.4MPa，p1=0.9MPa，p2=0.7MPa

（2）p=1.0MPa至p=2.2MPa時(shí)，令p0=0.715MPa，p1=p+0.1MPa，p2=p-0.1MPa

表1至表3列出了流量和噴口速度測量結(jié)果，其中的時(shí)間t是3次測量平均結(jié)果。壓力單位是兆帕（MPa），時(shí)間單位是秒（s），流量單位是立方米每秒（m3/s）。速度單位是米每秒（m/s），表中給出的速度是噴口處的等效平均速度。

比較表1和表2可知，兩者流量基本沒變，擴(kuò)口流量稍大，可以推斷，表2中的速度項(xiàng)基本沒有意義，噴口截面上速度極不均勻。比較表1和表3可知，收縮噴口流量只有平直噴口的四分之一左右，但噴口處的速度提高較多。

表1 平直噴口流量Tab.1 Flow rate of straight nozzle

表2 漸擴(kuò)噴口流量Tab.2 Flow rate of expansion nozzle

表3 收縮噴口流量Tab.3 Flow rate of shrinkage nozzle

4.2 混響時(shí)間測量

采用第2節(jié)圖3所示方法測量混響時(shí)間，信號(hào)源的信號(hào)經(jīng)過功率放大器放大激勵(lì)喇叭發(fā)聲，在混響室中產(chǎn)生特定頻率的正弦信號(hào)，用水聽器接受水中聲信號(hào)，信號(hào)穩(wěn)定后，斷開信號(hào)源，記錄聲信號(hào)衰減過程。本實(shí)驗(yàn)中，信號(hào)頻率取作三分之一倍頻程的中心頻率。測量結(jié)果如表4所示。

表4 混響時(shí)間列表Tab.4 Reverberation time at each frequency

4.3 射流噪聲輻射功率測量

測量時(shí)將噴頭自頂向下固定在混響水池的正中央，噴口距頂端面900mm。4個(gè)水聽器固定在等半徑（256mm）的四周（如圖6所示），但深度各不相同，深度布置見表5所示。

表5 水聽器布置位置Tab.5 Depth of hydrophone locations

圖6 水聽器布置示意圖（mm）Fig.6 Schematic of locations of hydrophones

對(duì)在特定壓頭下各噴口射流噪聲信號(hào)測量完畢后，將時(shí)域內(nèi)的聲壓采集信號(hào)進(jìn)行Fourier變換，得到聲壓譜級(jí)。然后進(jìn)行三分之一倍頻程聲級(jí)分析。在此以壓頭為p=1.0MPa平直噴口的射流噪聲信號(hào)為例，說明信號(hào)處理過程，圖7是各通道信號(hào)的聲壓譜級(jí)，圖8是各通道三分之一倍頻程聲級(jí)分析圖。

為了考察混響室的混響效果及數(shù)據(jù)有效性，需要對(duì)各通道三分之一倍頻程聲級(jí)作如下標(biāo)準(zhǔn)偏差估計(jì)：

其中：sM是四個(gè)水聽器位置聲壓級(jí)標(biāo)準(zhǔn)偏差（dB）；Lpi是第i個(gè)水聽器位置平均聲壓級(jí)（dB）；Lpm是所有水聽器位置聲壓級(jí)算術(shù)平均（dB）；N是水聽器數(shù)目或者測量位置數(shù)目。

從圖9可以看出，各測量水聽器在各頻段上標(biāo)準(zhǔn)偏差在1.2dB到1.8dB之間。可認(rèn)為混響室混響效果較好。

根據(jù)測量規(guī)范，混響室內(nèi)各頻帶平均聲壓級(jí)可按如下求得：

圖7 各通道聲壓級(jí)圖Fig.7 The SPL diagram for each chanel

圖8 各通道三分之一倍頻程聲壓級(jí)Fig.8 One-third-octave band SPL diagram for each chanel

結(jié)果如圖10a所示，由此進(jìn)行擬合，得到全頻域段聲壓級(jí)曲線，如圖10b所示。

將圖10曲線擬合得到的各頻率下聲壓級(jí)和合表4給出的各頻率下的混響時(shí)間代入到（9）式即可計(jì)算出射流輻射噪聲功率級(jí)。

圖11、圖12、圖13根據(jù)上述數(shù)據(jù)處理過程分別給出了平直噴口、收縮噴口、擴(kuò)張噴口各個(gè)壓頭下的射流輻射噪聲聲功率級(jí)；a圖表示氣瓶內(nèi)壓頭為2.2MPa、2.0MPa、1.8MPa、1.6MPa時(shí)射流輻射噪聲升功率級(jí)，b圖表示氣瓶內(nèi)壓力為1.4MPa、1.2MPa、1.0MPa、0.8MPa時(shí)射流輻射噪聲升功率級(jí)。

圖9 各通道測量信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)偏差估計(jì)Fig.9 Standard deviation estimation of signals collected for each chanel

可以看出，對(duì)于三種噴口，隨著氣瓶壓頭的降低，噴嘴出口速度隨之降低，射流輻射噪聲功率也隨之降低；另外，隨著壓頭的降低，輻射噪聲功率級(jí)頻譜結(jié)構(gòu)有向高頻方向移動(dòng)的趨勢，這是因?yàn)椋俣仍礁?，越能激起流場的大尺度運(yùn)動(dòng)，在高雷諾數(shù)、低Ma數(shù)情況下，大尺度渦結(jié)構(gòu)對(duì)噪聲輻射有支配性的作用[5]。

