一种充水管道射流噪声的测量系统及测量方法与流程

本发明属于声学测量领域，尤其涉及一种充水管道射流噪声的测量系统及测量方法。

背景技术：

水下射流噪声一般是由浸没于水中的充水管道内的水以一定的流速从管口喷出，因快速喷出的水流与静水之间急剧掺混，两者相互作用而产生的辐射噪声。射流噪声(非空化)的量级一般较小，很容易被管壁振动的辐射噪声淹没，若利用混响法中连续移动水听器进行空间平均去采集射流噪声时，则由水听器连续运动产生的低速流噪声将掺混在射流噪声中，这对水下射流噪声的试验研究是非常不利的。专利(CN 104132727 A)---一种高层/超高层建筑排水管道噪声测试系统及测试方法和专利(CN 101368845 A)---排水管道噪声检测室及其检测方法，均涉及的是排水管道在空气中的辐射噪声测试；王曼(见应用声学，2003(1)：35-38)开展的充液管路噪声声辐射控制研究，只是在管口放置水听器声强阵以评价消音器的声学性能，没有涉及充水管道的水流快速喷射至静水中所产生的射流噪声的测量系统及测量方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种结构简单，测量效果好的充水管道射流噪声的测量系统。本发明的目的还包括提供一种准确、有效的充水管道射流噪声的测量方法。

一种充水管道射流噪声的测量系统，包括充水管道、混响箱、有机玻璃板和水听器垂直线阵；

混响箱为钢制长方体结构，内部充水，顶端无盖，底部采用横梁支撑；有机玻璃板安装在混响箱内部，将混响箱分割成两部分：射流区和测试区；充水管道放置在混响箱的射流区；水听器垂直线阵放置在混响箱内的测试区。

一种充水管道射流噪声的测量系统，还可以包括：

1、充水管道的管身安装N对减振箱，减振箱是双层半圆柱壳结构，无顶盖，减振箱的内径与充水管道的外径是相同的，双层半圆柱壳结构的两端有接耳，接耳上有通孔，每对减振箱的接耳相对，在接耳处连接，减振箱内部充填铁砂。

2、充水管道的管口安装有一对管口夹具，管口夹具为半圆环结构，管口夹具的内径和充水管道的外径是相同的，管口夹具的外侧带有接耳，开有通孔，两个管口夹具的接耳相对，在接耳处连接。

3、充水管道的管口安装有障板，障板与管口夹具连接；障板的内径和充水管道的外径是相同的，障板的下表面与充水管道的管口是平齐的。

4、充水管道的一端接射流源，充水管道的另一端放置在混响箱的射流区中心，充水管道的轴线垂直于混响箱内的水面，充水管道的管口和障板的上表面浸没于水下。

5、障板的外径为管外径的三倍。

一种充水管道射流噪声的测量方法，包括以下步骤，

步骤一：将混响箱内充水，通过水听器垂直线阵测量混响箱内测试区测点位置处的背景噪声，并将不同测点位置处的背景噪声进行求和、平均；

步骤二：在混响箱内射流区的中心吊放发射换能器，通过水听器垂直线阵测量混响箱内测试区测点位置处的声压功率谱、混响时间，并对不同测点位置处的声压功率谱和混响时间进行求和、平均；

步骤三：将充水管道安装减振箱、管口夹具和障板后，充水管道的管口放置在水面附近，使得充水管道内的水以速度K喷射至混响箱的射流区内，溢流的水通过混响箱的导流装置导出；

步骤四：通过混响箱内水听器垂直线阵测量测点位置处的充水管道形成的水下射流噪声的声压功率谱；

步骤五：利用发射换能器在自由场的声压功率谱数据和混响时间数据计算混响箱的房间常数，对S4步骤中的声压功率谱进行修正，则得到充水管道水下射流噪声的等效自由场声压级及自由场的辐射声功率。

