一种混响水池中水泵及管路声学特性的评价方法与流程
本发明属于声学测量领域，具体涉及一种混响水池中水泵及管路声学特性的评价方法。
背景技术：
现阶段，随着减振降噪技术的发展，舰船的螺旋桨噪声及主、辅机噪声得到了有效的抑制，管路系统成为舰船的主要噪声源。水泵及管路系统广泛应用在在舰船、潜艇等水下航行体中，管路系统的噪声不仅会对舰船及潜艇的隐蔽性产生较大的负面影响，而且还会降低管路自身的工作可靠性，有效抑制水泵及管路系统的噪声是实现声隐身的重要环节，因此对水泵及管路声学特性的评价尤为重要。
空气声学中已采用混响室法对管路系统的声学特性进行评价。专利号为cn104132727a的一种高层/超高层建筑排水管道噪声测试系统及测试方法在混响室中评价充液管道的噪声特性；专利号为cn101368845a的排水管道噪声检测室及其检测方法在给排水系统和排水管道周围搭建了具有隔音效果的噪声检测室，并在检测室中通过声级计对排水管道的噪声进行测量。上述专利均是在空气中利用声级计对充液管道的声学特性测量评价。
检索发现：水下有两种评价水泵及管路系统的声学特性的方法。专利号为cn106872010a的一种离心泵流动噪声的测量方法中，在评价离心泵噪声时将水听器直接安装到充液管路离心泵的出入水端，这种方法的缺陷是测量水听器会受到湍流脉动压力的作用而产生畸变；专利号为cn102322935a的一种流动噪声测量装置，采用一种管道-容腔式测量，减少了流噪声干扰，但测量结果有受腔模态影响的缺陷；吴石的《海水管路出口流噪声测量方法及特性研究》提出一种管路噪声的管外测量方法—混响小室法，该方法具有较高的信噪比，测量环境一般不受实验工况影响，但需要在所测管路系统周围搭建一个密封的混响小室，且未对中低频的共振段及低于第一阶模态频率以下频段的流噪声进行校准，无法得到流噪声的真值。
综上所述，现有技术存在实施起来较困难，且未对中低频的共振段及低于第一阶模态频率以下频段的流噪声进行校准，无法得到流噪声的真值等问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种在混响水池中通过测量管路系统出口的辐射声功率级来评价水泵及管路声学特性的方法。
一种混响水池中水泵及管路声学特性的评价方法，包括以下步骤：
(1)选择合适尺寸的混响水池，根据混响水池物理特性计算混响水池的截止频率fs；
(2)利用中断声源法测量混响水池的混响时间t60；
(3)安装待测管路系统，将管路出水端垂直插入混响水池中，并注水；
(4)采用空间平均方法测量水泵及管路系统的空间平均声压级<spl>；
(5)根据混响声场内所测空间平均声压级<spl>推算出声源的辐射声功率级swl。
所述选择合适尺寸的混响水池，根据混响水池物理特性计算混响水池的截止频率fs，包括：
只考虑斜向波，体积为v的混响水池频率低于f的简正波平均总数为：
单位带宽内的简正波数为：
简正波共振峰的平均半功率带宽
其中，
其中，t60为混响时间；
混响水池混响场条件的截止频率决定于单位带宽内简正波的数目及简正波共振峰的半功率带宽，根据schroeder截止频率假定，满足混响场条件时，平均共振峰的半功率带宽内包含有三个简正波，因此，混响场条件表示为：
由此求得：
其中，c0为声波在水中的传播速度，t60为混响时间，混响水池的体积为v。
所述利用中断声源法测量混响水池的混响时间t60，包括：
混响时间测量中会出现重复偏差和空间偏差，为减少重复偏差，每个位置作10次测量并进行平均；同时为减少空间偏差，对声源及水听器分别进行多点空间平均，所有测点距离水池壁面及底面不小于1.5米，声源及水听器取10点进行空间平均。