圖10 由三分之一倍頻程聲壓級(jí)擬合全頻域段聲壓級(jí)曲線Fig.10 The utimate One-third-octave band SPL diagram

圖11（a，b） 平直噴口各壓頭下的射流輻射噪聲功率級(jí)比較Fig.11 The comparison of SPL of submerged jet induced by straight nozzle

圖12（a，b） 收縮噴口各壓頭下的射流輻射噪聲功率級(jí)比較Fig.12 The comparison of SPL of submerged jet induced by shrinkage nozzle

圖14表示在壓頭p=2.2MPa時(shí)，三種不同的噴嘴的射流輻射噪聲功率級(jí)比較，圖15至圖21依次列出了壓頭從p=2.0MPa到p=0.8MPa的情況，可以看出，盡管同樣壓頭下收縮噴口的流量大為減小，不到平直噴口的四分之一，但其輻射噪聲級(jí)在各種壓頭條件下卻是最高的，從表1、表3可以看出：同樣壓頭下，收縮性噴口射流速度最高，可以推斷，噴口處的出流速度對(duì)射流噪聲級(jí)有決定性的影響。另一方面，同一壓頭下，擴(kuò)張噴口射流噪聲功率級(jí)曲線與平直噴口射流噪聲功率級(jí)曲線相交，在交點(diǎn)頻率以下，擴(kuò)張噴口射流噪聲功率級(jí)大，在交點(diǎn)頻率以上，平直噴口射流噪聲功率級(jí)大。

圖13（a，b） 擴(kuò)張噴口各壓頭下的射流輻射噪聲功率級(jí)比較Fig.13 The comparison of SPL of submerged jet induced by expansion nozzle

圖14 壓頭p=2.2MPa三種噴嘴的輻射噪聲功率級(jí)比較Fig.14 The comparison of SPL of the three submerged nozzle at pressure head p=2.2MPa

圖15 壓頭p=2.0MPa三種噴嘴的輻射噪聲功率級(jí)比較Fig.15 The comparison of SPL of the three submerged nozzle at pressure head p=2.0MPa

圖16 壓頭p=1.8MPa三種噴嘴的輻射噪聲功率級(jí)比較Fig.16 The comparison of SPL of the three submerge nozzlse at pressure head p=1.8MPa

圖17 壓頭p=1.6MPa三種噴嘴的輻射噪聲功率級(jí)比較dFig.17 The comparison of SPL of the three submerged nozzles at pressure head p=1.6MPa

圖18 壓頭p=1.4MPa三種噴嘴的輻射噪聲功率級(jí)比較Fig.18 The comparison of SPL of the three submerged nozzles at pressure head p=1.4MPa

圖19 壓頭p=1.2MPa三種噴嘴的輻射噪聲功率級(jí)比較Fig.19 The comparison of SPL of the three submerged nozzles at pressure head p=1.2MPa

圖20 壓頭p=1.0MPa三種噴嘴的輻射噪聲功率級(jí)比較Fig.20 The comparison of SPL of the three submerged nozzle at pressure head p=1.0MPa

圖21 壓頭p=0.8MPa三種噴嘴的輻射噪聲功率級(jí)比較Fig.21 The comparison of SPL of the three submerged nozzle at pressure head p=0.8MPa

5 結(jié) 論

采用混響室方法，對(duì)水下湍射流輻射噪聲功率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量，結(jié)果表明：

（1）同一噴口產(chǎn)生的射流，隨著壓頭的降低，其輻射噪聲功率隨之降低，且其頻譜結(jié)構(gòu)有向高頻移動(dòng)的趨勢；

（2）通過比較相同壓頭下不同噴口形狀射流輻射噪聲功率級(jí)可知，收縮噴口盡管流量相對(duì)很小，但其噴口速度較大，射流輻射噪聲功率較平直噴口和擴(kuò)張噴口要高，說明噴口初始速度是射流噪聲的關(guān)鍵因素；平直噴口和擴(kuò)張噴口射流輻射噪聲功率級(jí)曲線相交，在交點(diǎn)頻率以下，擴(kuò)張噴口射流輻射噪聲功率級(jí)大，在交點(diǎn)頻率以上，擴(kuò)張噴口射流輻射噪聲功率級(jí)較小；

（3）采用混響室方法測量噪聲最大的缺點(diǎn)是不能對(duì)噪聲輻射指向性進(jìn)行研究；其次，本實(shí)驗(yàn)中作為混響室的壓力水桶直徑為1 000mm，決定了其有效截至頻率下限為1 250Hz左右，無法對(duì)低頻噪聲做出測量，是本文工作的不足之處。

[1]陳克安.聲學(xué)測量[M].北京:科學(xué)出版社,2005.

[2]杜功煥,朱哲明,龔秀芬.聲學(xué)基礎(chǔ)[M].南京:南京大學(xué)出版社,2001.

[3]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局發(fā)布.聲學(xué)聲壓法測定噪聲源聲功率級(jí)混響室精密法[S].GB/T 6881.1-2002.

[4]國家標(biāo)準(zhǔn)局發(fā)布.源聲功率級(jí)的測定—混響室精密法和工程法[S].GB 6881-86.

[5]Tam C K W,Golebiowski M,Seiner J M.Two components of turbulent mixing noise from supersonic jets[J].AIAA Journal,96-1716,1996.