水管路消聲器聲阻抗測(cè)試技術(shù)研究

周慶云，萬夏琪，郝夏影，沈斌琦（中國(guó)船舶科學(xué)研究中心 船 舶振動(dòng)噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無錫 2 14082）

水管路消聲器聲阻抗測(cè)試技術(shù)研究

周慶云，萬夏琪，郝夏影，沈斌琦
（中國(guó)船舶科學(xué)研究中心 船 舶振動(dòng)噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無錫 2 14082）

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

管路消聲器；聲阻抗；測(cè)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(dòng)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(dòng)力特性的重要物理量，也是管路系統(tǒng)聲學(xué)設(shè)計(jì)計(jì)算和元件聲學(xué)效果評(píng)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(yàn)的途徑測(cè)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(duì)現(xiàn)在我國(guó)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(duì)稱的海水消聲器聲阻抗的測(cè)試技術(shù)研究，首次測(cè)試得到了全面的聲阻抗參數(shù)。

1 聲阻抗測(cè)試基本理論

管路元件聲阻抗測(cè)量是建立在管內(nèi)介質(zhì)平面波假設(shè)的基礎(chǔ)上的。測(cè)試海水消聲器聲阻抗時(shí)，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(dòng)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(dòng)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(duì)于線彈性的被測(cè)管路元器件，滿足互易原理，故有：

對(duì)于兩端對(duì)稱的管路元器件，則有：

2 聲阻抗測(cè)試方法簡(jiǎn)介

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

圖1 管路元件聲阻抗試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)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(cè)量腔布置一個(gè)加速度計(jì)A1和水聽器P1以及后測(cè)量腔布置一個(gè)水聽器P2測(cè)量處理得到被測(cè)試件的聲阻抗。當(dāng)測(cè)量裝置滿足聲阻抗測(cè)試的邊界條件時(shí)，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(shí)際聲速；

la—加速度計(jì)到被測(cè)元件前表面的距離；

li—前測(cè)量腔水聽器到被測(cè)元件前表面的距離；

la-li—前測(cè)量腔加速度計(jì)和水聽器之間的距離；

le-lt—后測(cè)量腔的長(zhǎng)度；

le-lo—后測(cè)量腔水聽器到末端堵塞面的距離；

Qout=0—聲阻抗測(cè)試時(shí)輸出端邊界振動(dòng)約束條件。

如果消聲器兩端不對(duì)稱，則將消聲器一端（1#）作為輸入端安裝時(shí)測(cè)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(shí)測(cè)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(cè)試

3.1 聲阻抗測(cè)試裝置

水管路消聲器聲阻抗測(cè)試裝置包含：阻抗平臺(tái)、聲激勵(lì)系統(tǒng)、前后剛性支撐、前后測(cè)量腔、測(cè)試系統(tǒng)、傳感器和輔助裝置等。聲阻抗試驗(yàn)裝置通過前后支撐剛性固定在阻抗平臺(tái)上，測(cè)量腔上安裝有剛性支撐，以減小振動(dòng)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。測(cè)量腔用來形成平面聲波和放置測(cè)量傳感器。根據(jù)管路元件聲阻抗測(cè)試原理，經(jīng)過多次測(cè)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(cè)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(duì)稱。鑒于該消聲器兩端結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，因此，需要對(duì)該水消聲器的聲阻抗測(cè)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(cè)試裝置見圖2。

圖2 水管路消聲器正向安裝時(shí)的聲阻抗測(cè)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(cè)點(diǎn)布置

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

3.3 聲阻抗測(cè)試系統(tǒng)

在聲阻抗測(cè)試系統(tǒng)中，聲激勵(lì)端的加速度測(cè)量采用PCB公司的M352C68 ICP型壓電加速度計(jì)。水聽器采用GRAS公司的10CT，水聲信號(hào)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(cè)試結(jié)果

測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)過聲阻抗處理公式計(jì)算后就能得到聲阻抗。消聲器正向安裝時(shí)，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(shí)，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(cè)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(cè)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(gè)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(duì)稱，因此，測(cè)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(shí)應(yīng)注意消聲器在管路系統(tǒng)中的方向。按本文中裝置測(cè)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(yàn)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(gè)峰值（反共振點(diǎn)）頻率與兩個(gè)端部聲阻抗Z11與Z22的峰值頻率相對(duì)應(yīng)。

3 結(jié) 論

本文對(duì)兩端不對(duì)稱的管路元件聲阻抗進(jìn)行測(cè)試研究。根據(jù)改進(jìn)后的聲阻抗試驗(yàn)裝置試驗(yàn)結(jié)果，顯示結(jié)果符合聲阻抗變化規(guī)律，驗(yàn)證了傳遞聲阻抗的互易性，表明管路元件聲阻抗測(cè)試方法與本試驗(yàn)裝置可應(yīng)用于消聲器的聲阻抗測(cè)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(yàn)研究[C].第十一屆船舶水下噪聲學(xué)術(shù)研討會(huì)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(cè)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(jí)工程師，E-mail：qingyun_zh@163.com；

萬夏琪（1988-），男，助理工程師。