水管路消声器声阻抗测试技术研究

周庆云，万夏琪，郝夏影，沈斌琦（中国船舶科学研究中心 船 舶振动噪声重点实验室，江苏无锡 2 14082）

水管路消声器声阻抗测试技术研究

周庆云，万夏琪，郝夏影，沈斌琦
（中国船舶科学研究中心 船 舶振动噪声重点实验室，江苏无锡 2 14082）

文章简要介绍了水管路消声器声阻抗的测试方法，对两端不对称的管路元件—水消声器的四个声阻抗参数进行了测试研究。试验结果显示符合声阻抗变化规律，验证了传递声阻抗的互易性。表明管路元件声阻抗测试方法与试验装置可应用于消声器的声阻抗测试。

管路消声器；声阻抗；测试技术

0 引 言

消声器、挠性接管等是管路系统中的无源被动元器件，也是管路中主要的噪声衰减部件，在管路系统的声学防护措施中发挥着重要作用。管路元件声阻抗特性参数是反映其本身动力特性的重要物理量，也是管路系统声学设计计算和元件声学效果评估的输入参数。由于此类型管路元件结构不均匀，其本构关系复杂，声阻抗参数难以通过解析手段获得，只能通过试验的途径测量得到[1]。目前，管路消声器已逐渐在舰船水管路中得到应用。本文针对现在我国舰船上逐渐开始使用的海水管路消声器，进行了两端结构不对称的海水消声器声阻抗的测试技术研究，首次测试得到了全面的声阻抗参数。

1 声阻抗测试基本理论

管路元件声阻抗测量是建立在管内介质平面波假设的基础上的。测试海水消声器声阻抗时，消声器内部需要充满工作介质。消声器等管路柔性元件输入端和输出端工作介质的声压和体积振动速度的关系为：

式中：Pin，Pout为输入端和输出端的声压，单位为N·m-2；Qin，Qout为相应的体积振动速度，单位为m3·s-1。

Z11，Z22分别为元器件输入端和输出端的输入声阻抗，Z12，Z21分别为元器件输出端传向输入端和输入端传向输出端的传递声阻抗，其定义[2]如下：

对于线弹性的被测管路元器件，满足互易原理，故有：

对于两端对称的管路元器件，则有：

2 声阻抗测试方法简介

根据声阻抗的测试原理，将设计的消声器声阻抗的测试装置以图1表示。被测消声器7通过两个法兰连接装置中的前、后测量腔，前、后测量腔分别用刚性支撑6和刚性支撑8固定在阻抗试验平台上。后测量腔可放置在支撑8内侧或它的外侧，长度尽可能小，后测量腔通过刚性背衬封闭。水听器4分别放置在前测量腔5和后测量腔9中。在测量声阻抗时，由测量振动加速度来得到工作介质的体积振动速度。在声阻抗试验装置中，激振机1与装置的2组成声激励，加速度计安装在激励端面上。因此，被测柔性元件入口处液体的体积振动速度，可以由声激励端的轴向振动速度与声激励端截面积的乘积来确定。

图1 管路元件声阻抗试验装置简图Fig.1 The test equipment of the acoustic impedance of pipe element

根据声阻抗定义，通过前测量腔布置一个加速度计A1和水听器P1以及后测量腔布置一个水听器P2测量处理得到被测试件的声阻抗。当测量装置满足声阻抗测试的边界条件时，其声阻抗的数学模型如下[3]：

式中：

ρc—水介质的特征阻抗率，其中ρ为水密度，c为水中实际声速；

la—加速度计到被测元件前表面的距离；

li—前测量腔水听器到被测元件前表面的距离；

la-li—前测量腔加速度计和水听器之间的距离；

le-lt—后测量腔的长度；

le-lo—后测量腔水听器到末端堵塞面的距离；

Qout=0—声阻抗测试时输出端边界振动约束条件。

如果消声器两端不对称，则将消声器一端（1#）作为输入端安装时测量得到输入声阻抗Z11和传递声阻抗Z21，然后将消声器另一端（2#）作为输入端安装时测量得到输入声阻抗Z22和传递声阻抗Z12。