有益效果：

本发明的有益之处是利用钢板制成的箱作为混响箱进行充水管道射流噪声的试验测试，由于混响箱内部充水，外部为空气，箱壁的特性阻抗比空气的特性阻抗大很多(近80000倍)，射流噪声辐射到箱壁的声波能很好地返回到混响箱内，而且声能损失很小(约为千分之一)，通过校准混响箱的房间常数，就能够得到充水管道射流噪声的等效自由场声压级及自由场的辐射声功率；采用在充水管道的管身上安装减振箱进行抑振，减少了管壁向水中辐射的声能，很大程度上衰减了管壁辐射噪声的影响；采用将充水管道轴线垂直于混响箱内的水面，管口刚浸没于混响箱内水面的方法进行射流噪声测试，水面的上面为空气，下部为水，属于声学上的绝对软边界，而且管口浸没于水面时，管口的辐射阻抗相较充水管道完全浸没于水中时的辐射阻抗低，这也减弱了管口向水中辐射声波的能力，由于射流辐射噪声的产生最大处是距离管口平面8-10倍管口直径的空间位置处，因此将管口放置在水面，不引起射流辐射噪声的损失；通过在管口处安装障板，障板的上表面刚刚浸没于水下，切断了当充水管道内的水快速喷射入水后形成涡流的路径，避免了产生的涡流噪声对射流噪声测试的影响。

本发明的充水管道射流噪声测量方法避免了在自由场测量射流噪声时，水听器会受到射流的冲击，产生“伪声”影响；该测量方法通过将射流控制在射流区，射流区的声能通过有机玻璃板传播至测试区，由于测试区内属于静水，很好地避免了水听器受到流冲击的影响；该测量方法是利用水听器垂直线阵定点进行射流辐射噪声的测量，没有采用水下混响法中连续移动水听器进行空间平均的方法，避免了测试过程中水听器、水听器连接线缆相对静水运动而产生的流噪声影响，这也降低了充水管道射流噪声测试时的水听器自身的背景噪声；利用混响箱结合混响法测量充水管道的射流噪声，工作量比自由场测量射流噪声的工作量要小得多，而且试验实施更容易。

附图说明

图1为混响箱示意图；

图2为充水管道放置示意图；

图3为减振箱剖面图；

图4为减振箱俯视图；

图5为管口夹具和障板俯视图；

图6为水听器垂直线阵示意图；

图7为混响箱测试区测点位置示意图；

图8为本发明充水管道射流噪声测量系统及测量方法的实施例的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明的目的是提供一种充水管道射流噪声的测量系统及测量方法，能够解决充水管道射流噪声的测量问题。

一种充水管道射流噪声的测量系统及测量方法，包括充水管道、混响箱、有机玻璃板、水听器垂直线阵，所述充水管道安装在混响箱内的射流区，所述混响箱为长方体结构，无顶盖，底部采用横梁支撑，内部充水，外部为空气，所述有机玻璃板将混响箱分割为两部分：射流区和测试区；所述水听器垂直线阵放置在混响箱的测试区内，采集充水管道射流辐射的噪声。

所述充水管道为钢质圆形结构。

所述混响箱的射流区体积为测试区体积的两倍，在混响箱的测试区内有多个测点位置。

所述充水管道的管身安装减振箱，减振箱为双层半圆柱壳结构，无顶盖，内部充填铁砂，减振箱的内径与充水管道的外径是相同的，减振箱的外侧带有接耳，接耳上开有四个螺栓通孔，双层半圆柱壳的外、内半径之差为管壁厚度的十倍；所述充水管道的管口安装管口夹具，管口夹具为半圆环结构，开有三个螺栓通孔，管口夹具的内径与充水管道的外径是相同的，管口夹具的外侧带有接耳，接耳上开有两个螺栓通孔；所述充水管道的管口处安装障板，障板为圆环结构，内环的直径跟充水管道的外径是相同的，障板上开有螺纹孔，螺纹孔的中心跟紧固的管口夹具上的螺栓通孔中心是对齐的，障板的厚度为管壁厚度的两倍，障板的外径为管口外径的三倍。

将两个减振箱套在充水管道的管身上，两个减振箱的接耳相对，在接耳处穿以双头螺柱，利用螺母进行紧固，减振箱就安装在充水管道的管身上，在减振箱内部填充铁砂，充水管道的管身上安装五对减振箱，两两减振箱之间的间隔为充水管道的外径长度；将两个管口夹具的接耳相对，在接耳处穿以双头螺柱，利用螺母进行紧固，管口夹具就安装在充水管道的管口处，管口夹具与管口平面之间的距离为障板的厚度；将障板套进管口，障板上的螺丝孔对齐管口夹具上的通孔，将螺栓通过管口夹具上的通孔，拧入至障板中，紧固螺栓，使障板与管口平齐，在障板与管口之间的缝隙处涂以密封胶，堵塞缝隙，并利用裁纸刀将密封胶刮平，使障板与管口之间贴合良好。