所述安装待测管路系统，将管路出水端垂直插入混响水池中，并注水，包括：
将待测管路的出水端垂直插入水池中，使水泵工作，向管路中注水，使管路系统处于充液状态。
所述采用空间平均方法测量水泵及管路系统的空间平均声压级<spl>，包括：
(1)布置测试系统与水听器，128路水听器与128通道测试系统相连，128通道测试系统与128路水听器连接采用的是bnc连接头；
(2)打开128通道测试系统和电脑，进入电脑打开测试系统软件对128路水听器进行灵敏度校准；
(3)打开水泵，使管路系统工作，稳定工作3分钟后，采用128通道测试系统测试90秒，采样率为51.2khz，测量得到每个通道的声压级，采用数据处理软件对采集的数据进行时间平均，再对128个通道的数据进行空间平均，得到空间平均声压级<spl>。
所述根据混响声场内所测空间平均声压级<spl>推算出声源的辐射声功率级swl，包括：
在混响水池中当声源辐射时，水池内部声能由直达声能与混响声能两部分组成，假设无指向性声源的平均辐射声功率为
其中，r为混响水池常数，
由于直达声与混响声是不相干的，则他们在空间的叠加表现为能量密度叠加，这时混响水池内声场的总平均能量密度应为：
同时考虑到
上式也写为：
若取1/(4πr2)＝4/r，则确定混响半径：
在此距离上，直达声与混响声大小相等，当r＞rh时，混响声起主要作用；当r＜rh时，直达声起主要作用，当r＞2rh时，混响声比直达声大很多，此时混响水池中的声以混响声为主，直达声忽略；定义此区域为混响控制区，则在混响水池的混响控制区测得的空间平均声压级与声源的辐射声功率级有如下关系：
其中，混响水池常数r只与混响水池物理特性有关，其表达式为：
根据上式即求出泵及管路系统的声功率级swl。
本发明的有益效果在于：
(1)测量方法简单，易操作，实验效果明显，易于评价；
(2)不需要在管路内部安装测量水听器，因此，测量水听器不受湍流脉动压力的影响；
(3)与小室法相比，可得到泵及管路系统辐射声功率真值，而小室法只能得到相对值；
(4)只需普通的混响水池即可进行测量，测量成本极低。
附图说明
图1是本发明操作流程图；
图2是混响水池混响时间测试系统；
图3是台架管路实验系统；
图4是测试系统框图；
图5是水听器布放图；
图6是水听器布放俯视图；
图7是水听器布放侧视图；
图8是高位水箱供水与水泵供水的管路系统噪声对比；
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
图2中：1-测量放大器；2-水听器；3-混响水池；4-球形换能器；5-第一计算机；6-采集器；7-功率放大器；
图3中：3-混响水池；8-高位水箱；9-软管；10-压力表；11-水泵；12-流量计；
图4中：1-测量放大器；3-混响水池；13-管路系统；14-测试系统；15-第二计算机；16-128路水听器阵列；
图5中：3-混响水池；13-管路系统；16-128路水听器阵列；
图6中：3-混响水池；13-管路系统；16-128路水听器阵列；
图7中：3-混响水池；13-管路系统；16-128路水听器阵列；
本发明公开了一种在混响水池中通过128点的空间平均测得管路系统出口端的辐射声功率级来评价水泵及管路声学特性的方法。该方法包括以下步骤:(1)选择合适尺寸的混响水池。根据混响水池的物理特性可估算混响水池的下限频率，确定混响水池有效的测量频率范围。由测量的频率范围需要选择合适尺寸的水池；(2)将待测管路出口的出水端垂直插入水池中水的液面下，向待测管路系统中注水，使其处于充液状态；(3)采用空间平均方法测量水泵及管路系统的空间平均声压级<spl>；(4)求出水泵及管路系统的声功率级sw，再利用后处理软件绘制出水泵及管路系统的声功率级的频响曲线，通过各特征峰值对泵及管路声学特性进行评价。本发明的测量方法原理简单、操作方便，且对泵及管路系统的评价真实可靠，具有极大的实用价值。
