一种水下开孔流激噪声充液式主动控制装置的制作方法

本发明属于振动噪声控制技术领域，具体涉及一种水下流激噪声主动控制装置。

背景技术：

水下航行器开孔模型暴露在周围流场中，当流体剪切流经过时就会产生噪声。通过孔腔的剪切流不仅会产生压力的自持振荡，引起开孔附近压力周期性变化而产生线谱噪声，同时当剪切流运动和腔体的某些模态发生耦合振荡时，更会导致动载荷很大并加剧线谱的强度。水下开孔噪声虽然可通过采用启闭装置进行控制，但部分开孔由于安全性考虑，不允许封闭。数值计算表面，在开孔前缘设置导流罩可有效抑制开孔产生的流激噪声线谱，但由于新增导流罩装置，可能导致高航速下高频噪声升高。

开孔处腔体的流体自持振荡是开孔流动发声的根源。流体介质在流经开孔后，在一定雷诺数下，开孔尾流会交替出现脱落涡，会常胜压力的自持振荡，从而产生噪声，即流体-动力振荡噪声。同时，由于自持振荡频率和结构/腔体固有频率接近，激励结构/腔体在固有频率下振动，更会产生强线谱噪声，即流体-空腔共鸣振荡和流体-弹性振荡噪声。但是，无论是哪种空腔自持振荡，其激励源都是沿着开孔的不稳定剪切流。因此，为了控制开孔流激振荡线谱噪声，关键在于实现对开孔剪切流动的控制。

数值计算结果表明，在开孔前缘增加导流罩，可以破坏从前缘脱落的流体脉动向后缘撞击，从而显著改变开孔部位的流动状态，从而对流激开孔噪声线谱进行抑制。但导流罩的存在，扰动了开孔附近的流场，在一定航速下，可能导致高频噪声过高。因此急需采用主动控制的措施，兼顾低频线谱和高频噪声，对流激开孔噪声进行控制。近年来，在航空航天领域，针对空气介质，已有开孔流激振荡噪声主动控制装置的研究，但目前并未见到应用于水下开孔流激线谱噪声主动控制的报道。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种水下开孔流激噪声充液式主动控制装置，该装置能够工作在水下的，结构简单、易于实现、可靠性高、安装方便、环境适应性强，可实现对水下开孔流激线谱噪声的主动控制。

实现本发明的技术方案如下：

一种水下开孔流激噪声充液式主动控制装置，包括液腔、振动/脉动力监测传感器、控制箱及液压泵/阀；所述液腔镶嵌安装在水下开孔的前缘，所述振动/脉动力监测传感器安装于所述开孔上，所述控制箱与所述振动/脉动力监测传感器及液压泵/阀相连，所述液腔与所述液压泵/阀相连，所述控制箱根据振动/脉动力监测传感器的监测结果，控制液压泵/阀向液腔内充放液。

进一步地，本发明所述液腔的表皮为具有一定伸展性和抗压性的橡胶皮，橡胶皮最大伸长率超过500％，最大承受压力超过4.5mpa。

进一步地，本发明所述振动/脉动力监测传感器为干端振动传感器或湿端脉动压力传感器，当为干端振动传感器时，安装在水下开孔的内表面，当为湿端脉动压力传感器时，安装在水下开孔外表面预留的安装孔上；用于实时监测流激开孔产生的脉动压力或者振动线谱，并反馈至控制箱，控制箱根据振动/脉动力监测传感器的输入实时调整控制策略。

进一步地，本发明所述控制箱为整个控制系统的中枢，根据振动/脉动力监测传感器采集的数据，进行实时判断，若有低频线谱产生则启动液压泵/阀，进行充液，当脉动线谱消失时，则停止充液；若高频噪声升高则抽出液腔内的液体，保证流激噪声在低频和中高频均处于较低水平。

进一步地，本发明所述液压泵/阀为低噪声智能泵/阀，其开启状态和流量受控制箱控制，液压泵/阀采用双层隔振装置隔振，开启时不会产生强机械噪声。

有益效果

本发明水下开孔流激噪声主动控制装置，其结构形式简单，运动件少，可靠性高，且能兼顾低频线谱和高频脉动的控制，装置不工作时，不会引来额外的噪声，在深水高压环境中也能保证工作能力。

附图说明

图1为流激开孔噪声产生的机理图；

图2为本发明扰乱流体激励的机理图；

图3为本发明装置的示意图，(a)为液腔未充液时的状态，(b)为液腔未充液时的状态；

图4为开孔增加充液液腔(相当于导流罩)前后脉动压力对比。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