3 水管路消声器声阻抗测试

3.1 声阻抗测试装置

水管路消声器声阻抗测试装置包含：阻抗平台、声激励系统、前后刚性支撑、前后测量腔、测试系统、传感器和辅助装置等。声阻抗试验装置通过前后支撑刚性固定在阻抗平台上，测量腔上安装有刚性支撑，以减小振动对测试结果的影响。测量腔用来形成平面声波和放置测量传感器。根据管路元件声阻抗测试原理，经过多次测试比较后，采用了图1所示的安装方式，使输出端近似理想边界状态。

本次测试研究的海水消声器尺寸Φ316×1 000 mm，公称通径DN100 mm，最大工作压力3.3 MPa。消声器为抗性结构，形状为穿孔扩张式，消声器两端结构不对称。鉴于该消声器两端结构不对称，因此，需要对该水消声器的声阻抗测试分正向安装（1#端为输入端）和反向安装（2#端为输入端）两种安装状态进行，水管路消声器声阻抗测试装置见图2。

图2 水管路消声器正向安装时的声阻抗测试装置图Fig.2 The test equipment of the acoustic impedance at Silencer in Water Pipe in flow direction installation

3.2 测点布置

为测量得到海水消声器的声阻抗，本试验需要在声激励装置内沿声阻抗装置的轴向布置加速度计A1、前测量腔内的水听器P1与后测量腔内的水听器P2等的测量信号。各传感器测量位置见图1所示。同时还在前测量腔沿轴向的不同位置布置两个水听器（见图2），作为监测水声信号，用于管中平面波信号的监测。在测量声阻抗测试装置的前支撑、前测量腔、后支撑等处的各截面沿轴向安装了加速度计，用来监测各截面与激励端之间的振级落差，以保证末端堵塞法测消声器声阻抗的有效性。

3.3 声阻抗测试系统

在声阻抗测试系统中，声激励端的加速度测量采用PCB公司的M352C68 ICP型压电加速度计。水听器采用GRAS公司的10CT，水声信号由B&K 2692AOS4电荷放大器调理。数据采集仪采用B&K 的PULSE 3660。

3.4 声阻抗测试结果

测量数据经过声阻抗处理公式计算后就能得到声阻抗。消声器正向安装时，得到输入声阻抗Z11和输入端（1#端）向输出端（2#端）的传递声阻抗Z21。消声器反向安装时，得到输出端的声阻抗Z22和输出端（2#端）向输入端（1#端）的传递声阻抗Z12。

图3 水消声器声阻抗测试结果（2MPa）Fig.3 The measurement results of the acoustic impedance for Silencer in Water Pipe(2MPa)

图4 水消声器声阻抗测试结果（3MPa）Fig.4 The measurement results of the acoustic impedance for Silencer in Water Pipe(3MPa)

图3～4分别显示了2 MPa和3 MPa压力下海水消声器的四个声阻抗的结果。从声阻抗结果图中可以看出，由于该消声器两端结构不对称，因此，测试得到的声阻抗Z11与Z22的频率特性曲线不相同。说明两端的声学特性不完全相同，因此，在安装消声器时应注意消声器在管路系统中的方向。按本文中装置测试的传递声阻抗Z21与Z12的频率特性曲线的特征基本一致，验证了传递声阻抗的互易性。图中可以看出，传递声阻抗Z21与Z12出现的两个峰值（反共振点）频率与两个端部声阻抗Z11与Z22的峰值频率相对应。

3 结 论

本文对两端不对称的管路元件声阻抗进行测试研究。根据改进后的声阻抗试验装置试验结果，显示结果符合声阻抗变化规律，验证了传递声阻抗的互易性，表明管路元件声阻抗测试方法与本试验装置可应用于消声器的声阻抗测试。

[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]周庆云,刘忠族,王锁泉,朱 忠.管路元件声阻抗试验研究[C].第十一届船舶水下噪声学术研讨会论文集,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]刘忠族,孙玉东,周庆云.管路柔性元件声阻抗测试方法研究[J].舰船科学技术,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

周庆云（1962-），女，高级工程师，E-mail：qingyun_zh@163.com；

万夏琪（1988-），男，助理工程师。