艦船顯控臺(tái)噪聲分析及試驗(yàn)研究

趙金鵬

(江蘇自動(dòng)化研究所，江蘇 連云港 222006)

0 引 言

隨著現(xiàn)代化技術(shù)的飛速發(fā)展，海軍裝備進(jìn)行了新一輪的升級(jí)，對(duì)顯控臺(tái)等艦船電子裝備的噪聲性能要求越來越高[1-2]。顯控臺(tái)是艦船控制系統(tǒng)中重要的硬件平臺(tái)設(shè)備，噪聲限值是反映顯控臺(tái)工作性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。為滿足國軍標(biāo)對(duì)艦船電子設(shè)備噪聲限值的要求，對(duì)顯控臺(tái)進(jìn)行噪聲源研究和噪聲測試逐漸成為一項(xiàng)重要研究課題[3-5]。

本文從理論分析和試驗(yàn)研究兩方面對(duì)某型顯控臺(tái)的整體噪聲水平和主要噪聲源進(jìn)行分析研究，并對(duì)顯控臺(tái)的降噪治理提出建議。

1 艦船顯控臺(tái)噪聲源分析

艦船電子設(shè)備顯控臺(tái)的噪聲情況比較復(fù)雜，主要分為3 類：空氣動(dòng)力噪聲、機(jī)械振動(dòng)噪聲和電磁噪聲[6]。

空氣動(dòng)力噪聲是指由流體流動(dòng)過程中的相互作用或氣體與固體介質(zhì)之間的相互作用而產(chǎn)生的噪聲，從噪聲產(chǎn)生的機(jī)理看，空氣動(dòng)力噪聲主要由旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲組成[7]，顯控臺(tái)的主要空氣動(dòng)力噪聲源是風(fēng)機(jī)。

旋轉(zhuǎn)噪聲是風(fēng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)，旋轉(zhuǎn)葉片周期性擾動(dòng)周圍空氣質(zhì)點(diǎn)，引起空氣動(dòng)力脈動(dòng)而產(chǎn)生的噪聲，這種周期性壓力脈動(dòng)由一個(gè)穩(wěn)態(tài)的基頻和一系列諧波分量疊加而成。這些脈動(dòng)分量 f1可用下式表示：

式中：n 為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；Z 為風(fēng)機(jī)葉片數(shù)；k 為諧波分量，k=1，2，3……。

渦流噪聲的形成過程如下：風(fēng)機(jī)葉片在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，周圍空氣在葉片后產(chǎn)生快速渦流，這些渦流由于粘滯力的作用會(huì)分裂成一系列小渦流，這些小渦流與渦流的分裂會(huì)導(dǎo)致空氣產(chǎn)生擾動(dòng)，形成壓力波，從而形成渦流噪聲[8]。渦流噪聲是寬頻連續(xù)噪聲，渦流噪聲的頻率 f2可表示為：

式 中： St為斯脫羅哈爾數(shù)，一般St=0.14 ～0.20；v為氣體與物體（葉片與其他障礙物）之間的相對(duì)速度；D為物體正表面寬度在垂直與速度平面上的投影；k 為諧波分量，k=1，2，3……。

機(jī)械振動(dòng)噪聲是指機(jī)械部件在撞擊、摩擦、交變應(yīng)力的作用下由于振動(dòng)而產(chǎn)生的噪聲。顯控臺(tái)除風(fēng)機(jī)外，其余元器件、結(jié)構(gòu)件都在靜止?fàn)顟B(tài)下工作，產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)噪聲并不多[9]。

電磁型噪聲是由電磁場交替變化而引起某些機(jī)械部件或空間容積振動(dòng)而產(chǎn)生的噪聲，典型的有變壓器和鎮(zhèn)流器發(fā)出的噪聲，與空氣動(dòng)力性噪聲相比，電磁性噪聲源較小。

某型顯控臺(tái)殼體背部裝有2 臺(tái)FP-108-1 型交流風(fēng)機(jī)，顯控臺(tái)內(nèi)部配置2 個(gè)加固機(jī)，每個(gè)加固機(jī)配置2 臺(tái)4134型直流風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)配置及主要性能參數(shù)如表1 所示。

表1 某型顯控臺(tái)風(fēng)機(jī)配置及主要性能參數(shù)Tab. 1 Configuration of a type of display console fan and main performance parameters

2 理論計(jì)算

由噪聲源分析可知，顯控臺(tái)的主要噪聲源是風(fēng)機(jī)，當(dāng)多個(gè)噪聲源同時(shí)存在時(shí)，顯控臺(tái)的噪聲總聲壓級(jí)可根據(jù)聲壓級(jí)疊加公式計(jì)算，即

其中， LPT為幾個(gè)噪聲源的總聲壓級(jí)； LPi為單個(gè)噪聲源的聲壓級(jí)。

將表1 中顯控臺(tái)的風(fēng)機(jī)配置代入公式計(jì)算：

由理論計(jì)算可知，理想狀態(tài)下顯控臺(tái)的噪聲總聲壓級(jí)疊加值為51.9 dB（A），噪聲值比較突出，不能滿足艦船設(shè)備噪聲限制的要求。

3 顯控臺(tái)噪聲試驗(yàn)

對(duì)顯控臺(tái)進(jìn)行噪聲試驗(yàn)可以對(duì)顯控臺(tái)的現(xiàn)有噪聲水平進(jìn)行摸底測試，根據(jù)現(xiàn)有噪聲水平可檢測其是否達(dá)到艦船設(shè)備噪聲限制的要求，若不達(dá)標(biāo)，可確定噪聲控制目標(biāo)，并依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)水平提出合理的降噪措施和建議。