开孔流激线谱噪声的机理如下：流体介质在流经开孔后，会在开孔前缘产生涡脱落，从前缘脱落的涡随着流体运动撞击开孔后缘，从而产生一个压力的反馈作用，这种压力反馈会影响前缘的涡脱落，在一定雷诺数下，会加剧前缘的涡脱落，进一步撞击开孔后缘，从而产生周期性噪声，如图1所示。同时，由于自持振荡频率和结构/腔体固有频率接近，激励结构/腔体在固有频率下振动，更会产生强线谱噪声，从而辐射出较强的噪声。因此，只要能扰乱开孔处形成的周期性振荡，就能从源头上降低开孔流激线谱噪声。

本发明实施例一种水下开孔流激噪声充液式主动控制装置，它主要适用于降低流激开孔引起的低频线谱噪声，同时在高速时不会引起高频噪声的升高，如图3所示，包括液腔1、振动/脉动力监测传感器2、控制箱3及液压泵/阀4；所述液腔1镶嵌安装在水下开孔的前缘，所述振动/脉动力监测传感器2安装于所述开孔上，所述控制箱3与所述振动/脉动力监测传感器2及液压泵/阀4相连，所述液腔1与所述液压泵/阀4相连，所述控制箱3根据振动/脉动力监测传感器2的监测结果，控制液压泵/阀4向液腔内充放液。

本实施例根据开孔结构流激噪声产生机理，如图2所示，将液腔1安装在开孔前缘。流激噪声强线谱的产生，主要是由于开孔前缘的涡撞击后缘并对前缘涡增益反馈作用产生，流激噪声强线谱产生时，附近流场必然呈现出周期性同相位振荡特性，此时干端振动传感器/湿端脉动压力传感器检测到周期性振动/脉动现象，传感器将这种现象反馈至控制箱，控制箱判定需消除低频流激线谱，开启液压泵/阀，使液腔充液，直至传感器数据显示低频线谱降低或消失。若随着航速增加，装置引起流场高频脉动异常，传感器高频数据偏高，则抽出液腔内液体，降低高频脉动。整个装置的控制原则是在控制低频线谱的前提下，尽量降低高频噪声。如图4所示，为开孔增加充液液腔(相当于导流罩)前后脉动压力对比。

本发明实施例液腔内部为液压油/水等液体，外皮为具有一定伸展性和抗压性的橡胶皮，橡胶皮最大能伸长率超过500％，最大承受压力超过4.5mpa。

本发明实施例振动/脉动力监测传感器为干端振动传感器或湿端脉动压力传感器，当为干端振动传感器时，安装在水下开孔的内表面，当为湿端脉动压力传感器时，安装在水下开孔外表面预留的安装孔上；用于实时监测流激开孔产生的脉动压力或者振动线谱，并反馈至控制箱，控制箱根据振动/脉动力监测传感器的输入实时调整控制策略。

本发明实施例控制箱为整个控制系统的中枢，根据振动/脉动力监测传感器采集的数据，进行实时判断，若有低频线谱产生则启动液压泵/阀，进行充液，若高频噪声升高则抽出液腔内的液体，保证流激噪声在低频和中高频均处于较低水平。

本发明实施例液压泵/阀为低噪声智能泵/阀，其开启状态和流量受控制箱控制，液压泵/阀采用双层隔振装置隔振，开启时不会产生强机械噪声。

本发明水下开孔流激噪声充液式主动控制装置的工作过程为：水下航行器在水下航行时，振动/脉动力监测传感器2会实时监测结构振动/流场脉动压力信息，当监测数据中出现低频线谱时，传感器2将这种现象反馈至控制箱3，控制箱3判定需消除低频流激线谱，开启液压泵/阀4，使液腔1充液。液腔1充液后，流场的周期性同相位脉动力将遭到干扰，从而使流场脉动线谱消失，此时传感器2数据会将数据实时显示出来脉动线谱消失时，关闭液压泵/阀4，液腔1停止充液。若随着航速增加，装置引起流场高频脉动异常，传感器2高频数据偏高，则控制箱3控制开启液压泵/阀4，抽出液腔1内液体，降低高频脉动。整个装置的控制原则是在控制低频线谱的前提下，尽量降低高频噪声，实现总体噪声最低。

本发明水下开孔流激噪声充液式主动控制装置组装步骤如下：

a)将振动传感器2安装在结构内部，脉动压力传感器2安装在空腔内部表面预留的开孔上，不改变空腔内表面形式；

b)振动/脉动力监测传感器2通过数据线接至舱内的控制箱上3；

c)控制箱通过控制线和液压泵/阀连接，可控制液压泵/阀4启闭；

d)液腔1镶嵌安装在开孔前缘，保证装置未工作时，开孔表面线型光顺；

e)液压泵/阀4通过细管和外部液腔1相连，安装截止阀，保证装置受损时外部海水不会灌入舱内。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。