所述充水管道的一端接射流源，充水管道的另一端放置在混响箱的射流区中心，充水管道的轴线垂直于混响箱内的水面，充水管道的管口和障板的上表面刚刚浸没于水下。

所述水听器垂直线阵为一水听器线列阵，水听器等间隔排列，水听器垂直线阵上两端的水听器不能接近水面和水箱底部，水听器垂直线阵放置在混响箱的测试区内。

一种充水管道射流噪声测量系统和测量方法，所述测量方法的步骤如下：

步骤S1：将所述混响箱内充满水，通过水听器垂直线阵在测试区内按照指定的位置，测定测试区测点位置处的背景噪声，并将不同测点位置处的背景噪声进行求和、平均；

步骤S2：在混响箱的射流区中心处吊放发射换能器，通过水听器垂直线阵在测试区内按照测点的位置，测定测试区不同空间测点位置处的声源声压功率谱、混响时间，并将不同空间测点位置处的声源声压功率谱和混响时间进行求和、平均；

步骤S3：将减振箱、管口夹具和障板安装在充水管道后，充水管道的管口和障板的上表面刚刚浸没于水面，开启射流源，使得充水管道内的水以一定的速度喷射至混响箱的射流区内，溢流的水经过混响箱的导流装置导出；

步骤S4：通过水听器垂直线阵在测试区内按照测点的位置，分别测量充水管道形成的水下射流时的声压功率谱，并将不同空间测点位置处的声压功率谱进行求和、平均；

步骤S5：利用发射换能器自由场条件下的声压功率谱数据和混响时间数据，得到混响箱的房间常数，并对步骤S4中的声压功率谱进行修正，就可以得到充水管道水下射流的等效自由场声压级和自由场的辐射声功率。

本发明公开了一种充水管道射流噪声的测量系统及测量方法，包括充水管道、混响箱、有机玻璃板、水听器垂直线阵，所述充水管道放置在混响箱的射流区，所述混响箱为钢制长方体结构，所述有机玻璃板将混响箱分割成两部分：射流区和测试区，所述水听器垂直线阵放置在混响箱的测试区；该充水管道射流噪声的测量系统，可靠地消除了充水管道受水流冲击或水泵振动等产生的管壁辐射噪声，消除了空间平均时因水听器运动而产生的流噪声；该充水管道射流噪声的测量方法，消除了自由场测量射流噪声时，水听器受到水流的冲击形成“伪声”的影响，利用混响法的优点，减少了自由场测量充水管道射流噪声辐射声功率的工作量。

一种充水管道射流噪声的测量系统及测量方法，包括充水管道、混响箱、有机玻璃板、水听器垂直线阵，所述充水管道放置在混响箱的射流区，所述混响箱为钢制长方体结构，顶端无盖，底部采用横梁支撑，不与地面接触，所述有机玻璃板将混响箱分割成两部分：射流区和测试区；所述水听器垂直线阵放置在混响箱内的测试区；充水管道的轴线垂直于混响箱内的水面，管口和障板的上表面刚刚浸没于水下。

充水管道的管身安装减振箱，减振箱是双层半圆柱壳结构，一端无盖，双层半圆柱壳结构的两端有接耳，接耳上有通孔，采用双头螺柱和螺母将减振箱固定在管身上，在减振箱内部充填铁砂。

充水管道的管口安装管口夹具，管口夹具为半圆环结构，开有螺栓通孔。

充水管道的管口安装障板，障板上开有螺丝孔，螺丝孔中心与紧固的管口夹具中的螺栓通孔中心是对齐的，采用双头螺柱和螺母将障板紧固在管口夹具上。障板的外表面与充水管道的管口是平齐的。

减振箱的内径与充水管道的外径是相同的，管口夹具的内径和充水管道的外径是相同的，障板的内径和充水管道的外径是相同的。减振箱的外、内径之差为管壁厚度的十倍，障板的厚度为管壁厚度的两倍，障板的外径为管外径的三倍。