本发明属于声学测量领域，具体涉及一种混响水池中通过测量管路系统出口的空间平均声压级来评价水泵及管路声学特性的方法。
现阶段，随着减振降噪技术的发展，舰船的螺旋桨噪声及主、辅机噪声得到了有效的抑制，管路系统成为舰船的主要噪声源。水泵及管路系统广泛应用在在舰船、潜艇等水下航行体中，管路系统的噪声不仅会对舰船及潜艇的隐蔽性产生较大的负面影响，而且还会降低管路自身的工作可靠性，有效抑制水泵及管路系统的噪声是实现声隐身的重要环节，因此对水泵及管路声学特性的评价尤为重要。
空气声学中已采用混响室法对管路系统的声学特性进行评价。专利号为cn104132727a的一种高层/超高层建筑排水管道噪声测试系统及测试方法在混响室中评价充液管道的噪声特性；专利号为cn101368845a的排水管道噪声检测室及其检测方法在给排水系统和排水管道周围搭建了具有隔音效果的噪声检测室，并在检测室中通过声级计对排水管道的噪声进行测量。上述专利均是在空气中利用声级计对充液管道的声学特性测量评价。
检索发现：水下有两种评价水泵及管路系统的声学特性的方法。专利号为cn106872010a的一种离心泵流动噪声的测量方法中，在评价离心泵噪声时将水听器直接安装到充液管路离心泵的出入水端，这种方法的缺陷是测量水听器会受到湍流脉动压力的作用而产生畸变；专利号为cn102322935a的一种流动噪声测量装置，采用一种管道-容腔式测量，减少了流噪声干扰，但测量结果有受腔模态影响的缺陷；吴石的《海水管路出口流噪声测量方法及特性研究》提出一种管路噪声的管外测量方法—混响小室法，该方法具有较高的信噪比，测量环境一般不受实验工况影响，但需要在所测管路系统周围搭建一个密封的混响小室，且未对中低频的共振段及低于第一阶模态频率以下频段的流噪声进行校准，无法得到流噪声的真值。
本发明的目的在于提供一种在混响水池中通过测量管路系统出口的辐射声功率级来评价水泵及管路声学特性的方法。
为实现上述发明目的，本发明所述的评价泵及管路系统声学特性的方法，其操作流程图如图1所示，主要通过以下几个步骤来实现：
(1)选择合适尺寸的混响水池。根据混响水池物理特性可估算混响水池的截止频率fs，具体估算方法如下：
若只考虑斜向波，体积为v的混响水池频率低于f的简正波平均总数为：
单位带宽内的简正波数为：
简正波共振峰的平均半功率带宽
这里，
混响水池混响场条件的截止频率决定于单位带宽内简正波的数目及简正波共振峰的半功率带宽。根据schroeder截止频率假定，满足混响场条件时，平均共振峰的半功率带宽内包含有三个简正波，因此，混响场条件可表示为：
由此可求得：
通过式(6)可确定混响水池的截止频率，并确定该方法的测量频率范围。
(2)混响水池混响时间t60的测量；
为确定混响水池的截止频率fs，需测量混响水池的混响时间t60。混响时间的测量采用中断声源法，测量系统附图2所示。由pulse(3560e)动态信号分析仪中的信号源产生的白噪声信号经功率放大器(b&k2713)放大后加到发射换能器。水听器收到的信号经测量放大器(b&k2692)放大后再送入到pulse动态信号分析仪便可得到1/3倍频程带宽内的混响时间。系统采用自动触发方式，当声源停止发射后，被测信号下降5db时系统自动开始记录，然后根据采集的数据计算出混响时间。
