水下排气降噪试验研究

2023-06-13张德满赵俊涛张禄京

舰船科学技术 2023年9期

张德满，王博，赵俊涛，张禄京，邓鹏，李斌，唐州

(武汉第二船舶设计研究所，湖北武汉 430064)

0 引言

水下工作设备向水中排气时，会产生较大的水下辐射噪声，影响设备的工作性能[1−2]。郝宗睿等的研究表明[3−4]，通过减小排入水中气泡的尺寸可以降低排气噪声。因此在排气管路末端安装排气装置，通过众多小孔，将排放气体以小直径气泡的形式排入水中，同时对排气装置进行降噪处理，是降低水下工作设备排气噪声的一条有效途径。

水下排气过程中，排气装置的噪声，可能会从排气通道以及排气装置壳体等途径向水中辐射。本文通过绘制排气装置等距离噪声强度曲线的方法，判断排气装置噪声源及其传播途径，采用微穿孔板结构消音技术、气泡型隔声板技术，对水下排气装置进行降噪处理，并通过试验方法，研究降噪技术的降噪效果。

1 排气装置及其排气噪声

水下排气装置由壳体和小气泡生成器组合而成，如图1所示。水下工作设备运行过程中产生的气体由排气装置下方进入壳体下腔，进入安装于排气装置内的小气泡生成器，并从小气泡生成器表面的小孔排入水中，形成直径约为0.5 mm左右的气泡，在浮力作用下排出排气装置。

图1 水下排气装置Fig.1 Underwater exhaust device

为测量气体经排气装置排入水中的辐射噪声，搭建水下排气噪声测试台架（见图2），试验台架主要由气瓶、截止阀、调节阀、流量计、排气装置、水听器、浮球、信号采集设备等组成。气瓶中的气体经过管路上的调节阀，调成排气装置额定工作流量（60 m3/h）。水听器布置于排气装置斜上方1 m处。

图2 水下排气噪声测试台架示意图Fig.2 Schematic diagram of underwater exhaust noise test bench

设某辐射噪声值为基准值（记为0 dB），本文所述辐射噪声值，都为减去基准值得到的数值。排气稳定时开始测量，测得排气噪声如图3所示，排气噪声总级为48.2 dB，在800 Hz频带处幅值最大，为45.8 dB。幅值超过40 dB的带宽约为700 Hz。

图3 水下排气装置排气噪声Fig.3 Exhaust noise of underwater exhaust device

2 水下排气消音器设计及试验

2.1 消音器设计

针对水下排气噪声，采用微穿孔板结构消音器进行降噪，具有较好的效果[5]。由图3可知，排气噪声峰值频率为800 Hz，因此设计微穿孔板结构的共振频率f0为800 Hz。设共振频率处的吸声系数为α0，其值越高则共振频率处的吸声效果越好，本文α0取99%。根据式(1)，可以算出相对声阻r为0.819。

微穿孔板结构吸声系数在共振频率处吸声系数最大，共振频率两侧吸声系数逐渐减小，设吸声系数为50%时的频率分别为f1和f2。水下排气噪声幅值大于40 dB的频带宽度约为700 Hz，取f1和f2的差值为700 Hz，水中声速c为1 500 m/s，由式(2)可以算出穿孔板后共振腔的厚度L为0.144 m。

如公式(3)所示，微穿孔直径d、板厚度t、穿孔率P及共振腔的厚度L共同确定共振频率f0。微穿孔直径d和穿孔板厚度t取常用参数都为1 mm。由式(3)可以计算出穿孔率P为2.9%。

设计出微穿孔板共振吸声结构的参数如下：微穿孔板板厚t为1 mm，穿孔直径d为1 mm，穿孔率P为2.9%，穿孔板后共振腔的厚度L为0.144 m。

微穿孔板吸声腔长度H越长，吸声效果越好，但受设备总体尺寸限制，H取为1 600 mm。消音器内排气通道直径D越小，吸声效果越好，本文设计与排气装置出口直径相同，D取为350 mm。为增加消音器吸声频带宽度，在共振腔中填充多孔型陶瓷棉，厚度为吸声腔厚度的一半72 mm。排气消音器示意图如图4所示。

图4 微穿孔板结构消音器示意图Fig.4 Schematic diagram of micro perforated plate structure silencer

水下排气过程中，整个装置内部分布着致密的气泡，如图5所示。排气装置产生的排气噪声在向外辐射的过程中，被消音器吸收的同时，还会受到排气装置内水中气泡的反射阻挡。为使气泡在上浮过程中自由扩散并在通道内均匀分布，改善气泡对噪声的反射效果，在排气装置上安装一段扩散筒。

图5 气泡排出示意图Fig.5 Schematic diagram of bubble discharge

2.2 消音效果测试

采用图2所示的测试系统，测量安装扩散筒和消音器之后，排气装置出口斜上方1 m处的排气噪声，结果如图6所示。辐射噪声总级为44.1dB，相比增加消音器之前总声级降低了4.1dB，主要体现在800 Hz左右频带的噪声降幅较大，其他频率噪声降低幅度较小。

图6 增加消音器前后排气噪声对比图Fig.6 Comparison diagram of exhaust noise before and after adding the silencer

3 噪声源定位及排气装置隔声

3.1 噪声源定位

为进一步降低排气装置的辐射噪声，需对噪声源进行定位分析。在相同排气工况下，沿安装扩散筒和消音器之后的排气装置外侧0.5 m和1.0 m等距离线，测量等距离线上辐射噪声的分布情况，测量结果如图7所示。

图7 装置四周噪声强度分布图Fig.7 Noise distribution around the device

结果显示，在等距离线上，排气装置本体外侧噪声级最高，其0.5 m和1.0 m等距离线上的值分别约为50.3 dB和47.3 dB。沿等距离线向上，辐射噪声逐渐减小，排气消音器外侧0.5 m和1.0 m等距离线上的辐射噪声值分别约为46.5 dB和45.8 dB，正对消音器出口处辐射噪声值分别约为44.8 dB和44.3 dB，消音器出口噪声不突出。

由此可以判断，噪声源在排气装置内，辐射噪声主要由整个排气装置的外壁向外辐射。因此需在整个排气装置的外壁上采取措施，隔断辐射噪声向外辐射。

3.2 装置隔声设计

与空气中传播相比，相同频率的噪声在水中传播时，波长较长、阻尼系数较小，相对于空气中隔声措施，在水中隔声时较难建立“阻抗适配”，难以阻断噪声传播。因此，一般的隔声措施在水中隔声效果较差。唐广鑫等[6]对水下隔声材料的隔声性能进行了详细的理论和试验研究，表明在水中采用气垫隔声结构进行隔声，能取得较好的隔声效果。

为增加气垫隔声结构在水中的承压能力，采用气泡型泡沫板代替气垫隔声结构中的空气腔，形成气泡型隔声板。气泡型隔声板内层和外层都为厚3 mm的橡胶板，中间层为厚30 mm的气泡型泡沫板，示意图如图8所示。