水下排氣降噪試驗研究

張德滿，王 博，趙俊濤，張祿京，鄧 鵬，李 斌，唐 州

(武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢 430064)

0 引 言

水下工作設(shè)備向水中排氣時，會產(chǎn)生較大的水下輻射噪聲，影響設(shè)備的工作性能[1?2]。郝宗睿等的研究表明[3?4]，通過減小排入水中氣泡的尺寸可以降低排氣噪聲。因此在排氣管路末端安裝排氣裝置，通過眾多小孔，將排放氣體以小直徑氣泡的形式排入水中，同時對排氣裝置進(jìn)行降噪處理，是降低水下工作設(shè)備排氣噪聲的一條有效途徑。

水下排氣過程中，排氣裝置的噪聲，可能會從排氣通道以及排氣裝置殼體等途徑向水中輻射。本文通過繪制排氣裝置等距離噪聲強(qiáng)度曲線的方法，判斷排氣裝置噪聲源及其傳播途徑，采用微穿孔板結(jié)構(gòu)消音技術(shù)、氣泡型隔聲板技術(shù)，對水下排氣裝置進(jìn)行降噪處理，并通過試驗方法，研究降噪技術(shù)的降噪效果。

1 排氣裝置及其排氣噪聲

水下排氣裝置由殼體和小氣泡生成器組合而成，如圖1所示。水下工作設(shè)備運(yùn)行過程中產(chǎn)生的氣體由排氣裝置下方進(jìn)入殼體下腔，進(jìn)入安裝于排氣裝置內(nèi)的小氣泡生成器，并從小氣泡生成器表面的小孔排入水中，形成直徑約為0.5 mm左右的氣泡，在浮力作用下排出排氣裝置。

圖1 水下排氣裝置Fig.1 Underwater exhaust device

為測量氣體經(jīng)排氣裝置排入水中的輻射噪聲，搭建水下排氣噪聲測試臺架（見圖2），試驗臺架主要由氣瓶、截止閥、調(diào)節(jié)閥、流量計、排氣裝置、水聽器、浮球、信號采集設(shè)備等組成。氣瓶中的氣體經(jīng)過管路上的調(diào)節(jié)閥，調(diào)成排氣裝置額定工作流量（60 m3/h）。水聽器布置于排氣裝置斜上方1 m處。

圖2 水下排氣噪聲測試臺架示意圖Fig.2 Schematic diagram of underwater exhaust noise test bench

設(shè)某輻射噪聲值為基準(zhǔn)值（記為0 dB），本文所述輻射噪聲值，都為減去基準(zhǔn)值得到的數(shù)值。排氣穩(wěn)定時開始測量，測得排氣噪聲如圖3所示，排氣噪聲總級為48.2 dB，在800 Hz頻帶處幅值最大，為45.8 dB。幅值超過40 dB的帶寬約為700 Hz。

圖3 水下排氣裝置排氣噪聲Fig.3 Exhaust noise of underwater exhaust device

2 水下排氣消音器設(shè)計及試驗

2.1 消音器設(shè)計

針對水下排氣噪聲，采用微穿孔板結(jié)構(gòu)消音器進(jìn)行降噪，具有較好的效果[5]。由圖3可知，排氣噪聲峰值頻率為800 Hz，因此設(shè)計微穿孔板結(jié)構(gòu)的共振頻率f0為800 Hz。設(shè)共振頻率處的吸聲系數(shù)為α0，其值越高則共振頻率處的吸聲效果越好，本文α0取99%。根據(jù)式(1)，可以算出相對聲阻r為0.819。

微穿孔板結(jié)構(gòu)吸聲系數(shù)在共振頻率處吸聲系數(shù)最大，共振頻率兩側(cè)吸聲系數(shù)逐漸減小，設(shè)吸聲系數(shù)為50%時的頻率分別為f1和f2。水下排氣噪聲幅值大于40 dB的頻帶寬度約為700 Hz，取f1和f2的差值為700 Hz，水中聲速c為1 500 m/s，由式(2)可以算出穿孔板后共振腔的厚度L為0.144 m。

如公式(3)所示，微穿孔直徑d、板厚度t、穿孔率P及共振腔的厚度L共同確定共振頻率f0。微穿孔直徑d和穿孔板厚度t取常用參數(shù)都為1 mm。由式(3)可以計算出穿孔率P為2.9%。

設(shè)計出微穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)的參數(shù)如下：微穿孔板板厚t為1 mm，穿孔直徑d為1 mm，穿孔率P為2.9%，穿孔板后共振腔的厚度L為0.144 m。

微穿孔板吸聲腔長度H越長，吸聲效果越好，但受設(shè)備總體尺寸限制，H取為1 600 mm。消音器內(nèi)排氣通道直徑D越小，吸聲效果越好，本文設(shè)計與排氣裝置出口直徑相同，D取為350 mm。為增加消音器吸聲頻帶寬度，在共振腔中填充多孔型陶瓷棉，厚度為吸聲腔厚度的一半72 mm。排氣消音器示意圖如圖4所示。