混响时间测量中会出现重复偏差和空间偏差。采用中断声源法测量混响时间时，测试信号为白噪声信号，由于其具有随机性，导致在声源终止发声时，其激发的简正波模式及程度也具有随机性，不同模式的混响时间是不同的，因此便产生了混响时间测量的重复偏差。为减少重复偏差，建议每个位置作10次测量并进行平均；同时为减少空间偏差，建议对声源及水听器分别进行多点空间平均，所有测点距离水池壁面及底面至少1.5米，声源及水听器至少取10个点进行空间平均。
(3)将待测管路的出水端垂直插入水池中，使水泵工作，向管路中注水，如图3，使管路系统处于充液状态。实验用管道系统有两种供水方式：高位水箱供水与水泵供水，高位水箱与管路系统通过软管相连，避免了水箱结构振动的影响，管路系统中装有流量计，控制管路中液体流速相同可对比相同流速下不同供水方式对管道系统噪声的影响；
(4)采用空间平均方法测量水泵及管路系统的空间平均声压级<spl>；
a.设备布置及连接
按图4布置测试系统，按图5、图6、图7布置水听器。128水听器与128通道测试系统相连，128通道测试系统与128路水听器连接采用的是bnc连接头。
b.测试准备
打开128通道测试系统和电脑，进入电脑打开测试系统软件对128路水听器进行灵敏度校准。
c.测试
打开水泵，使管路系统工作。稳定工作3分钟后，采用128通道测试系统测试90秒，采样率为51.2khz，测量得到每个通道的声压级，采用数据处理软件对采集的数据进行时间平均，再对128个通道的数据进行空间平均，得到空间平均声压级<spl>。
(5)根据混响声场内所测空间平均声压级可推算出声源的辐射声功率级swl，具体方法如下：
在混响水池中当声源辐射时，水池内部声能由直达声能与混响声能两部分组成。假设无指向性声源的平均辐射声功率为
式(8)中，r为混响水池常数，
同时考虑到
上式也可以写为：
若取1/(4πr2)＝4/r，则可以确定混响半径：
在此距离上，直达声与混响声大小相等。当r＞rh时，混响声起主要作用；当r＜rh时，直达声起主要作用。当r＞2rh时，混响声比直达声大很多，此时混响水池中的声以混响声为主，直达声可以忽略。定义此区域为混响控制区，则在混响水池的混响控制区测得的空间平均声压级与声源的辐射声功率级有如下关系：
混响水池常数r只与混响水池物理特性有关，其表达式为：
根据式(13)可求出泵及管路系统的声功率级swl，再利用后处理软件绘制出泵及管路系统的声功率级频响曲线，通过各特征峰值对泵及管路声学特性进行评价。式(13)右侧第二项称为修正量，表示的是在混响水池中混响控制区所测声源的空间平均声压级与其声功率级间的差值。该量只与混响水池特性有关而与声源无关，可通过在混响水池中测量混响时间得到。
本发明与现有技术相比，其优点在于：
(1)测量方法简单，易操作，实验效果明显，易于评价；
(2)不需要在管路内部安装测量水听器，因此，测量水听器不受湍流脉动压力的影响
(3)与小室法相比，可得到泵及管路系统辐射声功率真值，而小室法只能得到相对值
(4)只需普通的混响水池即可进行测量，测量成本极低。
图1本发明操作流程图
图2混响水池混响时间测试系统
图3台架管路实验系统
图4测试系统框图
图5水听器布放图
图6水听器布放俯视图
图7水听器布放侧视图
图8高位水箱供水与水泵供水的管路系统噪声对比
图中：1测量放大器(b&k2692)；2水听器；3混响水池；4球形换能器；5计算机1；6采集器(pulse3560e)；7功率放大器(b&k2713)；8高位水箱；9软管；10压力表；11水泵；12流量计；13管路系统；14测试系统(dh8306a)；15计算机2；16128路水听器阵列。
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