基于Sysnoise软件的循环水槽声场数值计算 - 文章

基于Sysnoise软件的循环水槽声场数值计算

作者：陈奕宏孙红星刘竹青韩用波

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1 引言

中国船舶科学研究中心的大型循环水槽是国内开展船舶推进器模型噪声试验研究最为理想试验设施。就模型噪声测量试验而言，其具有：低背景噪声；可以开展整船模型带推进器的噪声试验，模拟伴流场更加接近于实艇真实流场；建有专用的水声测量舱；水听器与推进器更远，有效测试频率范围更宽等优势。该试验设备自建成以后，已先后完成多型水面船舶和水下航行体的推进器模型声学试验，为我国船舶推进器噪声研究作出了重要贡献。

开展推进器模型噪声试验的主要目的是预报自由声场条件下推进器的声源谱级，而试验室的声场却不可能满足自由场的条件。因此，需要研究循环水槽试验室声场特性，进而建立循环水槽试验室声场与自由声场之间的修正关系。早在1987年，国际拖曳水池大会（International Towing Tank Conference，ITTC）就对空泡水筒的自由声场修正方法进行了讨论，并提出了自由场修正的试验方法。K.OHTA[2,3]（1987年）则采用边界元方法对日本船舶研究所（Ship Research Institute SRI）的空泡水筒进行了声场数值计算，计算结果表明空泡水筒的声场与自由声场差异较大，数值计算的结果与试验测量结果趋势一致。国外的空泡水筒和循环水槽均采用试验方法建立各自的自由场修正关系，但由于涉及军事秘密未能公开其具体过程与修正数据。

本文将采用Sysnoise软件中提供的边界元方法对循环水槽试验段中的声场进行数值计算，并与自由场中声源的辐射场进行对比，得到循环水槽试验段声场修正量的数值计算结果。本文计算分为两个部分：首先根据水槽试验段声场修正的试验方法，计算脉动球作为单极子声源的水槽试验段声场修正结果，并与试验测量结果进行比较。然后，根据螺旋桨噪声偶极子特性，计算偶极子声源的水槽试验段声场修正结果。

本文第二部分将介绍循环水槽试验段以及水声测量舱的边界元模型，第三部分中给出单极子声源的水槽试验段声场修正结果及与试验测量结果的比较、偶极子声源的水槽试验段声场修正结果。

2 循环水槽试验段的计算模型

2.1 循环水槽试验段和水声舱的模型

循环水槽试验段的尺寸为10.5m（长）×2.2m（宽）×2.0m（高）。试验段下方设有水声测量舱，尺寸为9.5m（长）×2.2m（宽）×2.0m（高）。图1、图2分别为循环水槽试验段和水声测量舱的照片。

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图1 大型循环水槽

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图2 循环水槽试验段下方的水声舱

为了减少水流对噪声测量的影响，水槽试验段和水声舱采用有机玻璃进行隔离。但有机玻璃的透声性能较好，计算中忽略其对声传播的影响。为了减弱壁面反射对噪声测量的影响，水声舱的四壁布满消声尖劈。因此，水声舱的计算模型尺寸取为：9.5m（长）×2.0m（宽）×2.0m（高）。图3为水槽试验段和水声舱的计算模型，网格尺寸为0.25m。

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图3 循环水槽试验段和水声舱的计算模型

2.2 边界条件

模型边界条件是本文计算中的关键。循环水槽中声源辐射场计算时，试验段的四壁作为刚性边界处理。水声舱的四壁布有消声尖劈，因此其边界则作为消声边界处理。考虑到试验段前后方分别为水槽的收缩段和扩散段，因此试验段的两个端面作为阻抗边界处理，其声阻抗为：

zn=ρ0c0

其中，ρ0、c0分别为水的密度和声速。

自由声场中声源辐射场计算时，所有壁面均作消声边界处理，也即壁面无声反射。

3 计算结果与分析

3.1 循环水槽中单极子球声源辐射声场计算结果

首先参照循环水槽试验段自由声场修正的试验方法，计算了脉动球源作为单极子声源的自由声场和水槽试验段中的声辐射。然后，对比自由场和水槽试验段中声辐射计算结果，得到单极子声源循环水槽试验段的声场修正量。计算时，脉动球源设置于试验段横截面的中心位置（距入口6.75m处），接收点取为水声舱内脉动球正下方1.25m处。

图4和图5是自由声场和水槽试验段中脉动球源的声辐射分布图。

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图4 自由声场中球声源辐射

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图5 水槽试验段中球声源辐射

为了验证计算的可靠性，本文开展了循环水槽试验段自由声场修正试验。试验中采用直径为40mm的小球作为声源，B&K8105水听器作为接收水听器，试验中采用1/3Oct分析仪处理噪声测量结果。自由场中脉动球声辐射测量试验在消声水池中进行。循环水槽中球源辐射噪声测量时，接收水听器位于水声舱内声源正下方1.25m处。最后，根据试验测量结果对比，得到循环水槽试验段声场修正量。图6是循环水槽试验段声场修正量的计算结果与试验结果比较。从图中可知，在315Hz～415Hz范围内边界元计算结果与试验结果差别在2dB以内，吻合较好。

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图6 计算结果与试验结果比较

3.2 循环水槽中偶极子声源辐射声场计算结果

众所周知，螺旋桨噪声有十分明显的偶极子声源特性。为了考察偶极子声源对循环水槽自由场修正的影响，本文分别计算了自由声场和循环水槽试验段中偶极子声源的辐射噪声，得出偶极子声源循环水槽试验段的声场修正量。偶极子声源的位置与球声源位置相同，接收点的位置也相同。偶极子声源强度定义为：

（D=10i+0j+10k）

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图9 偶极子声源结果与单极子声源结果比较

图7和图8是自由声场和水槽试验段中偶极子声源的声辐射分布图。图9是偶极子和单极子声源计算的循环水槽试验段声场修正结果比较。从图中可知，在315Hz～415Hz范围内偶极子和单极子声源循环水槽试验段声场修正数据随频率变化的趋势一致，两者在各个频率点上的修正数据存在差异。

4 结论

本文采用Sysnoise软件中提供的边界元方法分别对自由声场和循环水槽试验段中脉动球声源的辐射声场进行数值计算，并得到了单极子的循环水槽试验段声场修正数据。计算结果表明：数值计算得到的循环水槽试验段声场修正数据与试验结果吻合较好。然后，本文对自由声场和循环水槽试验段中偶极子声源的辐射声场进行数值计算，得到了偶极子声源的循环水槽试验段声场修正数据。计算结果表明：不同的声源在循环水槽试验段内的辐射声场不同，得到的循环水槽试验段声场修正关系也不同。

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/12/2009)


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