所述水听器垂直线阵是由幅度和相位经过校准的水听器组成，测量方法包括以下步骤：

步骤S1：将所述混响箱内充水，通过水听器垂直线阵测量混响箱内测试区测点位置处的背景噪声，并将不同测点位置处的背景噪声进行求和、平均；

步骤S2：在混响箱内射流区的中心吊放发射换能器，通过水听器垂直线阵测量混响箱内测试区测点位置处的声压功率谱、混响时间，并对不同测点位置处的声压功率谱和混响时间进行求和、平均；

步骤S3：将充水管道安装减振箱、管口夹具和障板后，充水管道的管口放置在水面附近，使得充水管道内的水以一定的速度喷射至混响箱的射流区内，溢流的水通过混响箱的导流装置导出；

步骤S4：通过混响箱内水听器垂直线阵测量测点位置处的充水管道形成的水下射流噪声的声压功率谱；

步骤S5：利用发射换能器在自由场的声压功率谱数据和混响时间数据计算混响箱的房间常数，对S4步骤中的声压功率谱进行修正，则得到充水管道水下射流噪声的等效自由场声压级及自由场的辐射声功率；

步骤S1、S2和S4中，还包括：

所述的水听器垂直线阵，在测试过程中，按照测试点位置在测试区进行移动，当移动到指定位置后，进行试验测量，要求步骤S2和步骤S4中的水听器垂直线阵布放位置保持一致。

如图1～图7所示，一种充水管道射流噪声的测量系统及测量方法，包括混响箱1、有机玻璃板2、充水管道3、水听器垂直线阵4，所述混响箱1由钢板制成，结构为长方体，顶端无盖，所述有机玻璃板2插入至混响箱1的内部，所述充水管道3的管身上安装有五对减振箱31，在充水管道3的管口上安装有管口夹具32和障板33，所述水听器垂直线阵4由八个水听器41组成。

所述混响箱1的尺寸为长9m、宽3.6m、高1.7m，箱体厚度1cm，在混响箱1的顶端有溢流槽，混响箱1的底部采用横梁支撑，内部充水，外部为空气。

所述有机玻璃板2的尺寸为长3.58m、宽1.7m，厚度2cm，将有机玻璃板2插入至混响箱1内，在有机玻璃板2的边缘与混响箱1相接的地方，采用玻璃胶进行灌封、堵缝，并利用裁纸刀将玻璃胶的毛刺刮掉，有机玻璃板2将混响箱1分割为射流区和测试区，射流区的体积约为测试区体积的两倍。

所述充水管道3为钢制圆形管道，内部充水，管的内径为88mm，管的外径为108mm，长度为2m，充水管道3的一端接射流源，另一端放置在混响箱1内；在充水管道3的管身上安装减振箱31，减振箱31由铁皮加工制成，双层半圆柱壳结构，无顶盖，在半圆柱壳的两端有接耳，接耳上开有四个通孔，减振箱31长200mm，内径为108mm，壳体厚度为3mm，内壳的内表面和外壳的外表面之间的径向距离为106mm，将两个减振箱31的内侧贴到充水管道3的管身上，接耳相对，对齐接耳上的四个通孔，利用双头螺柱和螺母34紧固，使减振箱31严密贴合在充水管道3上，在减振箱31内充填铁砂，填满后的铁砂表面与减振箱31的顶端平齐，在充水管道3上共安装五对减振箱31，两个减振箱31之间的间隔为100mm，两个减振箱31的接耳所成的连线与其它减振箱31的接耳所成的连线之间夹角为72度，也即减振箱31的接耳交错排列；在充水管道3的管口处，安装管口夹具32，管口夹具32为半圆环结构，厚度为20mm，内径为108mm，外径为208mm，即内、外圆环的径向距离为100mm，在管口夹具32的两端有接耳，接耳上开有通孔，在管口夹具32上开有通孔，紧固的管口夹具32上的通孔中心与障板33上的螺纹孔中心是对齐的，将两个管口夹具32贴在充水管道3的管口附近，管口夹具32的平面距管口平面的距离为障板33的厚度，将管口夹具32的接耳相对，利用双头螺柱和螺母35紧固，使管口夹具32紧贴在充水管道3的管口处；在充水管道3的管口处安装障板33，障板33为圆环结构，厚度为20mm，内径为108mm，外径为324mm，在障板33上开有螺纹孔，螺纹孔的位置与管口夹具32上的通孔位置是匹配的，将障板33放置在充水管道3的管口附近，利用螺栓36通过管口夹具32上的通孔后，将障板33紧固在管口夹具32上，此时障板33的下表面与充水管道3管口的平面是平齐的，在障板33与充水管道3的管口之间的缝隙，涂以密封胶(型号：704)，然后利用裁纸刀刮平，使障板33与充水管道3的管口之间无缝隙。