3.1 噪聲試驗(yàn)方法

顯控臺(tái)的噪聲試驗(yàn)選用某型顯控臺(tái)，風(fēng)機(jī)主要布置在顯控臺(tái)內(nèi)部和背部。試驗(yàn)設(shè)備選用B&K 音頻分析儀和標(biāo)準(zhǔn)傳感器4191，試驗(yàn)設(shè)備均經(jīng)過標(biāo)定并在有效期內(nèi)。試驗(yàn)環(huán)境為室溫25 ℃，相對(duì)濕度69%，大氣壓力101.3 kPa，試驗(yàn)背景噪聲的聲壓級(jí)比被測設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)噪聲的聲壓級(jí)低10 dB 以上。

由顯控臺(tái)的外形尺寸確定試驗(yàn)設(shè)備屬于小型設(shè)備，噪聲試驗(yàn)檢測點(diǎn)的位置如圖1 所示。傳聲器放置在距離顯控臺(tái)1 m 處的5 個(gè)位置，分別檢測各個(gè)測量點(diǎn)的聲壓級(jí)（A 計(jì)權(quán)）。

傳聲器布置完成后，將顯控臺(tái)通電（220 V/50 Hz）開機(jī)后滿負(fù)載工作，分別檢測各個(gè)測量點(diǎn)的聲壓級(jí)，每個(gè)測量點(diǎn)的檢測持續(xù)時(shí)間為30 s 以上，試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集完成后對(duì)其進(jìn)行分析和傅里葉變換得出每個(gè)測量點(diǎn)的噪聲頻譜圖和聲壓級(jí)，試驗(yàn)測量分析系統(tǒng)圖如圖2 所示。

3.2 噪聲聲壓級(jí)分析

圖2 測量分析系統(tǒng)圖Fig. 2 Measurement analysis system diagram

將音頻分析儀采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)出并進(jìn)行傅里葉變換，可得某型顯控臺(tái)在滿負(fù)載工況下，其前、后、左、右、上共5 個(gè)測量點(diǎn)處各頻率段的噪聲聲壓級(jí)和頻譜圖，顯控臺(tái)噪聲在31.5～8 000 Hz 頻率段范圍內(nèi)的測量結(jié)果如表2 所示。

表2 某型顯控臺(tái)噪聲試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總表Tab. 2 A summary of the noise test data of a type of display console

由表2 可知，顯控臺(tái)噪聲分別在中心頻率為125 Hz，250 Hz，500 Hz 和1 000 Hz 的頻段內(nèi)噪聲聲壓級(jí)比較突出，由此可判斷顯控臺(tái)的噪聲源主要在這4 處頻率段。

3.3 噪聲頻譜分析

當(dāng)設(shè)備有多種噪聲源同時(shí)存在時(shí)，需要對(duì)噪聲進(jìn)行分析和識(shí)別，這樣在進(jìn)行降噪設(shè)計(jì)時(shí)才能夠有針對(duì)性，只有對(duì)最大的噪聲源進(jìn)行有效控制，才能達(dá)到降噪目的。常用噪聲源識(shí)別方法是頻譜分析，將音頻分析儀采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換即可得顯控臺(tái)前部測量點(diǎn)的頻譜圖，如圖3 所示。

圖3 顯控臺(tái)前測量點(diǎn)頻譜圖Fig. 3 Display control stage measuring point spectrogram

由噪聲源理論分析計(jì)算可得風(fēng)扇的噪聲頻率，本文研究的風(fēng)機(jī)有2 種類型，以4314 型風(fēng)機(jī)為例，將風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 550 r/min 代入風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)噪聲計(jì)算公式得該型噪聲頻率為129.2 Hz，對(duì)應(yīng)頻譜圖中125 Hz 頻率段，可知129 Hz 為4314 型風(fēng)機(jī)噪聲的基礎(chǔ)頻率，其噪聲峰值為52.7 dB（A），250 Hz，500 Hz 和1 000 Hz 分別為4314 型風(fēng)機(jī)的2 倍頻、3 倍頻和4 倍頻，對(duì)應(yīng)峰值為46.5 dB（A），45.5 dB（A）和46.4 dB（A），倍頻之后風(fēng)機(jī)噪聲的峰值有所衰減，但噪聲仍然很明顯。

4 降噪設(shè)計(jì)

1）對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)或重新選型。風(fēng)機(jī)葉片高速攪動(dòng)空氣會(huì)產(chǎn)生很大的高頻噪聲，通過控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，選用葉片不均勻分布的風(fēng)機(jī)，或不同材料的風(fēng)機(jī)，優(yōu)化風(fēng)機(jī)氣流通道，使其盡量避免拐角、突變截面形成渦流，采用流線型設(shè)計(jì)等方法對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化選型，降低風(fēng)機(jī)噪聲。

2）對(duì)風(fēng)機(jī)殼體進(jìn)行降噪結(jié)構(gòu)優(yōu)化。風(fēng)機(jī)殼體內(nèi)壁表面設(shè)計(jì)選用新型復(fù)合材料泡沫鋁，泡沫鋁是一種微孔泡沫金屬，比重在0.3～0.2 g/cm3之間，可有效降低風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的高頻振動(dòng)、空氣噪聲和阻尼噪聲的擴(kuò)散。

5 結(jié) 語

艦船電子裝備顯控臺(tái)的噪聲源比較多且復(fù)雜，通過噪聲源理論分析和試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)顯控臺(tái)的主要噪聲源是風(fēng)機(jī)，理論分析與試驗(yàn)研究結(jié)果一致。在艦船的顯控臺(tái)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程當(dāng)中采取風(fēng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)、風(fēng)機(jī)殼體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和風(fēng)機(jī)重新選型等綜合降噪措施，可在一定程度上降低艦船顯控臺(tái)噪聲。