圖4 微穿孔板結(jié)構(gòu)消音器示意圖Fig.4 Schematic diagram of micro perforated plate structure silencer

水下排氣過程中，整個裝置內(nèi)部分布著致密的氣泡，如圖5所示。排氣裝置產(chǎn)生的排氣噪聲在向外輻射的過程中，被消音器吸收的同時，還會受到排氣裝置內(nèi)水中氣泡的反射阻擋。為使氣泡在上浮過程中自由擴(kuò)散并在通道內(nèi)均勻分布，改善氣泡對噪聲的反射效果，在排氣裝置上安裝一段擴(kuò)散筒。

圖5 氣泡排出示意圖Fig.5 Schematic diagram of bubble discharge

2.2 消音效果測試

采用圖2所示的測試系統(tǒng)，測量安裝擴(kuò)散筒和消音器之后，排氣裝置出口斜上方1 m處的排氣噪聲，結(jié)果如圖6所示。輻射噪聲總級為44.1dB，相比增加消音器之前總聲級降低了4.1dB，主要體現(xiàn)在800 Hz左右頻帶的噪聲降幅較大，其他頻率噪聲降低幅度較小。

圖6 增加消音器前后排氣噪聲對比圖Fig.6 Comparison diagram of exhaust noise before and after adding the silencer

3 噪聲源定位及排氣裝置隔聲

3.1 噪聲源定位

為進(jìn)一步降低排氣裝置的輻射噪聲，需對噪聲源進(jìn)行定位分析。在相同排氣工況下，沿安裝擴(kuò)散筒和消音器之后的排氣裝置外側(cè)0.5 m和1.0 m等距離線，測量等距離線上輻射噪聲的分布情況，測量結(jié)果如圖7所示。

圖7 裝置四周噪聲強(qiáng)度分布圖Fig.7 Noise distribution around the device

結(jié)果顯示，在等距離線上，排氣裝置本體外側(cè)噪聲級最高，其0.5 m和1.0 m等距離線上的值分別約為50.3 dB和47.3 dB。沿等距離線向上，輻射噪聲逐漸減小，排氣消音器外側(cè)0.5 m和1.0 m等距離線上的輻射噪聲值分別約為46.5 dB和45.8 dB，正對消音器出口處輻射噪聲值分別約為44.8 dB和44.3 dB，消音器出口噪聲不突出。

由此可以判斷，噪聲源在排氣裝置內(nèi)，輻射噪聲主要由整個排氣裝置的外壁向外輻射。因此需在整個排氣裝置的外壁上采取措施，隔斷輻射噪聲向外輻射。

3.2 裝置隔聲設(shè)計

與空氣中傳播相比，相同頻率的噪聲在水中傳播時，波長較長、阻尼系數(shù)較小，相對于空氣中隔聲措施，在水中隔聲時較難建立“阻抗適配”，難以阻斷噪聲傳播。因此，一般的隔聲措施在水中隔聲效果較差。唐廣鑫等[6]對水下隔聲材料的隔聲性能進(jìn)行了詳細(xì)的理論和試驗研究，表明在水中采用氣墊隔聲結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔聲，能取得較好的隔聲效果。

為增加氣墊隔聲結(jié)構(gòu)在水中的承壓能力，采用氣泡型泡沫板代替氣墊隔聲結(jié)構(gòu)中的空氣腔，形成氣泡型隔聲板。氣泡型隔聲板內(nèi)層和外層都為厚3 mm的橡膠板，中間層為厚30 mm的氣泡型泡沫板，示意圖如圖8所示。

圖8 氣泡型隔聲板示意圖Fig.8 Schematic diagram of bubble type sound insulation board

3.3 隔聲效果測試

安裝包裹隔聲板的消音器前后排氣噪聲對比如圖9所示。輻射噪聲總級降為29.7 dB，與安裝消音器之前相比輻射噪聲降低了18.5 dB，可見隔聲效果明顯。從頻帶上看，全頻都有降低，中高頻降低幅度大于低頻。

圖9 安裝包裹隔聲板的消音器前后排氣噪聲對比圖Fig.9 Comparison diagram of exhaust noise before and after installing silencer wrapped with sound insulation board

4 結(jié) 語

本文通過在排氣管路末端安裝排氣裝置，將水下工作設(shè)備的排放氣體以小直徑氣泡的形式排入水中，并采用填充多孔型陶瓷棉的微穿孔板結(jié)構(gòu)消音器和氣泡型隔聲板，對水下排氣裝置進(jìn)行降噪處理，有效控制了排氣噪聲，得到以下結(jié)論：

1）填充多孔型陶瓷棉的微穿孔結(jié)構(gòu)消音器，結(jié)合排氣通道中氣泡反射作用，可以有效阻止排氣噪聲通過排氣通道向水中輻射；

2）通過測量并繪制等距離輻射噪聲分布線的方法，可以準(zhǔn)確判斷水下排氣裝置的噪聲源；

3）采用氣泡型泡沫板填充的氣泡型隔聲板結(jié)構(gòu)對排氣裝置進(jìn)行隔聲，在全頻域內(nèi)都有較好的隔聲效果，總隔聲量達(dá)到14.4 dB。