所述减振箱31内充填的铁砂，粒度范围在0.2mm-2mm之间。

所述水听器垂直线阵4由八个水听器41组成，水听器为B&K公司的8103型号，利用耦合腔互易校准方法对水听器41的幅度和相位进行一致性校准，水听器垂直线阵4的总长度为1.4m，水听器41按照0.2m的间距等间隔排列，水听器41采用尼龙扎带固定在一柔软的弹性极好的绳子上，绳子的底端悬挂一铅块，利用铅块的重量将绳子拉直，每个水听器41的电缆均需利用尼龙扎带按照0.1m的间隔扎紧在绳子上；将水听器垂直线阵4按照图8所示的混响箱内的位置进行放置；水听器垂直线阵4的另一端接数据采集与分析设备(本实施例未示出)。

混响箱内测试区长3.6m，宽3m，高1.7m，如图8所示，测试区内水听器垂直线阵距离箱体壁面和有机玻璃板之间的直线距离均为1m，在长度方向选取五个等间距测点，测点间距为0.4m，宽度方向选取四个等间距测点，测点间距为0.33m，这样混响箱内总计二十个测点。

图1～图7中，1为混响箱，2为有机玻璃板，3为充水管道，31为减振箱，32为管口夹具，33为障板，34为双头螺柱和螺母，35为双头螺柱和螺母，36为螺栓，4为水听器垂直线阵，41为水听器。

如图8所示，一种充水管道射流噪声测量系统及测量方法，所述测量方法的步骤如下：

步骤S1：将所述混响箱1内充满水，通过水听器垂直线阵4在测试区内按照图7中所示的测点位置，测定测试区不同空间测点位置处的背景噪声，并将不同空间测点位置处的背景噪声进行求和、平均；

步骤S2：在混响箱1的射流区中心处吊放发射换能器，通过水听器垂直线阵4在混响箱1的测试区内按照图7中所示的测点位置，测定测试区不同空间测点位置处的声源声压功率谱、混响时间，并将不同空间测点位置处的声源声压功率谱和混响时间进行求和、平均；

步骤S3：将减振箱31、管口夹具32和障板33安装在充水管道3后，充水管道3的管口和障板33的上表面刚刚浸没于水面，开启射流源，使得充水管道3内的水以一定的速度喷射至混响箱1的射流区内，溢流的水经过混响箱1的导流装置导出；

步骤S4：通过水听器垂直线阵4在混响箱1的测试区内按照图7所示的测点位置，测量充水管道3形成的水下射流时的声压功率谱，并将不同空间测点位置处的声压功率谱进行求和、平均；

步骤S5：利用发射换能器自由场条件下的声压功率谱数据和混响时间数据，得到混响箱1的房间常数，并对步骤S4中的声压功率谱进行修正，就可以得到充水管道3水下射流的自由场等效声压级及辐射声功率。

本发明利用置于空气中的充水混响箱1进行充水管道3的射流噪声测量，利用箱壁良好的声反射，将充水管道3的射流辐射声能很好地储存在混响箱1内；利用有机玻璃板2将混响箱1分为射流区和测试区，由于有机玻璃板2的特性阻抗跟水接近，射流区内的射流声能能够很好地传播至测试区，而且测试区的水听器处于静水之中，不受射流所引起的水流影响；利用减振箱31很好地减弱了充水管道3管壁的振动；将充水管道3放置在混响箱1内射流区的水面位置处，利用水面的绝对软边界声学条件，降低管口的声辐射能力；利用管口夹具32和障板33消除了因管口水流冲击而产生的涡流噪声影响；利用定点移动水听器垂直线阵4的方法去采集充水管道3的射流噪声，消除了水下混响法中利用空间不断移动的水听器去进行空间平均时，水听器及水听器电缆在运行过程中，因抖动引起的低频噪声干扰，以及运行过程中因相对静水运动引起的流噪声干扰；利用混响法测量充水管道的射流噪声，试验实施更容易，减少了测量的工作量。